Python在物理光学中的教学应用研究

张婕妤 吕怿彤 孙碧莲 王琪 赵兴东

【摘   要】伴随着信息化技术和虚拟仿真实验教学的发展，越来越多的计算机语言和技术被用于在线实验课程和虚拟仿真平台建设。模拟仿真作为一种重要的辅助工具在教学中应用愈加广泛，利用计算机仿真技术辅助课堂教学逐渐成为了光学教学改革的重要组成部分.本文通过三个光学演示实例介绍借助Python建立图形用户界面模拟仿真光学实验的过程，包括反射折射、杨氏双缝干涉实验、夫琅禾费矩孔衍射实验，从而说明利用Python辅助开展光学课程教学的可行性和优点，增强教与学的效果，为现代光学教学提供一种新的途径。

【关键词】Python;仿真模拟;物理光学

引言

物理光学是光学类专业本科生的学科核心基础课程，是从事光学工程及相关研究的知识基础，其在专业课程体系中的重要性是毋庸置疑的.随着信息技术的迅速發展，光学教学课程难度在逐渐增加，教学面临着越来越多的困难。一方面，光学课程理论枯燥，内容抽象，部分高校仍以传统教育为主导，教师和学生之间缺乏交流，教学效果并不理想. 另一方面学生规模在逐年增加，独立开设的物理光学实验课程，实验仪器精密并且容易损坏，部分高校教学资源很难达到要求，教学效率低.为帮助学生打好光学专业知识基础，增强学习兴趣，激发创造力，借助计算机仿真技术辅助课堂教学成为了光学课程教学改革的新方向。

仿真技术是指利用计算机等软件来模拟物理过程和现象的一种技术手段.利用计算机仿真技术辅助教学，教师可以将光学理论、规律及其现象直观化，使抽象的光学内容可视化，激发学生对光有关理论学习的兴趣，增强教学效果。

Python是一种面向对象、易于扩展的解释型计算机语言，相比其他软件而言其程序设计简单易学，容易上手，可操作性强，在模拟仿真教学方面有着自己的优越之处.同时借助GUI界面可独立调节实验参数，将多种光学实验现象集中在一个操作界面上，便于学生学习理解.通过Python软件实现光学实验可视化，辅助课堂教学，能够加深学生对知识的理解，提高教学质量。

本文通过三个光学演示实例由浅入深地介绍了借助Python建立图形用户界面模拟仿真光学实验的过程，直观的分析数值变化对实验结果的影响，将光学基础理论内容与虚拟仿真技术相结合，激发学生对知识领域的进一步探索，培养他们的创新能力。

1.实例—反射折射

当光波传播到不同煤质分界面上时，会与物质相互作用发生反射折射。一部分光在分界面上改变传播方向又返回原来煤质中，这种现象称为光的反射;另一部分光穿过分界面，进入第二种煤质，这种现象称为光的折射。

在折射现象中，折射角的正弦与入射角的正弦之比由分界面两侧煤质决定。对于一定波长的光波而言，在外界条件一定的条件下，该比值为一常数，等于入射光所在煤质的折射率与折射光所在煤质的折射率之比，即

在折射反射的相关理论的基础上，利用Python强大的计算和交互界面的功能，编写相关程序，可实现改变参数的同时，图像也在同步变化的教学效果。

当光波从光密介质进入光疏介质中时，当入射角大于某一临界角时会发生全反射现象。假设媒质1的折射率为1，媒质2的折射率为0.5，由折射定律可得：

使用Python仿真的反射折射仿真界面如图1，可见仿真结果符合全反射现象的结果。由此可得，根据折射反射的相关理论，进一步地，我们对经典的光学干涉衍射实验进行了模拟仿真。

2.实例—杨氏双缝干涉

2.1原理阐述

杨氏双缝干涉实验是利用分波振面法获得相干光束的典型实验，如图2所示，在普通单色光光源后放一狭缝 ，后又放有与平行且等距离的两平行狭缝和单色光通过两个狭缝射向屏幕，相当于不同位置两个同频率同相位光源向屏幕照射后进行叠加产生干涉现象。为两缝间距，为屏幕到两缝的距离。

考虑两束相干光到屏幕上任一点的距离为：

具体推导过程可参考工程光学一书，屏上任一点的干涉条纹光强取决于两光波在该点的光程差或相位差：

设两束相干光源在屏幕上点相遇时的振幅相同，均为，则夹角为的两个矢量的合成矢量的幅度为：

光强正比于振幅的平方，故P点光强为：

2.2仿真界面

我们以杨氏双缝干涉为例，利用Python人机交互界面，设计三种调节控件来描述干涉现象发生时的参数，具体包括：

（1）入射光的波长，

（2）两缝的间隔

（3）光屏到双缝平面的距离。

由杨氏双缝实验原理，杨氏双缝干涉光路图，借助Python的数值计算、模拟仿真工具库，直观呈现两相干光叠加后形成的干涉图样，得到干涉条纹分布图。同时将三个参数变量在GUI界面中设计为可调节的滚动条，便于教师课堂展示，对比教学.运行程序后结果如图3所示，得到了波长为560、双缝间隔为8.1cm、缝与屏距离为50cm的单色光产生杨氏双缝干涉后的干涉图样。

3.夫琅禾费矩孔衍射

在夫琅禾费衍射实验的实际操作过程中，由于实验要求精密，需要尽可能的减小误差，才有可能出来比较标准的图.利用 Python图形用户界面，实现实验参数的灵活改变，从而得到不同类型的衍射仿真图样，进行对比示范教学，为光学理论教学和实验教学提供一个新的途径。

3.1原理阐述

光的衍射是指光波在其传播路径上遇到障碍物时偏离直线传播，绕过障碍物而进入几何阴影区，在屏幕上出现光强不均匀分布的现象.在衍射中，若是光源与衍射屏、衍射屏与接收屏之间的距离为有限远，则称为菲涅尔衍射;若是光源与衍射屏、衍射屏与接收屏之间的距离为无限远，则称为夫琅禾费衍射.借助惠更斯-菲涅耳原理可以解释和描述光束通过各种形状的障碍物时所产生的衍射现象。观察夫琅禾费衍射需要把观察屏放置在离衍射孔径很远的地方，因此这里加入一个透镜用来聚焦，实验装置的光路图如图4所示。

3.2仿真界面

我们以不透明挡板上一定尺寸的矩形孔为例，直观呈现了光线入射时其对光的衍射现象，用Python GUI呈现出人机交互的界面，设计可拖动的滑动条方便地调节参数和计算有关物理量.绘出衍射条纹图样。建立5个可编辑的文本框，设计五种调节控件来描述衍射现象发生时的参数，具体包括：

（1）入射光的波长

（2）光屏的尺寸

（3）透镜焦距

（4）矩孔宽度

（5）矩孔高度。

根据夫琅禾费矩孔衍射理论编写程序，点击鼠标“运行”，可以得到夫琅禾费衍射实验的Python图形用户界面，在界面输入实验参数，或者通过拖动滑动条改变参数，可实时观察对比条纹图样变化，分析比较不同参数下的衍射实验结果. 通过模拟仿真结果图5可看出，随着相关参数的改变，衍射图样发生变化，且变化规律与理论一致。控制其他参数不变，只调节孔径宽度的数值为所设区间的最大值，得到如图6仿真结果。由图6（a）、（b）容易看出，单缝衍射即为矩孔衍射的特例，并且孔径越大，衍射条纹越密。

同样的，修改其他任一参数，可进一步模拟入射光波波长、透镜焦距等因素对衍射结果的影响。此交互界面形成的仿真模拟实验可以较好的达到理想的夫琅禾费衍射图样，有助于深入理解光学衍射理论及进行辅助教学，减少不必要的误差和实验仪器的损耗。从图样分析结果可以看出，该模拟仿真过程对于实验验证和计算较为复杂的夫琅禾费衍射现象，具有重要的理论参考意义.在教学过程中教师可以借助此模拟仿真程序演示讲解夫琅禾费单缝衍射实验，仿真实验所提供的清晰物理图像可以帮助教师简化基本理论的教学，增强学生对衍射现象的理解，明确衍射所需要控制的变量对衍射图样的影响，有助于学生更加深刻地理解夫琅禾费矩孔衍射的特征和规律。

4.结语

本文通过对物理光学课程中部分典型光学实验的仿真为例，全面地介绍了如何借助Python辅助课堂教学。对学生而言，通过模拟仿真教学，将抽象难懂的物理概念和规律直观的展现出来，增强教学效果. 同时可以让学生课后自主设计光学实验仿真程序，对比分析总结实验规律，提高其科学探索能力和创新能力;对教师而言，可以在理论学习和实验验证这两个环节之间增加仿真实验，引导学生深入学习，为光学课程的开展提供新的途径。

从以上实验仿真可以看出， Python图形用户界面使用简单、图象直观，可以根据需要设计出符合教学要求的人机交互界面。Python程序语言设计简单，容易上手，可移植性强，使不具备编程能力的学生也可以独立操作，培养学生计算思维能力.此外，该系统不受实验仪器和时域的限制，只需输入参数即可获得不同条件下的实验仿真图样，提高教学效率。通过简单的建模和可视化的形式展现，使得光学的课堂教学变得生动直观，提高学生浓厚的学习兴趣，增强了教学效果，实现了光学教学的现代化。

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作者简介：张婕妤（2000.11-）， 女，汉族， 河南许昌人，本科生。

1.河南师范大学 物理学院    河南新乡    453007;

2. 河南师范大学 国家级物理实验教学示范中心    河南新乡     453007