計算機輔助工程光學教學研究

蘇宙平,賈利群

(江南大學理學院,江蘇無錫 214122)

計算機輔助工程光學教學研究

蘇宙平,賈利群

(江南大學理學院,江蘇無錫 214122)

將計算機輔助教學的手段運用到工程光學的教學中,引入光學工程和數(shù)學類的相關(guān)商業(yè)軟件,如 Tracepro和Matlab等,使一些比較抽象的光學規(guī)律變得很直觀,學生掌握起來更為容易.

工程光學;計算機輔助教學;Tracepro;Matlab

光學已成為一門越來越重要的學科,傳統(tǒng)的教育方法比較枯燥,不夠直觀,因此不能引起學生的學習興趣,很難取得好的教學效果,隨著計算機軟件技術(shù)的不斷發(fā)展,有很多功能強大的工程軟件不斷被開發(fā)出來,如Matlab[1]、Mathematic[2]等,甚至還有很多針對工程光學的軟件也應運而生,如針對光學設(shè)計的軟件 Zemax[3],用于光學仿真的軟件 Tracepro[4]等.如果能把這些軟件應用到工程光學教學中,不僅能夠拓展學生的技能,還能夠激發(fā)學生的興趣,取得較好的教學效果.

1 計算機輔助幾何光學教學

棱鏡是一種常用的光學元件,可以用來轉(zhuǎn)向光路,也可以用來將多色光分開[5].棱鏡的教學是工程光學里面的一個很重要的內(nèi)容.為了加強學生對棱鏡光線偏折和色散的作用這兩個現(xiàn)象的認識,我們在光學仿真軟件 Tracepro中建立了一個 45°棱鏡,通過光線追擊可以清晰地看到光線通過棱鏡以后產(chǎn)生偏折的結(jié)果(圖 1),并且復色光通過以后還產(chǎn)生了色散現(xiàn)象.光線在棱鏡中傳播時,除了折射現(xiàn)象,也有可能發(fā)生全反射.當光線由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)時,當入射角大于臨界角時,就會發(fā)生全反射.這仍然可以利用 Tracepro軟件來仿真.光線在入射到棱鏡的第 2個面上以后,并沒有發(fā)生折射,而是發(fā)生了全反射 (圖 2).利用光線在棱鏡中的全反射也可以改變光線的傳播方向(圖 3),這種系統(tǒng)來改變光路的傳播方向可以使光學系統(tǒng)變得比較緊湊且容易裝調(diào).光線經(jīng)過棱鏡后,總是沿著底邊偏折,這一規(guī)律可以用光學仿真軟件 Tracepro來驗證(圖 4).

2 計算機輔助波動光學教學

衍射現(xiàn)象是光學教學中的一個非常重要的內(nèi)容.夫瑯和費衍射是一種遠場衍射,夫瑯和費衍射的遠場光強分布,計算公式比較復雜,因此學生學習起來常常感到比較困難.大多數(shù)學生都是簡單地背公式,而很難清晰地掌握夫瑯和費衍射的遠場光強分布規(guī)律.為此,可以要求學生用Matlab設(shè)計程序,來計算夫瑯和費衍射的遠場光強分布.為了能夠更好地理解夫瑯和費衍射的遠場光強分布規(guī)律,分別計算不同的雙縫間距.如圖 5和圖 6所示,分別畫出雙峰間距,其值為縫寬的 3倍(d=3a,d是雙縫間距,a是縫寬)和 6倍(d=6a,d是雙縫間距,a是縫寬)時的光強分布.從圖中可直接看出d=3a時缺第 ±3,±6,±9級,d=6a時缺 ±6,±12級.通過設(shè)計程序來計算這個遠場分布圖,學生可以更直觀地了解夫瑯和費雙縫衍射.

3 結(jié)語

對于工程光學教學,傳統(tǒng)的教學方法大多數(shù)是致力于復雜公式和定律的推導,這樣導致教學過程極其枯燥,很難激發(fā)學生的學習興趣.在工程光學的教學中應用 Tracepro、Matlab等軟件,會使一些復雜的公式和規(guī)律的物理意義變得直觀、明確,便于學生掌握,從而有效地改善教學效果.

[1] TheMathworks Inc.Matlab-the language of technical computing[EB/OL].[2010-06-10].http://www.mathworks.com/products/matlab.

[2] Wolfram Research Inc.Wolfram Mathematica 7計算開發(fā)應用[EB/OL].[2010-06-10].http://www.wolfram.com/products/mathematica/ index.zh.html.

[3] ZemaxDevelopment Corporation.Zemax:software for optical system design[EB/OL].[2010-06-10].http://www.zemax.com.

[4] Lambda Research Corporation.Tracepro opto-mechanical design software[EB/OL].[2010-06-10].http://www.lambdares.com/software_products/tracepro/tracepro.

[5] 郁道銀,談恒英.工程光學基礎(chǔ)教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

Computer-Aided I nstruction in Eng ineer ing Optics

SU Zhou-ping,J IA Li-qun

(School of Science,Jiangnan University,W uxi214122,China)

Computer-aided instruction was applied to the teaching of engineering optics,such as use of commercial sof tware,Tracepro andMatlab.As a result,some sophisticated optical laws turn to be obvious and can be grasped by students easily.

engineering optics;computer-aided instruction;Tracepro;Matlab

G642.423

A

1007-0834(2010)04-0057-02

10.3969/j.issn.1007-0834.2010.04.020

2010-09-10

蘇宙平(1978—),男,山西朔州人,江南大學理學院講師,博士.