作为一个光学专业的学生,光的干涉是一个基础知识点。所以尝试着做了个安卓app,来模拟球面波的干涉现象,效果如下:
通过改变参数,可以观察到不同的现象。
先从介绍干涉实验原理开始,首先如下图所示:
点光源s1和s2在同一直线上,设为x轴,观察屏在距离它们为D的位置上,观察屏平行于y-z平面,在观察屏上各点光强不同,即存在干涉现象。s1和s2发射球面波,所以在空间任意一点上的光强与距离的平方成反比,而干涉理论公式为:I = I1+I2+sqrt(I1*I2)*cos(phi)。
下面是app的具体实现,下面给出定义的各变量的含义:
private double length=5;//观察范围半宽度5mm
private double width=0.2;//两点间距0.2mm
private double D = 30;//点光源所在平面到观察屏距离30mm
private double wavelength = 600;//波长600nm
private double k;//波矢量
private double dlength;//观察屏刻度
// private double dwidth;
int ny = 151;//观察屏范围分割数
private double I[][];//记录观察屏上的点的强度
private EditText rectLength;//设置观察范围
private EditText pointWidth;//设置点间距
private EditText editTextWavelength;//设置波长
private Button buttonSet;
然后自定义View类用于绘制干涉现象,通过选定屏幕一个区域,将区域分割成一个个的点,作为采样点,在采样点上画小圆点,根据采样点的光强大小,设置颜色深浅以表示光强大小:
@Override
protected void onDraw(Canvas canvas) {
super.onDraw(canvas);
canvas.drawColor(Color.BLACK);
if (I==null){
I = new double[151][151];
}
drawPoint(canvas,I);
}
private void drawPoint(Canvas canvas,double I[][]){
for (int i = 0; i < I.length; i++) {
for (int j = 0; j < I.length; j++) {
paint = new Paint();
paint.setARGB(255,0,0, (int) I[i][j]);//改变颜色大小,仅改变蓝色
canvas.drawCircle(startX+i*deltaX,startY+j*deltaY,8,paint);
}
}
}
还需要定义一个方法,使得在MainActivity中获得光强值后能更新数值:
public void setI(double I[][]){
if (I!=null){
this.I = I;
}
}
这样,我们就可以在MainActivity中根据参数设置进行计算并显示了。由于数值计算过程可能会比较久,因此,自定义一个新线程进行光强值计算:
class DataThread extends Thread{//自定义线程,用于计算观察范围内各点强度
public Handler handler;
@Override
public void run() {
Looper.prepare();
handler = new Handler(){
@Override
public void handleMessage(Message msg) {
if (msg.what==0x123){
k = 2*Math.PI/wavelength*1000000;//k的单位是mm-1
I = new double[ny][ny];
dlength = 2*length/ny;//将观察范围分割
double Imax = 0;//强度最大值
double Imin = 255;//强度最小值
double l1,l2,phi;
for (int i = 0; i <ny ; i++) {
for (int j = 0; j <ny ; j++) {
//l1是右边的点光源到观察屏上各采样点的距离
l1 = Math.sqrt((-length+dlength*j)*(-length+dlength*j)+
(-length+dlength*i)*(-length+dlength*i)+(D-width/2)*(D-width/2));
//l2是左边的点光源到观察屏上各采样点的距离
l2 = Math.sqrt((-length+dlength*j)*(-length+dlength*j)+
(-length+dlength*i)*(-length+dlength*i)+(D+width/2)*(D+width/2));
phi = k*(l2-l1);//相位差
I[i][j] = (1/l1)*(1/l1)+(1/l2)*(1/l2)+2*(1/l1)*(1/l2)*Math.cos(phi);/*
设点光源振幅为1,球面波到空间某点出的光强与距离的平方成反比
即左边点光源光强:I1 = 1/l2^2,右边点光源光强:I2 = 1/l1^2
干涉公式:I = I1+I2+sqrt(I1*I2)*cos(phi)
*/
if(I[i][j]>Imax)
Imax = I[i][j];//取得最大值
if (I[i][j]<Imin)
Imin = I[i][j];//取得最小值
}
}
for (int i=0;i<ny;i++){
for (int j = 0; j < ny; j++) {
I[i][j] = (I[i][j]-Imin)/(Imax-Imin)*255;//将强度大小等比放大到0~255范围,好设置颜色深浅
}
}
imaging.setI(I);
imaging.postInvalidate();
}
}
};
Looper.loop();
}
}
当我们点击设定按钮时,更新参数值,并且发送消息:
buttonSet.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
@Override
public void onClick(View v) {
String s1 = rectLength.getText().toString();
String s2 = pointWidth.getText().toString();
String s3 = editTextWavelength.getText().toString();
//输入不为空就更新相应的数值
if (s1!=null&&!s1.equals("")){
length = Double.parseDouble(s1);
}
if (s2!=null&&!s2.equals("")){
width = Double.parseDouble(s2);
}
if (s3!=null&&!s3.equals("")){
wavelength = Double.parseDouble(s3);
}
Message msg = new Message();
msg.what = 0x123;
dataThread.handler.sendMessage(msg);
}
});
改变参数,效果如下:
附上完整代码:
public class MainActivity extends AppCompatActivity {
private double length=5;//观察范围半宽度5mm
private double width=0.2;//两点间距0.2mm
private double D = 30;//点光源所在平面到观察屏距离30mm
private double wavelength = 600;//波长600nm
private double k;//波矢量
private double dlength;//观察屏刻度
