59

Îïûò ñîçäàíèÿ è ñåòåâîãî èñïîëüçîâàíèÿêîìïüþòåðíûõ äåìîíñòðàöèé ïî âîëíîâîé îïòèêå

ÈÍÔÎÐÌÀÖÈÎÍÍÎÅ ÏÐÎÑÒÐÀÍÑÒÂÎ

Èñïîëüçîâàíèå âèðòóàëüíûõ äåìîíñòðà-öèé íå òîëüêî ïîçâîëÿåò ïîêàçàòü ó÷àùèì-ñÿ íàèáîëåå èíòåðåñíûå îïòè÷åñêèå ýôôåê-òû, íî è äàåò âîçìîæíîñòü ñìîäåëèðîâàòüýôôåêò â óñëîâèÿõ, êîòîðûå çàòðóäíèòåëü-íî èëè íåâîçìîæíî ïðîâåñòè íà ñóùåñòâó-þùåì îáîðóäîâàíèè.

Àêòóàëüíîñòü ñîçäàíèÿ âèðòóàëüíûõ äå-ìîíñòðàöèé ñâÿçàíà ñ òåì, ÷òî ðàçäåë îïòè-êè ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç ïîñëåäíèõ ðàçäåëîâøêîëüíîãî êóðñà ôèçèêè.  ñâÿçè ñ óõóä-øåíèåì ñïîñîáíîñòè ê âîñïðèÿòèþ èíôîð-ìàöèè è îáó÷åíèþ ó ñîâðåìåííûõ øêîëü-íèêîâ, âî ìíîãèõ øêîëàõ èçó÷åíèå ïðåäû-äóùèõ ðàçäåëîâ ñäâèãàåòñÿ ê êîíöó ó÷åáíî-ãî ãîäà, è â ðåçóëüòàòå ðàçäåë îïòèêè ðàñ-ñìàòðèâàåòñÿ ïîâåðõíîñòíî èëè íå ðàññìàò-ðèâàåòñÿ âîîáùå. Íå ñåêðåò, ÷òî áîëüøîåêîëè÷åñòâî âûïóñêíèêîâ øêîë èìåþò êðàé-íå ñëàáîå ïðåäñòàâëåíèå äàæå î ãåîìåòðè-÷åñêîé îïòèêå. Íå ãîâîðÿ óæå îá îñíîâàõâîëíîâîé îïòèêè, êîòîðûå âêëþ÷åíû â ó÷åá-íóþ ïðîãðàììó øêîë. Êðîìå òîãî, áîëüøèí-ñòâî øêîë íå èìåþò ëàáîðàòîðíîãî îáîðó-äîâàíèÿ, ïîçâîëÿþùåãî äåìîíñòðèðîâàòüðàçëè÷íûå îïòè÷åñêèå ýôôåêòû. Ïðåæäåâñåãî, ýòî êàñàåòñÿ ðàçäåëîâ èíòåðôåðåí-öèè è äèôðàêöèè è â íåñêîëüêî ìåíüøåéñòåïåíè ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêè.

Öåëü äàííûõ äåìîíñòðàöèîííûõ ïðî-ãðàìì � çíàêîìñòâî ó÷àùèõñÿ ñ îñíîâíûìèïðèíöèïàìè èíòåðôåðåíöèè, äèôðàêöèè,äèñïåðñèè è ïîëÿðèçàöèè.

ÎÏÛÒ ÑÎÇÄÀÍÈß È ÑÅÒÅÂÎÃÎ ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÈß

ÊÎÌÏÜÞÒÅÐÍÛÕ ÄÅÌÎÍÑÒÐÀÖÈÉ

ÏÎ ÂÎËÍÎÂÎÉ ÎÏÒÈÊÅ

Çèí÷èê Àëåêñàíäð Àäîëüôîâè÷,Ñòàôååâ Ñåðãåé Êîíñòàíòèíîâè÷

Êóðñ îáùåé ôèçèêè ÿâëÿåòñÿ îñíîâîéëþáîãî ôóíäàìåíòàëüíîãî åñòåñòâåííîíàó÷-íîãî è, â îñîáåííîñòè, ôèçè÷åñêîãî îáðà-çîâàíèÿ. Ó÷åáíûé ìàòåðèàë ýòîãî êóðñà íóæ-äàåòñÿ â íàãëÿäíîì è äîñòóïíîì èçëîæåíèè.Îáøèðíûå âîçìîæíîñòè äëÿ ýòîãî îòêðû-âàþò ñîâðåìåííûå èíôîðìàöèîííûå òåõíî-ëîãèè. Ñ îäíîé ñòîðîíû, îíè îáëàäàþò øè-ðîêîé ïàëèòðîé ñðåäñòâ âèçóàëüíîãî îòî-áðàæåíèÿ èíôîðìàöèè, ñ äðóãîé � âíåäðÿ-þòñÿ ïðàêòè÷åñêè ïîâñåìåñòíî.

