本文對有趣的物理現象——星芒現象進行了理論與實驗探究.通過對相機拍攝成像過程建立物理模型,利用夫瑯禾費衍射理論對星芒產生的過程行了理論分析.然后從理論和實驗上對比探究了相機光圈形狀、光圈大小、入射光波長、相機和光源的距離等因素對星芒形成的影響.最后給出了在夜晚拍出明顯星芒的建議. 

【文章來源】：大學物理. 2020,39(09)

【文章頁數】：7 頁

【部分圖文】：

星芒現象 (圖片來自2018CUPT)

首先,基于實驗和實際拍攝過程給出兩點假設:1) 拍攝的光源可近似為點光源,2) 點光源發(fā)出的光經過鏡頭產生近似的平行光.簡化的物理模型及衍射角坐標示意圖如圖2所示.由夫瑯禾費衍射理論可得衍射場的振幅分布[2]:

基于上述分析,不同形狀的小孔對應不同的衍射屏透射函數,針對具體的某一形狀小孔(如三角形、矩形等)可分別求出U1和U2的積分結果,利用MATLAB軟件可編寫出相應的光強計算交互式仿真程序[2-7] ,即可計算仿真得出光線在通過不同邊數的小孔(鏡頭光圈)后將會呈現的衍射圖樣(如圖3所示),從而對星芒的產生過程進行理論分析.觀察并總結仿真結果可得,星芒的產生,是由于光線在小孔形狀邊緣發(fā)生了單邊衍射,在垂直于該邊的中線方向上進行展寬,從而產生2倍于多邊形邊數的星芒線[8].星芒圖樣的形成,歸因于構成小孔的多個邊的單邊衍射所形成的子波源相干疊加后的綜合作用,圖樣對應于衍射花紋的多個亮紋寬度.在實際觀測中,當多邊形邊數為奇數時,可以觀測到二倍于其邊數的星芒線; 而當多邊形邊數為偶數時,由于多邊形本身的對稱幾何結構,導致星芒線出現了重疊,從而實際觀測到的星芒線條數與多邊形邊數相等,其等價模型如圖4所示.圖4 星芒的等價模型

【參考文獻】：
期刊論文
[1]由多邊形小孔的遠場衍射解釋燈光的星芒[J]. 陳耿劍,周新宇,何春清,王曉峰.  物理實驗. 2019(03)
[2]正八邊形小孔的衍射場[J]. 劉有菊,李建軍.  保山學院學報. 2018(05)
[3]真實感眩光效果實時繪制[J]. 劉圓,吳佳澤,鄭昌文.  計算機輔助設計與圖形學學報. 2013(06)
[4]任意形狀孔夫瑯禾費衍射的計算機模擬[J]. 汪峰,傅洪波,趙箭光.  軟件導刊. 2010(12)
[5]推導圓孔夫瑯禾費衍射光強分布的一種簡便方法[J]. 戴又善,戴亮.  大學物理. 2009(04)
[6]正方形小孔方陣夫瑯禾費衍射光強分布[J]. 梁華秋,馮尚申,張永炬,羅良進.  臺州學院學報. 2007(03)



本文編號：3457683