// private double dwidth;
int ny = 151;//观察屏范围分割数
private double I[][];//记录观察屏上的点的强度
private EditText rectLength;//设置观察范围
private EditText pointWidth;//设置点间距
private EditText editTextWavelength;//设置波长
private Button buttonSet;
private Imaging imaging;
DataThread dataThread;
class DataThread extends Thread{//自定义线程,用于计算观察范围内各点强度
public Handler handler;
@Override
public void run() {
Looper.prepare();
handler = new Handler(){
@Override
public void handleMessage(Message msg) {
if (msg.what==0x123){
k = 2*Math.PI/wavelength*1000000;//k的单位是mm-1
I = new double[ny][ny];
dlength = 2*length/ny;//将观察范围分割
double Imax = 0;//强度最大值
double Imin = 255;//强度最小值
double l1,l2,phi;
for (int i = 0; i <ny ; i++) {
for (int j = 0; j <ny ; j++) {
//l1是右边的点光源到观察屏上各采样点的距离
l1 = Math.sqrt((-length+dlength*j)*(-length+dlength*j)+
(-length+dlength*i)*(-length+dlength*i)+(D-width/2)*(D-width/2));
//l2是左边的点光源到观察屏上各采样点的距离
l2 = Math.sqrt((-length+dlength*j)*(-length+dlength*j)+
(-length+dlength*i)*(-length+dlength*i)+(D+width/2)*(D+width/2));
phi = k*(l2-l1);//相位差
I[i][j] = (1/l1)*(1/l1)+(1/l2)*(1/l2)+2*(1/l1)*(1/l2)*Math.cos(phi);/*
设点光源振幅为1,球面波到空间某点出的光强与距离的平方成反比
即左边点光源光强:I1 = 1/l2^2,右边点光源光强:I2 = 1/l1^2
干涉公式:I = I1+I2+sqrt(I1*I2)*cos(phi)
*/
if(I[i][j]>Imax)
Imax = I[i][j];//取得最大值
if (I[i][j]<Imin)
Imin = I[i][j];//取得最小值
}
}
for (int i=0;i<ny;i++){
for (int j = 0; j < ny; j++) {
I[i][j] = (I[i][j]-Imin)/(Imax-Imin)*255;//将强度大小等比放大到0~255范围,好设置颜色深浅
}
}
imaging.setI(I);
imaging.postInvalidate();
}
}
};
Looper.loop();
}
}
@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_main);
rectLength = (EditText) findViewById(R.id.rect_len);
pointWidth = (EditText) findViewById(R.id.rect_wid);
editTextWavelength = (EditText) findViewById(R.id.wavelength);
buttonSet = (Button) findViewById(R.id.bt_set);
imaging = (Imaging) findViewById(R.id.show_image);
dataThread = new DataThread();
dataThread.start();//线程开启
buttonSet.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
@Override
public void onClick(View v) {
String s1 = rectLength.getText().toString();
String s2 = pointWidth.getText().toString();
String s3 = editTextWavelength.getText().toString();
//输入不为空就更新相应的数值
if (s1!=null&&!s1.equals("")){
length = Double.parseDouble(s1);
}
if (s2!=null&&!s2.equals("")){
width = Double.parseDouble(s2);
}
if (s3!=null&&!s3.equals("")){
wavelength = Double.parseDouble(s3);
}
Message msg = new Message();
msg.what = 0x123;
dataThread.handler.sendMessage(msg);
}
});
}
}
Imaging.java:
public class Imaging extends View{
private float startX;//X轴起点
private float startY;//Y轴起点
private float deltaX;//采样点间距
private float deltaY;
private Paint paint;
private double I[][];
private int ny=151;
public Imaging(Context context, AttributeSet attrs) {
super(context, attrs);
}
@Override
protected void onSizeChanged(int w, int h, int oldw, int oldh) {
super.onSizeChanged(w, h, oldw, oldh);
startX = (w-h)/2;//设置X轴起点
startY = 0;//设置Y轴起点
deltaX = deltaY = h/150;
}
@Override
protected void onDraw(Canvas canvas) {
super.onDraw(canvas);
canvas.drawColor(Color.BLACK);
if (I==null){
I = new double[151][151];
}
drawPoint(canvas,I);
}
private void drawPoint(Canvas canvas,double I[][]){
for (int i = 0; i < I.length; i++) {
for (int j = 0; j < I.length; j++) {
paint = new Paint();
paint.setARGB(255,0,0, (int) I[i][j]);//改变颜色大小,仅改变蓝色
canvas.drawCircle(startX+i*deltaX,startY+j*deltaY,8,paint);
}
}
}
public void setI(double I[][]){
if (I!=null){
this.I = I;
}
}
}
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