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“微視頻”和“動(dòng)畫課件”在光的理論教學(xué)中的運(yùn)用*

摘 要：本文論述了“微視頻”與“動(dòng)畫課件”在光的干涉、衍射及偏振教學(xué)中的應(yīng)用及其研究.這些研究對(duì)《大學(xué)物理》有關(guān)光的內(nèi)容教學(xué)可起到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)習(xí)質(zhì)量的作用．

關(guān)鍵詞：微視頻大學(xué)物理動(dòng)畫課件

就一般地方普通本科院校而言，《大學(xué)物理》課程的教學(xué)時(shí)數(shù)普遍比較少，而學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況又普遍與重點(diǎn)院校存在差距，這就給《大學(xué)物理》課程的教學(xué)帶來不利因素．《大學(xué)物理》課程的光學(xué)部分的一些教學(xué)內(nèi)容由于比較抽象，有的學(xué)生理解這些物理現(xiàn)象存在一定困難，因而在這部分內(nèi)容的教學(xué)過程中雖然教師在課堂上費(fèi)時(shí)費(fèi)力，卻往往收不到較好的教學(xué)效果．盡管探討大學(xué)物理課程的教學(xué)方法文獻(xiàn)有很多[1~5]，但探討利用“微視頻”物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ捷o助講解《大學(xué)物理》課程光學(xué)部分教學(xué)內(nèi)容的文獻(xiàn)卻比較少．為此，文中通過實(shí)例分析探討了“微視頻”物理實(shí)驗(yàn)在《大學(xué)物理》課程“光的干涉、光的衍射”兩個(gè)部分教學(xué)內(nèi)容中的運(yùn)用，這種探討對(duì)提高《大學(xué)物理》課程的教學(xué)質(zhì)量是具有實(shí)際意義的．

1“邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)”微視頻與“光的干涉”理論教學(xué)

“薄膜干涉”是“光的干涉”部分的教學(xué)內(nèi)容之一，一般《大學(xué)物理》教材都會(huì)把“薄膜干涉”的典型應(yīng)用實(shí)例“邁克耳孫干涉儀”作為編寫內(nèi)容．

這部分內(nèi)容的講解有些抽象，一些學(xué)生不容易理解和掌握．如果采取物理演示實(shí)驗(yàn)的形式進(jìn)行這部分知識(shí)的教學(xué)，學(xué)校又不具備這個(gè)條件，且授課學(xué)時(shí)數(shù)較少，也不適合采用這種模式進(jìn)行教學(xué)．

為此，這里以光學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)”的“微視頻”為例，探討大學(xué)物理教學(xué)過程中如何利用實(shí)驗(yàn)“微視頻”資料與授課內(nèi)容有機(jī)結(jié)合的問題．

圖1　邁克耳孫干涉儀原理圖

圖2　邁克耳孫干涉儀干涉圖樣

“邁克耳孫干涉儀”原理圖如1所示，S為光源，G1為分束片，G2為補(bǔ)償板，M1和M2為全反鏡，E為出光口．“薄膜干涉”的相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容不僅要講解“邁克耳孫干涉儀”原理，還要講解“邁克耳孫干涉圖樣”，即一組明暗相間的同心圓紋的干涉圖樣，如圖2所示．還要給出M1移動(dòng)的距離Δd與光源波長λ，“冒出”或“陷入”干涉圖樣中心的條紋數(shù)目ΔN的關(guān)系式

(1)

以及解釋什么條件下“冒出”或“陷入”干涉條紋的現(xiàn)象等等．

另外，除了讓學(xué)生觀察現(xiàn)象，理解概念，總結(jié)公式外，在此基礎(chǔ)上，教師還可以給出相關(guān)的測量數(shù)據(jù)，讓學(xué)生課堂上計(jì)算出入射光源的波長．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示．

