大學(xué)物理光學(xué)與實際應(yīng)用相結(jié)合重要性的研究

張麗娟+++肖奎++++周政

【摘要】本文對大學(xué)物理教材的現(xiàn)狀進行一些分析和比較，指出光學(xué)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(guān)鍵詞】光學(xué) 實際生活 融合 物理文化

中國分類號：O43

一、引言

光學(xué)是物理學(xué)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(zhì)相互作用的基礎(chǔ)學(xué)科。它與原子物理、電動力學(xué)和量子力學(xué)等后繼課程有密切的關(guān)系。激光的出現(xiàn)和發(fā)展，使光學(xué)的研究進入一個嶄新的階段，成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)前沿陣地之一。對于非物理專業(yè)的學(xué)生來說，大學(xué)物理光學(xué)教材涉及的主要是波動光學(xué)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(nèi)容很少。其實光學(xué)的理論與實際相結(jié)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(xué)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(xué)家費曼說：“對學(xué)習(xí)物理的人來講，重要的不是如何正規(guī)嚴(yán)格地解微分方程，而是能猜出它們的解并理解其物理意義。”國外教材把物理概念的理解放在第一位。著名的美國認(rèn)知學(xué)派心理學(xué)家布魯納認(rèn)為：“學(xué)習(xí)的最好刺激，乃是對所學(xué)教材的興趣。” 出于這樣的考慮，美國大學(xué)物理教材為了吸引學(xué)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(yīng)用，從試驗技術(shù)到自然現(xiàn)象，內(nèi)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(xué)會和物理教師協(xié)會于1987年8月共同發(fā)起并提出大學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)規(guī)劃，并于1996年底結(jié)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(xué)的來龍去脈》。這種模式的教材特點是按照幾個指導(dǎo)性的主題或稱之為來龍去脈的主線來講授物理學(xué)。它給人以清晰、明了、簡潔的印象[2]。教材由四個指導(dǎo)性的主題構(gòu)成，即“星際旅行”、“地球變暖”、“雷雨物理”、“粒子干涉”。分別講授力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和近代物理。用“雷雨物理”來引入和描述光學(xué)，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(nèi)教材對生活聯(lián)系很缺乏

在國內(nèi)一些工科教材如高教出版社馬文蔚主編的《物理學(xué)》和我們現(xiàn)在使用的一些大學(xué)主編的工科教材，這些教材特點基本上是沿襲傳統(tǒng)的內(nèi)容和編排方式[4]。除了一些基本的概念、公式和例題習(xí)題之外，沒有特別鮮明的應(yīng)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(rèn)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(xué)與實際生活聯(lián)系的魅力

光學(xué)既是物理學(xué)中最古老的一門基礎(chǔ)學(xué)科，又是當(dāng)前科學(xué)領(lǐng)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(xué)的原理來解釋，原來光學(xué)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。”夕陽為何是紅色的呢？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(zhì)的相互作用引起的，實質(zhì)上是由光和原子中的電子相互作用引起的。在光學(xué)性質(zhì)均勻的介質(zhì)中或兩種折射率不同的均勻介質(zhì)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(cè)向觀察就應(yīng)當(dāng)看不到光。但當(dāng)光束通過光學(xué)性質(zhì)不均勻的物質(zhì)時，從側(cè)向卻可以看到光，這種現(xiàn)象叫做光的散射。

在光學(xué)性質(zhì)完全均勻的物質(zhì)中，由于物質(zhì)的原子性結(jié)構(gòu)而存在著的不均勻性的線度遠(yuǎn)小于光波的波長，可略去不計，故光的散射作用不應(yīng)該發(fā)生。但實際上即使用最精細(xì)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(zhì)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(lán)光、黃光等幾乎都朝側(cè)向散射，僅剩下波長較長的紅光到達(dá)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(lán)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(xué)在與生活相關(guān)的現(xiàn)代技術(shù)中的應(yīng)用

激光問世以來，受到了世人的親睞，激光整容手術(shù)風(fēng)靡全球。激光外科手術(shù)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(lán)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(chǎn)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(shù)。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(chǎn)生的熱量，可以封鎖破損的血管，所以失血不會過多。

三、結(jié)束語

在物理學(xué)的教育中，學(xué)生僅僅了解物理學(xué)公式和概念以及計算是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。應(yīng)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(xué)發(fā)展的原動力。譬如光學(xué)發(fā)展的故事，對學(xué)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(xué)說確立起來，光的波動性終于擺脫物理學(xué)權(quán)威牛頓的控制，也使惠更斯倡導(dǎo)幾十年的波動學(xué)說終于能夠被認(rèn)可.這將教會學(xué)生對已學(xué)知識提出思考并質(zhì)疑現(xiàn)有的東西，推動思維也很有益處.學(xué)會物理的思想，學(xué)會用物理的思想看問題，學(xué)會在生活中思考與物理有關(guān)的知識，這才是真正讓學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)的意義，也是一種物理文化的體現(xiàn).所以，光學(xué)作為物理學(xué)的一個分支，與實際應(yīng)用相結(jié)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(xué)報（ 自然科學(xué)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(xué)院數(shù)理部講師（1978.11-）碩士，從事大學(xué)物理教學(xué)，研究量子光學(xué)等方面。endprint