用半波带法讨论单缝夫琅和费衍射的课件演示与制作

用半波带法讨论单缝夫琅和费衍射的课件演示与制作吴怡苏州大学物理学院,江苏苏州215006收稿日期2002208212摘要根据半波带法的思路,介绍了利用计算机课件演示对单缝夫琅和费衍射的条纹光强与衍射角之间的关系,以便有效地化解教学难点,帮助学生对该知识点形成清晰的认识和深化理解,同时对课件制作要点作了简要说明半波带法单缝夫琅和费衍射课件演示关键词THEDEMONSTRATIONOFSINGLE2SLITFRAUNHOFERDIFFRACTIONWUYITHEPHYSICSINSTITUTEOFSUZHOUUNIVERSITY,SUZHOU,JIANGSU215006BASEDONTHEHALF2WAVEBELTTHEORY,WEDEMONSTRATEDTHERELATIONBETWEENTHEDISTRIBUTIONOFSINGLE2SLITFRAUNHOFERDIFFRACTIONANDITSDIRECTIONUSINGCAIABSTRACTINTENSITYSOFTWAREITWOULDHELPSTUDENTSTOUNDERSTANDTHEPHENOMENAEASILYEVENMORE,WEBRIEFLYEXPLAINEDTHEMAKINGOFCAISOFTWAREKEYWORDSDEMONSTRATIONHALF2WAVEBELTTHEORYSINGLE2SLITFRAUNHOFERDIFFRACTIONCAISOFTWARE据,利用FLASH动画软件制作了助教型课件1引言以化解该教学难点运用菲涅耳半波带法对单缝夫琅和费衍射所形成条纹的光强分布进行定性分析与讨论,是大学物理光学教学中较为普遍的做法它可使初学者暂时绕开从波动方程出发的理论推导,帮助学生对夫琅和费衍射所成条纹的物理机制形成较为形象的认识但是由于半波带是一个抽象的理想模型,而且衍射角、所分的波带数目及其光强分布等因素相互制约,所以传统的讲授及分析往往难以详尽揭2课件设计的基本原理设波长为的平面光波入射到一缝宽A的单缝上,则在单缝的右侧,位于单缝所处的波阵面AB上的子波会向各个方向传播而后在屏幕上形成明暗相间的条纹若平光波以一定的衍射角入射,经过凸透镜后会聚于屏幕上的P处,从A、B两点出发的缘光线的光程差为ASIN图1现代化AC、CD、DB为分成的三个波带,其边缘光线的光程差依次为/2,从A1,A2,C1,C2,D1,D2出发的虚线表示从各波带发出的代表性子波用虚线表示,相邻波带AC与CD间,A与C对应,A1与C1对应,A2与C2对应,对应点所发光线的光程差均为/2,在同一位置产生的光振动恰好相互抵消按下界面上的PLAY键后,便可看到这些光线传播的动态过程为了能清晰地展示半波带法的原理,我们将AB间光线传播的同时过程进行了分时处理,即可看到A与C产生子波在P处会聚,无亮点产生A1与C1产生子波在P处会聚,无亮点产生A2与C2产生子波在P处会聚,无亮点产生最后,只剩下一个DB波带,DB间所发出的子波在P点会聚,产生亮点,同时在坐标轴上出现相应的坐标点如图3为ASIN3/2时演示终态界面图1面AB分成一定数目的等面积半波带,使相邻波带的对应部分所发子波的光程差为/2,于是这些对应子波到P点形成的振动位相差为,结果,任何两个相邻波带所发出的光线在P点将完全抵消,P处的光强由余下的整个波带或部分波带决定ASIN不同,半波带的划分情况就不同,最终决定了屏幕上不同的光强分布3课件演示演示1从半波带法的思路出发演示随着ASIN的变化,各级中心条纹的光强变化情况及其形成过程依次展示ASINN/2N2,3,4,5,6时,即波阵面AB被分别分为2个半波带,3个半波带,4个半波带,时的情况,同时设置图3坐标平面,令横坐标轴为I光强轴,纵坐标为ASIN轴,将各级中心条纹的光强作半定量描述,使物理现象与物理图像联系起来为了表述的简易明了,在此仅以ASIN3/2,即AB被分为3个半波带时的情况作为代表加以说明如图2为ASIN3/2的初始界面点击界面上的NEXT后,转到ASIN4/2的场景,即AB被分成4个波带的界面,过程展示与以上雷同经过以上演示,学生能清楚地认识到衍射角、半波带数N与各级中心条纹间的关系,学生能较容易地总结出亮暗纹的条件,并对中心亮纹强度逐级衰减的原因有一定的认识演示2演示随ASIN的变化,同一级条纹的光强变化情况,并从半波带法的思路出发加以分析用动画演示ASIN从2/2到3/2,再到4/2变化中,相邻两暗纹间的同一级亮纹的亮度变化的情况如图4为起始画面图2亮度的变化及其不均匀性加深了理解,并于界面右侧的光强曲线的形状有了一定的识最后,描绘出曲线的大体形状如图6图4按下界面上的PLAY键后,可看到如下动态过程AB间的光线为清晰简单起见,只用两根边缘光线示意与水平方向间的夹角即衍射角不断增大,同时,凸透镜右边的会聚光线和会聚点P不断上移P点在上移过程中,其亮度由暗逐渐达到最亮,再由最亮逐渐变暗,从而说明这一级亮纹的亮度随变化的趋势为了分析以上变化的原因,可在ASIN2/2与ASIN3/2间选择ASIN5/2/2为代表,同时在ASIN3/2与ASIN4/2间选择ASIN7/2/2为代表,用半波带法加以剖析其动态过程的展示同演示1,相邻波带的对应部分产生的子波在P点依次抵消,最后对P点亮度起作用的是剩余的不到一个半波带的窄带该窄带用一定灰度的色泽凸现,同样在坐标上进行半定量描述如图5为ASIN7/2/2时演示过程中的某一画面图64制作要点1演示1、演示2中涉及到的光线传的动画的实现,可先利用FLASH的伸缩功能光线传播的初态和末态在不同帧上设置,后设置帧的属性TWEENING为SHAPE就可了,中间过程由FLASH自动完成2演示1中的不同场景的跳转,利用钮的ACTION来实现3演