計算機模擬走入光學(xué)理論課堂論文
計算機模擬走入光學(xué)理論課堂論文
計算機模擬展示的過程中，教師可適當(dāng)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(xué)中，適當(dāng)激發(fā)大學(xué)生應(yīng)用計算機解決實際問題的興趣。今天學(xué)習(xí)啦小編要與大家分享的是:,具體內(nèi)容如下,希望能幫助到大家!
計算機模擬走入光學(xué)理論課堂
近二十年來，計算機技術(shù)的應(yīng)用已滲透到社會生產(chǎn)、生活的方方面面，各行各業(yè)對人才的計算機應(yīng)用水平的要求也越來越高。信息技術(shù)的高速發(fā)展對高校培養(yǎng)大學(xué)生能力提出了新要求，即：不僅具有扎實的專業(yè)知識，同時具有較高的計算機應(yīng)用水平。對物理類專業(yè)教學(xué)而言，計算機技術(shù)的高速發(fā)展為傳統(tǒng)的物理教學(xué)提供了新手段，開辟了新面貌。專業(yè)課教學(xué)與計算機模擬相結(jié)合，不但可以加深學(xué)生對專業(yè)知識的理解，同時提高了學(xué)生應(yīng)用計算機解決實際問題的能力。
本文基于光學(xué)干涉實驗的計算機模擬，展示了光源的非單色性對干涉條紋襯比度的影響，進而說明計算機模擬如何與專業(yè)課的教學(xué)相結(jié)合，怎樣達到計算機教學(xué)和專業(yè)課教學(xué)的相伴相長。
據(jù)統(tǒng)計，約有30%的物理論文需要應(yīng)用計算機模擬，因此物理教學(xué)應(yīng)用計算機輔助是非常必要的，此外光學(xué)課程的特點為計算機模擬與專業(yè)課程相結(jié)合提供了很好的載體。首先，光學(xué)課程一般在大二階段開設(shè)，此時學(xué)生已經(jīng)有了一定的計算機基礎(chǔ)編程知識，為計算機模擬走入光學(xué)課堂提供了保障。其次，光學(xué)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(xué)現(xiàn)象，為計算機模擬走入光學(xué)課堂提供了可操作性。再次，計算機模擬可以通過調(diào)節(jié)各參數(shù)展示各物理量對光學(xué)現(xiàn)象的影響，并且不同的圖樣可同時呈現(xiàn)在一張圖片上，方便比對圖像變化，有利于加深學(xué)生對光學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)掌握。
光的干涉、衍射是光的基本現(xiàn)象，它們揭示了光的波動性，是波動光學(xué)的重要教學(xué)內(nèi)容，并且是研究光源性質(zhì)以及認識光的本質(zhì)的重要工具。本文以楊氏雙縫干涉為例，展示了在光的干涉教學(xué)中可充分應(yīng)用演示型模擬、實驗性模擬、探討性模擬和應(yīng)用型模擬，分階段分層次地引發(fā)學(xué)生興趣——激發(fā)求知欲望——深化知識的掌握——探討物理現(xiàn)象的應(yīng)用，達到良好的教學(xué)效果。
首先，應(yīng)用“演示型計算機模擬”引發(fā)學(xué)生興趣。楊氏雙縫干涉是通過兩個狹縫的光在空間振動的相干疊加，形成明暗干涉條紋。對于低年級大學(xué)生而言，這種干涉現(xiàn)象是新鮮和奇妙的，因而理論課堂上對這一現(xiàn)象的演示能充分引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但是，在課堂上進行真實的實驗演示較難實現(xiàn)，一方面實驗儀器不易搬動，另一方面實驗儀器操作耗時太多。而應(yīng)用計算機模擬進行演示更方便省時，并且可達到很好的教學(xué)效果。當(dāng)前的大學(xué)教室普遍裝有計算機和投影儀，光學(xué)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(nèi)光學(xué)現(xiàn)象的演示即可投影到屏幕上。
然后，應(yīng)用“實驗性計算機模擬”激發(fā)學(xué)生求知欲望。教師通過改變程序中縫寬和縫到屏的距離，考察模擬干涉場條紋的變化，進而發(fā)問為什么會有這種變化，進一步激發(fā)學(xué)生的求知欲望，從而自然的引入楊氏雙縫干涉的理論內(nèi)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，干涉光強亦不同。隨著場點到屏中心距離的變化，干涉光強呈周期性分布。
進而引出兩束光相干的基本條件，即相位差恒定，頻率相同。再次仔細觀察演示的干涉條紋特征，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，得到干涉條紋的間距公式。教師課前在程序中添加不同的縫寬以及縫到屏的距離的定義語句，在課堂中選用不同的定義語句，進行多種實驗性模擬演示，觀察干涉條紋的變化，驗證條紋間距公式，強化學(xué)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： 。若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，即條紋最清晰。接著，應(yīng)用“探討性計算機模擬”加強學(xué)生對干涉現(xiàn)象的掌握。
