晶格振动的多媒体演示课件制作.doc

晶格振动的多媒体演示课件制作一维单原子链，一维双原子链刘昌淋指导老师梁一平重庆师范大学物理系重庆400047摘要本文从现代物理学的角度，初步探讨了将多媒体技术尤其是FLASHMX动画制作软件形象地运用于演示固体物理中晶格振动知识的方法。通过对晶格振动（一维单原子链、一维双原子链）方面这些学生较难理解的物理概念、物理模型的多媒体课件制作说明了物理教学内容现代化的优越性和必要性关键词一维单原子链一维双原子链晶格振动FLASHMXCRYSTALLINEGRAINMULTIMEDIAOFVIBRATIONDEMONSTRATECOURSEWAREMAKINGMONOATOMICCHAINOFTHEONEDIMENSIONONEPAIROFATOMSCHAINOFONEDIMENSIONLIUCHANGLINTUTORLIANGYIPINTHEDEPARTMENTOFPHYSICSOFNORMALUNIVERSITYOFCHONGQINGCHONGQING400047ABSTRACTTHISPAPERISINTERMSOFMODERNPHYSICS,ISITISITDEMONSTRATESOLIDPHYSICSVIBRATIONKNOWLEDGEMETHODOFTHECRYSTALLINEGRAINTOAPPLYMULTIMEDIATECHNOLOGY,ESPECIALLYFLASHMXCARTOONMAKINGSOFTWARETOVIVIDTOPROBEINTOTENTATIVELYPASSANDSHAKETHECRYSTALLINEGRAINMONOATOMICCHAINOFTHEONEDIMENSION,ONEPAIROFATOMSCHAINOFONEDIMENSIONTHEPHYSICSCONCEPTSMOREDIFFICULTTOUNDERSTANDOFTHESESTUDENTSOFTHERESPECT,THEMULTIMEDIACOURSEWAREMAKINGOFTHEPHYSICALMODELHASSTATEDTHEPHYSICSTEACHINGSUPERIORITYANDNECESSITYWITHMODERNIZEDCONTENT。KEYWORDSTHEMONOATOMICCHAINOFTHEONEDIMENSIONONEPAIROFATOMSCHAINOFONEDIMENSIONLATTICEVIBRATIONFLASHMX一，引言物理学是自然科学的基础，是探讨物质结构和运动基本规律的基础学科，而固体物理是凝聚态物理的主干，是物理学的一个重要分支，在现代科学技术的发展中它起着联系基础理论和实际应用的极其重要的作用。而固体物理所发展起来的一整套科学概念，理论和实验技术，对于其他新兴科学技术领域同样也具有重要的影响。但是，通常的固体是包含大量粒子的复杂的多体系统，种类众多，内容丰富，学生在学习固体物理课程时，和刚刚学过的理论线索明晰的四大力学相比，常常摸不着头绪，并有思维混乱的感觉。教科书中的理论知识过于抽象化，课本中的图形过于单一化，很多时候无法表现原子复杂的晶格振动情况，使同学们在传统教学中接收知识过于浅显，对许多知识点难以掌握。固体物理教材和高等院校其他教材一样，担负着传授知识和培养能力的双重任务。如何发挥教材在培养学生能力，尤其是创造性思维能力方面的作用是教材建设中必须考虑的，也是本文要探讨的一个重要问题。本文采用了多媒体技术中FLASHMX软件制作了晶格结构的多媒体演示课件。旨在充分利用计算机多媒体技术和网络技术，将抽象地描述变为可视形象，具有图文并茂，丰富多彩的人机交互方式，以有效激发学生的学习欲望，有利于发挥学生的认知主体作用。