import tkinter as tk
class Axis: #主光轴
def __init__(self): #创建主光轴
self.line=cv_display.create_line(0, 0, 1000, 0, width=2, arrow="none", dash=(2,1,2,1)) #dash参数设置为虚线
def move(self, y): #根据坐标移动
self.rel_y=get_relpos(y=y)[1] #转换为画布坐标
cv_display.coords(self.line, (0, self.rel_y, 1000, self.rel_y)) #重置位置
class Obj: #物体
def __init__(self, h): #创建物体，h为高度
self.h=round(h)
self.pic=cv_display.create_line((0, 0, 0, self.h), width=3, arrow="last", arrowshape=(20, 30, 10), fill="black", state="normal")
def move(self, x, y): #根据坐标移动
self.x=x
self.rel_x, self.rel_y=get_relpos(x, y) #转换为画布坐标
cv_display.coords(self.pic, (self.rel_x, self.rel_y, self.rel_x, self.rel_y-self.h)) #重置位置
class Len: #透镜
def __init__(self, h): #创建透镜，h为高度
self.h=round(h)
self.convex=cv_display.create_line((0, 0, 0, self.h), width=1, arrow="both", arrowshape=(10, 30, 5)) #创建凸透镜
self.concave=cv_display.create_line((0, 0, 0, self.h), width=1, arrow="both", arrowshape=(-10, -30, 5)) #创建凹透镜
self.flat=cv_display.create_line((0, 0, 0, self.h), width=1, arrow="none") #创建f=0的透镜替代品
def status_process(self): #根据焦距选择合适的透镜状态， 隐藏其他状态
if f>0:
cv_display.itemconfigure(self.convex, state="normal")
cv_display.itemconfigure(self.concave, state="hidden")
cv_display.itemconfigure(self.flat, state="hidden")
self.pic=self.convex
elif f<0:
cv_display.itemconfigure(self.concave, state="normal")
cv_display.itemconfigure(self.convex, state="hidden")
cv_display.itemconfigure(self.flat, state="hidden")
self.pic=self.concave
else:
cv_display.itemconfigure(self.flat, state="normal")
cv_display.itemconfigure(self.convex, state="hidden")
cv_display.itemconfigure(self.concave, state="hidden")
self.pic=self.flat
def move(self, x, y): #根据坐标移动
self.x=x
self.rel_x, self.rel_y=get_relpos(x, y) #转换为画布坐标
self.status_process()
cv_display.coords(self.pic, (self.rel_x, self.rel_y-self.h/2, self.rel_x, self.rel_y+self.h/2)) #重置位置
class Img: #像
def __init__(self, h): #创建像，h为高度
self.h=round(h)
self.pic=cv_display.create_line((0, 0, 0, self.h), width=3, arrow="last", arrowshape=(20, 30, 10), fill="black", state="normal")
def check_reality(self): #检查像的虚实与否
if f>0:
if abs(u)>f:
self.real=True
elif 0<abs(u)<f:
self.real=False
else:
self.real=None
elif f<0:
if u!=0:
self.real=False
else:
self.real=None
else:
self.real=None
def status_process(self): #设置状态
if self.real==True:
cv_display.itemconfigure(self.pic, fill="black") #实像为黑色
elif self.real==False:
cv_display.itemconfigure(self.pic, fill="#c0c0c0") #虚像为灰色
if self.real==None:
cv_display.itemconfigure(self.pic, state="hidden") #成像时显示，不成像时隐藏
else:
cv_display.itemconfigure(self.pic, state="normal")
def move(self, h, x, y): #根据坐标移动
self.x=x
if h!=None:
self.h=round(h)
self.rel_x, self.rel_y=get_relpos(x, y) #转换为画布坐标
self.check_reality()
self.status_process()
if self.real!=None:
cv_display.coords(self.pic, (self.rel_x, self.rel_y, self.rel_x, self.rel_y+self.h)) #重置位置
class Point():
