基于科學(xué)探究的 “光的偏振”教學(xué)過程

王明輝

(北京市大興區(qū)第一中學(xué),北京 102600)

物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力.而科學(xué)探究不僅是學(xué)生獲取科學(xué)知識(shí)的有效途徑,同時(shí)還是有效培養(yǎng)學(xué)生良好科學(xué)素養(yǎng)的基本載體.“科學(xué)探究”是指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋,以及對(duì)科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力.[1]在教學(xué)中積極發(fā)揮學(xué)生的主體作用,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究,在實(shí)驗(yàn)與探究中獲取新知,可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性,有利于實(shí)際教學(xué)效果落到實(shí)處.以科學(xué)探究過程展開“光的偏振”的教學(xué),使學(xué)生在解決問題、分析現(xiàn)象中蘊(yùn)含的物理原理中學(xué)習(xí)新知.

1 教學(xué)分析

1.1 內(nèi)容分析

“光的偏振”是《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》中選擇性必修1第3部分內(nèi)容.光的偏振的知識(shí)點(diǎn)是在機(jī)械波的形成和傳播、波的衍射和干涉、光的干涉和衍射的基礎(chǔ)上進(jìn)行的.課標(biāo)基本要求:知道光的偏振現(xiàn)象及其應(yīng)用.光的偏振是說明光是橫波的實(shí)驗(yàn)依據(jù),也在生活生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用.

教學(xué)重點(diǎn)是知道光的偏振現(xiàn)象及其應(yīng)用,難點(diǎn)是偏振現(xiàn)象的理解.教學(xué)以將人教版和教科版相結(jié)合,依托于教材而不依賴教材,根據(jù)學(xué)生實(shí)際觀察的現(xiàn)象來展開教學(xué).通過實(shí)驗(yàn)降低學(xué)習(xí)難度、突破難點(diǎn),以解決問題為目的利用任務(wù)驅(qū)動(dòng)使學(xué)習(xí)層層遞進(jìn).

1.2 學(xué)情分析

知識(shí)基礎(chǔ)上,學(xué)生已經(jīng)掌握了機(jī)械波的相關(guān)知識(shí),知道橫波與縱波的區(qū)別方法,知道光是一種波.但對(duì)光是橫波還是縱波沒有深入思考,在生活中可能已經(jīng)見到過光的偏振現(xiàn)象,但并不理解其中的物理原理,缺乏對(duì)偏振的深入研究.能力基礎(chǔ)上,學(xué)生通過兩年的高中物理學(xué)習(xí)過程,已經(jīng)具有一定的觀察、類比和分析推理能力,具有初步的抽象思維和科學(xué)探究能力.

1.3 教學(xué)目標(biāo)

結(jié)合教學(xué)內(nèi)容,根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)如下:

(1) 通過演示實(shí)驗(yàn)建立偏振的概念,知道只有橫波才有偏振現(xiàn)象.

(2) 通過探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及現(xiàn)象分析,知道偏振片的作用、偏振光和自然光的區(qū)別．知道光是橫波.初步了解光的偏振現(xiàn)象在生活、生產(chǎn)、技術(shù)中的應(yīng)用.

(3) 通過分組實(shí)驗(yàn)鍛煉合作交流的能力,學(xué)習(xí)科學(xué)研究的思維方法.提高運(yùn)用科學(xué)知識(shí)服務(wù)社會(huì)的意識(shí).

1.4 教學(xué)設(shè)計(jì)

教學(xué)設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示.本節(jié)課通過提出問題設(shè)疑引課；通過實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)介紹偏振現(xiàn)象、偏振片的知識(shí)；通過學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)搜集證據(jù)產(chǎn)生新的疑問；通過對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論、交流建立偏振光、自然光的概念.同時(shí)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)證據(jù)的解釋使學(xué)生了解光的偏振在生產(chǎn)、生活、科技等方面的應(yīng)用.通過創(chuàng)設(shè)情境、知識(shí)遷移、實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)的方式激發(fā)學(xué)生的問題意識(shí),幫助學(xué)生建立物理概念,并引導(dǎo)學(xué)生思維,降低學(xué)習(xí)難度.在探究實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象形成學(xué)生探索新知的內(nèi)在動(dòng)力,通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)逐步推進(jìn)教學(xué).

