计算机模拟走入光学理论课堂.doc

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1、计算机模拟走入光学理论课堂　　近二十年来，计算机技术的应用已渗透到社会生产、生活的方方面面，各行各业对人才的计算机应用水平的要求也越来越高。信息技术的高速发展对高校培养大学生能力提出了新要求，即：不仅具有扎实的专业知识，同时具有较高的计算机应用水平。对物理类专业教学而言，计算机技术的高速发展为传统的物理教学提供了新手段，开辟了新面貌。专业课教学与计算机模拟相结合，不但可以加深学生对专业知识的理解，同时提高了学生应用计算机解决实际问题的能力。　　本文基于光学干涉实验的计算机模拟，展示了光源的非单色性对干涉条

2、纹衬比度的影响，进而说明计算机模拟如何与专业课的教学相结合，怎样达到计算机教学和专业课教学的相伴相长。　　据统计，约有30%的物理论文需要应用计算机模拟，因此物理教学应用计算机辅助是非常必要的，此外光学课程的特点为计算机模拟与专业课程相结合提供了很好的载体。首先，光学课程一般在大二阶段开设，此时学生已经有了一定的计算机基础编程知识，为计算机模拟走入光学课堂提供了保障。其次，光学现象丰富多样，可视化强，而计算机模拟可逼真再现光学现象，为计算机模拟走入光学课堂提供了可操作性。再次，计算机模拟可以通过调节各参数

3、展示各物理量对光学现象的影响，并且不同的图样可同时呈现在一张图片上，方便比对图像变化，有利于加深学生对光学现象的本质掌握。　　光的干涉、衍射是光的基本现象，它们揭示了光的波动性，是波动光学的重要教学内容，并且是研究光源性质以及认识光的本质的重要工具。本文以杨氏双缝干涉为例，展示了在光的干涉教学中可充分应用演示型模拟、实验性模拟、探讨性模拟和应用型模拟，分阶段分层次地引发学生兴趣——激发求知欲望——深化知识的掌握——探讨物理现象的应用，达到良好的教学效果。　　首先，应用“演示型计算机模拟”引发学生兴趣。杨氏

4、双缝干涉是通过两个狭缝的光在空间振动的相干叠加，形成联盟明暗干涉条纹。对于低年级大学生而言，这种干涉现象是新鲜和奇妙的，因而理论课堂上对这一现象的演示能充分引发学生的学习兴趣。但是，在课堂上进行真实的实验演示较难实现，一方面实验仪器不易搬动，另一方面实验仪器操作耗时太多。而应用计算机模拟进行演示更方便省时，并且可达到很好的教学效果。当前的大学教室普遍装有计算机和投影仪，光学现象的计算机模拟演示仅仅在于运行一个小程序，在一秒钟之内光学现象的演示即可投影到屏幕上。　　然后，应用“实验性计算机模拟”激发学生求知

5、欲望。教师通过改变程序中缝宽和缝到屏的距离，考察模拟干涉场条纹的变化，进而发问为什么会有这种变化，进一步激发学生的求知欲望，从而自然的引入杨氏双缝干涉的理论内容。波长为的单色光入射到双缝，通过双缝的光强分别为的两束光到达同一场点x处，其光程分别为。两束光相干叠加后，场点x处总光强为。屏上不同位置，两束光的相位差不同，干涉光强亦不同。随着场点到屏中心距离的变化，干涉光强呈周期性分布。进而引出两束光相干的基本条件，即相位差恒定，频率相同。再次仔细观察演示的干涉条纹特征，如条纹是等间距的，屏中心为亮条纹。从这些

6、条纹特征入手，进一步从理论上分析引起这些现象原因，得到干涉条纹的间距公式。教师课前在程序中添加不同的缝宽以及缝到屏的距离的定义语句，在课堂中选用不同的定义语句，进行多种实验性模拟演示，观察干涉条纹的变化，验证条纹间距公式，强化学生对知识的掌握。提问：根据光强公式，可知屏上最大光强为： ，最小光强为： 。若两束光单独存在的光强相等，根据条纹的衬比度定义：  可得此时的条纹衬比度为1，即条纹最清晰。　　接着，应用“探讨性计算机模拟”加强学生对干涉现象的掌握。教师提问，为什么在杨氏干涉实验中用了单色光，条纹的衬

7、比度高，条纹清晰，若用非单色光进行实验会出现什么样的现象。进一步激发学生思考，达到加深学生对干涉现象的掌握的目的。教师在程序中改动光源的波长，让学生观察条纹宽度的变化。然后，使两个波长的光同时照射狭缝，模拟用双色场进行杨氏干涉实验的现象，模拟结果如图1所示。包含频率λ1和λ2的双色光源照射双缝S1和S2，观察屏上对应两套衬比度为1的清晰干涉条纹，两单色光的干涉光强的非相干叠加使总光场的衬比度发生变化。图1显示，两单色光的干涉光强在屏中心处都达最大值，此处总光场的条纹衬比度近似为1，条纹非常清晰。随着场点到

8、屏中心的距离增大，两套干涉图样的同一级明纹间距增大，直到λ1干涉条纹的明纹处恰好对应λ2干涉条纹的暗纹，如图2中两条点划线所示，此时总光场的条纹衬比度为0，条纹最模糊。场点到屏中心的距离继续增大，观察屏上条纹再次逐渐变的清晰。可见，双色光源的双缝干涉光场的条纹衬比度随场点到屏中心的距离呈现周期性变化。这一探讨性计算机模拟，进一步加强了学生对干涉的条件之一：两束光频率相同的掌握和理解。　　最后，采用“应用型计算机模拟”，启发学生