晶格振動的多媒體演示課件制作

1、晶格振動的多媒體演示課件制作 一維單原子鏈，一維雙原子鏈 劉昌淋 指導(dǎo)老師 ：梁一平 重慶師范大學(xué)物理系 重慶 400047摘要：本文從現(xiàn)代物理學(xué)的角度，初步探討了將多媒體技術(shù)尤其是FLASH MX動畫制作軟件形象地運(yùn)用于演示固體物理中晶格振動知識的方法。通過對晶格振動一維單原子鏈、一維雙原子鏈方面這些學(xué)生較難理解的物理概念、物理模型的多媒體課件制作說明了物理教學(xué)內(nèi)容現(xiàn)代化的優(yōu)越性和必要性關(guān)鍵詞： 一維單原子鏈 一維雙原子鏈 晶格振動 Flash MXCrystalline grain multimedia of vibration demonstrate courseware making

2、Monoatomic chain of the one dimension one pair of atoms chain of one dimension Liu chang lin tutor: liang yi pin The department of physics of normal university of Chongqing Chongqing400047Abstract : This paper is in terms of modern physics, is it is it demonstrate solid physics vibration knowledge m

3、ethod of the crystalline grain to apply multimedia technology , especially FLASH MX cartoon making software to vivid to probe into tentatively. Pass and shake the crystalline grain ( Monoatomic chain of the one dimension, one pair of atoms chain of one dimension) the physics concepts more difficult

4、to understand of these students of the respect, the multimedia courseware making of the physical model has stated the physics teaching superiority and necessity with modernized content.。keywords： the monoatomic chain of the one dimension one pair of atoms chain of one dimension Lattice vibration Fla

5、sh MX引言物理學(xué)是自然科學(xué)的根底，是探討物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動根本規(guī)律的根底學(xué)科，而固體物理是凝聚態(tài)物理的主干，是物理學(xué)的一個重要分支，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的開展中它起著聯(lián)系根底理論和實際應(yīng)用的極其重要的作用。而固體物理所開展起來的一整套科學(xué)概念，理論和實驗技術(shù)，對于其他新興科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域同樣也具有重要的影響。但是，通常的固體是包含大量粒子的復(fù)雜的多體系統(tǒng)，種類眾多，內(nèi)容豐富，學(xué)生在學(xué)習(xí)固體物理課程時，和剛剛學(xué)過的理論線索明晰的四大力學(xué)相比，常常摸不著頭緒，并有思維混亂的感覺。教科書中的理論知識過于抽象化，課本中的圖形過于單一化，很多時候無法表現(xiàn)原子復(fù)雜的晶格振動情況，使同學(xué)們在傳統(tǒng)教學(xué)中接收知識過于淺顯

6、，對許多知識點難以掌握。固體物理教材和高等院校其他教材一樣，擔(dān)負(fù)著傳授知識和培養(yǎng)能力的雙重任務(wù)。如何發(fā)揮教材在培養(yǎng)學(xué)生能力，尤其是創(chuàng)造性思維能力方面的作用是教材建設(shè)中必須考慮的，也是本文要探討的一個重要問題。本文采用了多媒體技術(shù)中FLASH MX軟件制作了晶格結(jié)構(gòu)的多媒體演示課件。旨在充分利用計算機(jī)多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將抽象地描述變?yōu)榭梢曅蜗螅哂袌D文并茂，豐富多彩的人機(jī)交互方式，以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，有利于發(fā)揮學(xué)生的認(rèn)知主體作用。應(yīng)用FLASH MX制作多媒體課件的優(yōu)越性由于晶格振動這一章多為一維單原子鏈，一維雙原子鏈晶格振動等實例的描述,因此本文采用了Micromedia公司推出的多

7、媒體技術(shù)中的FLASH MX軟件制作晶格振動的多媒體演示課件。因為與其他動畫軟件相比,FLASH MX軟件有如下優(yōu)點：1： FLASH支持文字，動畫，聲音以及交互功能，具有強(qiáng)大的多媒體編輯能力，并可直接生成主頁代碼。2： 基于矢量圖形的FLASH動畫的尺寸可以隨意調(diào)整縮放，而不會影響圖形文件的大小和質(zhì)量，并且只要用少量矢量數(shù)據(jù)就可以描述一個復(fù)雜的對象。一張普通軟盤通?？裳b入不少FLASH動畫，便于攜帶。3： FLASH提供了透明技術(shù)和物體變形技術(shù)，使創(chuàng)立復(fù)雜的動畫更加容易，再者FLASH中產(chǎn)生物體圖形簡便，移動和變形也非常容易，只需插入關(guān)鍵幀，中間幀完全由FLASH自動生成，解決了晶格振動抽象

