光学问题（共12篇）
光学问题 篇1
光学中的STS是很多的, 教学的时候, 恰当地给学生介绍一些相关的课外知识, 不仅能够激发学生的兴趣, 还能提高课堂教学效果.下面是笔者归纳的一些STS知识, 以期引起同行的共鸣.
一、关于光的直线传播的STS问题
例1 夏日, 阳光透过树缝, 在地面上形成许多圆形的亮斑, 这些亮斑很亮, 为什么?
解析:这是小孔成像现象, 小孔成像是光的直线传播的典型例子.地上圆形的亮斑是太阳形成的倒立实像.
二、关于光的反射的STS问题
例2 元人《平山堂》有诗云:“廿四桥边廿四风, 凭栏犹忆旧江东.夕阳返照桃花渡, 柳絮飞来片片红”.该诗所包含的物理现象是 ( )
(A) 折射 (B) 反射
(C) 全反射 (D) 衍射
解析:这是一首写景抒情的好诗, 诗内用的是光的反射现象, 即反射光的颜色由反射面的颜色决定, 桃花花瓣是粉红色的, 故反光也是粉红色的, 加之夕阳也是红色的, 整个一片红色的世界, 柳絮也不例外被“染”成了红色.故选 (B) .
例3 传说在2000多年前, 古希腊受到罗马舰队的入侵, 古希腊最著名的科学家阿基米德用镜了击退了罗马的进攻, 保卫了自己的祖国.请问他所用的物理知识是什么?
解析:那天正好万里晴空, 太阳朗照, 他让男女老少都拿来自家的镜子, 组成一个凹面镜, 像今天的太阳灶一般, 凹面镜对光有汇聚作用, 集中的光能照射到帆船上, 点燃了帆船, 敌人以为是违背了天意, 惊慌溃败.
例4 白天, 装在大楼上幕墙玻璃, 外面的人看不见里面的物体, 里面的人却能看见外面的景物, 这是为何?
解析:那是因为在幕墙玻璃的外面涂有一层高反膜, 它是一种反射率远远大于透射率的物质, 所以, 当光照射到幕墙玻璃的外面的时候, 外面的人看不见里面的物体, 里面的人却能看见外面的景物.
三、关于光的干涉的STS问题
例5 一场雨水过后, 马路上呈现七彩, 煞是好看, 这是什么物理现象, 试为解释?
解析:雨水过后, 马路上形成一层薄薄的油膜, 在光的照射下, 产生薄膜干涉.由于薄膜的厚度不尽相同, 所以彩条弯弯曲曲煞是好看.
例6 下列现象属于干涉现象的 ( )
(A) 蝉翼翅膀上的彩色
(B) 透过绸布看灯光可看到花纹
(C) 用力压紧玻璃板可看到彩色花纹
(D) 阳光下, 我们看到自己额前的头发是彩色的
解析:蝉翼是透明的, 其前后两个表面的反射光相互叠加, 形成薄膜干涉.透过绸布看到的彩色条纹是光的衍射.用力压紧玻璃板可看到彩色花纹那是玻璃板之间的空气层形成的薄膜干涉.阳光下, 我们看到自己额前的头发是彩色的, 也是衍射的结果.故 (A) 、 (C) 正确.
四、关于光的衍射的STS问题
例7 由于环境遭到严重的破坏, 近年来, 沙尘天气频繁出现.试问在沙尘暴出现的时候, 为什么天空往往呈现红黄之色?
解析:沙尘暴天气, 天空有大量的扬尘颗粒, 太阳光中波长较长的红光和黄光衍射本领很强, 能够穿过厚厚的沙尘, 波长较短的其它色光不能穿过这个屏障, 致使天空呈现红黄之色.
五、关于光的折射的STS问题
例8 南宋程大昌在《演繁露》中记述:“凡风雨初霁, 或露之未唏, 其余点缀于草木枝叶之末, 日光入之, 无色具足, 闪烁不定, 是乃日之光品著色于水, 而非雨露有所五色也.”此文描述了一种怎样的自然现象.
解析:不经历风雨, 怎能见彩虹.彩虹是光的色散现象.它是太阳光照射在空气中的小水滴里, 几经反射和折射形成的.
例9 露珠悬挂在枝头, 透过露珠看到的景物是怎样的?
解析:露珠就是一个不太规则的透镜, 眼睛充当光屏, 那么人所得到的必然是实像, 凡实像皆倒立, 所以在观察者眼中看到的是一个颠倒的世界.
六、关于光的全反射的STS问题
例10 林景熙的《蜃说》中有这样一段文字:“庚寅季春, 予避寇海滨.一日饭午, 家僮走报怪事.日:‘海中忽涌数山, 皆未尝有.父老观以为甚异.’予骇而出, 会颍川主人走使邀予.既至, 相携登聚远楼东望.第见沧溟浩渺中, 矗如奇峰, 联如叠巘, 列如萃岫, 隐见不常.移时, 城郭台榭, 骤变数起, 如众大之区, 数十万家, 鱼鳞相比.中有浮屠老子之宫, 三门嵯峨, 钟鼓楼翼其左右, 檐牙历历, 极公输巧不能过.又移时, 或立如人, 或散如兽, 或列若旌旗之饰, 瓮盎之器, 诡异万千.日近晡, 冉冉漫灭, 向之有者安在?而海自若也.”该段文字细致的描绘了作者亲眼目睹的壮丽景象, 请你解释“海市蜃楼”?
解析:古人以为“海市蜃楼”是海中的一种叫做“蜃”怪物吐出的气凝结形成的.这当然是不对的.现在看来, 这是光的全反射现象形成的.海市蜃楼一般在暮春或者夏季观察, 那时海面和高空空气温度差别巨大, 当对面的景物反射的光线传来的时候, 要在折射率不同的空气层面上发生数次全反射现象, 当到达观察者的眼中的时候, 观察者总是习惯于逆着光线寻找物体, 观察者看到的便是悬在空中的虚像.
七、关于光的多普勒效应的STS问题
例11 星系谱线的“红移”现象充分表明了宇宙中的其它星体都在逐渐远离地球, 宇宙在不断地膨胀中.试解释这一现象.
解析:“红移”就是光的频率向红光方向移动, 光的频率变低的意思.这是光的多普勒效应, 如果其它星球离我们的距离是不变的, 我们接收到的光的频率就是不变的, 和原来的频率相等;事实上, 地面上的科研人员探测得到的从其它星体传来的光, 发现其频率变低了, 这充分表明其它星球都向我们远离.
八、关于光的偏振的STS问题
例12 夜间行车, 对面的强光太刺眼, 司
机不好开车, 为了避免这一现象的发生, 需要安装一个滤光片.这是什么道理?
解析:应用的是光的偏振现象, 偏振片有滤光的作用.
点评:有关光学的STS事例切近生活, 饶有趣味, 以上点滴可见一斑, 所未尽者, 尚有万千, 兹不一一赘述.
浙江省苍南县灵溪三高 (325800)
光学问题 篇2
基金项目：军械工程学院教学研究课题（jxlx12w41）
作者简介：李莉（1981-），女，河北大学光学专业，硕士学历，现为中国人民解放军军械工程学院讲师。
应用光学课程是光学专业人才培养方案中非常重要的一门专业基础课程，课程包含了工科院校光学专业学员所需必备的光学基础知识，为后续专业课程奠定理论基础和应用基础。如何充分发挥各种信息化教学方法手段上好《应用光学》课程是专业课程建设和学员能力培养的关键问题之一。随着信息技术的发展，信息化教学模式的优势越来越显著，各种信息化教学方法手段被广泛应用到教学中来[1]。因此要瞄准课程建设需要以及信息化教学改革的需要，将光学设计软件引入到教学中来，利用先进的光学设计软件进行教学实例以及仿真实验的建设，推动应用光学课程的信息化建设进程。
一、光学设计软件在应用光学课程教学中的应用意义
经过多年的《应用光学》课程教学实践，已经发现传统的教学手段，如黑板、粉笔、多媒体示意图等还存在很多不足[2]。比如，在理论教学时，大量复杂的光路图、光学系统结构图以及实用的光学元器件图等等都不同于一般的示意图，要求准确度很高，而且有时还涉及到空间光线，大大地增加了课堂讲授难度，同时也影响了教学效果。在针对光学系统成像过程的讲授时，传统的教学手段也不能给出实际的成像装置及成像过程，遇到复杂的光学系统时，更是不能定量地画出光路图，也不能给出其动态的成像过程。又比如，在实践教学时，为了能够进一步获得深层次的理性认识，必须在感性认识的基础之上，通过实践，培养出学员实验的逻辑思维方法和训练出解决实际问题的能力。然而，众所周知，光学实验的条件要求非常高，实验现象可以用弱、精、微来总结，在课堂上由于条件的限制很多将难以演示或呈现出便于观察、正确的结果。这些非常成熟，但又显露出相对落后的传统教学手段，造成了光学理论与实验在教学时间和空间上的不匹配，已经非常明显地影响了应用光学的教学效果，急需进行教学方法手段的改进。
我们利用先进的光学设计软件进行教学实例以及仿真实验的建设，凸出意义有以下三点。
1.利用专业的光学设计软件可以将课程中涉及到的光路、光学元件进而到光学系统，甚至实用化到光学仪器，以三维实体的方式精准地构建出来（这是光学设计软件的基本功能之一），这些构建实例相比于传统教学中使用的二维示意图，准确度大大提高，甚至上升到了光学量级，加上高度的形象化和精密的准确性可以确保虚拟仿真的效果并极大地增强教学效果。
2.随着教改的进行，新的专业人才培养方案中，加入了很多新的课程，也整合了很多原有课程，应用光学课程的学时进行了缩减，而要想在更为有限的课时中，加入并很好地开展各种实验，将比较困难。通过将光学设计软件与应用光学课程有机结合，以软件为平台，将各种抽象的或难以演示的光学实验模拟仿真出来后运用于课堂教学中，紧密结合抽象理论与直观实验，将很好地加深学员对理论知识的理解，提高学员对科学实验的认知，实现理论与实验实时结合的课堂一体化教学。
3. 光学设计软件作为光学领域专业的工程软件，在科研、生产工作中应用非常广泛，教员将它引入到教学建设中，同样也是引入到学员的学习过程中，也就意味着为学员提供了一个培养创新意识和锻炼工程能力的平台，可以实现所学应用光学知识在光学系统、光学仪器甚至光电仪器中的实际应用，使教学、科研充分衔接，适应工程实践需求[3]。
二、具体建设内容与应用实践
信息化条件下基于光学设计软件的应用光学课程建设可以从以下几个方面进行。
1.教学实例的计算机仿真建设，推进信息化教学方法手段的应用。()教学实例的计算机仿真建设由来已久，在原有的课程资源中，已经制作了比较多的简单多媒体应用，比如简单的示意图、静态照片图片，也包括一些Flash简单示意动画，这些还远远不够，利用专业的光学设计软件模拟出具有光学精度的交互式三维实体模型[4]取而代之以推进信息化教学方法手段的应用。例如，对于光学元件以及由光学元件组成的典型成像光学系统的建模及仿真分析，可以采用业内目前流通非常广泛的ZEMAX光学设计软件来完成；而光度学、色度学部分中涉及到的非成像、照明光学系统的建模分析可以采用以照明分析见长的TracePro软件来完成。
2.虚拟仿真光学实验建设，促进理论与实验课堂一体教学。众所周知，虚拟仿真实验是计算机仿真技术应用于实验教学而形成的一种现代实验教学手段，在很多理工科课程中均已有应用。其优点在于不受实验条件的限制，使得很多现实不易完成的实验均可借助虚拟技术实现。通过建设与课程内容匹配的几何光学、典型光学系统（如显微系统与望远系统的比较、两类望远系统的比较），甚至一部分物理光学的虚拟仿真实验（如理想光学系统与实际光学系统的.分辨率），可以有效地解决课时受限、实验条件受限的困境，使学员更好地掌握基本的光学理论知识的同时，加深对典型的光学系统的认识。
3.学员科研训练基地建设，课堂教学与工程实践并重。1989年麻省理工学院提出“回归工程”的新观念后得到了包括世界一流大学和一般大学的普遍认同，回归工程主要指将普通工科高校的一切工作回到以技术创新为中心的素质教育上来[5]。在人才培养方案中，应用光学属于专业基础课程，它与其他专业课相比，有着更广的内容，也与基础学科（如数学、物理）和相关学科（如仪器科学、测量科学）有着更为广泛的联系，更容易知识的综合与学科的交叉。因此，将光学设计软件引入到教学建设中来，就是引入到学员当前的学习、未来的工作中来，通过分解提取一些与应用光学课程内容有联系的科研创作。如像质良好放大镜的设计、简单望远镜的设计、相机取景器的设计等等，培养一些优秀学员，成为研究型教学的对象，做到课堂教学与工程实践并重。
在以上建设内容完成的前提之下，将建设成果合理地引入到应用光学课程的教学实践中来，才能体现出其价值，并带来效益，具体应用实践如下。
1.利用建设的教学实例进行理论教学。经专业光学设计软件模拟出的具有光学精度的三维实体模型实例可以应用于理论教学过程中，例如，在讲授光阑的选择这部分内容时，仅利用课本、示意图将很难讲解清楚，利用Zemax光学设计软件建立的望远系统实例，通过逐一选择不同的光学零件作为孔径光阑，学员们可以清楚地看到透镜数据栏中各个零件的口径大小（精确到0.001mm），也可以直观地通过三维图查看设计的望远系统外形，合理与否一目了然。这样的实例，可以加快、加深学员对相关知识的理解。
2.上机实践与课程的理论学习相结合。可以通过安排一定的上机时间，让学员直接进行软件操作学习，学以致用，真正体会“应用光学”应用性的所在，加上应用光学是光学设计的基础，通过初步掌握光学设计软件Zemax的使用方法，还可以使学员更多地了解有关光学设计的知识，促进学员向着更深的专业领域中去钻研。另外，双语教学虽然还没有开始开展，但是，也已经成为普遍的趋势，而Zemax恰是国外引进的专业软件，为全英文界面，所用术语均与专业领域相同，因此学员在利用该软件进行课程学习的同时，也是不断提高专业英语的过程，可以说采用光学设计软件与应用光学课程相结合的教学手段，加强实践环节的建设，不仅可以巩固和加深对应用光学基础理论的理解，而且通过必要的设计实践使学员掌握对光学系统进行初步设计的知识，逐步具备解决工程实际问题的能力。
3.总结成果形成实用的配套资料。将建设的教学实例以及上机实践科目整理总结，形成供教员教学以及学员学习的课程配套资料，并通过每年的讲授加以不断地完善，形成常态，永无止境地追求教学效果的提高。另一个原因，虽然目前光学设计软件Zemax所占有的市场份额较高，用户较广，但是有关Zemax的中英文对照教材还不多，国内独家代理公司虽然每年有培训班、培训资料，但对课程的针对性不强，这些不利于学员很快的入门，所以，将教员每年的教学经验积累起来，将相应建设内容汇集起来，形成完整、系统且实用又有针对性的教与学配套资料，并不断应用到实践中来，达到良性循环。
三、结束语
应用光学课程本身具备理论与实际相结合、应用性强的特点，在培养学员科学的思维方式，综合运用基础理论知识分析并解决实际光学仪器问题的能力，以及知识的梳理和扩展学习的能力方面作用重大。我们对该课程的建设进行了有益的探索与实践，并将继续努力加以完善。
参考文献：
[1]王寅龙，李前进，李志祥，王希武，林克成。信息化教学设计的过程、方法及评价要点探究[J]. 中国教育信息化，，（06）：15-18.
