Fortran语言用于大学物理教学

王允辉 杨志红

摘 要：随着移动互联、云计算、大数据以及人工智能等新兴技术的广泛应用，全社会已经进入了一个高度数字化的时代。大学物理教师也应顺应时代发展的需要，将计算机模拟研究方法以某种计算机语言作为依托引入大学物理教学中，必将对大学物理课程改革产生积极而深远的影响。本文将Fortran语言引入大学物理教学，重点分析了利用Fortran语言编写简单的程序代码演示振动、波动光学等相关知识内容，让学生更加直观地了解其物理本质。

关键词：大学物理；Fortran语言；振动；波动光学；激光场

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1673-9132（2018）34-0011-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2018.34.005

一、引言

大学物理学是非物理学专业理工科学生本科学习阶段的必修基础课程，按基础课的性质和物理学的发展过程分类，由牛顿力学、分子动理论和热学、电磁学、光学、相对论和量子物理组成[1]。其教学的重点在于培养学生的实践能力和创新动手能力，为后续专业课程的开展奠定坚实的基础。然而，大学物理学许多概念比较抽象，学生反映很难理解，空间图形很难建立，致使部分学生感到大学物理学很难，从而对大学物理丧失了学习兴趣。当前，科学计算模拟已经成为一种被广泛应用的科研手段，充分发掘和发展计算机提供的巨大潜能并广泛地应用于大学物理教学，也是目前物理学教师教学不可或缺的能力。同时能够利用计算机语言，如Fortran、C语言、C++等，编写简单的程序代码以实现专业知识学习，成为理工科院校大学生必备的素质之一。Fortran语言是一门适合科学计算和工程分析的程序设计语言[2]，它能够准确、直观、科学地反映物理学中的问题，加强学生对基本物理概念、方法及物理知识应用方面的理解。赵凯华先生曾倡导“让物理回归自然”，使得学生亲身去感受并接受物理知识[3]。基于此，本文将Fortran语言应用于大学物理教学之中，并且对大学物理教学中的波动光学进行实例实践。

二、Fortran在大学物理教学中的实例应用

从认识规律看，形象信息对视觉感官刺激所引起的反应，在思维过程中具有重要作用。清晰的物理图像是理解物理规律、运用物理知识的基础。我们知道，光的干涉和衍射是光学部分的学习难点，学生在学习这一部分知识的时候，由于对行波的疊加过程不能形成直观的物理图像，进而也就不能够清楚地理解振幅，相位和频率对行波叠加的影响，因此就觉得这部分知识晦涩难懂，甚至丧失学习的兴趣。充分发挥程序语言可视化特征，将每一列行波都能够直观地描述出来，对于学生理解行波振幅、相位和频率等基本概念具有十分重要的意义。假设观察激光场的振幅、相位、波长和多束激光场的叠加，激光场采用学生最为熟识的高斯包络表达形式，如下所示：

我们假设一束激光波的参数为半高全宽（FWHM）为9 fs，激光强度为3.4×1014 W/cm2，波长为800 nm，初始相位为φ = 0，运行以上程序可以得出此时的光波曲线如图1所示。此时为了让学生能够更加直观地观察相位和波长变化波形曲线的演化，设定波长和相位分别增大至1600 nm，π/2，运行程序得出对应的波形曲线如图1所示，同时把三者的波形曲线进行对照，就能清晰地了解激光光波的演化趋势了。

众所周知，光波的叠加是物理学中极为重要的概念。为此，我们再添加一束激光场E2（t）=A2f2（t）cos（ω2t+φ2）使得激光场叠加为E=E1（t）+E2（t），能够使学生清晰地了解光波的叠加过程，使得光的叠加这一抽象概念直观化。第二束激光波的参量为我们假设一束激光波的参数为半高全宽（FWHM）为9fs，激光强度为3.0×1013W/cm2，波长为800nm，初始相位为φ= 0，此时的波动叠加图像如图2所示。学生在操作的过程中能够清楚地了解单个及叠加之后的激光脉冲的传播。教师甚至可以鼓励学生去描述光的反射、折射和衍射过程，促进学生动手实践能力，激励学生的学习兴趣，同时也能启发学生的探索热情。甚至在潜移默化中使学生掌握了一种编写程序代码的技能，对于学生以后的就业亦会有一定的辅助作用。

三、结论

将数字化引入大学物理教学课堂，通过Fortran语言程序编写可以让学生自己动手学物理，用自己的方法和思维去理解物理，增加物理教学的灵活性。

参考文献：

[1] 马文蔚.物理学[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 彭国伦.Fortran 95程序设计[M].北京：中国电力出版社，2002.

[3] 赵凯华.对当前物理教学改革的几点看法[J].大学物理，2000（2）.