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基于LabVIEW的干涉虚拟实验研究

2016-09-20翟龙华

赤峰学院学报·自然科学版 2016年16期
关键词:双缝入射光池州

翟龙华

(池州学院 机械与电子工程学院,安徽 池州 247000)

基于LabVIEW的干涉虚拟实验研究

翟龙华

(池州学院机械与电子工程学院,安徽池州247000)

根据光的双缝干涉实验理论,本文利用LabVIEW编写程序对双缝干涉实验进行模拟,描述了双缝干涉的图样和光强分布曲线,并计算了条纹间距和对比度,直观地展示了双缝干涉这一物理现象,同时设置了初始条件修改模块,可以清晰地显示不同条件下的干涉现象,为双缝干涉的理论与实验提供了有力的支持.

LabVIEW;干涉;模拟实验

杨氏双缝干涉实验[1,2]是光学发展史上具有重要意义的实验之一,它通过精密的装置使光的干涉现象能成功地演示出来,验证了惠更斯等人的光的波动理论。但是由于杨氏双缝干涉实验需要特殊的实验设备和实验环境,而这些设备与场所往往造价昂贵,光路调节复杂。因此,实验往往耗时长久,并有可能得不到良好的实验结果。为此,利用Lab-VIEW软件[3,4]对杨氏双缝干涉仿真模型,可以在脱离实验环境和实验仪器设备的情况下,借助计算机进行杨氏双缝干涉的虚拟实验。本文研究了杨氏双缝干涉理论模型,设计了仿真的数学模型,展现了杨氏双缝干涉现象.

1 双缝干涉实验原理

图1 杨氏双缝干涉原理图

杨氏双缝干涉实验装置如图1:由一个光源、单缝屏、双缝屏以及显示屏组成,单缝屏的作用是保证到达双缝的光为同一波源发出的子波,S1、S2出射的光波为频率相同、初相位相同的相干光,这两列相干光会在显示屏上相遇,由于到达屏幕各点的光程不同引起相位差,叠加的结果是在有些点加强,有些点抵消,形成干涉现象。在P点相遇是干涉加强或是干涉减弱取决于两光波的光程差[5]:

其中,δ为光程差,D为双缝屏到显示屏的距离,2a为双缝之间的距离,在通常的实验条件下和观察范围内,有x±a<

此时,相干叠加光波强度为

其中,I0、λ分别为入射光光强及波长.

2 基于LabView的双缝干涉虚拟实验系统

前面板包括实验装置演示区域、参数设整区域以及实验结果显示区域三个部分。其中实验装置演示区域,主要作用是让同学直观杨氏双缝实验装置的结构和原理;参数设置区域可自由设定光源的波长、强度,双缝间距、缝屏距等参数;结果显示区域

图2 虚拟干涉实验前面板

图3 不同条件下的光强分布

可以直观对应此条件下的干涉波形及干涉条纹。图2中直接观察模拟条件入射波长λ=633nm,入射光强I0=1mw,双缝宽度2a=150um,缝屏间距D=1m,通过观察干涉图案及对应光强分布,逐一改变上述参数,可以得到双缝干涉条纹强度的各种变化情况.

比较图3(a)与(b),当入射光功率发生改变时,条纹数目与条纹间距没有改变,但是明条纹的亮度发生改变,且光功率越大,明条纹亮度越亮.比较图3(a)与(c)、(d)、(e),当入射光波长、双缝宽度及缝屏间距发生改变时,条纹间距发生明显变化,且入射光波长越小,条纹间距越小,相同长度条纹数目越多;缝屏间距越小,条纹间距越小,相同长度条纹数目越多,双缝宽度越小,条纹间距越大,相同长度条纹数目越少.

3 结论

结果表明,用LabVIEW开发的双缝干涉演示实验与理论分析和实际实验结果完全一致.用Lab-VIEW设计仿真实验课件是对大学物理教学手段一种尝试,不仅可以帮助学生激发学习兴趣、建立基本光学干涉概念、验证光学波动性的规律,更重要的是,课件界面的真实性和可操作性,有利于调动学生学习的主动性,创造性,有助于提高学生的创新能力和增加学习光学知识的信心.

〔1〕黄时中,倪致祥.大学物理(下册)[M].北京:高等教育出版社,2014.252.

〔2〕赵凯华,钟锡华.光学(下册)[M].北京:北京大学出版社,1984.2-11.

〔3〕陈琳,朱湘柱.杨氏双缝干涉仿真模型设计[J].计算机仿真,2009,26(9):269-272.

〔4〕李江全,任玲,等.LabVIEW虚拟仪器从入门到测控应用130例 [M].北京:电子工业出版社,2013.204-208.

〔5〕姚启钧.光学教程[M].北京:高等教育出版社,1989.128-132.

O436.1

A

1673-260X(2016)08-0003-02

2016-05-08

池州学院研究中心自然科研项目(2014ZR002)基于labview的自混合干涉理论研究2014.6-2016.12在研

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