學(xué)生根據(jù)式(1)較容易地計(jì)算出該實(shí)驗(yàn)光源的波長為0.000 635 9 mm，即635.9 nm．

通過“邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)”的“微視頻”播放，不僅可以激發(fā)學(xué)生的好奇心，還調(diào)動(dòng)了他們的學(xué)習(xí)積極性．因此，學(xué)生不僅較易掌握“薄膜干涉”中“等傾干涉”的相應(yīng)計(jì)算公式，理解“邁克耳孫干涉”現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，還掌握“冒出”或“陷入”干涉條紋現(xiàn)象產(chǎn)生的條件，大大提高了《大學(xué)物理》課堂教學(xué)效率，也為學(xué)生將來在物理實(shí)驗(yàn)課中做此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目了做了較好的鋪墊工作．

表1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果

2“光柵衍射實(shí)驗(yàn)”微視頻與“光柵衍射”理論教學(xué)

一般《大學(xué)物理》教材中“光的衍射”這部分教學(xué)內(nèi)容，都會(huì)編寫光柵衍射方程、光柵衍射光強(qiáng)分布等內(nèi)容，而這部分內(nèi)容的講解，如果只是通過語言講解和多媒體課件演示相結(jié)合，有的學(xué)生不能較好地理解和掌握，也收不到較好的教學(xué)效果．為此，可采取“光柵衍射實(shí)驗(yàn)”的“微視頻”播放與“光柵衍射”教學(xué)內(nèi)容講解相結(jié)合的教學(xué)模式，可以收到較好的課堂教學(xué)效果．

“光柵衍射”原理如圖3所示，G為光柵，L為透鏡，H為觀察屏．f為透鏡的焦距，θ為衍射角，b為狹縫寬度，b′為狹縫間距，b+b′為光柵常數(shù)．在這部分知識(shí)的教學(xué)過程中，除了要講解“平行光垂直照射到透射光柵上時(shí)，在衍射角為θ時(shí)，相鄰兩縫發(fā)出的光到達(dá)透鏡后面的焦平面處的屏H上P點(diǎn)時(shí)的光程差都是相等的，光程差為(b+b′)sinθ”等知識(shí)點(diǎn)外，還要給出光程差(b+b′)sinθ與波長λ的關(guān)系式，即光柵方程

(b+b′)sinθ=±kλk=0,1,2,3,…

(2)

利用光柵衍射方程(2)式，就可以計(jì)算出單色光的波長λ．而且要解釋“光柵衍射圖樣是單縫衍射和多縫干涉的總合效果”以及“在觀察屏上會(huì)看到什么樣的現(xiàn)象”等等．由于語言講解描述起來比較繁瑣，且不直觀，需要學(xué)生想象出光柵衍射圖樣．實(shí)際教學(xué)效果不算太好．

圖3　光柵的多光束干涉

如果結(jié)合播放“光柵衍射實(shí)驗(yàn)”的“微視頻”來講解“光柵衍射”教學(xué)內(nèi)容，不僅可以讓學(xué)生通過觀察屏直觀看到衍射圖樣，而且讓學(xué)生明確看到入射光為白光時(shí)，波長λ不同，衍射角θ不同，則產(chǎn)生色散，形成光譜．即除中央零級(jí)(k=0,θ=0)條紋O點(diǎn)，與波長無關(guān)，也就是說中央明條紋與波長無關(guān)由各色光混合為白色外，其他各級(jí)次(k≠0)條紋的衍射角θ與波長λ有關(guān)，在同級(jí)(k≠0)衍射條紋中，λ較大者，θ較大，λ較小者，θ較?。捎诩t橙黃綠青藍(lán)紫色的波長是由大到小的，因此衍射角也是由大變小的，由此可以知道：兩側(cè)各級(jí)明條紋都從紫到紅對(duì)稱排列，紫光靠近中央明條紋， 紅光遠(yuǎn)離中央明條紋，形成彩色光帶，也稱為衍射光譜，而且k級(jí)紅光有可能與k+1級(jí)紫光重疊，甚至越過，如圖4所示．