圖1 教學(xué)設(shè)計(jì)流程圖

2 教學(xué)流程

2.1 提出問題

問題1.光能發(fā)生干涉和衍射(圖2)說明光是一種波,那么光是橫波還是縱波呢?

問題2.我們是如何區(qū)分橫波和縱波的呢?

教學(xué)分析:“學(xué)起于思,思源于疑”.設(shè)疑導(dǎo)入,抓住學(xué)生的關(guān)注,誘發(fā)學(xué)生思維.進(jìn)而從橫波、縱波的概念出發(fā)分析光是橫波還是縱波.使學(xué)生產(chǎn)生“光無法直觀觀察其振動(dòng)”的新的疑問.引出偏振概念的教學(xué).

圖2 光的干涉、衍射圖樣

2.2 方法選擇

由于光波的不可視性導(dǎo)致利用質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)與傳播方向關(guān)系判斷光是橫波還是縱波不可行.那么從可直觀觀察的機(jī)械波出發(fā),分析橫、縱波還有什么不同之處.

圖3 機(jī)械波的偏振實(shí)驗(yàn)

演示實(shí)驗(yàn)1.利用電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的振針帶動(dòng)另一端固定的細(xì)繩產(chǎn)生駐波,觀察駐波通過狹縫后的情況[圖3(a)].

演示實(shí)驗(yàn)2.利用橫桿穿起玩具彈簧,抖動(dòng)彈簧形成縱波,觀察縱波通過狹縫后的情況[圖3(b)].

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:只有橫波才能發(fā)生偏振現(xiàn)象.

教學(xué)分析:實(shí)驗(yàn)與探究奠定了物理學(xué)的實(shí)證基礎(chǔ),也是當(dāng)代物理教育的核心實(shí)踐活動(dòng).[2]通過演示實(shí)驗(yàn)使學(xué)生通過直觀地觀察、了解偏振現(xiàn)象,明確橫波、縱波的區(qū)別,為探究光是橫波還是縱波提供了實(shí)驗(yàn)方法.演示實(shí)驗(yàn)時(shí),注意強(qiáng)調(diào)“選取與繩、彈簧相匹配的狹縫”,為后面介紹偏振片做好鋪墊.

2.3 制定方案及實(shí)施

器材選擇:偏振片——與光相“匹配”的“狹縫”．能使振動(dòng)方向與其透振方向平行的光通過狹縫.

觀察對(duì)象:教室中的各種光——日光燈管,液晶屏發(fā)出的光,透過窗玻璃照進(jìn)來的陽(yáng)光,各種物體表面的反射光.

實(shí)驗(yàn)方法:每組發(fā)放兩個(gè)偏振片,使學(xué)生自由進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、觀察.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:如表1所示.

表1 探究實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象記錄

教學(xué)分析:引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程,有利于提高學(xué)生的科學(xué)探究能力,掌握科學(xué)研究方法.親歷探究過程,分享實(shí)驗(yàn)結(jié)果,有利于提高學(xué)生信息意識(shí)和合作學(xué)習(xí)的能力.各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分享中,學(xué)生會(huì)對(duì)現(xiàn)象成因產(chǎn)生疑問,而這種疑問正是學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí),挖掘現(xiàn)象之中物理原理的動(dòng)力.

2.4 分析論證 得出結(jié)論

問題1.在觀察中,旋轉(zhuǎn)偏振片時(shí)大多會(huì)看到光有明暗的變化說明什么?

觀察到光有明暗變化說明光有時(shí)能通過偏振片,有時(shí)不能通過——說明光能發(fā)生偏振現(xiàn)象——說明光是橫波.

問題2.為什么用一個(gè)偏振片觀察日光燈時(shí)卻沒有看到明暗變化的現(xiàn)象?

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.一般光源直接發(fā)出的光是自然光.

線偏振光:在垂直于傳播方向的平面上,沿著某個(gè)特定的方向振動(dòng)的光.

部分偏振光：在垂直于傳播方向的平面上，沿某一定方向的光振動(dòng)較強(qiáng)，而與之垂直的光振動(dòng)較弱.