二，应用FLASHMX制作多媒体课件的优越性由于晶格振动这一章多为一维单原子链，一维双原子链晶格振动等实例的描述,因此本文采用了MICROMEDIA公司推出的多媒体技术中的FLASHMX软件制作晶格振动的多媒体演示课件。因为与其他动画软件相比,FLASHMX软件有如下优点1FLASH支持文字，动画，声音以及交互功能，具有强大的多媒体编辑能力，并可直接生成主页代码。2基于矢量图形的FLASH动画的尺寸可以随意调整缩放，而不会影响图形文件的大小和质量，并且只要用少量矢量数据就可以描述一个复杂的对象。一张普通软盘通常可装入不少FLASH动画，便于携带。3FLASH提供了透明技术和物体变形技术，使创建复杂的动画更加容易，再者FLASH中产生物体图形简便，移动和变形也非常容易，只需插入关键帧，中间帧完全由FLASH自动生成，解决了晶格振动抽象、不易理解的问题。4交互设计赋予用户更多的主动权，使用户可谁心所欲的控制动画。在FLASH中可以随意创建按钮，多级弹出式菜单，复选框，以及复杂的交互式游戏。5FLASH具有极其灵巧的图形绘制功能，能产生翻转，拉伸，擦除，歪斜等效果，还可以将图形分解成许多单一的元素进行编辑，并改变其颜色亮度。由于FLASH提供具有保真技术的绘图工具，图形边缘在经过一系列加工后仍会保持平滑。6FLASH采用MP3压缩方式输出音频，使可见效果更佳。三，晶格振动的多媒体演示课件制作实例由固体物理学的基础知识我们知道晶格具有周期性，因而，晶格的振动模具有波的形式，称为格波。格波和一般连续介质波有共同的波的特征，但也有它不同的特点。而一维原子链是学习格波的典型例子，它的振动既简单可解，又能较全面表现格波的基本特点。A1一维单原子链原子振动的多媒体演示课件制作一维单原子链可以看作一个最简单的晶格。那么一维单原子链原子振动时相邻两原子或任意两原子振幅，频率，位相是否相同教材图31描绘了一维单原子链的图示，书上画出了如图（1），图（2）的情况，只反映了一维单原子链静止时的情景和1NNA1振动过程中相对于平衡位置的位移和相邻两原子的位移，并没有反映原子在振动过程中振幅，频率，位相是否有区别，此时书上的图示有了局限性。我们可以通过FLASHMX动画制作来反映一维单原子链的原子振动。此时假设两种情况，其一一维单原子链振动时振幅A，频率W，位相随机取值时的振动情况。这时可以观察到一维单原子链的原子作随机无序的振动，如图（3）所示。其二设一维单原子链的格波解为，且一个格NAQWTIAEUANN1N1N2N2图（1）图（2）图（3）波解表示所有原子均以频率W，振幅A振动，且不同原子间有位相差，而相邻两原子间的位相差为，相距为的二原子位相差为AQNA因的取值范围为，这时可以假设的取值为来NAQQA2制作一维单原子链的晶格振动。此时晶格振动的振幅，频率相同，相邻两原子间的位相差为，即第个原子比第个原子的位相提2N1N前。此时晶格振动过程中的一个状态如图（4）所示。利用FLASH2MX制作一维单原子链以如图（4）为初始状态，作振幅，频率相同，两相邻原子间的位相差为的振动，即把原子2振动看成（即波长）的波，如图（5）实线所示；当AQ2A4Q时，即把原子振动看成（即波长）的波，如图A25Q2A54（5）虚线所示。两个波形不同的区别仅在于原子之间的、没有物理意义的空间曲线部分，而有物理意义的、各原子的位移情况对两个波是完全一样的。所以就原子振动的情况而言，二者没有本质区别，是同一个振动模式，即波矢空间的周期性是原子分布的周期性引起的普遍性，反映了一维单原子链的振动具有格波的特点。图（4）O一维单原子链原子振动的情况中，当很小时（很大，长波Q极限），一维单原子链又作怎样的振动，书上并没有明示。我们知道，0时，我们可以认为任意两原子间的位相差近似为0。