計算機模擬走入光學理論課堂

1、計算機模擬走入光學理論課堂計算機模擬走入光學理論課堂近二十年來，計算機技術的應用已浸透到社會消費、生活的方方面面，各行各業(yè)對人才的計算機應用程度的要求也越來越高。信息技術的高速開展對高校培養(yǎng)大學生才能提出了新要求，即：不僅具有扎實的專業(yè)知識，同時具有較高的計算機應用程度。對物理類專業(yè)教學而言，計算機技術的高速開展為傳統(tǒng)的物理教學提供了新手段，開拓了新相貌。專業(yè)課教學與計算機模擬相結合，不但可以加深學生對專業(yè)知識的理解，同時進步了學生應用計算機解決實際問題的才能。本文基于光學干預實驗的計算機模擬，展示了光源的非單色性對干預條紋襯比度的影響，進而說明計算機模擬如何與專業(yè)課的教學相結合，怎樣到達計算

2、機教學和專業(yè)課教學的相伴相長。據(jù)統(tǒng)計，約有30%的物理論文需要應用計算機模擬，因此物理教學應用計算機輔助是非常必要的，此外光學課程的特點為計算機模擬與專業(yè)課程相結合提供了很好的載體。首先，光學課程一般在大二階段開設，此時學生已經(jīng)有了一定的計算機根底編程知識，為計算機模擬走入光學課堂提供了保障。其次，光學現(xiàn)象豐富多樣，可視化強，而計算機模擬可逼真再現(xiàn)光學現(xiàn)象，為計算機模擬走入光學課堂提供了可操作性。再次，計算機模擬可以通過調節(jié)各參數(shù)展示各物理量對光學現(xiàn)象的影響，并且不同的圖樣可同時呈如今一張圖片上，方便比對圖像變化，有利于加深學生對光學現(xiàn)象的本質掌握。光的干預、衍射是光的根本現(xiàn)象，它們提醒了光的

3、波動性，是波動光學的重要教學內容，并且是研究光源性質以及認識光的本質的重要工具。本文以楊氏雙縫干預為例，展示了在光的干預教學中可充分應用演示型模擬、實驗性模擬、討論性模擬和應用型模擬，分階段分層次地引發(fā)學生興趣激發(fā)求知欲望深化知識的掌握討論物理現(xiàn)象的應用，到達良好的教學效果。首先，應用演示型計算機模擬引發(fā)學生興趣。楊氏雙縫干預是通過兩個狹縫的光在空間振動的相干疊加，形本錢文由論文聯(lián)盟.Ll.搜集整理明暗干預條紋。對于低年級大學生而言，這種干預現(xiàn)象是新穎和奇妙的，因此理論課堂上對這一現(xiàn)象的演示能充分引發(fā)學生的學習興趣。但是，在課堂上進展真實的實驗演示較難實現(xiàn)，一方面實驗儀器不易搬動，另一方面實驗

4、儀器操作耗時太多。而應用計算機模擬進展演示更方便省時，并且可到達很好的教學效果。當前的大學教室普遍裝有計算機和投影儀，光學現(xiàn)象的計算機模擬演示僅僅在于運行一個小程序，在一秒鐘之內光學現(xiàn)象的演示即可投影到屏幕上。然后，應用實驗性計算機模擬激發(fā)學生求知欲望。老師通過改變程序中縫寬和縫到屏的間隔 ，考察模擬干預場條紋的變化，進而發(fā)問為什么會有這種變化，進一步激發(fā)學生的求知欲望，從而自然的引入楊氏雙縫干預的理論內容。波長為的單色光入射到雙縫，通過雙縫的光強分別為的兩束光到達同一場點x處，其光程分別為。兩束光相干疊加后，場點x處總光強為。屏上不同位置，兩束光的相位差不同，干預光強亦不同。隨著場點到屏中心

5、間隔 的變化，干預光強呈周期性分布。進而引出兩束光相干的根本條件，即相位差恒定，頻率一樣。再次仔細觀察演示的干預條紋特征，如條紋是等間距的，屏中心為亮條紋。從這些條紋特征入手，進一步從理論上分析引起這些現(xiàn)象原因，得到干預條紋的間距公式。老師課前在程序中添加不同的縫寬以及縫到屏的間隔 的定義語句，在課堂中選用不同的定義語句，進展多種實驗性模擬演示，觀察干預條紋的變化，驗證條紋間距公式，強化學生對知識的掌握。提問：根據(jù)光強公式，可知屏上最大光強為：，最小光強為：。假設兩束光單獨存在的光強相等，根據(jù)條紋的襯比度定義：可得此時的條紋襯比度為1，即條紋最明晰。接著，應用討論性計算機模擬加強學生對干預現(xiàn)象