[2]张军，陈哲，钟金钢。ASAP软件在光学原理等课程教学中的应用[J].中国电力教育，，（130）：85-86.
[3]冷玉国，应用光学教育发展现状分析及研究[J].长春理工大学学报：高教版，，2（3）：91-93.
[4]岑兆丰，李晓彤，刘向东。浙江大学应用光学课程的发展和改革[J].光学技术，2007，（33）：268-271.
基于变换光学的光学重叠效应 篇3
基于变换光学理论，提出了一种新型的各向异性均匀的压缩变换介质。通过坐标变换，该压缩变换介质将一片选定的均匀各向同性的自由物理空间“压缩”至一个小的变换区域，并通过补偿介质（ε=μ=-1）来补偿除了压缩区域之外的那片自由空间，以保持空间场分布的连续性。当两个分离的点光源分别处于该压缩变换介质之中的时候，它们能够形成完美的光学重叠效应，即形成完美的光学相干效应。利用有效介质理论，可以进一步简化变换介质参数，获得各向同性均匀的压缩变换介质实现光学重叠效应。该研究在高能相干激光中具有潜在的应用。
关键词：
变换光学； 光学重叠； 有效介质理论
中图分类号： TN 2文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.02.007
Abstract：
In this paper，based on transformation optics，a new anisotropic and homogenous compressible transformation media is proposed.By using the coordinate transformation，such compressible transformation media can be able to compress the selected isotropic and homogenous free space into a small transformation regime.Meanwhile，the corresponding compensating medium（ε=μ=-1） is introduced into the selected free space（except for the transformation regime） in order to keep the continuity of the field distribution.When two separated point sources embedded in such a transformational media，all of them can overlap with each other，leading to the perfect optical interference effect.By using the effective medium theory，such transformational media can be further simplified，and an isotropic and homogenous compressible transformation media is obtained to realize the overlapped optics.Our investigation may have potential application in high power coherent laser beams.
Keywords： transformation optics； overlapped optics； effective medium theory
引言
近十几年来，超颖材料技术的发展，使得人们可以任意操控电磁波的振幅、偏振、相位以及传播路径等。该技术为人们探索新的物理机制，设计新的物理器件提供了一条崭新的途径。2006年Pendry等[1] 和 Leonhart[2]分别提出了一套精确调控电磁波的理论—变换光学理论。目前，变换光学为设计基于超颖材料的电磁波调控新器件提供了理论依据。利用变换光学方法并假设在虚拟弯曲空间中传播的电磁波是沿着弯曲路线传输，那么我们就可以构建实际物理空间和虚拟弯曲空间的一一对应关系。根据麦克斯韦方程的变换不变性，在实际物理空间中获得电磁波沿着弯曲路线传输所需要的变换介质，通过设置相应的变换介质实现电磁波的精确调控[3]。其中，隐身大衣作为变换光学的一个典型应用，在变换光学理论提出之初即引起了广泛的研究，包括圆形隐身大衣、方形隐身大衣、椭圆形隐身大衣和任意形状的隐身大衣[48]。此外，根据变换光学理论，人们还研究了波集中器、波旋转器、波连接器、波分束器以及人工电磁黑洞等[913]。
最近，赖耘等基于变换光学和负折射材料提出了空间折叠原理，并由此设计出基于补偿介质的外部隐身大衣[14]。与传统隐身大衣不同，该类型的隐身大衣可以实现被隐藏的物体看到外界的物体，而电磁波却探测不到被隐藏的物体。基于空间折叠原理，赖耘等又提出了幻觉变换介质，该介质可以实现将一个物体变换成另一个物体的光学幻觉效应（如将一个勺子变成一个杯子）[15]。同时，基于空间折叠原理，徐亚东等提出了基于补偿介质理论的光学重叠效应（即反镜像效应），形成两个形状不同的物体的相互重叠幻觉效应[16]。此外，我们已在此基础上实现了两个形状相同的物体的相互重叠幻觉效应，并实验验证光学完美相干效应[1718]。到目前为止，以上报道的所有光学重叠效应均基于各向异性均匀或者非均匀介质实现，导致材料参数和实验制备相当复杂。能否利用各向同性且均匀的变换介质获得光学重叠效应是目前的一大挑战。基于此，本文提出了另一类新型压缩变换介质并结合有效介质理论，实现了层状化的各向同性且均匀的变换介质并诱导产生光学重叠效应。
2结果及分析
通过COMSOL软件计算，可以得到自由空间和存在压缩幻觉介质时的磁场分布。图2（a）给出了频率为1 THz的TM波在45°斜入射情况下，自由空间和各向异性均匀幻觉介质（介质参数满足式（9）～（12））中的磁场分布。图2（b）给出相同频率的TM波在45°斜入射情况下，在自由空间中传播的磁场分布。由变换式（1）～（4）可知，自由空间Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ和 Ⅶ被压缩进变换区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ，所以变换区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ包含了自由空间Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ和 Ⅶ中的场分布（即图2（a）中区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ中的场等效于图2（b）中黑色实线区域中的场）。同样，变换区域Ⅲ、Ⅳ、V也包含了自由空间Ⅲ、Ⅳ、V和 Ⅶ中的场分布（即图2（a）中区域Ⅲ、V、Ⅵ中的场等效于图2（b）中黑色虚线区域中的场）。由此可知，自由空间Ⅶ被同时压缩进上下两个变换介质区。为了保证空间的连续性，必须在区域 Ⅶ中设置相应的补偿介质（介质参数如式（8）），这样，就能保证补偿介质区域Ⅶ中的磁场分布传播方向与外部自由空间上的磁场传播方向正交。
比较图2（a）和（b），可以发现电磁波在透过变换幻觉介质后，其场分布和自由空间上传播的电磁波完全一样。此外，由于自由空间Ⅶ被同时压缩进上下两个变换介质区，所以压缩区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ和压缩区域Ⅲ、V、Ⅵ必将有部分区域是相互重叠的，其重叠部分表现在自由空间如图2（b）中实线黑色区域和虚线黑色区域的交叠部分。根据这一特性，我们设计的幻觉变换介质可以实现光学重叠效应。
图3（a）为自由空间中分别处于（0，0.5 mm）和（0，-0.5 mm）的两个完全相同的点源的磁场分布（相应的振幅均为1 V，波长为0.33 mm）。从图3（a）的磁场分布可以看出，分离的两个完全相同的点源在自由空间上产生了相干效应（包括相长干涉和相消干涉）。图3（b）为嵌入在移动介质Ⅰ区域（0，0.5 mm）处和Ⅳ 区域（0，-0.5 mm）处的两个完全相同的点源的磁场分布（相应的振幅均为1 V，波长为0.33 mm）。而图3（c）为自由空间中处于（0，0）处振幅为2 V，波长为0.33 mm的单个点源的磁场分布。比较图3（b） 和图3（c）可以发现，两者在变换区域外的场分布完全一致。这表明图3（b）两个振幅均为1 V，波长为0.33 mm的分离的点源，在移动介质的作用下，全部移动至（0，0）处，并完全重叠在一起，等效于一个振幅为2 V，波长为0.33 mm的点源，实现了压缩变换介质的完美光学重叠效应。
由于很难找到各向异性均匀的介质实现以上所述的完美光学重叠效应，为此从实际应用角度出发进一步简化介质参数。根据第一部分的讨论，结合坐标变换和有效介质理论，将原先的各向异性均匀的介质变换成各向同性均匀的层状介质，以符合实际应用。图4（a）为各向同性均匀的层状变换压缩介质产生的光学重叠效应，嵌入在层状移动介质I区域（0，0.5 mm）处和Ⅳ 区域（0，-0.5 mm）处的两个完全相同的点源（振幅为1 V，波长为0.33 mm）的磁场分布等效于图4（b）中自由空间中处于（0，0）处振幅为2 V，波长为0.33 mm的单个点源的磁场分布。这表明，我们所设计的层状各向同性均匀的变换压缩介质同样可以实现完美光学重叠效应。
3结论
通过变换光学理论及基于坐标变换，我们设计了一类压缩变换介质。利用该压缩变换介质，我们实现了两个点光源的空间完美相干效应（相长相干）。通过将坐标变换和有效介质结合，实现了各向同性均匀的层状压缩变换介质。经COMSOL数值仿真，对压缩变换介质形成的光学完美相干效应/光学重叠效应进行了验证。
参考文献：
[1]PENDRY J B，SCHURIG D，SMITH D R.Controlling electromagnetic fields[J].Science，2006，312（5781）：17801782.
[2]LEONHART U.Optical conformal mapping[J].Science，2006，312（5781）：17771780.
[3]SCHURIG D，PENDRY J B，SMITH D R.Calculation of material properties and ray tracing in transformation media[J].Optics Express，2006，14（8）：97949804.
[4]IYSIC B，SIPUS Z，HRABAR S.Analysis of uniaxial multilayer cylinders used for invisible cloak realization[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2009，57（5）：15211527.
[5]JIANG W X，CUI T J，YU G X，et al.Arbitrarily ellipticalcylindrical invisible cloaking[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2008，41（8）：085504.
[6]LI C，YAO K，LI F.Twodimensional electromagnetic cloaks with nonconformal inner and outer boundaries[J].Optics Express，2008，16（23）：1936619374.
[7]LI W，GUAN J G，SUN Z G，et al.A near perfect invisibility cloak constructed with homogeneous materials[J].Optics Express，2009，17（26）：2341023416.
[8]HAN T C，QIU C W，TANG X H.The general twodimensional openclosed cloak with tunable inherent discontinuity and directional communication[J].Applied Physics Letters，2010，97（12）：124104.
[9]CHEN H Y，CHAN C T.Transformation media that rotate electromagnetic fields[J].Applied Physics Letters，2007，90（24）：241105.
[10]RAHM M，SCHURIG D，ROBERTS D A，et al.Design of electromagnetic cloaks and concentrators using forminvariant coordinate transformations of Maxwell’s equations[J].Photonics and Nanostructures Fundamentals and Applications，2008，6（1）：8795.
[11]RAHM M，CUMMER S A，SCHURIG D，et al.Optical design of reflectionless complex media by finite embedded coordinate transformations[J].Physical Review Letters，2008，100（6）：063903.