8、、不易理解的問題。4： 交互設(shè)計賦予用戶更多的主動權(quán)，使用戶可誰心所欲的控制動畫。在FLASH中可以隨意創(chuàng)立按鈕，多級彈出式菜單，復(fù)選框，以及復(fù)雜的交互式游戲。5： FLASH具有極其靈巧的圖形繪制功能，能產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，拉伸，擦除，歪斜等效果，還可以將圖形分解成許多單一的元素進(jìn)行編輯，并改變其顏色亮度。由于FLASH提供具有保真技術(shù)的繪圖工具，圖形邊緣在經(jīng)過一系列加工后仍會保持平滑。6： FLASH采用MP3壓縮方式輸出音頻，使可見效果更佳。晶格振動的多媒體演示課件制作實例由固體物理學(xué)的根底知識我們知道晶格具有周期性，因而，晶格的振動模具有波的形式，稱為格波。格波和一般連續(xù)介質(zhì)波有共同的波的特征，

9、但也有它不同的特點。而一維原子鏈?zhǔn)菍W(xué)習(xí)格波的典型例子，它的振動既簡單可解，又能較全面表現(xiàn)格波的根本特點。1： 一維單原子鏈原子振動的多媒體演示課件制作一維單原子鏈可以看作一個最簡單的晶格。那么一維單原子鏈原子振動時相鄰兩原子或任意兩原子振幅，頻率，位相是否相同？教材圖31描繪了一維單原子鏈的圖示，書上畫出了如圖1，圖2的情況，只反映了一維單原子鏈靜止時的情景和nn+1n-1n-2n+2圖1圖2 振動過程中相對于平衡位置的位移和相鄰兩原子的位移，并沒有反映原子在振動過程中振幅，頻率，位相是否有區(qū)別，此時書上的圖示有了局限性。我們可以通過Flash MX動畫制作來反映一維單原子鏈的原子振動。此時假

10、設(shè)兩種情況，其一：一維單原子鏈振動時振幅A，頻率w，位相隨機(jī)取值時的振動情況。這時可以觀察到一維單原子鏈的原子作隨機(jī)無序的振動，如圖3所示。其二：設(shè)一維單原子鏈的格波解為，且一個格圖3波解表示所有原子均以頻率w ，振幅A振動，且不同原子間有位相差，而相鄰兩原子間的位相差為，相距為的二原子位相差為 .因 的取值范圍為，這時可以假設(shè)的取值為來制作一維單原子鏈的晶格振動。此時晶格振動的振幅，頻率相同，相鄰兩原子間的位相差為，即第個原子比第個原子的位相提前。此時晶格振動過程中的一個狀態(tài)如圖4所示。利用Flash MX制作一維單原子鏈以如圖4為初始狀態(tài)，圖4作振幅，頻率相同，兩相鄰原子間的位相差為的振動

11、，即把原子振動看成即波長的波，如圖5實線所示；當(dāng)時，即把原子振動看成即波長的波，如圖5虛線所示。兩個波形不同的區(qū)別僅在于原子之間的、沒有物理意義的空間曲線局部，而有物理意義的、各原子的位移情況對兩個波是完全一樣的。所以就原子振動的情況而言，二者沒有本質(zhì)區(qū)別，是同一個振動模式，即波矢空間的周期性是原子分布的周期性引起的普遍性，反映了一維單原子鏈的振動具有格波的特點。圖5 o一維單原子鏈原子振動的情況中，當(dāng)很小時很大，長波極限，一維單原子鏈又作怎樣的振動，書上并沒有明示。我們知道， 0時，我們可以認(rèn)為任意兩原子間的位相差近似為0。如圖6所示相鄰兩原子傾向于沿同一方向振動，且振幅，頻率，位相相同，即

12、反映了原胞整體的振動。相當(dāng)于原胞質(zhì)心的運(yùn)動。這一點要與一維單原子鏈的一般振動區(qū)分開來。圖6以上考慮的只適用于無窮長的鏈，而一個有限的鏈兩端的原子顯然應(yīng)和內(nèi)部的原子有所不同。例如，在只有近鄰作用時，最兩端的兩個原子只受到一個近鄰的作用。但由于邊界原子數(shù)遠(yuǎn)小于內(nèi)部原子數(shù)，晶體的特征主要由內(nèi)部原子所決定。因而邊界條件有一定的任意性，所以我們可以采用便于處理問題的循環(huán)邊界條件，即波恩卡曼邊界條件，將許多完全相同的原子鏈?zhǔn)孜策B接成無窮長鏈如圖7，就可性形象的描繪出圖8。我們可以利用Flash MX動畫制作出波恩卡曼邊界條件中任一原子振動與一維單原子有限鏈端部原子振動所受近鄰作用的比擬，形象說明采用波恩卡