def __init__(self, x, y, text): #创建点
self.rel_x, self.rel_y=get_relpos(x, y)
self.mark=cv_display.create_text(self.rel_x, self.rel_y-20, text=text, font=("Arial", 15)) #标注
self.pic=cv_display.create_oval(self.rel_x-3, self.rel_y-3, self.rel_x+3, self.rel_y+3, fill="blue") #用小圆表示点
def get_status(self): #根据状态显示
if Point_Mode==True:
cv_display.itemconfigure(self.pic, state="normal")
cv_display.itemconfigure(self.mark, state="normal")
else:
cv_display.itemconfigure(self.pic, state="hidden")
cv_display.itemconfigure(self.mark, state="hidden")
def move(self, x, y): #根据坐标移动
self.get_status()
self.rel_x, self.rel_y=get_relpos(x, y)
cv_display.coords(self.pic, (self.rel_x-3, self.rel_y-3, self.rel_x+3, self.rel_y+3)) #重置位置
cv_display.coords(self.mark, (self.rel_x, self.rel_y-20)) #重置标注位置
class Point_group:
def __init__(self, x, y): #创建透镜的关键点
self.O=Point(x, y, "O")
self.F1=Point(x-abs(f), y, "F₁")
self.F2=Point(x+abs(f), y, "F₂")
self.P1=Point(x-2*abs(f), y, "P₁")
self.P2=Point(x+2*abs(f), y, "P₂")
def move_points(self, x, y): #根据坐标移动
self.O.move(x, y)
self.F1.move(x-abs(f), y)
self.F2.move(x+abs(f), y)
self.P1.move(x-2*abs(f), y)
self.P2.move(x+2*abs(f), y)
class Light:
def __init__(self, start, end, inc, axis_y): #创建光线，start起点坐标，end终点坐标，inc入射点坐标，axis_y主光轴位置
self.get_points(start, end, inc, axis_y)
self.reverse_ext=cv_display.create_line((self.rel_inc[0], self.rel_inc[1], self.mid2[0], self.mid2[1]), width=3, arrow="none", fill="pink", dash=(2,1,2,1), state="hidden") #反向延长线
self.line_in=cv_display.create_line((self.rel_start[0], self.rel_start[1], self.rel_inc[0], self.rel_inc[1]), width=3, arrow="none", fill="red") #入射光线
self.line_out=cv_display.create_line((self.rel_inc[0], self.rel_inc[1], self.rel_end[0], self.rel_end[1]), width=3, arrow="none", fill="red") #折射光线
self.mark_in=cv_display.create_line((self.rel_start[0], self.rel_start[1], self.mid1[0], self.mid1[1]), width=3, arrow="last", arrowshape=(5, 5, 5), fill="red") #入射光线标注箭头
self.mark_out=cv_display.create_line((self.rel_inc[0], self.rel_inc[1], self.mid2[0], self.mid2[1]), width=3, arrow="last", arrowshape=(5, 5, 5), fill="red") #折射光线标注箭头
def get_points(self, start, end, inc, axis_y): #确定光线关键点位置
self.rel_start=get_relpos(start[0], start[1])
self.rel_inc=get_relpos(inc[0], inc[1])
if f==0 or v==None: #不成像时折射光无终点
self.rel_end=(None, None)
else:
self.rel_end=get_relpos(end[0], end[1])
if f==0 or u==0: #透镜f或物距u被调整为0时，指定折射光终点与入射点重合（即无折射光）
x_out, y_out=inc
else:
if v==None or (v!=None and u*v<0): #成虚像或不成像时折射光无终点，指定折射光终点位置
k_out=self.get_k(start, inc, axis_y) #确定折射光线所在直线斜率
x_out=2*abs(f)*sgn(u)+inc[0]
y_out=k_out*(x_out-inc[0])+inc[1]
else: #成实像时折射光有终点（像所在点）
x_out, y_out=end
self.out=get_relpos(x_out, y_out)
self.mid1=((self.rel_start[0]+self.rel_inc[0])/2, (self.rel_start[1]+self.rel_inc[1])/2) #标注箭头位置为光线中部
self.mid2=((self.rel_inc[0]+self.out[0])/2, (self.rel_inc[1]+self.out[1])/2)
