大學物理光學與實際應用相結合重要性的研究

張麗娟+++肖奎++++周政

【摘要】本文對大學物理教材的現(xiàn)狀進行一些分析和比較，指出光學與實際生活相聯(lián)系的魅力和重要性，這種聯(lián)系和融合其實也是一種物理文化的體現(xiàn).

【關鍵詞】光學 實際生活 融合 物理文化

中國分類號：O43

一、引言

光學是物理學的一個重要組成部分，是研究光的本性、光的傳播和光與物質相互作用的基礎學科。它與原子物理、電動力學和量子力學等后繼課程有密切的關系。激光的出現(xiàn)和發(fā)展，使光學的研究進入一個嶄新的階段，成為現(xiàn)代科學技術前沿陣地之一。對于非物理專業(yè)的學生來說，大學物理光學教材涉及的主要是波動光學部分。除了掌握光的一些基本概念、定理和公式之外，與具體的生活和實際相聯(lián)系的內容很少。其實光學的理論與實際相結合的魅力早已在我們的生活中無所不在。這種魅力，實際上也是物理文化的一種體現(xiàn)。

二、光學與生活相聯(lián)系的重要性

（一）國外教材對生活聯(lián)系的重視

美國著名的物理學家費曼說：“對學習物理的人來講，重要的不是如何正規(guī)嚴格地解微分方程，而是能猜出它們的解并理解其物理意義?！眹饨滩陌盐锢砀拍畹睦斫夥旁诘谝晃?。著名的美國認知學派心理學家布魯納認為：“學習的最好刺激，乃是對所學教材的興趣?！?出于這樣的考慮，美國大學物理教材為了吸引學生，行文中增加了大量的彩色照片及插圖。從基本粒子到宇宙星際，從日常生活到高科技應用，從試驗技術到自然現(xiàn)象，內容極為廣泛，且多為實物實景，生動具體，效果突出。[1]美國物理學會和物理教師協(xié)會于1987年8月共同發(fā)起并提出大學基礎物理學規(guī)劃，并于1996年底結項，研究成果陸續(xù)發(fā)表，提出的四種新模式的物理教材各具特色，其中之一是《物理學的來龍去脈》。這種模式的教材特點是按照幾個指導性的主題或稱之為來龍去脈的主線來講授物理學。它給人以清晰、明了、簡潔的印象[2]。教材由四個指導性的主題構成，即“星際旅行”、“地球變暖”、“雷雨物理”、“粒子干涉”。分別講授力學、熱學、電磁學、光學和近代物理。用“雷雨物理”來引入和描述光學，形象生動而且趣味性很強，足見他們對物理文化的重視。另外，美國有一些科普類讀物，如凱爾.柯克蘭德著的《Light and Optics 》，將光與物理文化生活聯(lián)系很緊密，但光的原理和理論部分介紹較少[3]。

（二）國內教材對生活聯(lián)系很缺乏

在國內一些工科教材如高教出版社馬文蔚主編的《物理學》和我們現(xiàn)在使用的一些大學主編的工科教材，這些教材特點基本上是沿襲傳統(tǒng)的內容和編排方式[4]。除了一些基本的概念、公式和例題習題之外，沒有特別鮮明的應用性。所以如何將光的理論部分與實際生活緊密聯(lián)系，從而更深刻的認識理論本身，將它融合在光的世界中，更好的提升物理的素養(yǎng)和文化氣息，這正是我們要重點彌補的不足之處。我們本題的研究意義在于此。

（三）光學與實際生活聯(lián)系的魅力

光學既是物理學中最古老的一門基礎學科，又是當前科學領域中最活躍的前沿陣地之一，從古至今與生活的聯(lián)系非常緊密。下面的這些生活中常見的現(xiàn)象，你可否想過，通過光學的原理來解釋，原來光學的世界很奇妙。

（1）夕陽為何是紅色的

人們常說“夕陽無限好，只是近黃昏?！毕﹃枮楹问羌t色的呢？這種太過平常的現(xiàn)象使得很多人想不起追究它的原因。原因很簡單——因為光的散射。光的散射是由光和物質的相互作用引起的，實質上是由光和原子中的電子相互作用引起的。在光學性質均勻的介質中或兩種折射率不同的均勻介質的界面上，無論光的直射、反射或折射，都僅限于在特定的一些方向上，而在其余方向光強則等于零，我們沿光束的側向觀察就應當看不到光。但當光束通過光學性質不均勻的物質時，從側向卻可以看到光，這種現(xiàn)象叫做光的散射。

在光學性質完全均勻的物質中，由于物質的原子性結構而存在著的不均勻性的線度遠小于光波的波長，可略去不計，故光的散射作用不應該發(fā)生。但實際上即使用最精細的方法除去氣體或液體中所有塵埃和一切其他懸浮顆粒，也還可以通過某種方式觀察到散射光。這是由于物質分子密度的漲落而引起的。因為密度的漲落取決于分子的無規(guī)則運動（有統(tǒng)計的意義），所以這種散射稱為分子散射。

清晨日出或傍晚日落時，看到太陽呈紅色。這是因為此時太陽光幾乎平行于地平面，穿過的大氣層最厚，所有波長較短的藍光、黃光等幾乎都朝側向散射，僅剩下波長較長的紅光到達觀察者（接近地面的空氣中有塵埃，更增強了散射作用）。但此時仰觀天空時看到的仍是淺藍色。而云塊為陽光所照射，亦呈紅色。正午時太陽光所穿過的大氣層最薄，散射不多，故太陽仍呈白色。

（2）光學在與生活相關的現(xiàn)代技術中的應用

激光問世以來，受到了世人的親睞，激光整容手術風靡全球。激光外科手術也很常見。紅外輻射分布在可見光的紅色部分稍微靠下一些的地方。在微微超過光譜另一端——藍光和紫外波長——存在著紫外輻射。紫外線的頻率比人眼能探測到的最高頻率還高一些。因為電磁輻射的能量和它的頻率成正比，紫外輻射的能量比可見光稍大一些。這使得紫外輻射稍微更加危險，雖然有時會更有用。眼科醫(yī)生使用紫外光來雕琢眼角膜，以改進不良的視力。

激光器它可以產生相干的高密度的電磁輻射波束。從激光器中發(fā)出的任何頻率的輻射，都可以是強大的（和危險的）。外科醫(yī)生有時用激光，而不是小刀或者解剖刀來進行切除手術。激光的優(yōu)點是它易于控制，使得外科醫(yī)生可以進行精確的切割，而且激光束產生的熱量，可以封鎖破損的血管，所以失血不會過多。

三、結束語

在物理學的教育中，學生僅僅了解物理學公式和概念以及計算是遠遠不夠的。應該將物理的概念物化在實際生活中，同時這也是推動物理光學發(fā)展的原動力。譬如光學發(fā)展的故事，對學生也是一種啟迪.托馬斯.楊雙縫干涉實驗的成功最終讓光的波動學說確立起來，光的波動性終于擺脫物理學權威牛頓的控制，也使惠更斯倡導幾十年的波動學說終于能夠被認可.這將教會學生對已學知識提出思考并質疑現(xiàn)有的東西，推動思維也很有益處.學會物理的思想，學會用物理的思想看問題，學會在生活中思考與物理有關的知識，這才是真正讓學生學習物理學的意義，也是一種物理文化的體現(xiàn).所以，光學作為物理學的一個分支，與實際應用相結合尤為明顯和重要.

[參考文獻]

[1]、美國工科物理教材的特點 姚鳳薇

[2]、高等函授學報（ 自然科學版） 2010 年6月第23 卷第3 期物理文化及其價值取向 賈俊麗 馬世豪

作者介紹：湖南工學院數理部講師（1978.11-）碩士，從事大學物理教學，研究量子光學等方面。endprint