大學(xué)物理與高中物理課程光學(xué)部分的銜接研究

摘 要:比較了教育部制訂的《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》和教育部高等學(xué)校物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)最新編制的《理工科類(lèi)大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》(2010年版)中關(guān)于光學(xué)部分內(nèi)容的基本要求，較為深入地分析了大學(xué)物理與中學(xué)物理在光學(xué)部分內(nèi)容銜接中的一些具體問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的教學(xué)銜接的建議，希望為順利實(shí)現(xiàn)從中學(xué)向大學(xué)的過(guò)渡提供參考。

關(guān)鍵詞:大學(xué)物理 高中物理 光學(xué)部分 銜接

中圖分類(lèi)號(hào):O43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)03(a)-0124-02

大學(xué)物理課程是所有高等院校理工科非物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的一門(mén)重要的通識(shí)性必修基礎(chǔ)課，著重講述最基本的物理概念和物理學(xué)處理疑難問(wèn)題的各種理論方法以及它在解決各種不同性質(zhì)實(shí)際問(wèn)題的作用[1]。大學(xué)物理課程在為學(xué)生系統(tǒng)地打好必要的物理基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立科學(xué)的世界觀，增強(qiáng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識(shí)等方面，具有其他課程不能替代的重要作用[2]。目前，中學(xué)物理和大學(xué)物理課程改革正在進(jìn)行中。普通高中畢業(yè)生有一大半的學(xué)生進(jìn)入高等學(xué)校后要學(xué)習(xí)大學(xué)物理知識(shí)，故對(duì)現(xiàn)行大學(xué)物理課程和中學(xué)物理課程的銜接情況進(jìn)行研究具有一定的必要性。本文中，筆者以理工科類(lèi)所采用的大學(xué)物理教材[3]、普通高中理科生所采用的人教版物理教材[4]為參考，對(duì)大學(xué)物理中光學(xué)部分如何與中學(xué)物理中相應(yīng)知識(shí)銜接的問(wèn)題進(jìn)行了分析和探討，并提出了建議。

1 大學(xué)物理課程和高中物理課程光學(xué)部分基本要求的對(duì)比

下面，我們以教育部2010年頒發(fā)的“理工科類(lèi)大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“要求”)和教育部制定的高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“新課標(biāo)”)為參考，給出大學(xué)物理與高中物理光學(xué)部分內(nèi)容以及教學(xué)要求的對(duì)比。

首先，我們來(lái)看高中物理課程光學(xué)部分的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)以及教學(xué)要求。高中物理課程光學(xué)部分內(nèi)容在選修2～3[5]，內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)[6]是這樣要求的:(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)，理解光的折射定律。會(huì)測(cè)定材料的折射率。(2)認(rèn)識(shí)光的全反射現(xiàn)象。初步了解光導(dǎo)纖維的工作原理和光纖在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。認(rèn)識(shí)光纖技術(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)生活的重大影響。(3)探究并理解透鏡成像的規(guī)律。會(huì)測(cè)定凸透鏡的焦距。(4)了解照相機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)的含義。知道顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡的原理。(5)通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象以及在生活、生產(chǎn)中的應(yīng)用。(6)了解激光的特性和應(yīng)用。了解常見(jiàn)固體和氣體激光器的原理。舉例說(shuō)明激光技術(shù)在生活、生產(chǎn)中的應(yīng)用。(7)知道新型電光源的特點(diǎn)以及應(yīng)用。

以上內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)中的知識(shí)技能目標(biāo)動(dòng)詞在“新課標(biāo)”中是這樣解釋的:了解:再認(rèn)或回憶知識(shí)；識(shí)別、辨認(rèn)事實(shí)或證據(jù)；舉出例子；描述對(duì)象的基本特征。認(rèn)識(shí):位于“了解”與“理解”之間。理解:把握內(nèi)在邏輯聯(lián)系；與已有知識(shí)建立聯(lián)系；進(jìn)行解釋、推斷、區(qū)分、擴(kuò)展；提供證據(jù)；收集、整理信息等。應(yīng)用:在新的情境中使用抽象的概念、原則；進(jìn)行總結(jié)、推廣；建立不同情境下的合理聯(lián)系等。其次，我們?cè)賮?lái)看“要求”中對(duì)理工科大學(xué)物理光學(xué)部分的教學(xué)要求[2]:

(1)介紹幾何光學(xué)的基本定律和近軸光學(xué)成像的分析方法。類(lèi)別為A的內(nèi)容有:幾何光學(xué)基本定律、光在平面上的反射和折射、光在球面上的反射和折射、薄透鏡；類(lèi)別為B的內(nèi)容有:顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)。