def get_k(self, start, inc, axis_y): #确定折射光线所在直线斜率
if u>0:
k1=(inc[1]-start[1])/u
k2=k1-(inc[1]-axis_y)/f
return k2
elif u<0:
k2=(inc[1]-start[1])/u
k1=k2+(inc[1]-axis_y)/f
return k1
def get_status(self): #根据状态显示
if Light_Mode==True:
if u!=0 and v!=None and u*v<0:
cv_display.itemconfigure(self.reverse_ext, state="normal")
else:
cv_display.itemconfigure(self.reverse_ext, state="hidden")
for i in [self.line_in, self.line_out, self.mark_in, self.mark_out]:
if u==0:
cv_display.itemconfigure(i, state="hidden")
else:
cv_display.itemconfigure(i, state="normal")
else:
for i in [self.line_in, self.line_out, self.mark_in, self.mark_out, self.reverse_ext]:
cv_display.itemconfigure(i, state="hidden")
def move(self, start, end, inc, axis_y): #根据坐标移动
self.get_points(start, end, inc, axis_y)
self.get_status()
cv_display.coords(self.line_in, (self.rel_start[0], self.rel_start[1], self.rel_inc[0], self.rel_inc[1]))
cv_display.coords(self.line_out, (self.rel_inc[0], self.rel_inc[1], self.out[0], self.out[1]))
cv_display.coords(self.mark_in, (self.rel_start[0], self.rel_start[1], self.mid1[0], self.mid1[1]))
cv_display.coords(self.mark_out, (self.rel_inc[0], self.rel_inc[1], self.mid2[0], self.mid2[1]))
if f!=0 and v!=None:
cv_display.coords(self.reverse_ext, (self.rel_inc[0], self.rel_inc[1], self.rel_end[0], self.rel_end[1]))
class Modifier(tk.Scale): #创建标尺
def __init__(self, x, y, from_, to, length, orient, label, value):
super().__init__(win, from_=from_, to=to, length=length, tickinterval=50,
orient=orient, digits=1, label=label)
self.place(x=x, y=y)
self.set(value)
class Win(tk.Tk): #创建主窗口
def __init__(self):
super().__init__()
self.geometry("1400x780+50+0")
self.title("透镜成像实验")
class Cv_display(tk.Canvas): #创建演示画布
def __init__(self):
super().__init__(win, width=1000, height=500, bg="white")
self.place(x=18, y=20)
class Data_board(tk.Frame): #创建框架用于显示数据
def __init__(self):
super().__init__(win, width=150, height=90)
self.place(x=1130, y=50)
self.f_label=tk.Label(self, font=("Arial", 20))
self.u_label=tk.Label(self, font=("Arial", 20))
self.v_label=tk.Label(self, font=("Arial", 20))
self.LEN_label=tk.Label(self, font=("Arial", 20))
self.OBJ_label=tk.Label(self, font=("Arial", 20))
self.IMG_label=tk.Label(self, font=("Arial", 20))
labels=[self.f_label, self.u_label, self.v_label, self.LEN_label, self.OBJ_label, self.IMG_label]
for i in labels:
i.pack(anchor="w")
def refresh(self): #更新显示数据
try:
self.f_label["text"]="焦距f={} cm".format(f)
self.u_label["text"]="物距u={} cm".format(u)
self.LEN_label["text"]="透镜位置：{} cm".format(LEN.x)
self.OBJ_label["text"]="物体位置：{} cm".format(OBJ.x)
if v==None or f==0:
self.v_label["text"]="像距：无"
self.IMG_label["text"]="成像位置：无"
else:
self.v_label["text"]="像距v={:.0f} cm".format(v)
self.IMG_label["text"]="成像位置：{:.0f} cm".format(IMG.x)
except:
pass
class Cbtn_Mode(tk.Checkbutton): #创建复选框，控制光线、焦点的显示与否
def __init__(self, x, y, text):
