物理光學課程中的可視化研究

田彩星

(山西省太原工業學院 030000)

物理光學作為一門關鍵的學科，在該學科的教育教學工作開展上，有一定的復雜性.從學科自身的性質角度出發來看，物理光學課程本身內容復雜、深奧，所以學生在進行物理光學課程知識的學習上，難免會有較大的難度.為此，在當前物理光學課程教學工作開展上，如何有針對性的進行教學模式的變革，成為物理光學教師在課程教學過程中必須考慮的問題.隨著教育教學產業的不斷發展，引入可視化理念開展物理光學課程教學成為物理光學教師關注的焦點.在當前科技領域中，一款公認的最優秀軟件即Matlab.該軟件在應用上，可以實現科學計算、繪圖以及建模和編程一體化運作，有非常強大的應用功能.在進行具體的應用實現上，通過在物理光學課程教學中引入Matlab應用，能夠實現可視化的光學實驗效果，有助于學生在知識學習上實現抽象到形象思維的轉換，從而促使學生在進行物理光學實驗學習上，能夠對光學實驗的物理內涵有深入洞察，了解物理光學概念、探尋規律，培養學生出色的物理光學課程學習興趣，潛移默化培養學生出色的物理光學實驗創新能力.

1 物理光學課程可視化中Matlab應用的意義

對于物理光學課程的教學工作踐行來說，教師在教學工作開展上，不僅要通過課堂知識講授，讓學生對物理光學這門課程有一定的了解，同時還要求教師在課堂教學活動踐行上，能夠真正的通過教育引導，幫助學生掌握扎實的物理光學知識，并能夠運用所學知識去進行實踐中遇到問題的妥善解決.但是從現狀來說，考慮到物理光學課程本身涉及到的內容復雜、深奧，所以單純憑借傳統的講解式教學難以達成預期的教學效果.而且教師通過講解式的方式進行物理光學課程講授，難以真正進行一些物理光學現象的展示，不利于學生深入理解物理光學內容.Matlab軟件在應用上，可以通過可視化的方式將計算結果精準呈現出來，有助于實現抽象思維到形象思維的轉換.結合物理光學課程的教學實踐來說，在過程中涉及到眾多概念的講解，而且內容較為抽象，所以在教學實踐上一般會涉及到大量的光學實驗教學.在教學過程中，針對很多光學現象以及規律的教學不具備較為完善的數學推導，這也導致學生在光學課程學習上會有較多的困難.立足物理光學課程的實驗教學來說，教師在教學上要盡可能為學生提供更豐富進行物理現象觀察的機會，激發學生的物理知識學習興趣，培養學生良好的觀察習慣，讓學生通過具體的觀察培養出色物理思維能力，提升物理創新能力.這對于改善物理課堂教學效果有積極意義.

2 物理光學課程中利用Matlab進行可視化教學的實踐分析

隨著當前物理學科教學技術的提升，以及各種先進教學手段的涌現，對物理學科的教學工作開展也提出了更高的要求.在物理光學課程教學實踐上，由于光學課程涉及到的概念較多，而且在知識講授上有較為明顯的抽象表現，所以引入可視化技術實現物理光學課程教學對激發學生進行物理光學課程的學習興趣，提升物理光學課程教學效果有積極推動作用.結合物理光學課程的教學內容，在利用Matlab開展可視化教學的過程中，可以結合不同物理光學課程教學內容差異，有針對性引入Matlab軟件，提升物理光學實驗可視化教學效果.

2.1 借助Matlab模擬彩色汞光譜

相較于單色光來說，在當前文獻研究中，針對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.所以在物理光學實驗仿真上，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進行針對性的模擬，但是在模擬過程中難以獲取較為理想的白光仿真模擬效果，針對彩色光譜模擬仿真更是鮮有報道.

本文在觀點分析上，立足物理光學課程教學出發，立足不同色譜光源譜線展開針對性的仿真模擬，結合彩色光對應的RGB合成理論出發，借助Matlab可視化程序進行光柵衍射實驗的開發，在一定程度上就目前物理光學課程教學研究中一般光源色彩光譜資源缺失的情況做出了相應的彌補.在具體實現上，設定光柵的單元數量共計是N個，單一單元對應的透光縫寬度一般是a，對于不透光部分而言，其對應寬度用b表述，在過程中存在一個光柵常數d.為此可以通過下述共識進行夫瑯以及費光柵衍射場光強分布的表述：

(1)

結合上述公式的內容表述，在進行具體的計算分析上，可以結合不同參數的調整，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展示的內容.

