物理光學(xué)課程中的可視化研究

田彩星

(山西省太原工業(yè)學(xué)院 030000)

物理光學(xué)作為一門關(guān)鍵的學(xué)科，在該學(xué)科的教育教學(xué)工作開展上，有一定的復(fù)雜性.從學(xué)科自身的性質(zhì)角度出發(fā)來(lái)看，物理光學(xué)課程本身內(nèi)容復(fù)雜、深?yuàn)W，所以學(xué)生在進(jìn)行物理光學(xué)課程知識(shí)的學(xué)習(xí)上，難免會(huì)有較大的難度.為此，在當(dāng)前物理光學(xué)課程教學(xué)工作開展上，如何有針對(duì)性的進(jìn)行教學(xué)模式的變革，成為物理光學(xué)教師在課程教學(xué)過(guò)程中必須考慮的問(wèn)題.隨著教育教學(xué)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，引入可視化理念開展物理光學(xué)課程教學(xué)成為物理光學(xué)教師關(guān)注的焦點(diǎn).在當(dāng)前科技領(lǐng)域中，一款公認(rèn)的最優(yōu)秀軟件即Matlab.該軟件在應(yīng)用上，可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)計(jì)算、繪圖以及建模和編程一體化運(yùn)作，有非常強(qiáng)大的應(yīng)用功能.在進(jìn)行具體的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)上，通過(guò)在物理光學(xué)課程教學(xué)中引入Matlab應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)可視化的光學(xué)實(shí)驗(yàn)效果，有助于學(xué)生在知識(shí)學(xué)習(xí)上實(shí)現(xiàn)抽象到形象思維的轉(zhuǎn)換，從而促使學(xué)生在進(jìn)行物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)上，能夠?qū)鈱W(xué)實(shí)驗(yàn)的物理內(nèi)涵有深入洞察，了解物理光學(xué)概念、探尋規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生出色的物理光學(xué)課程學(xué)習(xí)興趣，潛移默化培養(yǎng)學(xué)生出色的物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力.

1 物理光學(xué)課程可視化中Matlab應(yīng)用的意義

對(duì)于物理光學(xué)課程的教學(xué)工作踐行來(lái)說(shuō)，教師在教學(xué)工作開展上，不僅要通過(guò)課堂知識(shí)講授，讓學(xué)生對(duì)物理光學(xué)這門課程有一定的了解，同時(shí)還要求教師在課堂教學(xué)活動(dòng)踐行上，能夠真正的通過(guò)教育引導(dǎo)，幫助學(xué)生掌握扎實(shí)的物理光學(xué)知識(shí)，并能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去進(jìn)行實(shí)踐中遇到問(wèn)題的妥善解決.但是從現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，考慮到物理光學(xué)課程本身涉及到的內(nèi)容復(fù)雜、深?yuàn)W，所以單純憑借傳統(tǒng)的講解式教學(xué)難以達(dá)成預(yù)期的教學(xué)效果.而且教師通過(guò)講解式的方式進(jìn)行物理光學(xué)課程講授，難以真正進(jìn)行一些物理光學(xué)現(xiàn)象的展示，不利于學(xué)生深入理解物理光學(xué)內(nèi)容.Matlab軟件在應(yīng)用上，可以通過(guò)可視化的方式將計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)呈現(xiàn)出來(lái)，有助于實(shí)現(xiàn)抽象思維到形象思維的轉(zhuǎn)換.結(jié)合物理光學(xué)課程的教學(xué)實(shí)踐來(lái)說(shuō)，在過(guò)程中涉及到眾多概念的講解，而且內(nèi)容較為抽象，所以在教學(xué)實(shí)踐上一般會(huì)涉及到大量的光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué).在教學(xué)過(guò)程中，針對(duì)很多光學(xué)現(xiàn)象以及規(guī)律的教學(xué)不具備較為完善的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，這也導(dǎo)致學(xué)生在光學(xué)課程學(xué)習(xí)上會(huì)有較多的困難.立足物理光學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)說(shuō)，教師在教學(xué)上要盡可能為學(xué)生提供更豐富進(jìn)行物理現(xiàn)象觀察的機(jī)會(huì)，激發(fā)學(xué)生的物理知識(shí)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生良好的觀察習(xí)慣，讓學(xué)生通過(guò)具體的觀察培養(yǎng)出色物理思維能力，提升物理創(chuàng)新能力.這對(duì)于改善物理課堂教學(xué)效果有積極意義.