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn):撕下偏振片邊緣的貼紙,觀察兩個(gè)偏振片的透振方向,重復(fù)第2個(gè)實(shí)驗(yàn),觀察什么情況下觀察到的光最暗(完全消失),什么情況光最亮.

得出結(jié)論:光能夠發(fā)生偏振,說明光是橫波.

教學(xué)分析:問題1引導(dǎo)學(xué)生建立“光能發(fā)生偏振” 的理念,問題2又進(jìn)一步使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知不協(xié)調(diào),使學(xué)生帶著疑問進(jìn)入“自然光、偏振光”概念的學(xué)習(xí),有利于學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性的激發(fā).驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步使學(xué)生明確自然光和偏振光的區(qū)別,并明確兩個(gè)偏振片的作用(起偏、檢偏).

2.5 反思交流

實(shí)驗(yàn)中可以看出自然光經(jīng)過各種物質(zhì)反射、折射之后的光是不同程度的偏振光.當(dāng)入射角滿足某一特定值時(shí)反射光是線偏振光.

播放實(shí)驗(yàn)視頻:透過偏振片觀察水面.旋轉(zhuǎn)偏振片的過程中,可以看到水面反光有時(shí)強(qiáng)烈,有時(shí)完全沒有(圖4).

圖4 偏振片消除水面反光

因此可利用偏振片制成偏光眼鏡或者在相機(jī)鏡頭前增加偏光鏡來消除反光.

實(shí)驗(yàn)中可以看到液晶屏射出的光為偏振光——這與液晶的工作原理有關(guān).液晶可以使通過其中的光的振動(dòng)方向發(fā)生改變,而這種改變的程度與給液晶所加電壓有關(guān)——液晶的這種特性稱為“旋光性”.

演示實(shí)驗(yàn):光源發(fā)出的光通過偏振片1后變?yōu)槠窆?使該偏振光通過糖水,用另一偏振片2分析透過糖水后的光的振動(dòng)方向與偏振片1的透振方向不同.而糖水的旋光角度與其濃度有關(guān).利用這一原理可以制作成旋光儀來檢測(cè)旋光溶液濃度.

教學(xué)分析:通過對(duì)學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象討論交流,在解決疑問的過程中學(xué)習(xí)偏振光在實(shí)際生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用.同時(shí)教學(xué)中配以相關(guān)實(shí)驗(yàn)展示,有利于加深學(xué)生理解,降低學(xué)習(xí)難度.消光實(shí)驗(yàn)中,讓學(xué)生看到旋轉(zhuǎn)偏振片過程中水面反光的變化效果非常震撼,有利于加深學(xué)生的印象.

3 教學(xué)反思

“光的偏振”中有很多新的概念和現(xiàn)象,而這些知識(shí)本質(zhì)都是在解決“光是橫波還是縱波”這個(gè)問題中學(xué)習(xí)的.由于光的偏振現(xiàn)象的抽象性及學(xué)生的抽象思維能力有限,所以在教學(xué)中主要采用教師設(shè)疑,學(xué)生探討的教學(xué)模式,讓學(xué)生觀察、思考、討論,充分發(fā)表意見.這樣既有利于突出重點(diǎn),化解難點(diǎn),又充分發(fā)揮了學(xué)生的主體性.在光偏振應(yīng)用中,利用學(xué)生熟悉的器材、環(huán)境制作微視頻,引起學(xué)生關(guān)注、激發(fā)學(xué)生的興趣．并通過偏光鏡和液晶屏的介紹使學(xué)生了解光偏振的廣泛應(yīng)用.

將整節(jié)課設(shè)計(jì)為學(xué)生的科學(xué)探究過程,讓學(xué)生帶著疑問投入學(xué)習(xí),讓學(xué)生體會(huì)到理論應(yīng)用于實(shí)際的快樂,并且進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生透過現(xiàn)象挖掘理論本質(zhì)、善于思考的習(xí)慣．而科學(xué)探究中不但使學(xué)生了解科學(xué)研究過程,同時(shí)又鍛煉了學(xué)生的交流合作能力,有利于提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng).