计算机辅助工程光学教学研究

苏宙平,贾利群

(江南大学理学院,江苏无锡 214122)

计算机辅助工程光学教学研究

苏宙平,贾利群

(江南大学理学院,江苏无锡 214122)

将计算机辅助教学的手段运用到工程光学的教学中,引入光学工程和数学类的相关商业软件,如 Tracepro和Matlab等,使一些比较抽象的光学规律变得很直观,学生掌握起来更为容易.

工程光学;计算机辅助教学;Tracepro;Matlab

光学已成为一门越来越重要的学科,传统的教育方法比较枯燥,不够直观,因此不能引起学生的学习兴趣,很难取得好的教学效果,随着计算机软件技术的不断发展,有很多功能强大的工程软件不断被开发出来,如Matlab[1]、Mathematic[2]等,甚至还有很多针对工程光学的软件也应运而生,如针对光学设计的软件 Zemax[3],用于光学仿真的软件 Tracepro[4]等.如果能把这些软件应用到工程光学教学中,不仅能够拓展学生的技能,还能够激发学生的兴趣,取得较好的教学效果.

1 计算机辅助几何光学教学

棱镜是一种常用的光学元件,可以用来转向光路,也可以用来将多色光分开[5].棱镜的教学是工程光学里面的一个很重要的内容.为了加强学生对棱镜光线偏折和色散的作用这两个现象的认识,我们在光学仿真软件 Tracepro中建立了一个 45°棱镜,通过光线追击可以清晰地看到光线通过棱镜以后产生偏折的结果(图 1),并且复色光通过以后还产生了色散现象.光线在棱镜中传播时,除了折射现象,也有可能发生全反射.当光线由光密介质进入光疏介质时,当入射角大于临界角时,就会发生全反射.这仍然可以利用 Tracepro软件来仿真.光线在入射到棱镜的第 2个面上以后,并没有发生折射,而是发生了全反射 (图 2).利用光线在棱镜中的全反射也可以改变光线的传播方向(图 3),这种系统来改变光路的传播方向可以使光学系统变得比较紧凑且容易装调.光线经过棱镜后,总是沿着底边偏折,这一规律可以用光学仿真软件 Tracepro来验证(图 4).

2 计算机辅助波动光学教学

衍射现象是光学教学中的一个非常重要的内容.夫琅和费衍射是一种远场衍射,夫琅和费衍射的远场光强分布,计算公式比较复杂,因此学生学习起来常常感到比较困难.大多数学生都是简单地背公式,而很难清晰地掌握夫琅和费衍射的远场光强分布规律.为此,可以要求学生用Matlab设计程序,来计算夫琅和费衍射的远场光强分布.为了能够更好地理解夫琅和费衍射的远场光强分布规律,分别计算不同的双缝间距.如图 5和图 6所示,分别画出双峰间距,其值为缝宽的 3倍(d=3a,d是双缝间距,a是缝宽)和 6倍(d=6a,d是双缝间距,a是缝宽)时的光强分布.从图中可直接看出d=3a时缺第 ±3,±6,±9级,d=6a时缺 ±6,±12级.通过设计程序来计算这个远场分布图,学生可以更直观地了解夫琅和费双缝衍射.

3 结语

对于工程光学教学,传统的教学方法大多数是致力于复杂公式和定律的推导,这样导致教学过程极其枯燥,很难激发学生的学习兴趣.在工程光学的教学中应用 Tracepro、Matlab等软件,会使一些复杂的公式和规律的物理意义变得直观、明确,便于学生掌握,从而有效地改善教学效果.

[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计算开发应用[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] 郁道银,谈恒英.工程光学基础教程[M].北京:机械工业出版社,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

苏宙平(1978—),男,山西朔州人,江南大学理学院讲师,博士.