[12]ZHANG K，WU Q，MENG F Y，et al.Arbitrary waveguide connector based on embedded optical transformation[J].Optics Express，2010，18（16）：1727317279.
[13]CHEN H Y，MIAO R X，LI M.Transformation optics that mimics the system outside a Schwarzschild black hole[J].Optics Express，2010，18（14）：1518315188.
[14]LAI Y，CHEN H Y，ZHANG Z Q，et al.Complementary media invisibility cloak that cloaks objects at a distance outside the cloaking shell[J].Physical Review Letters，2009，102（9）：093901.
[15]LAI Y，NG J，CHEN H Y，et al.Illusion optics：the optical transformation of an object into another object[J].Physical Review Letters，2009，102（25）：253902.
[16]XU Y D，DU S W，GAO L，et al.Overlapped illusion optics：a perfect lens brings a brighter feature[J].New Journal Physics，2011，13（2）：023010.
[17]ZANG X F，JIANG C.Overlapped optics，illusion optics，and an external cloak based on shifting media[J].Journal of the Optical Society of America B，2011，28（8）：19942000.
[18]LI J J，ZANG X F，MAO J F，et al.Overlapped optics induced perfect coherent effects[J].Scientific Reports，2013，3：3569.
高中物理光学中的STS问题例析 篇4
一、与自然相关
光学与自然相关的内容可谓丰富之极, 现略举例加以分析.
例1秋高气爽的夜里, 我们仰望天空时, 会觉得星光闪烁不定, 这主要是因为 ( )
A.星星在运动
B.地球在绕太阳公转
C.地球在自转
D.大气的密度分布不稳定, 星光经过大气层后, 折射光方向随大气密度而变化
析:地球周围分布着大气层, 各层大气的温度、密度都不相同, 对光线的折射情况自然也不同;而且大气在不停地运动, 所以我们看星星闪烁不定的主要原因应是答案D.
二、与生活相关
例2高层建筑外墙大量使用的幕墙玻璃, 在白天时外面的人看不清室内的物体, 而室内的人却能看见外面的景物, 你认为这是什么原因?
析:现实生活中大量使用的幕墙玻璃是在外部涂有一层高反膜, 那是一种对光的反射率远远大于透射率的物质.
三、与科技相关
例3激光散斑测速是一种崭新的测速技术, 它应用了光的干涉原理.用二次曝光照相所获得的“散斑对”相当于双缝干涉实验中的双缝, 待测物体的速度v与二次曝光时间间隔Δt的乘积等于双缝间距.实验中可测得二次曝光时间间隔Δt、双缝到屏之距离l以及相邻两条亮条纹间距Δx.若所用激光波长为λ, 则该实验确定物体运动速度的表达式是 ( )
析:虽然题目来自于高科技, 但究其实质模型, 应用双缝干涉相邻条纹间距公式可以容易解决, 由公式及d=vΔt即可导出结论B.
建筑光学总结 篇5
一、眼镜与视觉：
人眼视觉光感电磁辐射范围（可见光）：380nm—780nm。
电磁辐射分布：（短波）X射线—紫外线—（380--780mn）—红外线—无线电波 明暗视觉：明锥（体细胞）、暗杆（体细胞）色彩感觉：380—780nm ——紫-蓝-绿-黄-橙-红
光谱光效率： 同样功率的辐射，人眼感觉到的明亮程度不同。明视觉 555nm、暗视觉510nm。从明到暗，从长波到短波。普尔钦效应。
二、基本光度单位
1.光通量：表示光源发出的光能多少。符号Φ，单位流明（lm），1lm=1cd •1sr 100W普通白炽灯光通量1250lm，40W荧光灯为2200lm 2.发光强度：表示光源在空间中的分布密度即光通的空间密度。符号I，单位坎德拉（cd），它表示光源在1球面度立体角内均匀发出1lm的光通。
1cd=1lm/1sr 3.照度：被照面单位面积上光通量的多少。符号E，单位勒克斯（lx）。
1lx=1lm/1m
英尺烛光（fc），1fc=10.79lx。
4.距离平方反比定律： E=I/r照度与光强成正比于距离的平方成反比 5.点光源：光源尺寸＜至被照面距离1/5 6.亮度：发光面或反光面在单位面积上的发光强度。符号La，单位坎德拉每平米（cd/㎡），西提（sb）1sb=10cd/㎡。太阳亮度20万sb；40瓦荧光灯亮度0.8-0.9sb；白炽灯丝；300-500sb 7.立体角投影定律： E=L•Ω•cosi 照度与发光面亮度成正比，与发光面在被照面上的立体角投影成正比
三、材料光学性质
1.反射比+吸收比+透射比= 1。入射角度不同三者比例不同，垂直入射，反射光线少。石膏反射比=0.91 白色乳胶漆=0.84 3mm普通玻璃透射比=0.82 2.定向材料与扩散材料
定向反射材料：反射方向能清楚的看到光源影像(玻璃镜、磨光金属)4定向透射材料：玻璃、有机玻璃、压花玻璃
均匀扩散反射材料：看不到光源影像（石膏、粉刷墙面、砖墙、绘图纸）均匀扩散透射材料：看不到光源影像（乳白玻璃）
定向扩散反射材料：反射方向能看到光源大致影像（油漆表面、光滑的纸、粗糙的金属表面）定向扩散透射材料：透过能看到光源大致影像（毛玻璃）
四、视觉基本特性
视角：被看物体的大小对眼镜形成的张角。
视野：头和眼镜不懂，人眼能看到的空间范围，水平面为180°，垂直面为130°，其中上60°，下70°，视线周围30°范围，清晰度较好。明适应与暗适应：10-35min、3-6s 视度：看物体的清楚程度。
影响适度的因素： 亮度、物件的相对尺寸（用视角表示）、物体与背景的亮度对比、识别时间、眩光影响、天然光和人工光
亮度×识别时间=常数 识别时间越短，越需要提高亮度才能引起视感觉。
眩光:由于视野中亮度分布或亮度范围的不适宜，或存在极端的对比，一致引起不舒适感觉或降低观察细部或目标的能力的视觉现象。分为失能眩光和不舒适眩光；直接眩光和反射眩光。一次反射眩光：是指较强的光线投射到被观看的物体上，由于目标物体的表面光泽产生反射而形成的镜面反射现象或漫射镜面反射现象。例如，将一个镜子挂在窗户的对面的墙上，当阳光从窗户射入时我们观察镜框内的东西就会产生光斑，这种光斑实际上是侧窗的像。
二次反射眩光：是当人体本身或其他物件的亮度高于被观看物体的表面亮度，而它们的反射形象又刚好进入人的视线内，这时人眼就会在物体的表面上看到本人或物件的反射形象，从而无法看清目标物体。例如，当站在一个玻璃陈列柜想看清陈列品时看见的反而是自己，这种想象就是二次反射眩光。措施：
直接眩光：限制光源亮度；增加眩光源背景亮度，减少二者亮度对比；减少形成眩光的光源视面积；尽可能增加眩光源的仰角
反射眩光：视觉作业表面采用无光泽表面；视觉作业面远离照明光源同人形成的镜面反射区域；使用发光面积大、亮度低的光源；使引起镜面反射的光源形成的照度在总照度中比例减少。统一眩光值UGR：是度量处于视觉环境中的照明装置发出的光对人眼引起的不舒适感主观反应的心理参量。＜13没有眩光（手术台，精细作业）；13-16开始有感觉；（绘图室、精品展厅）；17-19引起注意（办公室、教室、会议室、阅览室）；20-22引起轻度不适（门厅、营业厅、厨房）。对于RGR等于或小于22的场所，应限制损害对比降低可见度的光幕反射和反射眩光。
光源色温：当光源的颜色和黑体在某一温度下发出的颜色相同时，黑体的温度就叫做光源的色温。符号Tc，单位K（绝对温度）。40W白炽灯色温为2700K。相关色温„白炽灯„其他光源。P157 黑体：对于落在上面的辐射，不反射也不透射，完全吸收的物体。显色性：光源对物体颜色呈现的程度称为显色性。
显色指数：物体在待测光源下的颜色和在标准光源下的颜色相比的符合程度叫做显色指数，符号Ra。最大值100。80-100为优良，50-79一般，小于50较差。
采光系数:在室内给定平面上的一点，由直接或间接地接收来自假定和已知天空亮度分布的天空漫射光而产生的照度与同一时刻该天空半球在室外无遮挡水平面上产生的天空漫射光照度之比。采光系数标准值:室内和室外天然光临界照度时的采光系数值。
采光系数最低值:侧面采光时，房间典型剖面和假定工作面交线上采光系数最低一点的数值。采光系数平均值:顶部采光时，房间典型剖面和假定工作面交线上采光系数的平均值。
8.下列哪个室内采暖系统无法做到分户计量和分室温度调节?()
A.户内双管水平并联式系统
B.户内单管水平跨越式系统
C.户内双管上供下回式系统
D.垂直单管无跨越管系统
提示：采用传统的垂直单管无跨越管系统无法做到分户计量和分室温度调节。
答案：D 10.确定酒店客房空气调节的新风量时下列哪种说法是错误的?()
A.新风量应满足人员所需的最小值
B.新风量应符合相关的卫生标准
C.新风量不应负担室内热负荷
D.新风量应小于客房内卫生间的排风量
答案：C
16.已知低压钠灯发出波长为589nm的单色光，其辐射的光谱效能最大值Km为683lm/w，相对应的光谱光效率v(λ)为0.78，设其辐射通量φe，λ为10.3W，则它发出的光通量为()。
A.5487lm
B.4732lm
C.7035lm
D.6068lm
答案：A
18.当生活污水管上设有乙字管时，检查口应设何处?()
A.乙字管的上一层
B.本层乙字管的上部
C.本层乙字管的下部
D.乙字管的下一层
答案：B 19.排水管道的敷设管线应与建筑物轴线平行并且与建筑物外墙的距离不小于（）。
A.5m
B.5.3m
C.3.5m
D.3m
答案：D 20.因为给水系统的任务是将水自室外给水管引入室内配水点，以下哪一个因素可不考虑?()
A.水质
B.水温
C.水量
D.水压
答案：B 12.平壁内的导热过程，（）是正确的。
A.平壁内无孔隙时，只有导热现象
B.平壁中孔隙内空气不流动时，没有对流传热现象
C.平壁中孔隙壁面温度不随时间变化，没有辐射传热现象
D.平壁内对流、辐射传热现象处处都存在，但传热量比例很小
答案：D 13.设计集中采暖时。不正确的冬季室内计算温度是（）。
A.住宅卧室等主要房间16～20℃
B.盥洗室、厕所不低于16℃
C.托儿所、幼儿园、医务室不应低于20℃
D.浴室不应低于25℃
答案：B 14.计算采暖热负荷时。围护结构的附加耗热量，应按其占基本耗热量的百分率确定。下列各朝向修正率中。不正确的是（）。
A.北向修正率为0%～10%
B.东向修正率为+15%
C.西向修正率为-5%
D.南向修正率为-15%～-30%
答案：B 15.在民用建筑中采用以热水为热媒的散热器采暖系统时，下列哪种说法是错误的?()
A.采用钢制散热器时，应采用闭式采暖系统
B.两道外门之间的门斗内，不应设置散热器
C.托儿所、幼儿园中的散热器不得暗装，也不得加防护罩
D.暗装的散热器设置恒温阀时，恒温阀应采用外置式温度传感器
答案：C 6.以下叙述哪条错误?()
A.医院污水在消毒前必须进行机械处理
B.医院污水必须进行消毒处理
C.经消毒处理后达标排放的医院污水可排人生活饮用水集中取水点上游1000m以外
D.凡经消毒后的医院污水即可排入水体
答案：D
7.通过地震断裂带的管道，穿越铁路或其他主要交通干线以及位于地基土为可液化土地段上的管道，应该采用()。
A.钢筋混凝土管
B.塑料管
C.铸铁管
D.钢管
答案：D
8.建筑节约用水的方法除防止渗漏、限定水量和定时控制等方式外，还有()。
A.定时供水
B.分区供水
C.适时调节供水
D.水车流动供水
答案：C
9.关于水景设计的要求中，以下哪条是错误的?()
A.水景工程宜采用不锈钢等耐腐蚀管材
B.水景水池可用生活饮用水作为补充水源
C.建筑杂排水可直接用于水景用水
D.水景水质应符合《景观娱乐用水水质标准》
答案：C
10.以下关于游泳池设计要求中，哪条是错误的?()
A.成人戏水池水深宜为1.5m
B.儿童游泳池水深不得大于0.6m
C.进入公共游泳池、游乐池的通道应设浸脚消毒池
D.比赛用跳水池必须设置水面制波装置
答案：A 1.下列光度量单位中，何者是照度的单位?()
A.1m
B.cd
C.1x
D.cd/㎡
答案：C
2.下列材料的导热系数由小至大排列正确的是()。
A.钢筋混凝土、重砂浆黏土砖砌体、水泥砂浆
B.岩棉板、加气混凝土、水泥砂浆
C.水泥砂浆、钢筋混凝土、重砂浆黏土砖砌体
D.加气混凝土、保温砂浆、玻璃棉板
答案：B
3.关于建筑屋面雨水管道设计流态要求中，以下哪条是错误的?()
A.高层建筑屋面雨水排水宜按重力流设计
B.公共建筑的大型屋面雨水排水宜按重力流设计
C.库房大型屋面雨水排水宜按压力流设计
D.工业厂房大型屋面雨水排水宜按压力流设计
答案：B
4.下列哪些用房的洗涤池，不必采用非手动开关和防止污水外溅?()
A.诊查室、诊断室检验科
B.医生办公室、护士室、配方室、治疗室
C.产房、手术室、无菌室、其他有无菌要求或需要防止交叉感染的用房
D.卫生间、浴室
答案：D
5.在明亮环境条件下，人眼对下列何种单色光最敏感?()
A.红色光
B.蓝色光
C.黄绿色光
D.紫色光
答案：C 16.在相同的简谐波作用下，下面哪种材料表面的温度波动最小()?
A.钢筋混凝土
B.浮石混凝土
C.加气混凝土
D.砖砌体
答案：A
17.有关围护结构在室外气温周期性变化热作用下的传热特征，下面哪一项叙述不正确()?
A.围护结构内、外表面温度波动的周期相同，但与室外气温波动的周期不同
B.围护结构外表面温度波动的波幅比室外气温波动的波幅小
C.围护结构内部温度波动的波幅从外至内逐渐减小
D.外表面温度最高值出现时间比内表面早
提示：在周期性变化热作用下围护结构的传热特征是：室外温度、平壁表面温度和内部任一截面处的温度都是同一周期的简谐波动，从室外空间到平壁内部，温度波动的波幅逐渐减小，温度波动的相位逐渐向后推迟。
答案：A
18.在建筑设计中常利用封闭空气间层作为围护结构的保温层，封闭空气间层的热阻的大小主要取决于()
A.间层中空气导热系数的大小
B.间层中空气的相对湿度
C.间层材料两侧的导热系数
D.间层中空气对流传热的强弱以及间层两侧内表面辐射换热的强弱
提示：封闭空气间层的传热中，辐射换热占的比例最大，对流和导热占的比例较小
答案：D
19.封闭空气间层的热阻在其间层内贴上铝箔后会大量增加，这是因为()
A.铝箔减小了空气间层的辐射换热
B.铝箔减小丁空气间层的对流换热
C.铝箔减小了空气间层的导热
D.铝箔增加了空气间层的导热热阻
答案：A
20.已知2cm厚垂直式一般封闭空气间层的热阻为Rg[(㎡·K)/W)，下列封闭空气间层热阻R的表示式，哪一项不正确()?
A.热流向上的2cm厚水平式一般封闭空气间层，R
B.热流向下的2cm厚水平式一般封闭空气间层，R>Rg
C.4cm厚垂直式一般封闭空气间层，R=2Rg
D.热流向下2cm厚水平式封闭空气间层，R<2Rg
提示：封闭空气间层的传热不是纯导热过程，它的热阻与间层厚度之间不存在成比例增长的关系。见《民用建筑热工设计规范》的空气间层热阻值。
答案：C 11.下列几种对建筑材料热工特性的叙述，哪一种是正确的()?
A.保温材料的导热系数随材料厚度的增大而增大
B.保温材料导热系数随温度的增大而减小
C.保温材料的导热系数随湿度的增大而增大
D.保温材料的干密度越小，导热系数越小
提示：保温材料的导热系数随湿度的增加而增大，随温度的增大而增大，有些保温材料的导热系数随干密度减小，导热系数先减小，然后会增大。
答案：C
12.若不改变室内空气中的水蒸气含量，使室内空气温度上升，室内空气的相对湿度()。
A.增加
B.减小
C.不变
D.无法判断
提示：根据相对湿度计算公式，水蒸气含量不变(即水蒸气分压力户不变)，温度上升，空气的饱和蒸汽压随之上升，所以相对湿度减小。
答案：B
13.冬天在采暖房间内，下列哪个部位的空气相对湿度最大()?
A.外窗玻璃内表面
B.外墙内表面
C.室内中部
D.内墙表面
提示：在采暖房间内，各处空气中的水蒸气含量差别不大(即水蒸气分压力P差别不大)，因此各部位的相对湿度主要受该处温度的影响。由于外窗玻璃的传热阻最小，它的内表面温度最低，饱和蒸汽压最小，根据相对湿度计算公式判断，外窗玻璃内表面的相对湿度最大。
答案：A
14.厚度为200mm的钢筋混凝土与保温材料层组成的双层平壁，下述条件中哪一种双层平壁的热阻最大()?
A.d=150，λ=0.19
B.d=40，λ=0.04
C.d=50，λ=0.045
D.d=50，λ=0.06
提示：使用导热热阻计算公式R=d/λ计算。
答案：C
15.下述围护结构的热工特性，哪一种是不正确的()?
A.厚度相同时，钢筋混凝土的热阻比砖砌体小
B.l00mm厚加气混凝土(干密度为500kg/m3)的热阻比30mm厚岩棉(干密度为70kg/m3)的热阻大
C.20mm厚水泥砂浆的热阻比20mm厚石灰砂浆的热阻小
D.50mm厚岩棉的热阻比30mm厚岩棉的热阻大
提示：使用导热热阻计算公式计算R=d/λ，然后进行比较。
答案：B 6.按有关规范，夏热冬暖地区的热工设计应该满足下列哪一种要求?()
A.必须满足冬季保温要求，一般可不考虑夏季防热
B.必须满足冬季保温要求，并适当兼顾夏季防热
C.必须满足夏季防热要求，并适当兼顾冬季保温
D.必须充分满足夏季防热要求，一般可不考虑冬季保温
答案：D
7.在室内热环境的评价中，根据丹麦学者房格尔的观点，影响人体热舒适的物理量有()个，人体的热感觉分为()个等级。
A.4，7
B.4，3
C.6，7
D.6，5
提示：根据丹麦学者房格尔的观点，评价室内热环境的PMV指标中包含6个物理量(室内空气温度、湿度、速度、壁面平均辐射温度、人体活动强度和衣服热阻)和7个等级(+3：热;+2：暖;+l：稍暖;0：舒适;—l：稍凉;—2：凉;—3：冷)。
答案：C
8.“导热系数”是指在稳态条件下，在以下哪3种情况时，通过1㎡截面积在1h由导热方式传递的热量?()
A.材料层厚度为lm，两侧空气温度差
1、B.围护结构内外表面温度差为1t
C.围护结构两侧空气温度差为lt
D.材料层厚度为1m，两侧表面温度差1t
提示：导热系数“是指在稳态条件下，材料层厚度为1m，材料层两侧表面温度差为1t时，在1h内通过1㎡截面积由导热方式传递的热量。
答案：D
9.下列材料的导热系数由小至大排列正确的是哪一个?()
A.钢筋混凝土、重砂浆烧结普通砖砌体、水泥砂浆
B.岩棉板(密度<80kg/m3)、加气混凝土(密度500kg/m3)、水泥砂浆
C.水泥砂浆、钢筋混凝土、重砂浆烧结普通砖砌体
D.加气混凝土(密度700kg/m3)、保温砂浆、玻璃棉板(密度80—200kg/m3)
提示：见《民用建筑热工设计规范》的建筑材料的热工指标中材料的导热系数值。
答案：B
10.作为建筑工程上用的保温材料，其物性指标导热系数应小于()W/(m·K)。
A.0.8
B.0.25
C.0.05
D.0.5
提示：保温材料的导热系数应该小于0.25W/(m·K)。
答案：B 1.热量传递有三种基本方式，以下哪种说法是完整、正确的?()
A.导热、渗透、辐射
B.对流、辐射、导热
C.吸热、放热、导热、蓄热
D.吸热、对流、放热
答案：B
2.有关材料层的导热热阻，下列叙述中哪一种是正确的?()
A.厚度不变，材料层的热阻随导热系数的减小而增大
B.温度升高，材料层的热阻随之增大
C.只有增加材料层的厚度，才能增大其热阻
D.材料层的热阻只与材料的导热系数有关
答案：A
3.白色物体表面与黑色物体表面对于长波热辐射的吸收能力()
A.相差极小
B.相差极大
C.白色物体表面比黑色物体表面强
D.白色物体表面比黑色物体表面弱
提示：白色物体表面与黑色物体表面对于长波热辐射的吸收能力相差极小，反射率或吸收率基本相同
答案：A
4.在下列叙述中，()是正确的
A.墙体的热阻，随着吹向墙体的风速增大而增大
B.在冬季同样的室内外气温条件下，传热阻R0越大，通过围护结构的热量越少，而内表面的温度则越高
C.空气间层的隔热效果与它的密闭性无关
D.砖比混凝土容易传热
提示：吹向墙体的风速增大，墙体外表面的换热阻减小，因而墙体的传热阻减小。空气间层的隔热效果与它的密闭性有关;砖的导热系数比棍凝土的导热系数小，与其比较更不易传热
答案：B
5.关于太阳辐射，下述哪一项叙述不正确?