2 物理光學(xué)課程中利用Matlab進(jìn)行可視化教學(xué)的實(shí)踐分析

隨著當(dāng)前物理學(xué)科教學(xué)技術(shù)的提升，以及各種先進(jìn)教學(xué)手段的涌現(xiàn)，對(duì)物理學(xué)科的教學(xué)工作開展也提出了更高的要求.在物理光學(xué)課程教學(xué)實(shí)踐上，由于光學(xué)課程涉及到的概念較多，而且在知識(shí)講授上有較為明顯的抽象表現(xiàn)，所以引入可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理光學(xué)課程教學(xué)對(duì)激發(fā)學(xué)生進(jìn)行物理光學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣，提升物理光學(xué)課程教學(xué)效果有積極推動(dòng)作用.結(jié)合物理光學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容，在利用Matlab開展可視化教學(xué)的過(guò)程中，可以結(jié)合不同物理光學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容差異，有針對(duì)性引入Matlab軟件，提升物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化教學(xué)效果.

2.1 借助Matlab模擬彩色汞光譜

相較于單色光來(lái)說(shuō)，在當(dāng)前文獻(xiàn)研究中，針對(duì)彩色原子光譜干涉以及衍射的仿真模擬十分有限，在研究中依然為空白狀態(tài).所以在物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真上，很多研究人員在仿真模擬方面僅僅是立足單色光角度出發(fā)進(jìn)行針對(duì)性的模擬，但是在模擬過(guò)程中難以獲取較為理想的白光仿真模擬效果，針對(duì)彩色光譜模擬仿真更是鮮有報(bào)道.

本文在觀點(diǎn)分析上，立足物理光學(xué)課程教學(xué)出發(fā)，立足不同色譜光源譜線展開針對(duì)性的仿真模擬，結(jié)合彩色光對(duì)應(yīng)的RGB合成理論出發(fā)，借助Matlab可視化程序進(jìn)行光柵衍射實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，在一定程度上就目前物理光學(xué)課程教學(xué)研究中一般光源色彩光譜資源缺失的情況做出了相應(yīng)的彌補(bǔ).在具體實(shí)現(xiàn)上，設(shè)定光柵的單元數(shù)量共計(jì)是N個(gè)，單一單元對(duì)應(yīng)的透光縫寬度一般是a，對(duì)于不透光部分而言，其對(duì)應(yīng)寬度用b表述，在過(guò)程中存在一個(gè)光柵常數(shù)d.為此可以通過(guò)下述共識(shí)進(jìn)行夫瑯以及費(fèi)光柵衍射場(chǎng)光強(qiáng)分布的表述：

(1)

結(jié)合上述公式的內(nèi)容表述，在進(jìn)行具體的計(jì)算分析上，可以結(jié)合不同參數(shù)的調(diào)整，從而獲取到不同效果的汞原子可見光范疇彩色光譜圖.具體參考圖1展示的內(nèi)容.

圖1

按照?qǐng)D1展示的內(nèi)容，在進(jìn)行光譜圖的內(nèi)容呈現(xiàn)上，不僅有零級(jí)譜線的存在，而且在過(guò)程中還可以清晰看到±1、±2級(jí)和部分三級(jí)光譜.在譜線級(jí)數(shù)不斷提升的情況下，對(duì)應(yīng)呈現(xiàn)出的譜線也有更為細(xì)銳表現(xiàn).結(jié)合仿真模擬結(jié)果和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比對(duì)，二者之間有較高的一致性.在進(jìn)行仿真模擬的過(guò)程中，若是適度進(jìn)行光柵常數(shù)的縮減，尤其是有針對(duì)性進(jìn)行光柵刻痕總數(shù)N的提升，能夠在一定程度上提升光柵光譜的分辨率.所以在可視化實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，若是想要獲取到能夠和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)契合的細(xì)銳光譜，則要求在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作上必須要實(shí)現(xiàn)光柵總刻痕數(shù)的提升，此外合理進(jìn)行光柵常數(shù)的針對(duì)性縮減.

可見，在當(dāng)前物理光學(xué)知識(shí)的講授上，教師通過(guò)借助Matlab模擬彩色汞光譜方式進(jìn)行相應(yīng)知識(shí)的教學(xué)，能夠讓學(xué)生更直觀的理解教師講授的知識(shí)，同時(shí)還有助于激發(fā)學(xué)生進(jìn)行物理光學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)興趣.所以在當(dāng)前物理光學(xué)的課程教學(xué)工作踐行上，借助Matlab模擬彩色汞光譜的方式對(duì)改善物理光學(xué)課堂教學(xué)效果有很好的幫助.