 ïîñëåäíèå ãîäû îäíèì èç âàæíûõ íà-ïðàâëåíèé èñïîëüçîâàíèÿ êîìïüþòåðîâ âïðåïîäàâàíèè ôèçèêè ÿâëÿþòñÿ äåìîíñòðà-öèîííûå ïðîãðàììû è êîìïüþòåðíûå (âèð-òóàëüíûå) ëàáîðàòîðíûå ðàáîòû. Ïîýòîìó

Èñïîëüçîâàíèå âèðòóàëüíûõ äåìîíñòðàöèé...

60

Çèí÷èê À.À., Ñòàôååâ Ñ.Ê.

© ÊÎÌÏÜÞÒÅÐÍÛÅ ÈÍÑÒÐÓÌÅÍÒÛ Â ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈÈ. ¹ 3, 2006 ã.

âñòàåò çàäà÷à ñîçäàíèÿ ïðîãðàìì, êîòîðûåïîçâîëÿþò íå òîëüêî ïðîäåìîíñòðèðîâàòüó÷àùèìñÿ ïðîÿâëåíèÿ òåõ èëè èíûõ ôèçè-÷åñêèõ çàêîíîâ è ýôôåêòîâ, íî è ïîä÷åðê-íóòü òàêèå îñîáåííîñòè, êîòîðûå òðóäíîíàáëþäàòü â ðåàëüíîì ýêñïåðèìåíòå.

Èñïîëüçîâàíèå âèðòóàëüíûõ äåìîíñòðà-öèé íå òîëüêî ïîçâîëÿåò ïðîäåìîíñòðèðî-âàòü ó÷àùèìñÿ íàèáîëåå èíòåðåñíûå îïòè-÷åñêèå ýôôåêòû, íî è äàåò âîçìîæíîñòüñìîäåëèðîâàòü ýôôåêò â óñëîâèÿõ, êîòîðûåçàòðóäíèòåëüíî èëè íåâîçìîæíî ïðîâåñòèíà ñóùåñòâóþùåì îáîðóäîâàíèè.

Ïðîãðàììû ìîäåëèðóþò èíòåðôåðåíöè-îííûé îïûò Þíãà, êîëüöà Íüþòîíà, äèô-ðàêöèþ Ôðàóíãîôåðà è Ôðåíåëÿ, ïîëÿðè-çàöèîííûå ýôôåêòû è ò. ä.

Äåìîíñòðàöèîííûå ïðîãðàììû ïîçâîëÿ-þò ðàáîòàòü ñ ðàçëè÷íûìè ìîíîõðîìàòè÷åñ-êèìè, áèõðîìàòè÷åñêèìè èëè ñïåêòðàëüíû-ìè èñòî÷íèêàìè èçëó÷åíèÿ ñ âîçìîæíîñòüþçàäàíèÿ äëèí âîëí è øèðèíû ñïåêòðà. Ïðî-ãðàììû ñîäåðæàò àëãîðèòìû ñëîæåíèÿ öâå-

òîâ, ïîçâîëÿþùèå ïîêàçàòü öâåòíóþ êàðòè-íó ðåçóëüòàòà êàêîãî-ëèáî îïòè÷åñêîãî ÿâ-ëåíèÿ èëè ýôôåêòà.

Èíòåðôåéñ ïîëüçîâàòåëÿ è ìåòîäè÷åñ-êîå íàïîëíåíèå äåìîíñòðàöèîííûõ ïðî-ãðàìì ïðîåêòèðîâàëèñü òàêèì îáðàçîì, ÷òî-áû îíè ìîãëè áûòü èñïîëüçîâàíû íå òîëüêîâ ëåêöèîííîì ïðîöåññå, íî è ïðè ñàìîñòî-ÿòåëüíîé ðàáîòå ñòóäåíòîâ (íàïðèìåð, ïðèïîäãîòîâêå ê âûïîëíåíèþ çàäà÷ ëàáîðàòîð-íîãî ïðàêòèêóìà).

