基于“光的偏振”及其演示實(shí)驗(yàn)的微設(shè)計(jì)

羅 佳 周新雅 黃亦斌

(江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院 江西 南昌 330022)

演示實(shí)驗(yàn)是教師在課堂上結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作和演示，并引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的一種教學(xué)方式，它在中學(xué)物理教學(xué)過程中不可或缺.合理運(yùn)用演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，能夠有效吸引學(xué)生的注意力，大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并在更大程度上幫助學(xué)生建立和理解相關(guān)的物理概念、規(guī)律[1].

然而，令人遺憾的是，一些教師觀念相對(duì)保守，加之應(yīng)試教育的壓力和實(shí)驗(yàn)器材的破舊或欠缺，導(dǎo)致演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)狀況不盡人意.特別值得一提的是，在中學(xué)物理中許多知識(shí)原本就比較抽象，學(xué)生理解起來很是困難，迫切需要通過有效的演示實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情境，化抽象為具體，使學(xué)生在觀察和分析形象直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中掌握相關(guān)物理概念和規(guī)律.因此，在中學(xué)物理課堂教學(xué)過程中，創(chuàng)設(shè)有效的教學(xué)情境對(duì)激發(fā)學(xué)生問題意識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力將會(huì)具有十分重要的促進(jìn)作用[2].

1 創(chuàng)設(shè)情境提出偏振

師:同學(xué)們，我們?cè)诖蠼中∠锝?jīng)?？吹劫N膜的小攤，今天，我們不給手機(jī)貼膜而是給電腦“貼膜”.老師手上有一塊透光的膜，現(xiàn)在老師要給電腦進(jìn)行貼膜，同學(xué)們注意觀察.

學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)電腦上的圖案“消失”了(圖1).

圖1 給電腦“貼膜”，電腦顯示的圖案“消失”

師：想知道圖案“消失”的原因嗎？讓我們帶著這個(gè)問題走入今天的課堂.

設(shè)計(jì)意圖：以給筆記本電腦“貼膜”的情景出發(fā)，利用光的偏振使得電腦上的圖案“消失”，吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲.在輕松愉快的物理學(xué)習(xí)氛圍下[3]，引導(dǎo)學(xué)生思考圖案“消失”的原因，但由于學(xué)生知識(shí)水平有限，難以分析出其中的原因，從而引入本節(jié)課的課題.

2 舉例分析類比偏振

教師運(yùn)用多媒體展示圖片，引導(dǎo)學(xué)生想象，假如讓軟繩穿過一塊帶有狹縫的木板，先后將狹縫與振動(dòng)方向平行放置及與振動(dòng)方向垂直放置，再依次抖動(dòng)繩子(圖2).接著把軟繩換成彈簧，前后推動(dòng)彈簧(圖3).

圖2 情境圖一

圖3 情境圖二

師：軟繩的振動(dòng)和彈簧的振動(dòng)分別形成了一列什么波？它們形成的波能否穿過狹縫？

學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析出軟繩的振動(dòng)形成一列橫波，彈簧的振動(dòng)形成一列縱波，并分析圖2和圖3情境中的振動(dòng)分別穿過木板狹縫的情況.

教師分析學(xué)生給出的答案，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)上述情境的結(jié)論進(jìn)行歸納總結(jié)，得出在垂直于波傳播方向的平面上，只有沿著平行于狹縫方向的振動(dòng)才能穿過狹縫.同時(shí)，告訴學(xué)生這種現(xiàn)象稱為偏振現(xiàn)象.而情境二中，無論狹縫怎樣放置，彈簧形成的縱波都可以穿過狹縫傳播到紙板的另一側(cè).

師：剛剛我們已經(jīng)知道什么是偏振現(xiàn)象了，那縱波能發(fā)生偏振現(xiàn)象嗎？

學(xué)生根據(jù)偏振現(xiàn)象的特點(diǎn)判斷出縱波不能夠發(fā)生偏振現(xiàn)象.

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)上面橫波和縱波穿過狹縫的情境歸納出偏振現(xiàn)象是橫波的特有現(xiàn)象，只有橫波才能發(fā)生偏振現(xiàn)象.

設(shè)計(jì)意圖：聯(lián)系生活經(jīng)驗(yàn)，將抽象的物理情境清晰地、分步驟地展現(xiàn)出來，有利于學(xué)生理解整個(gè)運(yùn)動(dòng)情況的過程.同時(shí)，該環(huán)節(jié)通過利用機(jī)械波來類比，幫助學(xué)生建立偏振的概念，讓學(xué)生明白光通過的“狹縫方向”是確定的，為理解偏振現(xiàn)象提供了一個(gè)思路.

