蘇宙平,賈利群

(江南大學(xué)理學(xué)院,江蘇無錫 214122)

計(jì)算機(jī)輔助工程光學(xué)教學(xué)研究

蘇宙平,賈利群

(江南大學(xué)理學(xué)院,江蘇無錫 214122)

將計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的手段運(yùn)用到工程光學(xué)的教學(xué)中,引入光學(xué)工程和數(shù)學(xué)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(xué)規(guī)律變得很直觀,學(xué)生掌握起來更為容易.

工程光學(xué);計(jì)算機(jī)輔助教學(xué);Tracepro;Matlab

光學(xué)已成為一門越來越重要的學(xué)科,傳統(tǒng)的教育方法比較枯燥,不夠直觀,因此不能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,很難取得好的教學(xué)效果,隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的不斷發(fā)展,有很多功能強(qiáng)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(duì)工程光學(xué)的軟件也應(yīng)運(yùn)而生,如針對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)的軟件 Zemax[3],用于光學(xué)仿真的軟件 Tracepro[4]等.如果能把這些軟件應(yīng)用到工程光學(xué)教學(xué)中,不僅能夠拓展學(xué)生的技能,還能夠激發(fā)學(xué)生的興趣,取得較好的教學(xué)效果.

1 計(jì)算機(jī)輔助幾何光學(xué)教學(xué)

棱鏡是一種常用的光學(xué)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(xué)是工程光學(xué)里面的一個(gè)很重要的內(nèi)容.為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)棱鏡光線偏折和色散的作用這兩個(gè)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí),我們?cè)诠鈱W(xué)仿真軟件 Tracepro中建立了一個(gè) 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(fù)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(shí),除了折射現(xiàn)象,也有可能發(fā)生全反射.當(dāng)光線由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí),當(dāng)入射角大于臨界角時(shí),就會(huì)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(gè)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(xué)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(xué)仿真軟件 Tracepro來驗(yàn)證(圖 4).

2 計(jì)算機(jī)輔助波動(dòng)光學(xué)教學(xué)

衍射現(xiàn)象是光學(xué)教學(xué)中的一個(gè)非常重要的內(nèi)容.夫瑯和費(fèi)衍射是一種遠(yuǎn)場衍射,夫瑯和費(fèi)衍射的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布,計(jì)算公式比較復(fù)雜,因此學(xué)生學(xué)習(xí)起來常常感到比較困難.大多數(shù)學(xué)生都是簡單地背公式,而很難清晰地掌握夫瑯和費(fèi)衍射的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布規(guī)律.為此,可以要求學(xué)生用Matlab設(shè)計(jì)程序,來計(jì)算夫瑯和費(fèi)衍射的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布.為了能夠更好地理解夫瑯和費(fèi)衍射的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布規(guī)律,分別計(jì)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(shí)的光強(qiáng)分布.從圖中可直接看出d=3a時(shí)缺第 ±3,±6,±9級(jí),d=6a時(shí)缺 ±6,±12級(jí).通過設(shè)計(jì)程序來計(jì)算這個(gè)遠(yuǎn)場分布圖,學(xué)生可以更直觀地了解夫瑯和費(fèi)雙縫衍射.

3 結(jié)語

對(duì)于工程光學(xué)教學(xué),傳統(tǒng)的教學(xué)方法大多數(shù)是致力于復(fù)雜公式和定律的推導(dǎo),這樣導(dǎo)致教學(xué)過程極其枯燥,很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.在工程光學(xué)的教學(xué)中應(yīng)用 Tracepro、Matlab等軟件,會(huì)使一些復(fù)雜的公式和規(guī)律的物理意義變得直觀、明確,便于學(xué)生掌握,從而有效地改善教學(xué)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(jì)算開發(fā)應(yīng)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(xué)基礎(chǔ)教程[M].北京:機(jī)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(xué)理學(xué)院講師,博士.