物理教学资源开发——山东大学物理学院High Flyer团队暑期社会实践纪实

  鲁网9月11日讯 光是一种很奇特的物质，它照亮黑暗，带给人类光明与发展。在古代，人们日出而作，日落而息，随光劳作；在现代，人们探索了光的各种性质，有了许多发明创造，如光纤、CT、白光干涉仪等。可以说，光在生活、工业、医疗、科研等领域都有着许多重要的应用。

  因此光学在物理教育中是很受重视的，初中和高中的物理课本中都会有它的身影。中学的物理教育会介绍光的各种性质，如直线传播、干涉、衍射等。但因为涉及的数学计算并不全面，学生们对光这种抽象的性质的理解也会有所欠缺。此外，大学中关于光学的教育，涉及的数学计算虽然全面了，但学生想要加深理解，也得自己通过数学计算去感受或者进行一些并不直观展现物理过程且难度较大的光学实验。因此山东大学物理学院High Flyer团队基于FDTD开发了一款仿真软件，它可以模拟在干涉、衍射等现象中光的传播路径，致力于为光学教学提供更加直观、清晰的物理图像，来帮助学生们理解关于光的物理过程。

  光是一种电磁波，团队从麦克斯韦方程组出发，对其进行了FDTD有限差分法，得到了FDTD格式的麦克斯韦方程，即控制方程。而后，团队对一些条件做出了规定。

  光场条件：包括光源、材料、求解域大小、网络。

  边界条件：包括吸收、单缝、双缝、多缝。

  通过对这些条件的调整与限制，团队设计了光的波动性、等倾干涉、单缝衍射、多缝衍射、双缝干涉五大模块。最后，利用MATLAB软件设计了人机交互界面，使用者可以根据需要设计自己需要的参数，来形成各种图像，达到教学直观化的目的。

  本产品从麦克斯韦方程组出发，进行了经典物理方程的数值计算，具有较高的精度和广泛的适用性；人机交互界面的设计，在高自由度的前提下使得物理过程的呈现可视化、直观化、简单化。目前该产品可以模拟光的波动性、等倾干涉、单缝衍射、多缝衍射、双缝干涉五个光学过程，以后也会将更多的经典光学现象一一添加进来。(通讯员 张毅)