2.2 氫原子巴爾末線系譜線的彩色光譜仿真模擬

在物理光學(xué)課程教學(xué)中，其中一個(gè)關(guān)鍵的內(nèi)容就是氫原子巴爾末線系可見光光譜的測(cè)量與分析.無(wú)論是從近代物理學(xué)的發(fā)展，亦或是從量子物理學(xué)的發(fā)展來(lái)說(shuō)，氫光譜的研究都有不可替代的價(jià)值和意義.但是考慮到當(dāng)前在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中存在較多的制約要素，以及在實(shí)驗(yàn)開展上需要耗費(fèi)大量的資金，所以在進(jìn)行物理光學(xué)課程教學(xué)上，針對(duì)氫光譜相關(guān)內(nèi)容教學(xué)，尤其是在進(jìn)行波長(zhǎng)測(cè)試和分析上，較少會(huì)有相應(yīng)的直觀圖像資料可供參考.但是通過(guò)引入Matlab，能夠通過(guò)仿真模擬的方式開展實(shí)驗(yàn)研究.

本文在利用Matlab開展氫光譜波長(zhǎng)的測(cè)試和分析上，合理進(jìn)行不同光柵常數(shù)的設(shè)定，同時(shí)在進(jìn)行透光寬度以及光柵刻痕數(shù)量設(shè)定上也進(jìn)行了相應(yīng)的模擬，從而可以確保在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作上，借助Matlab成功進(jìn)行不同參數(shù)影響下氫光譜圖像的變化.在實(shí)驗(yàn)操作上，若是可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)參數(shù)的自行調(diào)節(jié)，則實(shí)驗(yàn)者則可以通過(guò)不同參數(shù)設(shè)置，獲取到對(duì)應(yīng)的仿真彩色氫光譜圖像.這對(duì)于人們更出色進(jìn)行氫光譜直觀光譜圖像的解讀也有一定積極意義.

在圖2中展示的是利用Matlab獲取的氫原子彩色光柵光譜模擬效果圖.結(jié)合圖展示的內(nèi)容，其就可見光范疇內(nèi)的4條氫原子巴爾末系譜線情況進(jìn)行了呈現(xiàn).通過(guò)對(duì)該四條譜線的分析和測(cè)量研究，促使人們?cè)谠拥睦斫馍弦灿辛诵碌拈T戶.而且通過(guò)研究，也為推動(dòng)量子力學(xué)以及現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展起到了積極推動(dòng)作用.通過(guò)圖2中展示的a、b圖內(nèi)容比對(duì)可知，在進(jìn)行光譜仿真模擬上，借助Matlab能夠有效的進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的調(diào)節(jié)，從而獲取到不同參數(shù)差異情況下對(duì)應(yīng)的光譜圖像效果.結(jié)合a、b圖呈現(xiàn)的結(jié)果比對(duì)，可以進(jìn)行光柵常數(shù)的縮減，同時(shí)有效進(jìn)行縫內(nèi)不透光寬度的增加，并對(duì)應(yīng)進(jìn)行光柵總刻痕數(shù)的增加，能夠促使最終獲取的氫光譜有更為出色的分辨率.

圖2

相應(yīng)物理光學(xué)場(chǎng)景的真實(shí)模擬，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)的熱情，更好保障學(xué)生進(jìn)行相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)的熱情，提升學(xué)生課堂知識(shí)學(xué)習(xí)的綜合效果.

隨著科技的發(fā)展，對(duì)當(dāng)前物理課程教學(xué)也提出了更高的要求.為了更好改善當(dāng)前物理光學(xué)課程的教學(xué)水平，提升課堂綜合教學(xué)效果，教師在物理光學(xué)課程的教學(xué)實(shí)現(xiàn)上，考慮到光學(xué)課程本身較為抽象，而且涉及到的概念較多，所以要求教師在開展物理光學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中，要充分立足學(xué)生學(xué)習(xí)情況出發(fā)，引入可視化教學(xué)手段，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)模式的創(chuàng)新.考慮到當(dāng)前物理光學(xué)課程教學(xué)的現(xiàn)狀，本文在觀點(diǎn)探討上提出了在物理光學(xué)課程教學(xué)中可以實(shí)現(xiàn)Matlab的引入，基于此實(shí)現(xiàn)對(duì)不同光學(xué)實(shí)驗(yàn)的仿真模擬，提升物理光學(xué)課程的教學(xué)效果.可以說(shuō)，借助Matlab開展物理光學(xué)課程教學(xué)，能夠營(yíng)造更為逼真的可視化視覺(jué)效果，激發(fā)學(xué)生物理光學(xué)課程學(xué)習(xí)興趣，提升課堂教學(xué)成效.