圖1

按照圖1展示的內容，在進行光譜圖的內容呈現上，不僅有零級譜線的存在，而且在過程中還可以清晰看到±1、±2級和部分三級光譜.在譜線級數不斷提升的情況下，對應呈現出的譜線也有更為細銳表現.結合仿真模擬結果和實際實驗結果的比對，二者之間有較高的一致性.在進行仿真模擬的過程中，若是適度進行光柵常數的縮減，尤其是有針對性進行光柵刻痕總數N的提升，能夠在一定程度上提升光柵光譜的分辨率.所以在可視化實現過程中，若是想要獲取到能夠和測量標準契合的細銳光譜，則要求在進行實驗操作上必須要實現光柵總刻痕數的提升，此外合理進行光柵常數的針對性縮減.

可見，在當前物理光學知識的講授上，教師通過借助Matlab模擬彩色汞光譜方式進行相應知識的教學，能夠讓學生更直觀的理解教師講授的知識，同時還有助于激發學生進行物理光學知識學習興趣.所以在當前物理光學的課程教學工作踐行上，借助Matlab模擬彩色汞光譜的方式對改善物理光學課堂教學效果有很好的幫助.

2.2 氫原子巴爾末線系譜線的彩色光譜仿真模擬

在物理光學課程教學中，其中一個關鍵的內容就是氫原子巴爾末線系可見光光譜的測量與分析.無論是從近代物理學的發展，亦或是從量子物理學的發展來說，氫光譜的研究都有不可替代的價值和意義.但是考慮到當前在實驗操作過程中存在較多的制約要素，以及在實驗開展上需要耗費大量的資金，所以在進行物理光學課程教學上，針對氫光譜相關內容教學，尤其是在進行波長測試和分析上，較少會有相應的直觀圖像資料可供參考.但是通過引入Matlab，能夠通過仿真模擬的方式開展實驗研究.

本文在利用Matlab開展氫光譜波長的測試和分析上，合理進行不同光柵常數的設定，同時在進行透光寬度以及光柵刻痕數量設定上也進行了相應的模擬，從而可以確保在進行實驗操作上，借助Matlab成功進行不同參數影響下氫光譜圖像的變化.在實驗操作上，若是可以實現相應參數的自行調節，則實驗者則可以通過不同參數設置，獲取到對應的仿真彩色氫光譜圖像.這對于人們更出色進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.結合圖展示的內容，其就可見光范疇內的4條氫原子巴爾末系譜線情況進行了呈現.通過對該四條譜線的分析和測量研究，促使人們在原子的理解上也有了新的門戶.而且通過研究，也為推動量子力學以及現代物理學的發展起到了積極推動作用.通過圖2中展示的a、b圖內容比對可知，在進行光譜仿真模擬上，借助Matlab能夠有效的進行相應參數的調節，從而獲取到不同參數差異情況下對應的光譜圖像效果.結合a、b圖呈現的結果比對，可以進行光柵常數的縮減，同時有效進行縫內不透光寬度的增加，并對應進行光柵總刻痕數的增加，能夠促使最終獲取的氫光譜有更為出色的分辨率.

圖2

相應物理光學場景的真實模擬，激發學生進行相關知識學習的熱情，更好保障學生進行相關知識學習的熱情，提升學生課堂知識學習的綜合效果.

隨著科技的發展，對當前物理課程教學也提出了更高的要求.為了更好改善當前物理光學課程的教學水平，提升課堂綜合教學效果，教師在物理光學課程的教學實現上，考慮到光學課程本身較為抽象，而且涉及到的概念較多，所以要求教師在開展物理光學課程教學過程中，要充分立足學生學習情況出發，引入可視化教學手段，實現課堂教學模式的創新.考慮到當前物理光學課程教學的現狀，本文在觀點探討上提出了在物理光學課程教學中可以實現Matlab的引入，基于此實現對不同光學實驗的仿真模擬，提升物理光學課程的教學效果.可以說，借助Matlab開展物理光學課程教學，能夠營造更為逼真的可視化視覺效果，激發學生物理光學課程學習興趣，提升課堂教學成效.