Âñå äåìîíñòðàöèîííûå ïðîãðàììû èìå-þò ñõîæèé èíòåðôåéñ, ïðèìåð êîòîðîãîïîêàçàí íà ðèñóíêå 1.  ëåâîì âåðõíåì óãëóðàáî÷åé îáëàñòè èçîáðàæåíà ñõåìà óñòàíîâ-êè. Ïàðàëëåëüíûé ïó÷îê ñâåòà íîðìàëüíîïàäàåò íà âûïóêëóþ ëèíçó ìàëîé êðèâèçíû,ñîïðèêàñàþùóþñÿ ñ îòðàæàþùåé ïîâåðõíî-ñòüþ. Îòðàæàþùàÿ ïîâåðõíîñòü ìîæåò áûòüêàê ïëîñêàÿ, òàê è âîãíóòàÿ. Ñâåòîâûå ïó÷-êè, îòðàæåííûå îò âûïóêëîé ïîâåðõíîñòèëèíçû è îò ïîâåðõíîñòè, íà êîòîðîé ëåæèòëèíçà, èíòåðôåðèðóþò ìåæäó ñîáîé.

Ðÿäîì ñî ñõåìîé óñòàíîâêè ðàñ-ïîëîæåíû ýëåìåíòû óïðàâëåíèÿ ååïàðàìåòðàìè: ðàäèóñàìè êðèâèçíûëèíçû è îòðàæàþùåé ïîâåðõíîñòè.Íèæå íàõîäèòñÿ ïåðåêëþ÷àòåëü, ïî-çâîëÿþùèé ðàññìîòðåòü ñëó÷àé ïëîñ-êîé îòðàæàþùåé ïîâåðõíîñòè (êîã-äà ýòîò ñëó÷àé âûáðàí, íà ýêðàíå îò-ñóòñòâóåò ïîëå ââîäà ðàäèóñà êðèâèç-íû îòðàæàþùåé ïîâåðõíîñòè).

Ïîä ñõåìîé óñòàíîâêè íàõîäèòñÿãðóïïà ýëåìåíòîâ óïðàâëåíèÿ, ïîçâî-ëÿþùèõ âûáèðàòü òèï ñïåêòðà èñòî÷-íèêà. Îí ìîæåò áûòü ìîíîõðîìàòè-÷åñêèì, áèõðîìàòè÷åñêèì, íåïðåðûâ-íûì â çàäàííîì äèàïàçîíå äëèí âîëí(ïðÿìîóãîëüíîå ðàñïðåäåëåíèå).

 ëåâîé íèæíåé ÷àñòè îêíà ïðî-ãðàììû íàõîäÿòñÿ ýëåìåíòû, ïîçâî-ëÿþùèå èçìåíÿòü ñïåêòðàëüíûå õà-ðàêòåðèñòèêè èñòî÷íèêà: äëèíó âîë-íû äëÿ ìîíîõðîìàòè÷åñêîãî ñïåêò-ðà, ñåðåäèíó ñïåêòðà è ðàññòîÿíèåìåæäó äâóìÿ ëèíèÿìè äëÿ áèõðîìà-òè÷åñêîãî ñïåêòðà, ñåðåäèíó ñïåêò-ðà è åãî øèðèíó äëÿ íåïðåðûâíîãîñïåêòðà.

Ðèñóíîê 1. Ìîäåëèðîâàíèå èíòåðôåðåíöèîííûõ êîëåöÍüþòîíà ñ èñïîëüçîâàíèåì áèõðîìàòè÷åñêîãî (à)

è ñïåêòðàëüíîãî (á) èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ.

61

Îïûò ñîçäàíèÿ è ñåòåâîãî èñïîëüçîâàíèÿêîìïüþòåðíûõ äåìîíñòðàöèé ïî âîëíîâîé îïòèêå