3 自制教具體驗(yàn)偏振

演示實(shí)驗(yàn)一：打開手電筒，讓手電筒的光通過一塊圓片，使光線投射到光屏上，旋轉(zhuǎn)圓片，提醒學(xué)生觀察屏上光斑亮度的變化情況.(圖4)

師：當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓片時(shí)，屏上光斑的亮度是怎么變化的？

學(xué)生觀察屏上光斑亮度的變化情況，總結(jié)出光斑的亮度不發(fā)生變化.

師：為什么此時(shí)光斑的亮度不會(huì)發(fā)生改變呢？

學(xué)生分小組思考討論，請(qǐng)小組代表回答.

教師對(duì)學(xué)生的回答進(jìn)行分析和點(diǎn)評(píng).告訴學(xué)生想要知道光斑亮度不發(fā)生變化的原因，先要了解自然光的特點(diǎn).通過多媒體展示圖5，引導(dǎo)學(xué)生掌握自然光的特點(diǎn).

學(xué)生觀察圖片，通過教師的引導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)出自然光包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動(dòng)的光，而且沿著各個(gè)方向振動(dòng)的光波的強(qiáng)度都相同.

教師結(jié)合所做的演示實(shí)驗(yàn)，告訴學(xué)生實(shí)驗(yàn)中用到的圓片在物理中叫做偏振片，并引導(dǎo)學(xué)生建立偏振光的概念.

學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，明白在偏振片上有一個(gè)特定的方向，只有沿著這個(gè)方向振動(dòng)的光波才能順利通過偏振片，這個(gè)方向叫做透振方向，此時(shí)透射出來的光叫做偏振光，而透振方向的作用相當(dāng)于之前木板上狹縫的作用.

師：現(xiàn)在我們已經(jīng)知道自然光的特點(diǎn)，那請(qǐng)同學(xué)們?cè)俅畏治鱿鹿馄辽系牧炼炔粫?huì)改變的原因.

學(xué)生思考并討論，得出結(jié)論：光屏上的亮度不變是因?yàn)樽匀还庠谄浯怪庇趥鞑シ较蛏习鱾€(gè)方向振動(dòng)的光，所以在旋轉(zhuǎn)偏振片的過程中，光屏上都會(huì)出現(xiàn)光斑，又因?yàn)楦鱾€(gè)方向振動(dòng)的光波的強(qiáng)度都相同，所以光斑的亮度不會(huì)發(fā)生改變，如圖6所示.

圖6 演示實(shí)驗(yàn)一示意圖

演示實(shí)驗(yàn)二：在實(shí)驗(yàn)一的情況中增加一塊圓片，使得兩塊圓片相同顏色的區(qū)域平行，再請(qǐng)一位學(xué)生來將其中一塊圓片緩慢地旋轉(zhuǎn)180°，讓全班學(xué)生對(duì)光斑的亮度進(jìn)行觀察，如圖7所示.

圖7 演示實(shí)驗(yàn)二

學(xué)生觀察光斑的亮度變化，歸納出當(dāng)兩塊圓片相同顏色的區(qū)域平行時(shí)，光斑最亮；旋轉(zhuǎn)其中一塊圓片的過程中，光斑亮度逐漸變暗，直到紅色區(qū)域與黑色區(qū)域平行時(shí)，亮度最暗，光斑消失.

師：為什么增加一塊偏振片后，旋轉(zhuǎn)其中一塊偏振片，光的亮度會(huì)發(fā)生改變呢？

學(xué)生分小組思考討論，結(jié)合之前的知識(shí)進(jìn)行分析，小組代表回答.

教師對(duì)幾組學(xué)生的分析進(jìn)行歸納，如果兩個(gè)偏振片的透振方向平行，那么，偏振光的振動(dòng)方向跟第2個(gè)偏振片的透振方向平行，偏振光能通過第2個(gè)偏振片，透射光的強(qiáng)度最大，示意圖如圖8所示.把第1塊偏振片稱為起偏器，第2塊偏振片稱為檢偏器.

圖8 演示實(shí)驗(yàn)二透振方向平行時(shí)的示意圖

學(xué)生理解并掌握兩塊偏振片透振方向平行時(shí)，透射光的強(qiáng)度最強(qiáng).

