大学物理光学教学的现状与思考

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  一、概述

  物理学作为自然科学的带头学科,是当代科学技术发展的最重要基础,而大学物理课程又是国内高校理工科专业的基础必修课程。它所阐明的物理学知识、基本概念、定理规律和研究方法,不仅是学生继续学习专业课程和其他科学技术的基础,也是培养和提高学生科学素质、科学思维方法和科技创新能力的重要途径。湖北大学的“大学物理”课程作为一门公共基础课程,面向全校理工科专业大学一年级的学生,采用的是马文蔚主编的《物理学》(第五版)教材,其中包含了力学、电磁学、振动和波、光学、热学和近代物理学六个部分的内容,而对光学教学的探究和思考正是我在这篇文章中所要重点阐述的。

  二、大学物理光学教学的现状

  (一)大学物理光学的知识特点

  在马文蔚《物理学》(第五版)的教材中,光学的内容被设置为第十一章,主要涉及到波动光学的知识,分为干涉、衍射和偏振三个部分,每个部分中都有几种具体光学现象的介绍,如干涉中的杨氏双缝干涉、劳埃德镜、薄膜干涉、劈尖和牛顿环,衍射中的单缝衍射、圆孔衍射、光栅衍射和 X 射线衍射,偏振中的偏振片、反射光与折射光的偏振、双折射现象。比起高中物理的光学中直接引入公式的简单描述来,大学物理中对光学的描述显然增添了更多的推导和论证,比如薄膜干涉公式的推导,就加入了许多几何光学的知识,而单缝衍射公式的推导,又是以着名的菲涅尔半波带法为基础的,另外像光程和光程差概念的引入,也为光在不同介质中传播所引发的干涉现象,如薄膜干涉,劈尖干涉等提供了理论基础。但毕竟这是面对全校非物理专业理工科学生开设的课程,所以在教学过程中,又不能和物理学专业的光学课程一样深入,像多光束干涉、法布里-珀罗干涉仪、菲涅尔衍射、圆偏振光和椭圆偏振光的获得与检验、偏振光的干涉等较难知识点都没有涉及到,而凡是涉及到高等数学微积分和数学物理方程的内容也统统予以简化,要求降低到只需掌握初等数学的知识便能读懂本章的所有内容。这也需要大学物理的主讲教师在讲述过程中必须对概念和知识点做到深入浅出,尽可能方便于学生的理解和掌握。

  (二)教学对象所面临的困惑

  在大学物理教学中唯有光学教学知识结构复杂,虽然分为干涉、衍射和偏振三个板块,但每个板块中知识点众多,内容也相对分散,单以干涉而言,就有着杨氏双缝干涉、劳埃德镜、薄膜干涉、劈尖和牛顿环干涉以及迈克尔逊干涉仪这六个大的知识点,而衍射中又有单缝衍射、圆孔衍射、光栅衍射和 X 射线衍射四个大的知识点,每种干涉和衍射都要分析它们的衍射现象以及明纹暗纹条件和位置,公式众多,物理量繁杂,而且有的公式相似度颇高,容易混淆,这也为学生的理解和记忆增添了不小的困难。为了消除教学对象所面临的这些困惑,我们可以对光学教学进行如下改进。

  三、大学物理光学教学的探究与思考

  (一)要求学生深入理解每种光学现象的内涵

  在学习每种光学现象的时候,我们除了要求学生记住明纹暗纹公式外,还需要求他们能够深入理解现象及公式背后的物理内涵。比如学习劈尖和牛顿环干涉时,我们就要抓住两者都是等厚干涉的这一共性,利用等厚线与干涉条纹相一致的特点,通过角度 θ、折射率 n 等参数的动态变化来判断其干涉条纹的移动。

