Fortran語言用于大學(xué)物理教學(xué)

王允輝 楊志紅

摘 要：隨著移動(dòng)互聯(lián)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)以及人工智能等新興技術(shù)的廣泛應(yīng)用，全社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)高度數(shù)字化的時(shí)代。大學(xué)物理教師也應(yīng)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要，將計(jì)算機(jī)模擬研究方法以某種計(jì)算機(jī)語言作為依托引入大學(xué)物理教學(xué)中，必將對(duì)大學(xué)物理課程改革產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響。本文將Fortran語言引入大學(xué)物理教學(xué)，重點(diǎn)分析了利用Fortran語言編寫簡(jiǎn)單的程序代碼演示振動(dòng)、波動(dòng)光學(xué)等相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，讓學(xué)生更加直觀地了解其物理本質(zhì)。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理；Fortran語言；振動(dòng)；波動(dòng)光學(xué)；激光場(chǎng)

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9132（2018）34-0011-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2018.34.005

一、引言

大學(xué)物理學(xué)是非物理學(xué)專業(yè)理工科學(xué)生本科學(xué)習(xí)階段的必修基礎(chǔ)課程，按基礎(chǔ)課的性質(zhì)和物理學(xué)的發(fā)展過程分類，由牛頓力學(xué)、分子動(dòng)理論和熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、相對(duì)論和量子物理組成[1]。其教學(xué)的重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新動(dòng)手能力，為后續(xù)專業(yè)課程的開展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而，大學(xué)物理學(xué)許多概念比較抽象，學(xué)生反映很難理解，空間圖形很難建立，致使部分學(xué)生感到大學(xué)物理學(xué)很難，從而對(duì)大學(xué)物理喪失了學(xué)習(xí)興趣。當(dāng)前，科學(xué)計(jì)算模擬已經(jīng)成為一種被廣泛應(yīng)用的科研手段，充分發(fā)掘和發(fā)展計(jì)算機(jī)提供的巨大潛能并廣泛地應(yīng)用于大學(xué)物理教學(xué)，也是目前物理學(xué)教師教學(xué)不可或缺的能力。同時(shí)能夠利用計(jì)算機(jī)語言，如Fortran、C語言、C++等，編寫簡(jiǎn)單的程序代碼以實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)，成為理工科院校大學(xué)生必備的素質(zhì)之一。Fortran語言是一門適合科學(xué)計(jì)算和工程分析的程序設(shè)計(jì)語言[2]，它能夠準(zhǔn)確、直觀、科學(xué)地反映物理學(xué)中的問題，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基本物理概念、方法及物理知識(shí)應(yīng)用方面的理解。趙凱華先生曾倡導(dǎo)“讓物理回歸自然”，使得學(xué)生親身去感受并接受物理知識(shí)[3]。基于此，本文將Fortran語言應(yīng)用于大學(xué)物理教學(xué)之中，并且對(duì)大學(xué)物理教學(xué)中的波動(dòng)光學(xué)進(jìn)行實(shí)例實(shí)踐。

二、Fortran在大學(xué)物理教學(xué)中的實(shí)例應(yīng)用

從認(rèn)識(shí)規(guī)律看，形象信息對(duì)視覺感官刺激所引起的反應(yīng)，在思維過程中具有重要作用。清晰的物理圖像是理解物理規(guī)律、運(yùn)用物理知識(shí)的基礎(chǔ)。我們知道，光的干涉和衍射是光學(xué)部分的學(xué)習(xí)難點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)這一部分知識(shí)的時(shí)候，由于對(duì)行波的疊加過程不能形成直觀的物理圖像，進(jìn)而也就不能夠清楚地理解振幅，相位和頻率對(duì)行波疊加的影響，因此就覺得這部分知識(shí)晦澀難懂，甚至喪失學(xué)習(xí)的興趣。充分發(fā)揮程序語言可視化特征，將每一列行波都能夠直觀地描述出來，對(duì)于學(xué)生理解行波振幅、相位和頻率等基本概念具有十分重要的意義。假設(shè)觀察激光場(chǎng)的振幅、相位、波長和多束激光場(chǎng)的疊加，激光場(chǎng)采用學(xué)生最為熟識(shí)的高斯包絡(luò)表達(dá)形式，如下所示：

我們假設(shè)一束激光波的參數(shù)為半高全寬（FWHM）為9 fs，激光強(qiáng)度為3.4×1014 W/cm2，波長為800 nm，初始相位為φ = 0，運(yùn)行以上程序可以得出此時(shí)的光波曲線如圖1所示。此時(shí)為了讓學(xué)生能夠更加直觀地觀察相位和波長變化波形曲線的演化，設(shè)定波長和相位分別增大至1600 nm，π/2，運(yùn)行程序得出對(duì)應(yīng)的波形曲線如圖1所示，同時(shí)把三者的波形曲線進(jìn)行對(duì)照，就能清晰地了解激光光波的演化趨勢(shì)了。

眾所周知，光波的疊加是物理學(xué)中極為重要的概念。為此，我們?cè)偬砑右皇す鈭?chǎng)E2（t）=A2f2（t）cos（ω2t+φ2）使得激光場(chǎng)疊加為E=E1（t）+E2（t），能夠使學(xué)生清晰地了解光波的疊加過程，使得光的疊加這一抽象概念直觀化。第二束激光波的參量為我們假設(shè)一束激光波的參數(shù)為半高全寬（FWHM）為9fs，激光強(qiáng)度為3.0×1013W/cm2，波長為800nm，初始相位為φ= 0，此時(shí)的波動(dòng)疊加圖像如圖2所示。學(xué)生在操作的過程中能夠清楚地了解單個(gè)及疊加之后的激光脈沖的傳播。教師甚至可以鼓勵(lì)學(xué)生去描述光的反射、折射和衍射過程，促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也能啟發(fā)學(xué)生的探索熱情。甚至在潛移默化中使學(xué)生掌握了一種編寫程序代碼的技能，對(duì)于學(xué)生以后的就業(yè)亦會(huì)有一定的輔助作用。

三、結(jié)論

將數(shù)字化引入大學(xué)物理教學(xué)課堂，通過Fortran語言程序編寫可以讓學(xué)生自己動(dòng)手學(xué)物理，用自己的方法和思維去理解物理，增加物理教學(xué)的靈活性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬文蔚.物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 彭國倫.Fortran 95程序設(shè)計(jì)[M].北京：中國電力出版社，2002.

[3] 趙凱華.對(duì)當(dāng)前物理教學(xué)改革的幾點(diǎn)看法[J].大學(xué)物理，2000（2）.