A.太阳辐射的波长主要是短波辐射
B.到达地面的太阳辐射分为直射辐射和散射辐射
C.同一时刻，建筑物各表面的太阳辐射照度相同
D.太阳辐射在不同的波长下的单色辐射本领各不相同
打开光学之门 篇6
早在距今约56万年前的远古时代，我们的祖先——北京周口店人就懂得了利用野火照明、防身和御寒。当时，周口店一带气候温暖，动物繁多，熊、狼、虎、豹等野兽严重地威胁着周口店人的生命，于是他们便用“如神照明”的火光来驱赶野兽。
三万年前，人们利用光能的本领有了新的提高。相传有个叫燧人氏的，在石灰岩中发现了一种硬度很高的石头，具有显著的贝壳状断口，裂片很尖锐，用铁器敲击时，能发出火星。于是他用这种石头在一种叫钻木的木头上摩擦，便溅起了火星，随之燃起了火苗。
这是人类历史上第一次用人工取火，是破天荒的伟大发明。从那时起，人们摆脱了黑暗降临时的阴森与恐怖，走上了文明的道路。而且，有了火，人们就随时可以吃到烧熟的东西，而且食物的品种也增加了。原来像鱼、鳖、蚌、蛤一类东西，生的有腥臊味不好吃，有了取火办法，就可以烧熟来吃了。
三千多年前，我们的祖先在利用光能的道路上又迈进了一步。他们把锢与锡各半的金属原料高温熔化，铸成一面圆形小镜——阳燧，并经过加工制成一个十分光滑的凹球面，将太阳射来的光线反射并聚成一个焦点。
燃烧时，把阳燧的凹平面平行地对准太阳光线，形成一个准确的聚光点，再将一种草木艾晒干揉成线，放在焦点处，一会儿就燃着了。对此，《淮南子·天文训》记载：“故阳燧见日，则燃而为火。”《古今注·杂注》：“阳燧，以钢为之，形如镜。照物则影倒，向日则生火，以艾炷之则得火。”而西方国家直到公元1300年才有金属制的凹镜，远远落后于我国1600多年。
墨子与世界首个小孔成像实验
2400～2500年前的战国时期，杰出的科学家墨子（墨翟）和他的学生观察发现，光从一面墙壁中间的孔或缝穿过后，对面的墙壁或地上就会显示出一个小小的画面。
他们由此想到了光的传播问题，并做了世界上第一个小孔成像实验：夜间，在较弱的灯光下，在一个四面不十分透光的小盒里，在盒壁上开一个小孔，在一定的距离内，拿一个由细到粗的物体对着小孔，盒壁相对于物体的位置上会出现一个令人惊奇的倒立的物体像。
墨翟对这种现象作了科学的解释：光穿过小孔时，是光的直线传播，在没有什么东西挡住它的去路时，物体较粗部分遮住了上面的光，成影在下边；当物体较细部分遮住了下面的光，成影在上边，就形成了一个倒立的影像。
墨翟利用光的这一特性，深入细致地研究了物体影子形成的原因：在一个漆黑的夜里，如果把一盏燃亮的灯放到桌子上，在距离灯约一米远的墙上，钉上一张白纸，将手指放在灯与纸之间，灯光射到手指上透不过光线，纸上会出现一物体的黑色影子。当手指移动时，影子就会随之变大或变小。当物体移动时，前一瞬间被遮住出现影子的地方，由于被光照射，影子便消失了。
这些论点，都记述在《墨经》里。这部中国最早最完整的光学著作，比西方最早的光学著作——欧几里得的《光学》早了100多年。
世界最早的潜望镜
2100多年前，古代中国人利用平镜反射的原理，制成了世界最早的潜望镜。汉初的科学论著《淮南万毕术》中，就有“取大镜高悬，置水盆下，则见四邻点”的记载。
当时，人们把潜望镜用于军事，扩大了观察范围，提高了视线能力。在刀、枪、棍、棒及徒手进行的战斗中，人们需要掌握远距离的情况，可是却没有什么好的办法。后来，人们发现，借助光学凸镜可以看到距离较远的物体，于是便在城墙上高高地悬起一面镜子，窥探城池外对方军队的行动情况，从而获取战斗情报——这创造了科学技术运用于战争的先例。
赵友钦与小孔成像亮度
到了元代，科学家赵友钦进一步研究了日光通过墙上孔隙所形成的像和孔隙之间的相互关系。他做了一个实验，在硬纸片上扎一个椭圆形的小孔让日光通过，所得到的像是一个椭圆形。他发现：当物体上透光的小孔相当小时，无论小孔是什么样的形状，而像屏上所成的像总是物体的倒立像；当物体上透光的孔相当大时，无论孔是什么样的形状，像屏上所得到的像总是物体的正立像。
同时，他还发现：如果把像屏渐渐移近小孔，所得到的像也慢慢变小，而像的亮度却在增加。反之，投影所成的像变大，而亮度却减弱。
这一发现，在当时世界上绝无仅有。在西方，直到400多年后，德国科学家来博托才得出“照度与距离平方成反比”的定律。此外，赵友钦从客观实验出发，采用大规模的实验方法探索自然规律的科学实践，在世界物理科学史上也是首创的，比意大利著名物理学家伽利略早了两个世纪。
发现光的色散
1500多年前，唐代的孔颖达经过多年的雨后观察，发现长空万里时，偶尔会出现多种色彩的长虹。他认为这是一种“若云薄漏日，日照雨滴则虹生”的自然现象，而不是什么天空中仙女歌舞而挥动的彩带的闪光，从而解开了千百年的彩虹之迷。
大约1000年前左右，古代中国人在自然界发现了—种天然的透明晶体。这种物体在日光的照射下，会闪现出色彩的宽带，颜色鲜艳美丽，因而被称之为“宝贝”或“放光石”。
此后，人们在实践中认识到，光通过透明物质时，与透明物体起相互作用而被分解成频率不同的波，沿不同的方向透射出去，多次内反射后形成了不同颜色的光，其中，红光折射率最小，紫光折射率最大。
当时，人们已经认识到，透明物体“就日照之，成五色如虹霓”，并把日光照射透明晶体所产生的色散现象和虹霓现象联系起来分析——这是世界上对光的色散现象的最早认识，比牛顿通过三棱镜把日光分解成七色光从而发现光是由七色光混合而成的认识，还早了700年。
光学问题 篇7
1 显微镜的基本结构
双目电光源生物显微镜基本结构见图1[2]。熟悉显微镜结构是规范、熟练使用, 克服、解决问题的基础。
2 显微镜的主要性能
2.1 定位精度
指一物镜处在工作状态, 用转换器转至另一物镜时, 视野中心的偏移量。如用10×物镜调焦后, 以其中心为基准, 再转换至40×物镜时, 中心位移不得超过该视场半径的2/3, 以40×物镜为基准, 转换至100×物镜时, 中心位移不得超过该视场半径的3/4。
2.2 齐焦精度
指一个物镜调焦在工作位置后, 转换到其他物镜时, 应在不重新调焦的情况下就能看到物像。
2.3 焦点深度
指视野中垂直范围内所能清晰观察到的物象界限。当不用微调就能看清楚一个物像的平面及上下结构, 这个能够看清的厚度即焦点深度。
2.4 镜口率
指光线从聚光镜经载玻片折射后所成光线底面的孔径数值, 又称数值孔径。同样条件下, 放大倍数越大, 镜口率越低, 光线越暗。
2.5 视野亮度
为了得到足够视野亮度, 必须用强光源并开大光栅, 使充足的光源进入物镜。同样条件下, 物镜头放大倍数越大, 镜口率越高, 进入光线越少。因此, 转换物镜头时应注意调整光线强度, 使用油镜头时一定要添加香柏油。聚光镜抬高接近物镜头可以增加亮度, 如果亮度已经足够甚至过剩, 可以缩小光圈, 或者下调聚光镜, 但一般不降低底座光源强度, 因为会使光源的颜色由白变黄, 失去自然光属性, 改变物像的颜色。下调聚光镜不仅可以降低亮度, 还可以增加物像的对比度, 使物像层次清晰。
3 显微镜使用三大原则
即先上后下, 先高后低, 先粗后细: (1) 载物台的高度从上往下调节, 可避免压碎载玻片; (2) 物镜头转换先低倍镜后高倍镜, 便于定位目标; (3) 先用粗调节螺旋找到大致的焦点范围, 再用细调节螺旋调节清晰的物像。
4 显微镜使用的常见问题及解决办法
4.1 光源灯不亮
电光源显微镜的好处是借助于底座强烈的光线把标本照亮, 经适当的调节可以清楚看到物像, 但有时会出现故障。光源灯不亮原因在于: (1) 电源没接通; (2) 插座插头未插好; (3) 开关未开; (4) 调节阀未开; (5) 灯泡损坏; (6) 保险丝损坏等。
解决办法: (1) 使用带指示灯的电源插座, 每次使用显微镜之前仔细检查是否接通电源。 (2) 将电源开关置于闭合状态, 指示为“开”字或“ON”字。 (3) 检查调节电流强度 (volume) 的旋钮是不是处于最小处 (minimum) , 一般此调节钮都是处于最高档, 光源发出白色光。 (4) 底座光源的灯泡使用寿命较短, 工作时间久了会自然损坏, 应注意更换灯泡。养成随手关闭光源的习惯, 使用前打开, 不需预热, 间隔5分钟以上不用就要关闭电源。 (5) 如果使用带延长线电源的插板, 宜选用优质品牌, 最好带通电开关和指示灯。 (6) 保险丝烧断, 更换保险丝。
4.2 找不到物像
4.2.1 标本不在工作距离范围内
解决办法:调高载物台, 载玻片与物镜头相接, 慢慢下调, 防止向下调节过快, 没有捕捉到物像。
4.2.2 目标不在视野范围内
解决办法: (1) 血细胞计数盘的划线区域一定要对准物镜头; (2) 较少的标本, 涂片区域较小, 观察时要注意不要超出涂片范围。
4.2.3 光线过于强烈或太暗
解决办法:光线过于强烈, 视野物像被“曝光”呈白色, 适当降低光线强度, 物像就会慢慢呈现出来。反之, 用暗视野观察物像时, 注意避免物像被黑暗掩盖。
4.2.4 聚光器偏离光轴
解决办法:进行合轴调节使光线在目镜、物镜、聚光镜、光栅这一光路的中心。
4.2.5 标本放反
在观察细胞形态时, 如白细胞分类通常使用油镜观察, 但血涂片经染色后, 有的学生会把标本反放在载物台上。因为油镜头镜口率较小, 需要标本非常接近油镜头, 如果放反, 物体超出了显微镜工作距离, 无论如何也找不到物像。解决方法: (1) 发现载玻片放反, 直接翻转过来; (2) 在制作载玻片时在其一端做标记, 防止观察时放反。
4.2.6 观察到的物像不见了
虽然使用显微镜能观察到所要的物像, 但一段时间后, 却找不到刚才的物像。此时有两种情况: (1) 显微镜的焦距仍正确, 即视野内其他物像仍清晰; (2) 显微镜的焦距发生了改变, 视野中不再有任何清晰的物像。解决方法:出现第一种情况的原因是临时标本中的水较多, 或显微镜镜身倾斜角度过大, 或者两者兼而有之, 使得标本中的物体在重力作用下向下移动, 离开了视野范围。此时可以稍微向上调节载物台的高度, 并将镜身直立。出现第二种情况的原因可能是由于粗准焦螺旋轴上的齿轮与镜筒上的齿条磨损松动, 造成镜筒自动下滑, 需要实验室技术人员修理。
4.3 视物模糊
视物模糊是由于光学系统受到污染, 首先要判断出污物存在的位置, 才能有效排除。视野中出现异物有3种情况:物镜上、目镜上和载玻片上。 (1) 移动载玻片异物不动, 说明污物不在载玻片上; (2) 转动转换器, 换上高倍镜后, 仍可观察到, 说明污物不在物镜上, 只可能存在于目镜上; (3) 如果转动目镜头, 污物也随之转动, 则说明在目镜头上。
4.3.1 目镜头污染
解决办法:用乙醚乙醇混合液擦拭镜头表面, 直到消除。如果是内部污染, 则应谨慎, 这多是由于不慎打开目镜头, 灰尘、水汽进入造成, 可以用干燥的纱布擦拭或洗耳球吹洗。平时注意保持室内干燥, 防尘, 避免从低温环境直接进入高温环境, 防止形成冷凝水, 发生霉变。
4.3.2 物镜头污染
解决办法: (1) 标本加样不可太多, 否则堆积在一起厚度较大, 可以摊开平铺, 扩大面积, 也易于寻找, 避免目标重叠; (2) 在不违反规则的情况下用低倍镜观察, 因为使用低倍镜时, 物镜头距离观察目标尚有一段安全距离, 可以避免标本接触物镜头; (3) 加盖盖玻片, 并且保持盖玻片上方面的干燥; (4) 油浸镜头使用后应用擦镜纸蘸二甲苯及时擦拭, 如果干结, 清洁难度较大, 应用擦镜纸沾湿清洁液浸润, 擦拭时要用力。
4.4 机械故障
4.4.1 载物台卡死
有些显微镜的高倍物镜等焦处理不过关, 导致在低倍镜下看清物像转换到高倍镜时, 高倍镜与载玻片相碰, 无法使用高倍镜[3]。解决方法:打开粗调节螺旋, 将载物台上升到最高处, 重新拧紧。
4.4.2 压碎玻片
当载物台上升到一定高度, 载玻片与镜头“亲密接触”, 已经超过了物镜头的弹性范围, 最先受伤的只能是载玻片。解决办法:遵循载物台高度调节先上后下原则即可避免。4.4.3目镜头眼间距过小, 不能双眼观察出现这种情况主要是个别人眼间距太小, 不能适应正常摆放的显微镜的目镜头的眼间距, 但目镜头进一步缩小受镜架的阻挡, 不能双眼观察。解决办法:可以把固定目镜的螺栓松动后旋转180°, 重新固定, 进一步缩小两目镜头的距离, 适合眼间距窄的学生使用。
学生在使用显微镜的过程中出现问题在所难免, 教师的任务是教会学生使用方法。除了在学生使用显微镜过程中出现问题能够及时发现并加以解决外, 实验室工作人员对显微镜使用的登记管理及日常维护也是非常必要的[4,5]。
摘要：生物光学显微镜是一种精密的光学仪器, 对于形态学实验教学至关重要。本文对日常教学中学生使用显微镜出现的常见问题进行总结, 并提出解决办法。
关键词：实验教学,生物光学显微镜,教学设备
参考文献
[1]方安宁, 严家来.显微镜使用中节约教学资源的体会[J].考试周刊, 2008 (18) :219-220.
[2]陈少华.临床检验基础[M].北京:科学出版社, 2015,
[3]邹守烁, 石燕.光学显微镜使用中的问题及解决办法[J].生物学教学, 2007, 32 (2) :46-47.
[4]翦卫星.高职院校教学用显微镜集约化管理探究[J].职业技术教育, 2009 (35) :72-73.
光学问题 篇8
大学自主招生和保送生试题难度高于高考低于竞赛, 注重对优秀学生的思维能力分层次考查, 值得我们学习研究. 笔者运用SOLO分类理论区别了在优秀学生自主招生培训教学过程中学生多角度解决问题时呈现的思维差异, 分析了认知加工方式的差异和所处的思维结构, 给出相应的教学诊断和教学改进. 下面以2013年北京大学保送生的光学测试问题为例.
一、测试问题与不同反应
(一) 测试问题
(1) 有一块厚为d的玻璃砖, 折射率为n, 在其左侧面距左边x处有一点光源A, 从P点向左看去, 问A点由如图1所示的两条光线确定的像A′在玻璃砖左侧面多远处?对i取小角度时近似结果为多少?
(2) 有两块等腰直角三角形棱镜, 折射率为n′=1.5, 从P点向左看去, 问A点经玻璃砖系统成像的A′点在何处?各点位置和玻璃砖位置、大小如图2所示.
教学实践表明学生在成功解决第一小题后在第二小题发生了分化, 下面给出三种典型求解思路.
(二) 不同反应
1.反应一:激活相关经验 完成表征转换
(1) 设置情境激活旧知
如图3所示, 分别为近轴情况下“人眼看鱼”和“鱼眼看人”情境.人眼看到鱼像的视深h视=h实/n, 鱼眼看到人像的视深h视=nh实.
(2) 表征转换同化顺应
本题中光源A发出的近轴光线经棱镜平面折射后成像, 这是视深问题, 再经过棱镜斜面全反射, 可类比平面镜反射成像.如此逐次成像 (如图4所示) 可以得到点光源在各个面上的折射与反射后的物像位置.第一次经过竖直面折射成像为A1, 像距为v1=n′u=1.5a. 经过斜面发生全反射后第二次成像为A2, 像距为v2=2a.如此类推可得A6在P点左侧
2.反应二:概念驱动 程序求解
(1) 逻辑演绎一般到特殊
如图5所示, 球面成像公式.符号法则:实正虚负;若顶点O到球心C (OC方向) 顺着入射光方向时R取正, 若OC方向逆着入射光方向时R取负.
1平面折射:当R→∞时, 球面极化成平面, 成像公式
2镜面反射:当R→∞且n2=-n1时, 成像公式
(2) 光线追迹逐次成像
对各个球面严格逐次应用成像公式进行分析, 经过六次成像得A6, 像距故 A6在 P点左侧v=（-13/3）a, 负号表示成虚像.
3.反应三:概括表征 直觉顿悟
光在棱镜斜面发生全反射, 类比反射镜把光路“拉直”, “A发出的光经棱镜折射 (1面) 、反射 (2面) 、再折射 (3面) 的光路”等效于“B经过正方形玻璃砖两次折射 (4面和3面) 的光路”, 即棱镜可以用边长为a的正方形玻璃砖代替, 如图6所示.
同理, 经过下棱镜斜面时候再次把光路“拉直”, 整个光路等效图如图7所示, 即等效于经过两个边长为a的正方形玻璃砖折射成像.
利用第一小题的结论, 每经过一个正方形玻璃砖像点侧移一个, 故经玻璃砖系统成像在点左侧
二、教学认知诊断
(一) 学生认知方式和反应水平分析
以上三种学生在问题解决中其认知本质特征都是用“概念”或“理论”指引问题解决.学生都必须掌握“平面折射”知识和“光线追迹”“逐次成像”等光学系统成像问题的一般概念和理论, 在有机统一各种信息基础上从整体上、宏观上把握问题的性质, 然后按部就班地分析解决, 反应水平都处在“关联结构水平”层次上.
学生的认知过程伴随着概念驱动[2]加工与数据驱动加工的协同作用, 两者相互交互.例如第一种思路的学生不清楚或者已经忘记了“球面折射成像”这一背景知识, 在问题情境中从事物的表面特征中提取已知信息, 激活已有相关经验, 类比了高中阶段常见的“视深情景”对此加以诠释.这样将新的刺激物与原有图式同化, 激活旧知这部分认知方式过程更倾向于数据驱动, 其特点是表征的抽象性、概括性不是很高, 要完成习题解决的认知操作就需要情境信息的激活或联接.这说明他们对“平面折射”这一知识点只停留在离散的“点状结构”.
与此值得对比的是第二种思路, 这部分学生的“平面折射”知识已经通过联系与区分、整理与提升成为更有结构、更有层次和更具稳定性的知识结构.所以他们关注到问题的深层特征, 并能自觉运用“球面折射成像”的一般规律推导出“平面折射和反射”的特殊情况, 进而严格按照符号法则“逐次成像”, 解决问题有一套规范的程序, 即使遇到其他光具组 (例如透镜组) 问题也能顺利解决.可以看出两类学生在“平面折射”这一知识点上处在不同的思维结构层次上, 前者为单一结构水平, 而后者则为关联结构水平.
最能体现学生思维价值的是第三种思路, 固然其概念驱动的支点仍然是“逐次成像”理论, 而更有特色的是其中有直觉思维和形象思维的交互参与.利用平面镜反射和棱镜全反射的相似性两次拉直光路, 类比第一个问题推导的平行玻璃砖侧移成像的已有知识巧妙建模.既体现了学生大幅度跳跃式提取和加工信息用来战略性认识事物本质的直觉思维, 又呈现了学生利用已有知识的本质特征 (如“利用反射可以拉直光路”而不拘泥于“何种反射具体形式”) 和想象经过重新配合与加工从而创造出新形象 (将“类潜望镜成像系统”转化成“两个正方形玻璃砖”) 的形象思维.这表明学生不仅有了对于问题的整体把握, 而且还能对问题进行抽象概括出新的物理模型, 使之适用于新的问题情境.其反应水平处在“拓展抽象水平”层次.
(二) 试题编制意图分析
学生通过高中的学习已经熟悉“平行玻璃砖能发生一定侧移”的定性表征, 命题者先通过第一个问题引导学生定量推导和演算上升到“近轴光线能侧移成像”的概括水平, 然后期待着具有关注“问题本质特征”能力的学生的顿悟.很明显, 第一种和第二种思路的学生没有展示出这种独特素质, 尽管他们在解决第二个问题时都向评价者呈现了“用所学知识对物理问题进行严密的论述分析, 做出完整的解释”的“关联结构”的反应水平.但他们解决一二两个问题时没有连贯性, 说明他们“对新旧命题精细加工生成新意义”的能力有待于加强.显然命题者将看起来毫无关联的两小题设置在一起是为了让具有“拓展抽象水平”思维结构水平的学生有一个更好的呈现机会.
(三) 学习成果 SOLO 分类和量化赋分
基于以上的分析, 我们可以根据学生在解决问题的各种反应判断其思维发展水平所处的层次, 并设置相对合理的量化赋分, 以“量的测评”和“质的考查”相结合的方式来解释学生解决问题过程中认知发展的层次和规律, 如图8所示.
三、教学改进和教学建议
认知心理学已经揭示了能力的本质含义:能力就是好的知识结构.学生是否具有能力其实就是知识结构中是否有思想方法与实践经历.[3]基于这些思考我们首先要清楚目前认识教学目标存在着缺陷, 需要在传统的“二基”教学目标中增加“基本思想”和“基本经历”, [4]因为教学目标是一切教学的起点和终点, 所以完善教学目标是改善教学的基础.其次明确学生的学习需要是教学设计的必要条件.以上述精准的认知诊断为前提, 针对学生在知识结构上存在的缺陷, 我们可以设计教学过程引导他们去亲历物理概念的形成过程、物理规律的发现过程以及物理问题的解决过程.
在本例中针对在“平面折射”这一知识点上处于不同的思维阶段的学情, 我们需要设计合适的教学过程“由特殊到一般”、“从简单到复杂”逐层递进发展变化的过程来揭示各知识点的内在联系, 让学生在比较鉴别中认识新旧知识的联系和区别, 对问题的分类完成从表面相似到本质相同的提升, 使“关联结构水平”的知识结构得到更深层次的整理与提升.其知识序、认知序、教学序的统一如图9所示.
为了促使学生思维结构从关联水平进一步质变到拓展抽象水平, 可以设计“既有同能力的伙伴间的水平互动又有和教师的垂直互动”的教学对话来共享第三种学生的解题思维经历, 通过学生的互动、磋商、讨论, 直至形成共识。最后可以设置后问题 (如图10所示, 求AB经过光具组成的像) 检测策略是否已经自动化. 总之需要让学生经历“求解过程—感知策略—提炼总结策略—运用策略”, 最后习得策略, 实现知识结构的优化.具体教学流程如图11所示.
自主招生和保送生试题有高层次学生的选拔功能, 对学生思维结构的考查更为精细化.一方面我们要组织学生参加学科知识竞赛、知识拓展类选修课、研究性学习等形式引导学生平时开展具有深度的学习和研究.另一方面还要引导学生在课堂之外关注社会生活中原汁原味的实际问题, 注重物理知识与科技、生产、生活的紧密联系, 体现STEM教育的思想, 这样让学生经历分析与综合, 认清关键特征, 忽略次要因素建立物理模型, 运用物理规律求解这些需要多种思维参与及保持思维活性的问题解决过程, 积累活动的经验, 最终促使学生思维水平的优化和提高.
参考文献
[1]BIGGS J B, COLLIS K F.学习质量评价:SOLO分类理论 (可观察的学习成果结构) [M].高凌飚, 等译.北京:人民教育出版社, 2010.
[2]邢红军.从数据驱动到概念驱动:物理问题解决方式的重要转变[J].课程·教材·教法, 2010, 30 (3) :50-55.
[3]梁旭.基于对学生错误进行认知诊断的教学[J].物理教学, 2013, 35 (11) :57-61.
[4]梁旭.拓展物理教学目标的内容[J].物理教学, 2012, 34 (9) :8-11.
光学问题 篇9
(一) 平面镜
物体在静止的平面镜中出现的反射, 这一结论来自于光学传播的基本定律。分析虚像原理, 可以简单理解为物体对镜平面产生的对称形体。
(二) 柱面镜
将曲面作为反射面时, 入射光线与过曲面形成的成像点法线产生的角便是入射角, 是相当于反射光线和同一法线之间产生的反射角, 并且在同一平面内产生了入射光线、反射光线和法线, 这个平面和过曲面产生的成像点切平面彼此垂直。但是, 在过曲面上由于各点比不是彼此平行的法线方向, 例如:柱面法线垂直相交柱轴的很多叉线。因此, 所谓的柱面反射的虚像缺少固定的位置能够寻找, 而是随着视点不同位置而出现了差异。
二、柱面光学透镜反射光线追迹
将圆柱反射面光线反射作为追迹范例, 在圆柱面顶点位置A构建直角右手坐标系, 促使AX平行于圆柱面母线, 坐标面的子午截面是AXZ。如此, 假如圆柱面设a为曲率半径, 与坐标面OYZ平行的任意平面去截圆柱面时, 都是在平面AXZ上获得截线, 半径是a的圆。在AXY存在于物面上的点D (X, Y, Z) 沿着适量C方向发出一光线, 光线在圆柱面上的投射点d1可以通过点d和适量c, 促使d成为物面A点到d点的位置向量;圆柱面定A1至投射点a1的位置向量;N则是从A1到垂直于光线的向量, 在两表面间线段的光纤通过垂直划分为两部分;分别是从A1向C1产生的辅助向量。
三、柱面光学镜在光学成像系统中的运用
(一) 单面柱面光学镜在光学系统应用
仅在一个方向上柱面镜有曲率, 利用柱面反射镜光纤矢量追迹可知, 一个截面维度方向对于平行光束来说产生了会聚或者发散功能, 但是不会对X轴方向发挥任何作用。由于球差因素造成单片传统柱透镜和柱面反射镜产生了船形光斑并且产生了小视场等问题, 见图1。
由于不成像是柱面镜与母线方向平行的特点, 不能通过传统分辨率对成像特点进行测试。所以将一幅与母线方向平行的分辨率测试板放置在物平面上, 利用单片离轴柱面反射镜实施成像分析, 仅子午面方向柱面反射镜条纹成像。对正单片反射镜球差很难进行校正, 需要综合多片反射镜才能实行校正, 另外一方面多片结构还可以产生基于子午方向柱面反射系统的宽视场。
(二) 优化抛物柱面方法
对于光学成像系统, 柱面镜出现了线聚焦效果, 光束几乎不会影响到平行弧失面, 致使像差在弧失方向较大进一步需要特殊处置整体优化。
假设在B光轴的右手坐标系中, 针对平行于母线与X轴的柱面反射镜, 主要是子午面中的Y轴产生成像光线的像差。本文指出了一种优化正交抛物柱面的方法, 由于在弧矢面方向母线与X轴柱面系统平行的光焦度为0, 即与XB平面平行的光纤不会产生任何会聚或者发散功能。将一个抛物柱面反射镜添加在像面前, 促使其母线方向与Y轴平行, 也即是正交于设计柱面系统的母线。
对于平行于子午面现场的光束, 只有抛物柱面反射镜焦距相等于到像面的距离时, 在像面上柱面系统到X轴方向会获得最好的平行光束的成像, 因为经过对抛物柱面镜后弧方向像差进行校正为零。至此, 评价这一柱面光学系统可以评价光线追迹图, 抛物柱面镜已经校正了弧矢方向的像差, 确定像面和抛物柱面镜的有关参数量之后就可以自行优化设计光学成像系统, 进一步对柱面系数进行优化。
(三) 优化设计三反柱面光学成像系统
三反射柱面系统可以有效解决传统单片柱透镜和柱面反射非理想成像光束线焦距、子午面像差大等问题。在对三反射柱面初始结构进行选择时能够通过计算初始的空间三反成像系统结构, 对四种像差同时消除, 因为柱面系数及母线平面的成像光束与普通的三反空间成像结构垂直并且类似于午面内的成像光束。
利用提出的对正交抛物柱面进行优化的方法, 首先设计圆柱面的三反柱面面型, 通过追迹柱面光线的方式设计不同的弧矢方向像差与子午方向像差的权重并且进行优化。图2揭示了优化圆柱面条件下三反柱面的子午面方向上与MTF的像差,
在图2中MTF三条曲线分别是三个不同的子午面视场的传递函数, 所设计的柱面系统对子午方向的MTF进行了优化, 全视场达到了3°, 子午面方向的MTF在子午边缘市场分辨率达到45lp/mm时优于0.2, 很好校正了像差曲线, 但是还是突出了子午像差, 需要对子午面方向的MTF数值才能进一步提高。
由于在抛物二次曲面在焦点处的最佳成像, 能够设计柱面面型形成二次曲线柱面反射结构, 母线依然平行于X轴方向。利用对正交抛物线柱面进行优化的方法, 还是设计优化弧矢方向像差和子午方向像差的不同权重, 获得了十分理想的优化效果。
结语
针对单片柱面透镜在光学成像系统中产生的不理想光束、小视场等特点, 科学研究了一种三反射式柱面光学体系, 通过正交抛物柱面对初始结构进行了优化。传递函数在子午面方向三反煮面系统各个视场调制中取得了较为理想的优化成果, 使其满足高空间分辨率成想要求, 进一步解决了光学成像系统对特殊柱面自行优化设计问题。
摘要：在非球面透镜中柱面镜是最普遍的一种, 采用球面系统具有分别描述成像的特点, 在一些特殊场合其具有特殊作用。本文主要分析了柱面光学透镜成像原理, 柱面光学透镜反射光线追迹, 柱面光学透镜在光学成像系统中的运用。
关键词：柱面光学透镜,光学成像,运用
参考文献
[1]王之江.实用光学技术手册[M].北京:机械工业出版社, 2009.