教師提問，為什么在楊氏干涉實驗中用了單色光，條紋的襯比度高，條紋清晰，若用非單色光進行實驗會出現(xiàn)什么樣的現(xiàn)象。進一步激發(fā)學(xué)生思考，達到加深學(xué)生對干涉現(xiàn)象的掌握的目的。教師在程序中改動光源的波長，讓學(xué)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，模擬用雙色場進行楊氏干涉實驗的現(xiàn)象，模擬結(jié)果如圖1所示。包含頻率λ1和λ2的雙色光源照射雙縫S1和S2，觀察屏上對應(yīng)兩套襯比度為1的清晰干涉條紋，兩單色光的干涉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，兩單色光的干涉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，條紋非常清晰。隨著場點到屏中心的距離增大，兩套干涉圖樣的同一級明紋間距增大，直到λ1干涉條紋的明紋處恰好對應(yīng)λ2干涉條紋的暗紋，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。場點到屏中心的距離繼續(xù)增大，觀察屏上條紋再次逐漸變的清晰?？梢?，雙色光源的雙縫干涉光場的條紋襯比度隨場點到屏中心的距離呈現(xiàn)周期性變化。這一探討性計算機模擬，進一步加強了學(xué)生對干涉的條件之一：兩束光頻率相同的掌握和理解。
最后，采用“應(yīng)用型計算機模擬”，啟發(fā)學(xué)生對干涉現(xiàn)象進行應(yīng)用。考慮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。因而教師啟發(fā)學(xué)生，能不能應(yīng)用襯比度的變化測量激光脈沖的脈寬。采用光強與頻率關(guān)系為：的高斯型激光脈沖。屏中心附近區(qū)域，條紋依然清晰條紋襯比度高;隨著場點到屏中心距離的增大，條紋襯比度減小，甚至減小到零;場點距離繼續(xù)增大，條紋再次出現(xiàn)，但條紋的襯比度小;場點距離增大到一定程度，干涉條紋消失。改變激光脈寬，計算機模擬結(jié)果顯示，屏中心條紋清晰的區(qū)域?qū)挾入S著激光脈寬的減小而增大。教師可啟發(fā)學(xué)生課后進行思考，在激光脈寬和中心干涉條紋清晰區(qū)域建立數(shù)值對應(yīng)。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(jié)合，更有利于分析光強的變化，這一點是真實的光學(xué)實驗較難實現(xiàn)的。
計算機模擬展示的過程中，教師可適當(dāng)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(xué)中，適當(dāng)激發(fā)大學(xué)生應(yīng)用計算機解決實際問題的興趣。教師以留課后作業(yè)的形式，讓學(xué)生自主模擬光學(xué)現(xiàn)象。學(xué)生必須深刻理解光學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)，才能針對相應(yīng)現(xiàn)象進行正確的模擬，因此光學(xué)現(xiàn)象的模擬過程同時是對光學(xué)知識的深入理解過程。計算機模擬作業(yè)在鞏固學(xué)生對知識的掌握上更優(yōu)于純粹的套用公式進行計算的傳統(tǒng)作業(yè)。
計算機模擬光學(xué)現(xiàn)象，光場的干涉圖樣清晰，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(xué)生理解各參量對光學(xué)現(xiàn)象的影響。在光學(xué)課堂中適時地應(yīng)用計算機模擬可以分層級起到引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)他們的求知欲望，深化他們對專業(yè)知識的掌握以及探討物理現(xiàn)象的應(yīng)用，教學(xué)效果好。計算機模擬走入光學(xué)理論課堂，在展示奇妙的光學(xué)干涉現(xiàn)象的同時，也充分顯示了計算機作為工具，處理實際問題的強大功能。
因此，計算機模擬光學(xué)現(xiàn)象，在深化學(xué)生對專業(yè)知識掌握的同時，激發(fā)了他們應(yīng)用計算機處理實際問題的熱情?？傊嬎銠C模擬光學(xué)現(xiàn)象是傳統(tǒng)光學(xué)教學(xué)的有益補充和輔助，也是當(dāng)今數(shù)字化教學(xué)的必然要求。