6、的掌握。老師提問，為什么在楊氏干預實驗中用了單色光，條紋的襯比度高，條紋明晰，假設用非單色光進展實驗會出現(xiàn)什么樣的現(xiàn)象。進一步激發(fā)學生考慮，到達加深學生對干預現(xiàn)象的掌握的目的。老師在程序中改動光源的波長，讓學生觀察條紋寬度的變化。然后，使兩個波長的光同時照射狹縫，模擬用雙色場進展楊氏干預實驗的現(xiàn)象，模擬結果如圖1所示。包含頻率1和2的雙色光源照射雙縫S1和S2，觀察屏上對應兩套襯比度為1的明晰干預條紋，兩單色光的干預光強的非相干疊加使總光場的襯比度發(fā)生變化。圖1顯示，兩單色光的干預光強在屏中心處都達最大值，此處總光場的條紋襯比度近似為1，條紋非常明晰。隨著場點到屏中心的間隔 增大，兩套干預圖樣

7、的同一級明紋間距增大，直到1干預條紋的明紋處恰好對應2干預條紋的暗紋，如圖2中兩條點劃線所示，此時總光場的條紋襯比度為0，條紋最模糊。場點到屏中心的間隔 繼續(xù)增大，觀察屏上條紋再次逐漸變的明晰?？梢姡p色光源的雙縫干預光場的條紋襯比度隨場點到屏中心的間隔 呈現(xiàn)周期性變化。這一討論性計算機模擬，進一步加強了學生對干預的條件之一：兩束光頻率一樣的掌握和理解。最后，采用應用型計算機模擬，啟發(fā)學生對干預現(xiàn)象進展應用?？紤]到嚴格的單色光源是不存在的，即便是單色性較高的激光也有一定的頻譜寬度。因此老師啟發(fā)學生，能不能應用襯比度的變化測量激光脈沖的脈寬。采用光強與頻率關系為：的高斯型激光脈沖。屏中心附近區(qū)域

8、，條紋仍然明晰條紋襯比度高;隨著場點到屏中心間隔 的增大，條紋襯比度減小，甚至減小到零;場點間隔 繼續(xù)增大，條紋再次出現(xiàn)，但條紋的襯比度小;場點間隔 增大到一定程度，干預條紋消失。改變激光脈寬，計算機模擬結果顯示，屏中心條紋明晰的區(qū)域寬度隨著激光脈寬的減小而增大。老師可啟發(fā)學生課后進展考慮，在激光脈寬和中心干預條紋明晰區(qū)域建立數(shù)值對應。計算機模擬中，曲線顯示如圖2和光強在屏上的平面展示如圖3相結合，更有利于分析光強的變化，這一點是真實的光學實驗較難實現(xiàn)的。計算機模擬展示的過程中，老師可適當演示計算機編程語句的邏輯性，以及不同圖像顯示函數(shù)的奇妙功能，在專業(yè)知識的教學中，適當激發(fā)大學生應用計算機解決實際問題的興趣。老師以留課后作業(yè)的形式，讓學生自主模擬光學現(xiàn)象。學生必須深化理解光學現(xiàn)象的本質，才能針對相應現(xiàn)象進展正確的模擬，因此光學現(xiàn)象的模擬過程同時是對光學知識的深化理解過程。計算機模擬作業(yè)在穩(wěn)固學生對知識的掌握上更優(yōu)于純粹的套用公式進展計算的傳統(tǒng)作業(yè)。計算機模擬光學現(xiàn)象，光場的干預圖樣明晰，可視化程度高，充分利用了高校多媒體教室的功能，操作方便快捷，并且可方便地改變參數(shù)考察現(xiàn)象的變化，有助于學生理解各參量對光學現(xiàn)象的影響。在光學課堂中適時地應用計算機模擬可以分層級起到引發(fā)學生學習興趣，激發(fā)他們的求知欲望，深化他們對專業(yè)知識的掌握以及討論物理現(xiàn)象的應用，教學效果好。計算機模擬走入