ÈÍÔÎÐÌÀÖÈÎÍÍÎÅ ÏÐÎÑÒÐÀÍÑÒÂÎ

Èíòåðôåðåíöèîííàÿ êàðòèíà ðàñ-ïîëîæåíà â ïðàâîé âåðõíåé ÷àñòè ýê-ðàíà. Åå âèä ñîîòâåòñòâóåò ñëó÷àþíàáëþäåíèÿ êîëåö Íüþòîíà â îòðà-æåííîì ñâåòå. Èíòåðôåðåíöèîííàÿêàðòèíà ÿâëÿåòñÿ ïîëîñàìè ðàâíîéòîëùèíû, ëîêàëèçîâàíà ìåæäó ëèí-çîé è îòðàæàþùåé ïîâåðõíîñòüþ èïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êîíöåíòðè÷åñêèåêîëüöà. Õàðàêòåð èíòåðôåðåíöèîí-íîé êàðòèíû çàâèñèò îò ñïåêòðàëü-íîãî ñîñòàâà èñòî÷íèêà, îò êðèâèçíûëèíçû è îò êðèâèçíû ïîâåðõíîñòè, íàêîòîðîé ëåæèò ëèíçà. Âûáðàâ áèõ-ðîìàòè÷åñêèé ñâåò, ìîæíî ïîêàçàòüðàçëè÷èå â äèàìåòðå êîëåö, ñîçäàâà-åìûõ ðàçíûìè ëèíèÿìè ñïåêòðà.

Ãðàôèê â ïðàâîì íèæíåì óãëóîêíà ïîêàçûâàåò çàâèñèìîñòü èíòåí-ñèâíîñòè èíòåðôåðåíöèîííîé êàðòè-íû îò ýêðàííîé êîîðäèíàòû â òîìæå ìàñøòàáå, ÷òî è èçîáðàæåíèå íàýêðàíå. Èíòåðôåðåíöèîííàÿ êàðòèíàâ ìîäåëüíîé äåìîíñòðàöèè ìîæåò íå-ñêîëüêî îòëè÷àòüñÿ îò ðåàëüíîé, ïî-ñêîëüêó â ðåàëüíîì îïûòå èçîáðàæå-íèå êîëåö ìîæåò áûòü èñêàæåíî èç-çà ïûëèíîê, ïîïàäàþùèõ ìåæäó ëèí-çîé è îòðàæàþùåé ïîâåðõíîñòüþ.

Íà ðèñóíêå 2 ïîêàçàíà ìîäåëü-íàÿ ïðîãðàììà, äåìîíñòðèðóþùàÿâèä èíòåðôåðåíöèîííîé êàðòèíû âèíòåðôåðîìåòðå Ìàéêåëüñîíà îò ìî-íîõðîìàòè÷åñêîãî è ñïåêòðàëüíîãîèñòî÷íèêîâ, èõ ðàçëè÷èå. Íàãëÿäíîèëëþñòðèðóåòñÿ èçìåíåíèå èíòåðôå-ðåíöèîííîé êàðòèíû â ðåçóëüòàòå èç-ìåíåíèÿ ïàðàìåòðîâ èíòåðôåðîìåò-ðà: ïðè èçìåíåíèè óãëà ìåæäó çåð-êàëàìè èíòåðôåðîìåòðà èçìåíÿåòñÿêîëè÷åñòâî ìàêñèìóìîâ â îáëàñòè ýê-ðàíà. Óâåëè÷åíèå øèðèíû ñïåêòðàâåäåò ê óõóäøåíèþ âèäíîñòè èíòåð-ôåðåíöèîííîé êàðòèíû (ðèñóíîê 2á)

Íà ðèñóíêå 3 ïîêàçàíî ìîäåëè-ðîâàíèå äèôðàêöèè Ôðàóíãîôåðà íàùåëåâûõ ñòðóêòóðàõ. Ïðè ýòîì, êðî-ìå óïðàâëåíèÿ ïàðàìåòðàìè èñòî÷-íèêà è ðàçìåðàìè ùåëè, äîáàâëåíàâîçìîæíîñòü çàäàíèÿ êîëè÷åñòâà ùå-

Ðèñóíîê 2. Ìîäåëèðîâàíèå èíòåðôåðîìåòðàÌàéêåëüñîíà ñ èñïîëüçîâàíèåì ìîíîõðîìàòè÷åñêîãî (à)

è ñïåêòðàëüíîãî (á) èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ.

Ðèñóíîê 3. Ìîäåëèðîâàíèå äèôðàêöèè Ôðàóíãîôåðàíà òðåõ îäèíàêîâûõ ùåëÿõ ñ èñïîëüçîâàíèåì

áèõðîìàòè÷åñêîãî (à) è ñïåêòðàëüíîãî (á)èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ.

62

Çèí÷èê À.À., Ñòàôååâ Ñ.Ê.

© ÊÎÌÏÜÞÒÅÐÍÛÅ ÈÍÑÒÐÓÌÅÍÒÛ Â ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈÈ. ¹ 3, 2006 ã.