如图Q（6）所示相邻两原子倾向于沿同一方向振动，且振幅，频率，位相相同，即反映了原胞整体的振动。相当于原胞质心的运动。这一点要与一维单原子链的一般振动区分开来。以上考虑的只适用于无穷长的链，而一个有限的链两端的原子显然应和内部的原子有所不同。例如，在只有近邻作用时，最两端的两个原子只受到一个近邻的作用。但由于边界原子数远小于内部原子数，晶体的特征主要由内部原子所决定。因而边界条件有一定图（6）X图（5）的任意性，所以我们可以采用便于处理问题的循环边界条件，即波恩卡曼边界条件，将许多完全相同的原子链首尾连接成无穷长链（如图（7），就可性形象的描绘出图（8）。我们可以利用FLASHMX动画制作出波恩卡曼边界条件中任一原子振动与一维单原子有限链端部原子振动所受近邻作用的比较，形象说明采用波恩卡曼边界条件的正确性。2，一维双原子链原子振动多媒体演示课件制作一维双原子链可以看作最简单的复式晶格，如图（9）所示，每个原胞含两个不同的原子P和Q，P，Q原子的质量分别用M和M表示。图（8）A图（7）此时假设两种情况，其一一维双原子链振动时振幅A，频率W，位相随机取值的振动情况。这时可以观察到一维双原子链的两种原子作随机无序的振动，如图（10）所示。其二设一维双原子链的格波解为，。那么此时一维双原子链原子22NAQWTINAEU1212AQNWTINAEU振动时相邻两原子或任意两原子振幅，频率，位相是否相同我们看到式中二者的振幅采用不同的符号A和B，是因为两种原子的质量不同，而频率是相同的，相邻两原子有位相差。由于的取值Q范围为，这里我们假设的取值为来制作FLASHMX动AQ2QA2画。此时P原子的振幅大于Q原子的振幅，两者的频率相同，第个P原子比第个P原子的位相提前；第个Q原子比N2N1N第个Q原子的位相提前；第个P原子比第个Q原子1N22的位相提前。如。如图（11）所示，利用FLASHMX制作以如图2（11）为初始状态，作振幅不同，频率相同，两相邻原子间的位相差为的振动。同理也可证明一维双原子链的振动具有格波的特点。2N2N12N12N2图（9）2N2A图（10）由固体物理的基础知识知，一维复式晶格与一维简单晶格的格波解有重要差异。一维简单晶格（即一维单原子链）只有一个格波，一个波矢对应一个格波声学波；而一维复式晶格（即一维双原Q子链）则有两支格波，一个波矢对应两个格波声学波和光学波。Q先讨论声学波在长波极限的情况。当0时，0，WQW因此1。这说明在声学格波情况下，相邻的两种原子倾向于AB沿同一方向振动。特别是在长波极限下的声学格波，相邻两种原子不仅振动方向相同，位相相同，振动幅度也相同。因而反映的是原胞的整体振动或者说是原胞质心的运动。如图（12）所示讨论光学波在长波极限的情况。当0时，WQWMM2因此。这说明在光学格波情况下，相邻的两种原子倾ABMM图（11）MMMMMM图（12）向于沿相反方向运动。特别是在长波极限下的光学格波，原胞质心将保持不动，而原胞内的不同原子作相对运动。所有P原子同步振动，所有Q原子也同步振动，但P，Q两种原子的振动方向则相反。即两种原子构成的两个格子在保持质心不动的情况下作刚性的相对振动，如图（13）所示。3结论以上就是一维单原子链、一维双原子链原子振动的多媒体课件制作，形象直观的展现一维单原子链、一维双原子链原子振动的具体情况和特点，便于学习者能更好的理解这部分内容。本文认为，我国当前理科大学物理教学急需现代化。我们的教学方式需要改进，许多内容十分有必要在传统教学中渗透多媒体演示可视教学方法。这是一个值得研究的问题，本文认为有两点是值得考虑的，一是多媒体课件在物理学教学中的运用有许多的优越性，二是这一教学方法已相对成熟，已被学生接受，就可以考虑大量的运用于教学中。让多媒体运用技术与传统教学相结合，相辅相成，让我们的大学物理教学