(2)重點(diǎn)講述光的干涉和衍射。類(lèi)別為A的內(nèi)容有:光源、光的相干性，光程、光程差的概念，分波陣面干涉，分振幅干涉，惠更斯-菲涅耳原理，夫瑯禾費(fèi)單縫衍射，光柵衍射，光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)，光的偏振性、馬呂斯定律，布儒斯特定律；類(lèi)別為B的內(nèi)容有:邁克耳孫干涉儀，光的空間相干性和時(shí)間相干性，晶體的X射線衍射，全息照相，光的雙折射現(xiàn)象，偏振光干涉和人工雙折射，旋光現(xiàn)象，光與物質(zhì)的相互作用:吸收、散射和色散。

以上類(lèi)別標(biāo)注在“要求”中的解釋是:A類(lèi)內(nèi)容構(gòu)成大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容的基本框架，是核心內(nèi)容；B類(lèi)是擴(kuò)展內(nèi)容，它們常常是理解現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)展的基礎(chǔ)，講述這些內(nèi)容可以使學(xué)生對(duì)大學(xué)物理的基本規(guī)律的理解更加深刻和充實(shí)。

從上面列出的高中物理和大學(xué)物理中光學(xué)部分的教學(xué)內(nèi)容以及要求中，可以明顯的看出他們的區(qū)別:高中物理重點(diǎn)在幾何光學(xué)，對(duì)于波動(dòng)光學(xué)內(nèi)容知識(shí)僅僅給出現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)與了解；大學(xué)物理重點(diǎn)在波動(dòng)光學(xué)，對(duì)于光的干涉和衍射在理論上進(jìn)行了深入的分析，而在幾何光學(xué)內(nèi)容里做了系統(tǒng)的總結(jié)，避免了與中學(xué)物理的重復(fù)。

2 幾何光學(xué)知識(shí)點(diǎn)對(duì)比及銜接

雖然幾何光學(xué)是高中物理光學(xué)部分的重點(diǎn)，但是無(wú)論在在廣度還是深度上都沒(méi)有大學(xué)物理的要求高。首先，我們從前面列出的知識(shí)點(diǎn)上面來(lái)比較。大學(xué)物理教材涉及到的知識(shí)點(diǎn)比高中物理的知識(shí)點(diǎn)要多，多出來(lái)的有:光在球面上的反射和折射、薄透鏡的成像。其次，從教材編寫(xiě)上，大學(xué)物理更側(cè)重理論推導(dǎo)的系統(tǒng)性和邏輯性，但高中物理更側(cè)重定性認(rèn)識(shí)及應(yīng)用。下面我們就舉例來(lái)說(shuō)明，并且從中可以體會(huì)在教學(xué)中的銜接問(wèn)題。

以中學(xué)里面的重點(diǎn)透鏡成像的規(guī)律為例。在高中物理教材中，首先以實(shí)驗(yàn)的方式，給出作圖法來(lái)確定凸透鏡成像的規(guī)律，讓學(xué)生掌握作圖法得到凸透鏡成像的位置，然后由作圖法里面的幾何關(guān)系，由相似三角形推出其成像公式為:

(1)

式中p為物距，為像距，f為透鏡焦距。并且說(shuō)明此式對(duì)于凹透鏡也成立。

但是在大學(xué)物理教材里，這一部分知識(shí)叫做薄透鏡，教材的安排也截然不同.教材中首先講解球面折射，給出球面折射在近軸情況下成像的公式，然后再介紹薄透鏡，指出其成像是由兩個(gè)球面兩次成像得到的，推倒過(guò)程中將球面成像公式應(yīng)用兩次，然后略去透鏡厚度，最后得到薄透鏡的高斯公式

(2)

其中

，(3)

式中f為物方焦距，f'為像方焦距，n為薄透鏡的材料的折射率，n1和n2分別為物方和像方的折射率，r1和r2分別為透鏡兩個(gè)表面的半徑，如圖1所示:

當(dāng)薄透鏡置于同一種介質(zhì)中，如空氣中時(shí):，上面的公式就可以轉(zhuǎn)化成中學(xué)里常用的透鏡成像公式(1)。

由此可以看出，通過(guò)大學(xué)物理的學(xué)習(xí)，學(xué)生更清楚地明白了透鏡成像的原理，了解其本質(zhì)，而不是僅僅從表面的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象去認(rèn)識(shí)事物。并且也找出了大學(xué)物理與高中物理的聯(lián)系，即高中物理的結(jié)論在很多情況下只是大學(xué)物理知識(shí)的一個(gè)特例，這一特點(diǎn)在力學(xué)部分，電磁學(xué)[6]部分體現(xiàn)的更為突出。

另外幾何光學(xué)里面也有與高中物理重復(fù)的地方，比如光的直線傳播定律，光的平面反射、折射定律等，在講解這一類(lèi)問(wèn)題是，既可以以復(fù)習(xí)的形式總結(jié)性的給出結(jié)論，也可以選擇讓以學(xué)生自學(xué)的形式課外進(jìn)行。

3 波動(dòng)光學(xué)知識(shí)點(diǎn)對(duì)比及銜接

波動(dòng)光學(xué)是大學(xué)物理光學(xué)部分的重點(diǎn)及主要內(nèi)容，甚至在有些教材里只把波動(dòng)光學(xué)的內(nèi)容給出[7]，而沒(méi)有幾何光學(xué)，在很多工科院校里面大學(xué)物理光學(xué)部分也是只講波動(dòng)光學(xué)，由此可見(jiàn)其重要性。對(duì)比高中物理和大學(xué)物理的波動(dòng)光學(xué)內(nèi)容，可以發(fā)現(xiàn)他們都涉及到的有光的干涉、衍射、偏振等知識(shí)點(diǎn)。但是高中物理里面的講解只是停留在這些光現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)上，又簡(jiǎn)單講了這些知識(shí)在技術(shù)中的應(yīng)用，為進(jìn)一步在大學(xué)物理的學(xué)習(xí)作了鋪墊。在大學(xué)物理的波動(dòng)光學(xué)部分，同樣的知識(shí)作了非常詳細(xì)的講解，通過(guò)定量的計(jì)算，分析了出現(xiàn)這些光現(xiàn)象的原因，使學(xué)生對(duì)光的波動(dòng)性有了深刻的認(rèn)識(shí)。下面，我們以楊氏雙縫干涉為例來(lái)做具體的分析，并從中體會(huì)大學(xué)物理與高中物理的知識(shí)點(diǎn)銜接。

在高中物理里面，楊氏雙縫干涉在波動(dòng)光學(xué)里面是講得最詳細(xì)的。其教學(xué)安排是:首先介紹機(jī)械波的干涉現(xiàn)象，然后定性說(shuō)明在波峰與波峰、波谷與波谷相遇的地方干涉加強(qiáng)，波峰與波谷相遇的地方干涉減弱；接著就給出楊氏雙縫干涉，利用與機(jī)械波中水波干涉差不多一樣的實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，給出紅色激光入射楊氏雙縫裝置的干涉圖樣，接著說(shuō)明在兩束相干光的路程差為半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍的地方是干涉加強(qiáng)出現(xiàn)明條紋，在兩束光的路程差為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍的地方是干涉減弱出現(xiàn)暗條紋，而沒(méi)有定量的計(jì)算。

在大學(xué)物理中，楊氏雙縫干涉的教學(xué)內(nèi)容安排為:首先說(shuō)明楊氏雙縫干涉是利用分振幅的方法來(lái)利用普通光源得到兩束相干光，進(jìn)而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象；接著由如圖2所示的楊氏雙縫干涉的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)做定量的計(jì)算。

設(shè)雙縫間的距離為d，雙縫至屏的距離為D，且D>>d，當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置處在空氣中時(shí)，折射率n=1，此時(shí)，光程差δ和波程差△r相等，則在光屏上任意位置x處，兩相干光的光程差為

(4)

且當(dāng)

(5)

時(shí)干涉加強(qiáng)出現(xiàn)明條紋，當(dāng)

(6)

時(shí)干涉減弱出現(xiàn)暗條紋。接著又由式(4)～(6)得出在光屏上的位置x出現(xiàn)明暗紋的條件

(7)

最后，總結(jié)出單色光入射時(shí)條紋特點(diǎn):等間距地分布于中央亮條紋的兩側(cè)明暗相間的直條紋，并給出光強(qiáng)分布圖加以說(shuō)明。另外還指出復(fù)色光入射時(shí)條紋分布的規(guī)律以及重級(jí)的出現(xiàn)。并且在雙縫實(shí)驗(yàn)的演變實(shí)驗(yàn)勞埃德鏡中，還得出了半波損失?？梢钥闯?，雖然講述的都是楊氏雙縫干涉，但整個(gè)分析比高中物理的具體、定量，且深度大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)出發(fā)，討論了高中物理和大學(xué)物理的知識(shí)點(diǎn)對(duì)比以及教學(xué)過(guò)程中的銜接問(wèn)題。與力學(xué)、電磁學(xué)[8]部分相比，光學(xué)部分的銜接有自己的特點(diǎn):高中物理光學(xué)部分以定性介紹光學(xué)現(xiàn)象以及在技術(shù)上的簡(jiǎn)單應(yīng)用為主，大學(xué)物理以計(jì)算定量來(lái)定量的詳細(xì)分析中學(xué)中接觸過(guò)的光學(xué)現(xiàn)象，高中的知識(shí)為大學(xué)物理的進(jìn)一步學(xué)習(xí)作了鋪墊。但在幾何光學(xué)部分有少量重復(fù)，教學(xué)中要注意授課方法盡量避免，使課堂時(shí)間充分利用。另外，光學(xué)部分應(yīng)該還包括量子光學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)部分[9]，但在大學(xué)物理分別歸類(lèi)到量子物理以及現(xiàn)代物理部分，所以在此處不再作討論。

參考文獻(xiàn)

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①基金項(xiàng)目:教育部高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)教改項(xiàng)目(WJZW-2010-43-zn)；河南大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目資助(2010)。