圖4　白光衍射光譜

通過“光柵衍射實(shí)驗(yàn)”的“微視頻”播放與“光柵衍射”教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)結(jié)合，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，還充分集中了他們的課堂注意力．而且通過這種方式，學(xué)生不僅較容易地掌握“光柵衍射”的相應(yīng)計(jì)算公式，理解“光柵衍射實(shí)驗(yàn)”現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，掌握彩色光帶的形成原因和分布情況等．還為學(xué)生將來在物理實(shí)驗(yàn)課中做好“光柵衍射”實(shí)驗(yàn)打下了良好基礎(chǔ)．

3“動(dòng)畫課件”與“光的偏振”理論教學(xué)

一般《大學(xué)物理》教材中“光的偏振”這部分教學(xué)內(nèi)容，都會(huì)先編寫自然光、線偏振光、部分偏振光、起偏器、檢偏器、馬呂斯定律等內(nèi)容．這部分內(nèi)容的講解采用“動(dòng)畫課件”就可以收到非常好的教學(xué)效果．比如，利用如圖5所示的“動(dòng)畫課件”可以演示“馬呂斯定律”公式，其表達(dá)式如下

I=I0cos2θ

(3)

式中θ為“起偏器”和“檢偏器”的偏振化方向之間的夾角．

圖5　光的偏振

通過放映制作的“光的偏振”動(dòng)畫課件與課堂啟發(fā)式的講解，可以使學(xué)生較深刻地理解和掌握“自然光”、“線偏振光”、“起偏“、”檢偏”等概念以及“馬呂斯定律”計(jì)算公式，收到事半功倍的教學(xué)效果．

4結(jié)語

通過對(duì)“邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)”微視頻在“光的干涉”理論教學(xué)中的運(yùn)用以及“光柵衍射實(shí)驗(yàn)”微視頻在“光柵衍射”理論教學(xué)中的運(yùn)用的探討，以及“起偏器和檢偏器”的“動(dòng)畫課件”在“光的偏振”理論教學(xué)中的具體運(yùn)用，對(duì)于探討“微視頻”及“動(dòng)畫課件”在《大學(xué)物理》課程教學(xué)中的應(yīng)用是一個(gè)有益的嘗試．在《大學(xué)物理》課程教學(xué)中注意兩種模式的分別運(yùn)用，也可以把這兩種模式有機(jī)結(jié)合起來進(jìn)行課堂教學(xué)，不管哪種模式都可以激發(fā)學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，還可以激發(fā)學(xué)生的潛能，對(duì)于提高少學(xué)時(shí)的《大學(xué)物理》課程的教學(xué)質(zhì)量是有實(shí)際意義的，尤其是對(duì)于拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)思路，啟迪學(xué)生的理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合創(chuàng)新意識(shí)也是具有積極意義的．

參 考 文 獻(xiàn)

1倪燕茹.補(bǔ)償法的運(yùn)用與探討.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007,21(7)：51~55

2倪燕茹.類比法和補(bǔ)償法在大學(xué)物理教學(xué)中的的運(yùn)用與探討.內(nèi)江師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2009,24(8)：83~86

3孫厚謙，洪林，史友進(jìn)，等.應(yīng)用型工科“大學(xué)物理”課程教學(xué)改革的實(shí)踐與思考.中國大學(xué)教學(xué)，2010(12)：49~51

4彭傳正.基于CDIO理念的大學(xué)物理教學(xué)改革研究.物理通報(bào),2013(10):24~25

5王慧君.地方院校大學(xué)物理“模塊類·結(jié)構(gòu)化·建構(gòu)化”教學(xué)模式初探.河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2011(12)：102~1031

(收稿日期：2015-09-28)

作者簡介：倪燕茹**泉州師范學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目，編號(hào)：201434倪燕茹(1965-)，女，學(xué)士，副教授，主要從事大學(xué)物理理論與實(shí)驗(yàn)研究．
(泉州師范學(xué)院物理與信息工程學(xué)院福建 泉州362000)