  具体到课后习题 11-3(见图 1),本题看上去并不像劈尖干涉,但仔细一考虑,其薄膜厚度的变化却同劈尖干涉一样,都是线性增长,而一头一尾的空气厚度差正好是两个滚柱的直径差,所以利用相邻明纹对应的介质厚度差为λ2n这一等厚干涉所通用的规律,只要总厚度差不变,干涉条纹的数目也不变,而滚柱之间的距离 L 又变小,所以相邻干涉条纹之间的间距显然是变小的,于是本题的正确答案为 C(数目不变,间距减小)。【1】

  
  再比如在学光栅衍射的时候,我们需要抓住光栅方程dsinθ=±kλ(k=0,1,2…)中|sinθ|燮1 的特点,得出屏幕上可以见到的最大条纹级数只能是光栅常数与光波长比值dλ的值,然后对其取整数。于是对于课后习题 11-“5波长的单色光垂直入射于光栅常数 d=1.0×10-4cm 的光栅上,可能观察到的光谱线最大级次为多少”,显然答案应该是 1.82 取整数而不是四舍五入,所以最后可以看到的最大级次为 1,选 D.

  (二)加强知识点之间的有机联系

  在教学过程中,你完全可以将几个知识点通过某一个关键点连成一条线。比如干涉和衍射这两大知识板块,乍一看似乎是相互独立的,其实干涉与衍射,在物理本质上并无区别,仅由于历史的原因以及处理相干光波叠加的方法不同,才分为干涉和衍射。通常把有限数目的分立相干光源的光波叠加称为干涉。叠加后发生能量在空间的重新分布,此时的能量(强度)分布图样叫做干涉图样。即把从不同狭缝射出的相干波的叠加,称为干涉。把连续分布的相干光源光波的叠加称为衍射。叠加后发生能量在空间的重新分布,此时的能量(强度)分布图样叫做衍射图样。即把从同一个狭缝射出的相干波的叠加,称为衍射。这样一介绍,知识的逻辑体系就形成了,学生立刻就能将前后所学的知识加以关联,得到更佳的学习效果。

  (三)增强学生的学习兴趣

  在教授光学时,一定要结合学生的专业特点,采用形象生动的例子来吸引学生的目光,增强学生的学习兴趣。在讲述圆孔衍射,讨论光学仪器的分辨率本领时,则牵涉到如何提高光学仪器分辨率的问题,由分辨率的数学公式可以引申出两种方法,一种方法是增加透镜直径,最显着的例子便是美国的哈勃太空望远镜,可以在多媒体课件上列出哈勃望远镜在二十余年观测生涯中所拍摄的那些绚丽多彩的经典作品,如黑洞碰撞、恒星烟花等,来吸引学生的目光。而另一种方法则是减小波长,由近代物理知识可知,电子亦有波动性。针对材料学专业的学生,特地加入了对透射电镜 TEM,扫描电镜 SEM 和扫描隧道显微镜 STM 这三种电子显微镜的介绍,提升学生的直观认识。如果是对生物专业的同学讲述这部分的内容,则可以指出对大分子 DNA 晶体的成千张的X 射线衍射照片的分析,显示出 DNA 分子的双螺旋结构,而双螺旋结构的发现又对生命科学的研究具有划时代的意义。不同专业的同学通过各自专业知识与光学知识的联系,自然能培养出自己对这门公共基础课的兴趣。

  四、结束语

  光学发展的过程,是人类一代代探知外在客观、探知各种规律的一个永无止境的过程,是一个后人不断补充、不断修正乃至推翻前人认识的不断进取的过程。而大学物理的光学教学在大学物理整个知识体系中占据了相当重要的地位,所以作为教学工作者,我们要不断开拓教学新思路,培养学生兴趣,促进教学发展,为学生日后的专业课学习奠定良好的基础。

  参考文献
  
  [1]黄汉华,陈勇,李璋,等。电子科学与技术战略性新兴产业人才培养计划研究[J].科技创新导报,2013(30)。
  [2]陈勇,曹万强,等。综合利用校外实习基地的探索[J].科技创新导报,2008(15)。
  [3]王希普。材料学科教学计划修订的几点思考[J].教学研究,1999(2)。

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