13、曼邊界條件的正確性。圖7圖82，一維雙原子鏈原子振動多媒體演示課件制作 一維雙原子鏈可以看作最簡單的復(fù)式晶格，如圖9所示，每個原胞含兩個不同的原子P和Q，P，Q原子的質(zhì)量分別用m和M表示。圖92n-22n-12n+12n2n+2此時假設(shè)兩種情況，其一：一維雙原子鏈振動時振幅A，頻率w，位相隨機(jī)取值的振動情況。這時可以觀察到一維雙原子鏈的兩種原子作隨機(jī)無序的振動，如圖10所示。其二：設(shè)一維雙原子鏈的格波解圖10為，。那么此時一維雙原子鏈原子振動時相鄰兩原子或任意兩原子振幅，頻率，位相是否相同？我們看到式中二者的振幅采用不同的符號A和B，是因為兩種原子的質(zhì)量不同，而頻率是相同的，相鄰兩原子有位相差

14、。由于 的取值范圍為，這里我們假設(shè)的取值為來制作Flash MX動畫。此時P原子的振幅大于Q原子的振幅，兩者的頻率相同，第個P原子比第個P原子的位相提前；第個Q原子比第個Q原子的位相提前；第個P原子比第個Q原子的位相提前。如。如圖11所示，利用Flash MX制作以如圖11為初始狀態(tài)，作振幅不同，頻率相同，兩相鄰原子間的位相差為的振動。同理也可證明一維雙原子鏈的振動具有格波的特點。圖11由固體物理的根底知識知，一維復(fù)式晶格與一維簡單晶格的格波解有重要差異。一維簡單晶格即一維單原子鏈只有一個格波，一個波矢對應(yīng)一個格波-聲學(xué)波；而一維復(fù)式晶格即一維雙原子鏈那么有兩支格波，一個波矢對應(yīng)兩個格波-聲學(xué)

15、波和光學(xué)波。先討論聲學(xué)波在長波極限的情況。當(dāng) 0時， 0，因此 1。這說明在聲學(xué)格波情況下，相鄰的兩種原子傾向于沿同一方向振動。特別是在長波極限下的聲學(xué)格波，相鄰兩種原子不僅振動方向相同，位相相同，振動幅度也相同。因而反映的是原胞的整體振動或者說是原胞質(zhì)心的運(yùn)動。如圖12所示mMmMMM圖12討論光學(xué)波在長波極限的情況。當(dāng) 0時， ，因此 。這說明在光學(xué)格波情況下，相鄰的兩種原子傾向于沿相反方向運(yùn)動。特別是在長波極限下的光學(xué)格波，原胞質(zhì)心將保持不動，而原胞內(nèi)的不同原子作相對運(yùn)動。所有P原子同步振動，所有Q原子也同步振動，但P，Q兩種原子的振動方向那么相反。即兩種原子構(gòu)成的兩個格子在保持質(zhì)心不動

16、的情況下作剛性的相對振動，如圖13所示。圖13MMmMmm3: 結(jié)論 以上就是一維單原子鏈、一維雙原子鏈原子振動的多媒體課件制作，形象直觀的展現(xiàn)一維單原子鏈、一維雙原子鏈原子振動的具體情況和特點，便于學(xué)習(xí)者能更好的理解這局部內(nèi)容。本文認(rèn)為，我國當(dāng)前理科大學(xué)物理教學(xué)急需現(xiàn)代化。我們的教學(xué)方式需要改良，許多內(nèi)容十分有必要在傳統(tǒng)教學(xué)中滲透多媒體演示可視教學(xué)方法。這是一個值得研究的問題，本文認(rèn)為有兩點是值得考慮的，一是多媒體課件在物理學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用有許多的優(yōu)越性，二是這一教學(xué)方法已相對成熟，已被學(xué)生接受，就可以考慮大量的運(yùn)用于教學(xué)中。讓多媒體運(yùn)用技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，相輔相成，讓我們的大學(xué)物理教學(xué)工作更上一個新的臺階。參考文獻(xiàn)：1：黃昆 韓汝琦， 高等教育出版社 北京 1988.102：徐婉