声学、光学复习 篇10
1.声音是由物体的振动产生的。
2.声音的传播需要介质:固体、液体和气体都是传播声音的介质。
3.乐音有三个特征:响度、音调和音色, 其中响度是指人耳能感觉到的声音的强弱。响度是人耳对声音的感觉, 而且在感觉上是指音量的大小。如将收音机的音量开关开大, 听到的声音的响度增大, 反之就减小。
4.乐音:有规律的、好听悦耳的声音叫做乐音。
噪声:无规律的、难听刺耳或污染环境的声音叫做噪声。
噪声有两个分类标准:一是从物理学的角度, 噪声是发声体做无规则振动时发出的声音;二是从环境保护的角度, 凡是妨碍人们正常休息、学习和工作的声音, 都属于噪声。
5.一般来说我们主要有以下三种途径来减弱噪声。 (1) 在声源处减弱。如把噪声大的设备更换为噪声小的设备, 或加装一些消声设备; (2) 在传播过程中减弱。如使居民区远离有噪声的工厂, 或使居民区的门窗背向工厂或马路, 在马路和住宅区设立屏障或植树造林, 使传来的噪声被反射或部分吸收而减弱, 或者将噪声较大的工厂迁至城外, 远离居民区等; (3) 在人耳处减弱。例如防噪声用的耳塞、耳罩、头盔等。
练习:
1.登上月球的宇航员只能靠无线电交谈, 这是因为 () 。
A.宇航员们在月球上离得太远, 只能用无线电联系
B.宇航员们戴的头盔隔音
C.在月球上没有空气, 不能传播声音
D.使用无线电交谈, 便于录音
答案:C。声音的传播需要介质, 真空不能传声。
2.唐代大诗人李白的诗中有“谁家玉笛暗飞声, 散入春风满洛城”的佳句。玉笛发声是由于______振动, “散入春风满洛城”说明______能传声。
答案:空气、空气。
3.唐诗《枫桥夜泊》中“姑苏城外寒山寺, 夜半钟声到客船”一句体现出的物理知识有_______、________。
答案:声音是由于物体振动产生的, 声音的传播需要介质。
4.在敲响大古钟时发现, 停止了对大钟的敲击后, 大钟仍“余音不止”, 原因是 ( ) 。
A.人的听觉发生“延长”
B.大钟的回声
C.大钟仍在振动
D.大钟虽停止振动, 但空气仍在振动
答案:C。
5.科学考察工作者为了测海底某处的深度, 向海底垂直发射超声波, 经14s收到回波信号。该处海水深______m (声音在海水中的传播速度为1500m/s) 。这种方法______ (填“能”或“不能”) 用来测量地球和月球之间的距离。
答案:10500;不能。海洋的深度地球与月球之间缺少传播声音的介质, 声音不能够在真空中传播。
6.医生用听诊器诊断病情是因为 ( ) 。
A.听诊器能使振动的振幅增加, 使响度增强
B.听诊器能改变发声体
C.听诊器能缩短听者距发声体的距离, 使传入人耳的响度增强
D.听诊器能减少声音的分散, 使传入人耳的响度更强一些
答案:D。医生将听诊器接触人体的有关部位时, 被测部位振动发出的声音由听诊器皮管内的空气进行传播, 于是医生就听到了声音, 用于诊断病情。显然被测部位振动发出的声音的特征不会因有无听诊器而改变, 所以A、B错。不过, 由于声音在皮管内传播, 不易发散而直接传入医生的耳朵, 所以听诊器能减少声音的分散, 使医生听到的响度强一些, 听得更清楚些, 故本题正确答案是D。
7.“震耳欲聋”反映了声音的______很大;“声音刺耳”反映了声音______很高;“闻其声而知其人”是根据声音的______来判断的;蝴蝶飞舞时, 翅膀也在振动, 人耳却听不到声音, 这是因为______。
答案:响度;音调;音色;蝴蝶翅膀振动产生的频率低于20Hz。
8.交响乐是由管弦乐队演奏的大型乐曲。弦乐器的琴弦由于受到弹拨或摩擦而______发出了声音;乐队指挥能够分辨出交响乐中各种乐器发出的声音, 他是根据声音______的进行辨别的;夜深人静的时候, 如果把播放器的音量开得过大, 优美的音乐声此时也变成了______。
答案:振动;音色;噪声。声音是由物体振动产生的。所以琴弦受到弹拨或摩擦而振动发声;不同乐器发出声音的音色不同, 是由于发声体不同;夜深人静时, 优美的音乐声较大, 会影响人们休息故成为噪声。
9.以下关于噪声与乐音的说法正确的是 ( ) 。
A.歌星唱歌的声音都是乐音
B.爆竹声不一定是噪声
C.只要是乐器, 发出的声音都是乐音
D.清晨, 林中小鸟的叫声是乐音
答案:D。凡是影响人们正常休息、工作、学习的声音都属于噪音, 歌星、乐器发生的声音影响到人们的正常生活则会成为噪声。爆竹爆炸时声波不规则是噪声, 而林中小鸟的叫声令人心情舒畅是乐音。
10.下面关于超声波或超声波的利用的说法中, 的是 ( ) 。
A.蝙蝠能发出超声波
B.超声波的传播不需要介质
C.可以利用超声波的反射探测海洋深度
D.可以利用B型超声仪检查身体
答案:B。蝙蝠能发出超声波, 并利用超声波进行导航;超声波是声波的一种, 它的传播也需要介质;C、D项中的说法均是超声的应用, 故本题只有B项错。
11.在下列应用实例中, 不属于超声波应用的是 ( ) 。
A.外科医生利用声波的振动除去人体内的结石
B.利用声波预测自然灾害
C.利用声波探测海中潜艇的位置
D.利用声波清洗钟表等精细的机械
答案:B。自然界中, 火山爆发、地震、风暴等大型自然灾害都能产生次声。
光学
1.光源是指自身能发光的物体, 太阳、发光的电灯、点燃的蜡烛都是光源。有些物体本身不发光, 但由于它们能反射太阳光或其他光源发出的光, 好象它们也在发光一样, 不要误认为是光源, 如月亮和所有行星, 它们并不是物理学中所指的光源。
2.光线:在物理学中, 光线是用来表示光的传播路径和方向的带有箭头的直线。许多光在一起称为光束, 光线的方向也就是光的传播方向。光沿直线传播的实例: (1) 影子的形成, (2) 月食的形成, (3) 小孔成像。
3.平面镜成像的特点。
平面镜成像是光的反射形成的。
物体通过平面镜成像有如下特点: (1) 像与物大小相等; (2) 像与物的对应点连线跟镜面垂直; (3) 像与物到镜面的距离相等; (4) 像与物左右相反; (5) 像是虚像。
4.平面镜成像作图。
平面镜成像的作图有两种方法:第一种方法是根据光的反射定律作图;第二种方法是根据平面镜的成像特点作图。使用第一种方法时, 应注意每个物点画出两条入射光线和对应的反射光线, 并注意实虚线要分清, 虚像用虚线画;第二种方法也叫几何对称作图法, 应用该法作图时, 要注意: (1) 只需作出构成物体形状的关键的几点的对称点即可; (2) 像物体对应点连线必须与镜面垂直; (3) 像必须由虚线构成。
5.物体的颜色。
(1) 透明体的颜色是由它透过的光决定的。透明物体让和它颜色相同的光通过, 把其他颜色的光都吸收了。所以透过茶色玻璃看到的世界都是茶色的。
(2) 有色的不透明物体反射与它颜色相同的光。红色物体反射红光, 吸收其他颜色的光, 而白色物体反射各种色光, 黑色物体吸收所有的光。
6.凸透镜成像规律
练习:
1.下列物体中属于光源的是 ( ) 。
A.放电影时所看到的银幕
B.反射阳光的平面镜
C.收看电视时看到的电视机的屏幕
D.月亮。
答案:C。光源是指本身能够发光的物体。判断物体是否是光源, 是看“本身”是否能够发光。A项放电影的银幕是粗白布, 不能发光, 放电影时是反射的放映机发出的光;B项中的平面镜可以反射光, 但本身不能发光;D项中的月亮能反射太阳光但自身不发光, 故不是光源;只有C项中电视机的屏幕是本身发光的, 属于光源。
2.关于小孔成像的情况, 下列说法中正确的是 ( ) 。
A.正立的 B.倒立的 C.一定是缩小的像 D.是放大的像
答案:B。小孔成像是由于光的直线传播形成的, 改变烛焰、小孔和光屏三者的距离关系, 可成放大的、等大的或者缩小的像, 但像一定是倒立的。
3.为了检查一块木板的一条棱是否平直, 可以闭上一只眼睛沿着棱的方向看过去, 这是利用了______。
答案:光在同种均匀介质中沿直线传播。由于光是沿直线传播的, 若木板不平直, 有凸起或弯曲, 则棱末端的光线将被挡住不能射入人眼。
4.晴天, 树荫下的地面上出现的圆形光斑是 () 。
A.太阳的实像 B.太阳的影子
C.太阳的虚像 D.树叶的影子
答案:A。小孔成像是由于光在均匀介质中沿直线传播形成的。树荫下地面上出现的圆形光斑就是太阳光通过树叶间的小孔在地面上形成的太阳的实像。
5.光明是人们祈求的, 但有时光也会损害人的视觉和身心健康, 成为光污染。下列现象中会造成光污染的是 ( ) 。
A.汽车车窗玻璃上贴防晒膜
B.城市建筑大面积安装玻璃幕墙
C.晚上学习时用护眼台灯
D.用塑料薄膜建造温室大棚
答案:B。城市建筑大面积安装玻璃幕墙, 会由于发生大面积的镜面反射而造成光污染, 本题考查环境保护意识。
6.一个人站在平面镜前并缓慢地向平面镜靠近, 则他在平面镜中所成的像情况应该是 ( ) 。
A.像靠近平面镜, 而且变得越来越大
B.像靠近平面镜, 而且变得越来越小
C.人和像之间的距离保持不变, 而且像的大小也不变
D.像靠近平面镜, 大小不变
错解:A
错解分析:人靠近平面镜时, 像也靠近平面镜, 由生活经验观察到人在平面镜中的像越来越大, 误认为人通过平面镜成的像变大, 其实, 人的大小没变, 则人通过平面镜所成像的大小也不变, 人感觉到镜中人像变大是由于视角改变所造成的, 故本题应选D。
答案:D。
7.一平面镜与水平桌面成45°角固定在水平桌面上, 如图所示, 一小球以1m/s的速度沿桌面向平面镜匀速滚动, 则小球在平面镜中的像 ( ) 。
A.以1m/s的速度, 做竖直向上的运动
B.以1m/s的速度, 做竖直向下的运动
C.以2m/s的速度, 做竖直向上的运动
D.以2m/s的速度, 做竖直向下的运动
答案:B。根据平面镜成像的性质, 小球在A点时, 对应于镜面等距离的虚像在A'位置, 小球滚到B点时, 其对称的像应在B'处, 显然AB=A'B'。可见镜里的像以与小球相等的速度竖直向下运动。
8.某发光点S所发出的两条光线经平面镜反射后形成的光线如图。请完成光路图并确定发光点S的位置。
答案
9.根据平面镜成像特点, 画出图中物体AB在平面镜MN中的像。
答案
本题应注意, A'B'是虚像应用虚线表示。部分同学在此容易忽视, 从而在考试中丢分。
10.唐朝著名诗人储光羲的《钓鱼湾》中有一句诗词“潭清疑水浅, 荷动知鱼散”。意思是清澈的潭水看起来变______了, 春荷一动, 鱼尽散去。在这里, 诗人看到的潭底和水中的鱼, 都是______像, 且看到的位置比实际位置都偏______, 这是由于光的_______现象造成的。
答案:浅、虚、高、折射。
11.白天, 坐在小汽车里透过车窗玻璃看到车外的景物, 这是由于光的 ( ) 。
A.直线传播 B.反射 C.折射 D.三种都有可能
答案:C。透过玻璃看到的景物是光折射后的虚像。
12.潜水员在水中看岸上的小鸟, 在图中能正确表示其光线的传播大致路径的是 ( ) 。
答案:C。潜水员在水中看岸上的小鸟, 光应从空气射入水中, 光从空气射入水中折射角小于入射角。
13.早晨, 草上的露珠在日光下呈现鲜艳的颜色, 而且颜色随视线的方向而改变, 这是因为 ( ) 。
A.露珠晶莹, 日光强烈刺眼, 使视觉受到影响, 看到眼前五颜六色
B.光的反射
C.光的色散
D.视线方向不同, 看到了露珠前后不同的颜色
答案:C。水珠相当于三棱镜, 能将太阳光分解, 产生光的色散现象, 由于各种色光折射角度不同, 所以在不同方向看到的色光不同。
14.舞台上的演员穿着白上衣, 蓝裤子, 在红色的舞台灯光的照射下, 他的上衣呈现____色, 裤子呈现____色。
答案:红色、黑色、白色上衣能反射各种色光, 红光照在它上面, 红光被反射入观众眼中, 故呈红色。蓝裤子只能反射蓝光, 无光进入观众眼中, 故呈黑色。
15.小丽同学用焦距为10cm的凸透镜做“探究凸透镜成像规律”的实验, 实验装置如图所示。在实验过程中保持凸透镜的位置不变, 请你根据所学知识回答下列问题。
(1) 实验前应首调节烛焰的中心、____、光屏的中心在同一高度。
(2) 改变蜡烛的位置, 使其位于20cm刻度线处, 再移动光屏, 使烛焰在光屏上成清晰的倒立、______的实像。 (填“放大”、“缩小”或“等大”)
(3) 在实验 (2) 的基础上, 将蜡烛和光屏互换位置, 此时烛焰在光屏上成清晰的倒立、______的实像。 (填“放大”、“缩小”或“等大”)
(4) 把图中的凸透镜看作眼睛的晶状体, 光屏看作视网膜。给“眼睛”戴上远视眼镜, 使烛焰在“视网膜”上成一清晰的像。若取下远视眼镜, 为使光屏上得到清晰的像, 应将光屏
(填“远离”或“靠近”) 凸透镜。
分析:远视眼镜是凸透镜对光线有合象作用, 当烛焰通过远视眼镜和“晶状体”在“视网膜”上成清晰的像时, 若取下远视眼镜, 出射光线会变得较为发散, 像成在“视网膜”之后, 为便光屏上得新得到清晰的像, 需将光屏远离凸透镜。
答案: (1) 凸透镜光心, (2) 缩小, (3) 放大, (4) 远离。
16.常见的视力缺陷有近视和远视。如图所示是一位视力缺陷人员的眼球成像示意图, 他的视力缺陷类型及矫正视力需要配戴的透镜种类是 ( ) 。
A.远视睛, 凸透镜 B.远视眼, 凹透镜
C.近视眼, 凸透镜 C.近视眼, 凹透镜
答案:A。物体成的像在视网膜之后, 表明晶状体对光的会聚能力弱, 该人员患远视眼, 应配戴凸透镜加以矫正。
17.如图所示是张敏同学拍摄的西湖大酒店风景相片, 则下列说法正确的是 ( ) 。
A.要想使大楼的像更大些, 张敏应向大楼靠近些并增大镜头与胶片之间的距离再拍照
B.大楼在湖中的倒影是由于光的直线传播形成的
C.大楼在湖中的倒影是由于光的折射形成的
D.拍摄时底片上的像是倒立、放大的虚像
红外变焦光学系统设计 篇11
关键词： 光学设计； 红外变焦； 折/衍混合
中图分类号： TN 21文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.03.007
引言
变焦距光学系统是指焦距可在一定的范围内变化，而在变焦过程中像面位置保持不动、相对孔径基本不变，并且在变焦过程中像质保持良好的光学系统。连续变焦的红外光学系统不仅可兼顾大视场搜索和小视场瞄准跟踪的要求，而且还可以解决两档或多档镜头由于视场切换，在短时间内对快速运动的目标丢失这一缺陷。红外技术在医疗、工业方面等也得到了广泛的应用。它可以发现人体温度的微小差异，因而可用来诊断与体温有关的许多疾病。在工业方面，可用于工业热故障探测、热能耗散、无损检测等领域。所以设计红外变焦镜头具有一定的现实意义[1]。
2.3设计结果分析与像质评价
由于该系统的变倍比不大，并且考虑到尽可能小的光学系统筒长，因此采用负组补偿的结构型式为宜。对于后固定组，它主要是为了校正系统的像差。这里应用两片透镜，类似于Petzval物镜的结构型式。这样做有两点好处：（1）第4片透镜的通光口径较大，为了让光线逐渐会聚，所以用两片正透镜。为了避免入射光线在透镜表面的入射角过大（入射角过大，系统的像差不好校正），所以第4片透镜和第5片透镜间距相对较大。同时，第4片透镜与第5片透镜的光焦度分配要合适。（2）第5片透镜的作用类似于场镜，放在像面附近。它具有校正场曲，平衡系统像散的作用。
与可见光波段的材料相比，红外材料的透过率略低。同时要考虑材料对光线的吸收，所以尽可能减少透镜片数是很有必要的。通过合理使用非球面和衍射面，能减少透镜的片数，并且对像差校正也有好处，进而使整个系统结构简单、紧凑。
最终优化得到的长波红外连续变焦光学系统的结构示意图，如图1所示，依次为短焦位置、中焦位置和长焦位置，系统总长209.5 mm，后工作距离10 mm。光学系统在各个孔径处的球差和位置色差，如图2所示。由于系统引入了衍射面和非球面，可以看到在球差和色差得到很好校正。
3结论
设计了工作在8～12 μm波段折射式红外连续变焦光学系统。该系统仅由5片透镜构成，采用负组补偿的型式。在变焦过程中相对孔径不变，F/#为1，系统变倍比为3∶1，焦距50～150 mm，光学筒长209.5 mm。该系统仅使用锗这一种材料，通过引入偶次非球面和衍射面，从而使系统结构简化，并提高了成像质量。系统在空间频率为20 lp/mm 处，各个视场的MTF均在0.5以上。单点金刚石车削的加工工艺已经成熟，非球面及衍射元件可以很好地应用在红外光学系统当中。该光学系统可以广泛应用于前视红外系统及红外扫描成像系统中。
参考文献：
[1]陈津津，赵劲松.一种紧凑型折射式红外搜索/跟踪光学系统设计[J].红外技术，2008，30（5）：279-282.
[2]林大键.工程光学系统设计[M].北京：机械工业出版社，1987.
[3]FISHER R E，GALEB B T.Optical system design[M].New York：McGraw Hill，2000：128-198.
[4]孙强，刘宏波，王肇圻.红外折射/衍射超常温光学系统[J].光子学报，2003，32（4）：466-469.
[5]范长江，王肇圻，吴环宝.红外双波段双层谐衍射光学系统设计[J].光学学报，2007，27（7）：1266-1270.
[6]王肇圻，张轶楠，傅汝廉，等.折/衍混合 Petzval光电摄像物镜设计[J].光学精密工程，2005，13（1）：1-4.
[7]崔庆丰，匡裕光.混合复消色差透镜组的设计原理[J].光学学报，1995，15（4）：449-503.
[8]梁宜勇，杨国光.衍射光学器件的激光辅助制造[J].光学仪器，2002，24（5）：86-90.
三维光学实验仿真 篇12
但是, 在光学实验中, 实验的环境对实验效果影响巨大, 要想得到理想的实验效果, 必须具备良好的实验条件, 导致教学中很难将实验应用的理论教学中去, 所以借助于计算机将光学实验进行仿真成为一条有效的可行路线。
利用origin软件对光学实验进行仿真, 可以避免复杂的程序撰写, 非常适用于没有编程基础的初学者, 也能够得到效果明显的实验结果应用到实际的理论教学中。
一、Origin仿真结果
(一) 多缝夫琅禾费衍射
强度公式:根据惠更斯-菲涅尔原理, 多缝夫琅禾费衍射的光强公式[1]为:
实验仿真结果:
由式 (1) 可得接受屏上x (设OP=x) 处与该点相对光强的函数关系为:
设N=6, b=4×10-6m, d=6×10-6m, f=65×10-3m, I0=1, λ=650nm。矩阵维数设定 (500, 500) , x、y的取值范围为 (-0.03m, 0.03m) , 依据光强分布公式得出矩阵元的值如下: (sin ( (pi*4e-6/650e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) / ( (pi*4e-6/650e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2* ( (sin ( (6*pi*6e-6/650e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2/ (sin ( (pi*6e-6/650e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2) 可得到图1所示的二维仿真图, 图2所示的三维仿真图。
(二) 夫琅禾费多缝干涉
强度公式:在多缝夫琅禾费衍射中, 如果不考虑单缝衍射效应, 多缝干涉的强度与相位差的关系为:
其中, δ= (2πdsinθ) /λ。
令v= (πdsinθ) /λ, 式 (3) 可表示为:
取N=4, I0=1, d=5×10-6m, f=65×10-3m, λ=589nm, 矩阵维数设定为 (500, 500) , x、y坐标范围设定为 (-0.02m, 0.02m) , 矩阵元的值设定为sin ( (4*pi*0.5e-5/589e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2/ (sin ( (pi*0.5e-5/589e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2, 可得到多缝干涉的二维及三维仿真图像如图3和图4。
(三) 夫琅禾费圆孔衍射
强度公式:夫琅禾费圆孔衍射中, R为圆孔半径, θ为衍射角, f为凸透镜焦距。
圆孔衍射在屏上任一点的光强为:
实验仿真:
令衍射图样中心P0处光强I0=1, 可知接受屏上P处相对光强与x的函数关系为:
设R=0.00003m, f=1m, λ=632.8nm, 调用一阶贝塞尔函数, 依据光强分布公式对矩阵元的值进行设定:
4* (j1 ( (2*pi*0.00003/632.8e-9) * (sqrt (x^2+y^2) /sqrt (x^2+y^2+1^2) ) ) / ( (2*pi*0.00003/632.8e-9) * (sqrt (x^2+y^2) /sqrt (x^2+y^2+1^2) ) ) ) ^2) , 可以分别得到图5所示的二维衍射仿真图和图6所示的三维衍射仿真图。
(四) 夫琅禾费矩形孔衍射
光强公式:夫琅禾费距孔衍射中, a、b分别表示x、y方向上距孔的边长, 矩形孔衍射公式[2]为:
实验仿真:
设λ=400nm, a=0.004nm, b=0.004mm, 焦距f=60mm, x、y坐标范围设定为 (-0.2m, 0.2m) , 矩阵维数设定为 (500, 500) , 在矩阵值窗口根据 (7) 式输入: ( (sin ( (pi*4e-6*x) / (4e-7*sqrt (x^2+0.6^2) ) ) ) ^2/ ( (pi*4e-6*x) / (4e-7*sqrt (x^2+0.6^2) ) ) ^2) * ( (sin ( (pi*4e-6*y) / (4e-7*sqrt (y^2+0.6^2) ) ) ) ^2/ ( (pi*4e-6*y) / (4e-7*sqrt (y^2+0.6^2) ) ) ^2) , 得到图7的二维衍射图, 图8的三维衍射图。
二、小结
通过上述图像可以得到, origin软件可以从容地得到相关的仿真结果, 并且其所得到的图像细致逼真, 界面也相当清晰, 对于实验的分析探究相当有利, 可以简单形象的看懂那些抽象难懂的光学理论。
摘要：以光的夫琅禾费多缝衍射、多缝干涉、夫琅禾费圆孔、矩形孔衍射、牛顿环实验以及迈克耳孙干涉实验为例, 利用origin软件实现光学实验三维仿真。找出实验的光强公式, 并进行参数设定, 从而得到origin软件所需要的矩阵元的值, 就可得一个光强的数据矩阵, 进一步可得到仿真图。得到的仿真图简单明了, 有利于观察, 为光学探究提供方便。
关键词：光学,实验仿真,origin
参考文献
[1]赵建林.光学[M].北京:高等教育出版社, 2006:P4.