教師邊演示實(shí)驗(yàn)邊講解，如果兩個(gè)偏振片的透振方向垂直，那么，偏振光的振動(dòng)方向跟第2個(gè)偏振片的透振方向垂直，偏振光不能通過第2個(gè)偏振片，透射光的強(qiáng)度為零，示意圖如圖9所示.

圖9 演示實(shí)驗(yàn)二透振方向垂直時(shí)的示意圖

學(xué)生理解并掌握兩塊偏振片透振方向垂直時(shí)，透射光的強(qiáng)度為零.

師：現(xiàn)在我們已經(jīng)理解了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，那么光是一種什么波呢？

學(xué)生思考討論，結(jié)合偏振現(xiàn)象的知識(shí)分析出光是一種橫波.并能夠明確，如果光是縱波，無論兩狹縫夾角如何變化，光斑亮度不變.而實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著兩偏振片夾角不同，光斑亮度發(fā)生了變化，所以光是一種橫波.

設(shè)計(jì)意圖：教師通過演示實(shí)驗(yàn)，向?qū)W生展現(xiàn)直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并讓學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)中，使得學(xué)生的主體性得以體現(xiàn).結(jié)合“實(shí)驗(yàn)探究”和“科學(xué)推理”，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察分析，又加以科學(xué)的想象推理，引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)知識(shí)，總結(jié)規(guī)律.在分析演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象時(shí)，與學(xué)生進(jìn)行談話式的問答，逐步引導(dǎo)學(xué)生在思考討論以及分析問題過程中掌握理論知識(shí)，提高學(xué)生的分析能力和觀察能力，體現(xiàn)“教師主導(dǎo)，學(xué)生主體”的理念.

4 揭秘貼膜前后呼應(yīng)

教師引導(dǎo)學(xué)生回到課堂最初留下的疑問，通過用兩張偏振片放在物理書上，“物理”二字消失，如圖10所示，使學(xué)生明白電腦上圖案“消失”的原因.

圖10 “物理”消失

學(xué)生運(yùn)用本節(jié)的知識(shí)在教師的指導(dǎo)下認(rèn)真分析圖案消失的原因，得出：當(dāng)在電腦屏幕上加上一塊偏振片，使其透振方向與筆記本電腦上的偏振片的透振方向垂直時(shí)，這時(shí)透射光的亮度就為零，那么圖案就看不見了，也就是我們說的圖案“消失”了.

設(shè)計(jì)意圖：前后呼應(yīng)，鞏固新知.培養(yǎng)學(xué)生自主思考的能力，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解.

5 拓展延伸應(yīng)用偏振

教師運(yùn)用多媒體展示兩組圖片，一組是照相機(jī)鏡頭沒加偏振片拍攝的，一組是加了偏振片拍攝的，請(qǐng)學(xué)生來觀察這兩組圖片有什么不同.

學(xué)生認(rèn)真觀察、比較圖片，可發(fā)現(xiàn)加了偏振片的鏡頭拍攝出來的照片反射光很弱.

師：除了照相機(jī)上運(yùn)用光的偏振，你們還能舉出其他運(yùn)用光的偏振的例子嗎？

學(xué)生思考舉出生活中運(yùn)用光的偏振的例子，并對(duì)其進(jìn)行分析.

設(shè)計(jì)意圖：開闊學(xué)生視野，拓展思維.運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問題，鞏固所學(xué)的知識(shí).

6 總結(jié)交流反思教學(xué)

本堂課首先以給筆記本電腦屏幕“貼膜”的情境引入，從而拉近了學(xué)生與科學(xué)知識(shí)間的距離，有利于激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲.接著在光的偏振演示實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生參與其中，使之由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，其積極性也得以提高；同時(shí)利用實(shí)驗(yàn)的直觀性引導(dǎo)學(xué)生去觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并去思考問題，讓學(xué)生在演示實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)中感受到物理學(xué)的多重魅力.在教學(xué)的最后，讓學(xué)生運(yùn)用本節(jié)課的知識(shí)去解決課前留下的問題，分析生活中的偏振現(xiàn)象，不僅能檢查學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握程度，而且能幫助學(xué)生鞏固新知.整堂課體現(xiàn)了“從生活走進(jìn)物理，從物理走向生活”的教育理念，勢必會(huì)取得了良好的教學(xué)效果.