Çèí÷èê Àëåêñàíäð Àäîëüôîâè÷,äîöåíò êàôåäðû ôèçèêèÑÏáÃÓ ÈÒÌÎ,

Ñòàôååâ Ñåðãåé Êîíñòàíòèíîâè÷,äåêàí åñòåñòâåííî-íàó÷íîãîôàêóëüòåòà ÑÏáÃÓ ÈÒÌÎ.

ëåé è ïðîìåæóòêà ìåæäó íèìè. Ïðè óñòà-íîâêå êîëè÷åñòâà ùåëåé ðàâíûì äâóì èìàêñèìàëüíîì ñóæåíèè ðàçìåðà ùåëåé, ìîæ-íî ïðîäåìîíñòðèðîâàòü îïûò Þíãà.

Äèôðàêöèÿ Ôðåíåëÿ ïðåäñòàâëåíà äå-ìîíñòðàöèåé äèôðàêöèè íà êðóãëîé àïåð-òóðå (ðèñóíîê 4) è ïîëóïëîñêîñòè.  ñëó-÷àå ìîíîõðîìàòè÷åñêîãî èñòî÷íèêà äëÿêðóãëîãî îòâåðñòèÿ óêàçûâàåòñÿ ÷èñëî îò-êðûòûõ çîí Ôðåíåëÿ.

 êà÷åñòâå ïðîãðàììíîé îñíîâû äëÿäàííîãî êîìïëåêñà áûëà âûáðàíà Java. Èñ-ïîëíÿåìûå ïðîãðàììû íà Java äëÿ WWW �àïïëåòû � ñíà÷àëà êîìïèëèðóþòñÿ â àðõè-òåêòóðíî-íåçàâèñèìûé áàéò-êîä, âûêëàäû-âàåìûé íà ñåðâåðå, êîòîðûé çàòåì â ñîñòà-âå ïðîñìàòðèâàåìîãî äîêóìåíòà ïåðåñûëà-åòñÿ íà êëèåíòñêèé êîìïüþòåð è òàì èí-òåðïðåòèðóåòñÿ âèðòóàëüíîé Java-ìàøèíîé.Îáû÷íî îíà ïîñòàâëÿåòñÿ âìåñòå ñ Èíòåð-íåò-îáîçðåâàòåëåì. ßçûê Java èçíà÷àëüíî

ðàçðàáàòûâàëñÿ äëÿ èñïîëüçîâàíèÿâ êîìïüþòåðíûõ ñåòÿõ, ïîýòîìóóäîâëåòâîðÿåò òðåáîâàíèÿì áåçî-ïàñíîñòè, ñâÿçàííûì ñ çàùèòîéêîìïüþòåðà îò íåñàíêöèîíèðîâàí-íîãî äîñòóïà.  öåëîì Java-àïï-ëåòû ìîæíî ñ÷èòàòü äîñòàòî÷íîáåçîïàñíûìè.

Êîìïàêòíîñòü ôàéëîâ äåìîí-ñòðàöèé îáåñïå÷èâàåò èõ áûñòðóþçàãðóçêó èç WWW. Òàê, õàðàêòåð-íûé ðàçìåð ôàéëà äåìîíñòðàöèèñîñòàâëÿåò 20�30 êèëîáàéò. Ìî-äåëè ìîãóò çàïóñêàòüñÿ êàê ñ êîì-ïàêò-äèñêîâ, òàê è ñ æåñòêîãî äèñ-êà êîìïüþòåðà, ÷åðåç ëîêàëüíóþñåòü èëè èç WWW.

Äåìîíñòðàöèè, äîñòóïíû íàñàéòå www.optics.ifmo.ru.

Êîìïëåêñ êîìïüþòåðíûõ äåìîíñòðàöèéïî âîëíîâîé îïòèêå ìîæåò áûòü èñïîëüçî-âàí ïðè èçó÷åíèè îïòèêè êàê â øêîëå, òàêè â âóçå, êàê äëÿ ïðîâåäåíèÿ ëåêöèîííûõäåìîíñòðàöèé, òàê è äëÿ ñàìîñòîÿòåëüíîéðàáîòû ó÷àùèõñÿ.

Java-àïïëåòûìîæíî ñ÷èòàòü äîñòàòî÷íî áåçîïàñíûìè...

Ðèñóíîê 4. Ìîäåëèðîâàíèå äèôðàêöèè Ôðåíåëÿíà êðóãëîì îòâåðñòèè ïðè èñïîëüçîâàíèèáèõðîìàòè÷åñêîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ.