物理光学课程中的可视化研究

田彩星

(山西省太原工业学院 030000)

物理光学作为一门关键的学科，在该学科的教育教学工作开展上，有一定的复杂性.从学科自身的性质角度出发来看，物理光学课程本身内容复杂、深奥，所以学生在进行物理光学课程知识的学习上，难免会有较大的难度.为此，在当前物理光学课程教学工作开展上，如何有针对性的进行教学模式的变革，成为物理光学教师在课程教学过程中必须考虑的问题.随着教育教学产业的不断发展，引入可视化理念开展物理光学课程教学成为物理光学教师关注的焦点.在当前科技领域中，一款公认的最优秀软件即Matlab.该软件在应用上，可以实现科学计算、绘图以及建模和编程一体化运作，有非常强大的应用功能.在进行具体的应用实现上，通过在物理光学课程教学中引入Matlab应用，能够实现可视化的光学实验效果，有助于学生在知识学习上实现抽象到形象思维的转换，从而促使学生在进行物理光学实验学习上，能够对光学实验的物理内涵有深入洞察，了解物理光学概念、探寻规律，培养学生出色的物理光学课程学习兴趣，潜移默化培养学生出色的物理光学实验创新能力.

1 物理光学课程可视化中Matlab应用的意义

对于物理光学课程的教学工作践行来说，教师在教学工作开展上，不仅要通过课堂知识讲授，让学生对物理光学这门课程有一定的了解，同时还要求教师在课堂教学活动践行上，能够真正的通过教育引导，帮助学生掌握扎实的物理光学知识，并能够运用所学知识去进行实践中遇到问题的妥善解决.但是从现状来说，考虑到物理光学课程本身涉及到的内容复杂、深奥，所以单纯凭借传统的讲解式教学难以达成预期的教学效果.而且教师通过讲解式的方式进行物理光学课程讲授，难以真正进行一些物理光学现象的展示，不利于学生深入理解物理光学内容.Matlab软件在应用上，可以通过可视化的方式将计算结果精准呈现出来，有助于实现抽象思维到形象思维的转换.结合物理光学课程的教学实践来说，在过程中涉及到众多概念的讲解，而且内容较为抽象，所以在教学实践上一般会涉及到大量的光学实验教学.在教学过程中，针对很多光学现象以及规律的教学不具备较为完善的数学推导，这也导致学生在光学课程学习上会有较多的困难.立足物理光学课程的实验教学来说，教师在教学上要尽可能为学生提供更丰富进行物理现象观察的机会，激发学生的物理知识学习兴趣，培养学生良好的观察习惯，让学生通过具体的观察培养出色物理思维能力，提升物理创新能力.这对于改善物理课堂教学效果有积极意义.

2 物理光学课程中利用Matlab进行可视化教学的实践分析

随着当前物理学科教学技术的提升，以及各种先进教学手段的涌现，对物理学科的教学工作开展也提出了更高的要求.在物理光学课程教学实践上，由于光学课程涉及到的概念较多，而且在知识讲授上有较为明显的抽象表现，所以引入可视化技术实现物理光学课程教学对激发学生进行物理光学课程的学习兴趣，提升物理光学课程教学效果有积极推动作用.结合物理光学课程的教学内容，在利用Matlab开展可视化教学的过程中，可以结合不同物理光学课程教学内容差异，有针对性引入Matlab软件，提升物理光学实验可视化教学效果.

2.1 借助Matlab模拟彩色汞光谱

相较于单色光来说，在当前文献研究中，针对彩色原子光谱干涉以及衍射的仿真模拟十分有限，在研究中依然为空白状态.所以在物理光学实验仿真上，很多研究人员在仿真模拟方面仅仅是立足单色光角度出发进行针对性的模拟，但是在模拟过程中难以获取较为理想的白光仿真模拟效果，针对彩色光谱模拟仿真更是鲜有报道.

本文在观点分析上，立足物理光学课程教学出发，立足不同色谱光源谱线展开针对性的仿真模拟，结合彩色光对应的RGB合成理论出发，借助Matlab可视化程序进行光栅衍射实验的开发，在一定程度上就目前物理光学课程教学研究中一般光源色彩光谱资源缺失的情况做出了相应的弥补.在具体实现上，设定光栅的单元数量共计是N个，单一单元对应的透光缝宽度一般是a，对于不透光部分而言，其对应宽度用b表述，在过程中存在一个光栅常数d.为此可以通过下述共识进行夫琅以及费光栅衍射场光强分布的表述：

(1)

结合上述公式的内容表述，在进行具体的计算分析上，可以结合不同参数的调整，从而获取到不同效果的汞原子可见光范畴彩色光谱图.具体参考图1展示的内容.

图1

按照图1展示的内容，在进行光谱图的内容呈现上，不仅有零级谱线的存在，而且在过程中还可以清晰看到±1、±2级和部分三级光谱.在谱线级数不断提升的情况下，对应呈现出的谱线也有更为细锐表现.结合仿真模拟结果和实际实验结果的比对，二者之间有较高的一致性.在进行仿真模拟的过程中，若是适度进行光栅常数的缩减，尤其是有针对性进行光栅刻痕总数N的提升，能够在一定程度上提升光栅光谱的分辨率.所以在可视化实现过程中，若是想要获取到能够和测量标准契合的细锐光谱，则要求在进行实验操作上必须要实现光栅总刻痕数的提升，此外合理进行光栅常数的针对性缩减.

可见，在当前物理光学知识的讲授上，教师通过借助Matlab模拟彩色汞光谱方式进行相应知识的教学，能够让学生更直观的理解教师讲授的知识，同时还有助于激发学生进行物理光学知识学习兴趣.所以在当前物理光学的课程教学工作践行上，借助Matlab模拟彩色汞光谱的方式对改善物理光学课堂教学效果有很好的帮助.

2.2 氢原子巴尔末线系谱线的彩色光谱仿真模拟

在物理光学课程教学中，其中一个关键的内容就是氢原子巴尔末线系可见光光谱的测量与分析.无论是从近代物理学的发展，亦或是从量子物理学的发展来说，氢光谱的研究都有不可替代的价值和意义.但是考虑到当前在实验操作过程中存在较多的制约要素，以及在实验开展上需要耗费大量的资金，所以在进行物理光学课程教学上，针对氢光谱相关内容教学，尤其是在进行波长测试和分析上，较少会有相应的直观图像资料可供参考.但是通过引入Matlab，能够通过仿真模拟的方式开展实验研究.

本文在利用Matlab开展氢光谱波长的测试和分析上，合理进行不同光栅常数的设定，同时在进行透光宽度以及光栅刻痕数量设定上也进行了相应的模拟，从而可以确保在进行实验操作上，借助Matlab成功进行不同参数影响下氢光谱图像的变化.在实验操作上，若是可以实现相应参数的自行调节，则实验者则可以通过不同参数设置，获取到对应的仿真彩色氢光谱图像.这对于人们更出色进行氢光谱直观光谱图像的解读也有一定积极意义.

在图2中展示的是利用Matlab获取的氢原子彩色光栅光谱模拟效果图.结合图展示的内容，其就可见光范畴内的4条氢原子巴尔末系谱线情况进行了呈现.通过对该四条谱线的分析和测量研究，促使人们在原子的理解上也有了新的门户.而且通过研究，也为推动量子力学以及现代物理学的发展起到了积极推动作用.通过图2中展示的a、b图内容比对可知，在进行光谱仿真模拟上，借助Matlab能够有效的进行相应参数的调节，从而获取到不同参数差异情况下对应的光谱图像效果.结合a、b图呈现的结果比对，可以进行光栅常数的缩减，同时有效进行缝内不透光宽度的增加，并对应进行光栅总刻痕数的增加，能够促使最终获取的氢光谱有更为出色的分辨率.

图2

相应物理光学场景的真实模拟，激发学生进行相关知识学习的热情，更好保障学生进行相关知识学习的热情，提升学生课堂知识学习的综合效果.

随着科技的发展，对当前物理课程教学也提出了更高的要求.为了更好改善当前物理光学课程的教学水平，提升课堂综合教学效果，教师在物理光学课程的教学实现上，考虑到光学课程本身较为抽象，而且涉及到的概念较多，所以要求教师在开展物理光学课程教学过程中，要充分立足学生学习情况出发，引入可视化教学手段，实现课堂教学模式的创新.考虑到当前物理光学课程教学的现状，本文在观点探讨上提出了在物理光学课程教学中可以实现Matlab的引入，基于此实现对不同光学实验的仿真模拟，提升物理光学课程的教学效果.可以说，借助Matlab开展物理光学课程教学，能够营造更为逼真的可视化视觉效果，激发学生物理光学课程学习兴趣，提升课堂教学成效.