星芒现象的理论与实验研究

发布时间：2021-10-25 15:26

　　本文对有趣的物理现象——星芒现象进行了理论与实验探究.通过对相机拍摄成像过程建立物理模型,利用夫琅禾费衍射理论对星芒产生的过程行了理论分析.然后从理论和实验上对比探究了相机光圈形状、光圈大小、入射光波长、相机和光源的距离等因素对星芒形成的影响.最后给出了在夜晚拍出明显星芒的建议. 

【文章来源】：大学物理. 2020,39(09)

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

星芒现象 (图片来自2018CUPT)

首先,基于实验和实际拍摄过程给出两点假设:1) 拍摄的光源可近似为点光源,2) 点光源发出的光经过镜头产生近似的平行光.简化的物理模型及衍射角坐标示意图如图2所示.由夫琅禾费衍射理论可得衍射场的振幅分布[2]:

基于上述分析,不同形状的小孔对应不同的衍射屏透射函数,针对具体的某一形状小孔(如三角形、矩形等)可分别求出U1和U2的积分结果,利用MATLAB软件可编写出相应的光强计算交互式仿真程序[2-7] ,即可计算仿真得出光线在通过不同边数的小孔(镜头光圈)后将会呈现的衍射图样(如图3所示),从而对星芒的产生过程进行理论分析.观察并总结仿真结果可得,星芒的产生,是由于光线在小孔形状边缘发生了单边衍射,在垂直于该边的中线方向上进行展宽,从而产生2倍于多边形边数的星芒线[8].星芒图样的形成,归因于构成小孔的多个边的单边衍射所形成的子波源相干叠加后的综合作用,图样对应于衍射花纹的多个亮纹宽度.在实际观测中,当多边形边数为奇数时,可以观测到二倍于其边数的星芒线; 而当多边形边数为偶数时,由于多边形本身的对称几何结构,导致星芒线出现了重叠,从而实际观测到的星芒线条数与多边形边数相等,其等价模型如图4所示.图4 星芒的等价模型

【参考文献】：
期刊论文
[1]由多边形小孔的远场衍射解释灯光的星芒[J]. 陈耿剑,周新宇,何春清,王晓峰.  物理实验. 2019(03)
[2]正八边形小孔的衍射场[J]. 刘有菊,李建军.  保山学院学报. 2018(05)
[3]真实感眩光效果实时绘制[J]. 刘圆,吴佳泽,郑昌文.  计算机辅助设计与图形学学报. 2013(06)
[4]任意形状孔夫琅禾费衍射的计算机模拟[J]. 汪峰,傅洪波,赵箭光.  软件导刊. 2010(12)
[5]推导圆孔夫琅禾费衍射光强分布的一种简便方法[J]. 戴又善,戴亮.  大学物理. 2009(04)
[6]正方形小孔方阵夫琅禾费衍射光强分布[J]. 梁华秋,冯尚申,张永炬,罗良进.  台州学院学报. 2007(03)



本文编号：3457683