self.var=tk.BooleanVar()
super().__init__(win, text=text, font=("Arial", 20), variable=self.var)
self.place(x=x, y=y)
self.invoke()
class Btn_start(tk.Button): #开始按钮
def __init__(self):
super().__init__(win, text="开始实验", font=("Simsun", 20), width=10, height=5, command=self.start)
self.pack(anchor="c", pady=300)
def start(self):
global u, v, f, from_, to, Light_Mode, Point_Mode, \
cv_display, axis, p_group, OBJ, LEN, IMG, light1, light2, \
Axis_scale, LEN_scale, OBJ_scale, f_scale, \
data_board, cbtn_Light_Mode, cbtn_Point_Mode
self.destroy()
Light_Mode=True #光线的显示
Point_Mode=True #焦点的显示
from_=-500 #from_和to为标尺量程
to=500
f=100 #初始焦距
OBJ_x=-200 #物体初始横坐标
OBJ_h=100 #指定物体高度
LEN_x=0 #透镜初始横坐标
LEN_h=300 #指定透镜高度
axis_y=0 #主光轴初始纵坐标
u, v, OBJ_y, IMG_x, IMG_h, IMG_y=analyse(OBJ_x, LEN_x, OBJ_h, axis_y) #计算
#OBJ_y IMG_y 物体、像的纵坐标 IMG_h像的高度
#初始化各个部件
cv_display=Cv_display()
axis=Axis()
p_group=Point_group(LEN_x, axis_y)
LEN=Len(LEN_h)
IMG=Img(IMG_h)
OBJ=Obj(OBJ_h)
light1=Light((OBJ_x, OBJ_y), (IMG_x, IMG_y), (LEN_x, OBJ_y), axis_y)
light2=Light((OBJ_x, OBJ_y), (IMG_x, IMG_y), (LEN_x, axis_y), axis_y)
Axis_scale=Modifier(1030, 0, 250, -250, 535, "vertical", "主光轴位置/cm", axis_y)
OBJ_scale=Modifier(0, 520, from_, to, 1033, "horizontal", "物体位置/cm", OBJ_x)
LEN_scale=Modifier(0, 600, from_, to, 1033, "horizontal", "透镜位置/cm", LEN_x)
f_scale=Modifier(0, 680, from_, to, 1033, "horizontal", "焦距f/cm", f)
data_board=Data_board()
cbtn_Light_Mode=Cbtn_Mode(1120, 290, "显示光路")
cbtn_Point_Mode=Cbtn_Mode(1120, 330, "显示焦点和二倍焦点")
#刷新数据以及画布上的图形
Refresh()
def sgn(x): #符号函数
if x>0:
return 1
elif x<0:
return -1
else:
return 0
def get_relpos(x=None, y=None): #坐标转换
rel_x=None
rel_y=None
if x!=None:
rel_x=(x-from_)/(to-from_)*1000
if y!=None:
rel_y=250-y
return rel_x, rel_y
def analyse(OBJ_x, LEN_x, OBJ_h, axis_y): #计算
u=LEN_x-OBJ_x
OBJ_y=axis_y+OBJ_h
if u!=0 and abs(u)!=f:
v=u*f/(abs(u)-f)
IMG_x=round(LEN_x+v)
IMG_h=round(OBJ_h*v/u)
IMG_y=axis_y-IMG_h
else:
v, IMG_x, IMG_h, IMG_y=None, None, None, None
return u, v, OBJ_y, IMG_x, IMG_h, IMG_y
def Refresh():
global Light_Mode, Point_Mode, f, u, v
#更新各种参数
Light_Mode=cbtn_Light_Mode.var.get()
Point_Mode=cbtn_Point_Mode.var.get()
f=f_scale.get()
axis_y=Axis_scale.get()
OBJ_x=OBJ_scale.get()
LEN_x=LEN_scale.get()
OBJ_h=OBJ.h
u, v, OBJ_y, IMG_x, IMG_h, IMG_y=analyse(OBJ_x, LEN_x, OBJ_h, axis_y)
#刷新画布上的图形
axis.move(axis_y)
p_group.move_points(LEN_x, axis_y)
LEN.move(LEN_x, axis_y)
IMG.move(IMG_h, IMG_x, axis_y)
OBJ.move(OBJ_x, axis_y)
light1.move((OBJ_x, OBJ_y), (IMG_x, IMG_y), (LEN_x, OBJ_y), axis_y)
light2.move((OBJ_x, OBJ_y), (IMG_x, IMG_y), (LEN_x, axis_y), axis_y)
#更新面板数据
data_board.refresh()
#使用tkinter自带的after方法，每1毫秒循环一次
win.after(1, Refresh)
def main(): #主函数
global win, btn_start
win=Win()
btn_start=Btn_start()
win.mainloop()
if __name__=="__main__":
main()
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发表于 2023-2-25 18:19
