關于“光的偏振”教學的一些嘗試

劉志國 黃喜強 張伶莉 曹永印 王慶東 王曉鷗 張 宇 趙 遠

(哈爾濱工業大學物理學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

教育的目標是“授之以漁”，而非“授之以魚”，也就是說，育人是教育的最終目的。在教育過程中，學生是學習的主體，教育目標的達成，離不開學生的主動學習。因此，調動學生的學習積極性，讓學生能夠主動地學習，在課堂教學中至關重要，在高等教育中更是如此。

我校的大學物理課程是在本科一年級的春季學期和二年級的秋季學期講授的。經過高考前的緊張復習和磨練，加上高考后漫長的暑假，一部分學生在學習上比較懶散，甚至出現厭學情緒，在課堂上不夠專心，教學效果也不盡人意。如何改變這種狀況，讓這部分學生在教學過程中能夠積極主動，已成為大學物理課教師的任務之一。與此同時，提升課堂教學的效果，讓學生加深對所學知識的理解，也是任課教師需要重點考慮的事情。

大學物理課程中光學部分的內容，主要是由波動光學構成的，只有少量幾何光學的知識。從高中的幾何光學為主一下跳躍到波動光學為主的情況，學生需要一段時間適應。而“光的偏振”一章，概念又比較多，如自然光、圓偏振光、偏振片、布儒斯特角、晶體的雙折射、偏振光干涉、旋光等；對于有些概念和問題，學生理解起來比較困難，如尋常光、非尋常光、惠更斯作圖法等。這些情況使“光的偏振”成為教學中的難點，如果不認真對待，教學效果必然受到影響[1]。

2018年秋季學期，針對“光的偏振”一章，我們對課堂教學進行了全新的設計和嘗試，目的是提升學生對相關知識的興趣，調動學生的積極性，讓復雜的問題簡單、直觀化，從而達到提升教學效果的目的。

1 指導思想

錢學森[2]曾經說過，自然科學中最基礎的學問有兩門，一門是物理，是研究物質運動基本規律的學問；另一門是數學，是指導我們推理、演算的學問。 應用科學(工程技術)利用基礎科學來解決生產實踐中的問題。因此，對工科院校的學生來說，扎實地掌握物理知識對從事進一步研究工作是非常重要的。

讓學生學習物理知識，首先要激發學生的興趣，讓他們對后續的講解充滿期待。怎樣才能做到這一點呢？我們知道，物理來源于生活，是一門實驗科學，因此演示實驗在大學物理教學中起到了重要的作用[3]。讓演示實驗產生良好的效果，甚至超過預期，是保證教學效果的關鍵。

既然物理來源于生活，那么物理知識應該能夠解釋生活中的各種現象。所以，物理理論知識的講解應緊密結合演示實驗，并能夠說明實驗中各種現象的緣由，讓學生感到物理知識并不是抽象和枯燥的，而是實實在在的，能夠感受得到的。否則，就不是成功的授課。

學習物理知識的目的是為了將其應用到各行各業。介紹相關物理知識的應用應該成為課堂教學的一部分，對于工科院校的學生，尤其重要[4]。在課堂上適當介紹一點兒知識的簡單應用，或者一些儀器的基本原理，可大大地提升學生對所學知識的深入理解。如果能夠講解物理知識在最新科學研究成果中的應用，對于學生的觸動是相當驚人的。

總之，指導思想可以概括為：以演示實驗為主線講解物理知識；以實際應用來加深物理知識的理解。

2 實施方案

在“光的偏振”部分，演示實驗比較豐富，為物理教學提供了大量的教學輔助材料。在具體的課堂教學過程中，我們盡量做到使知識講解和演示實驗有機地結合，充分發揮演示實驗的作用，以提升教學效果。

2.1 問題的引入

物理教學中，怎樣引入教學內容，需要精心設計。最終目的是讓學生集中注意力，用心聽講。利用物理現象引入物理問題是一個不錯的選擇，關鍵是在課堂的一開始就能引起學生的興趣，并能引發他們的思考以及對接下來教學內容的期待。因此，在選擇演示實驗時，我們選擇那些盡量接近生活，并能讓人感到出乎意料的例子，如果例子能讓人感到震撼，那么效果就更好了。因此，我們的課堂教學是從演示實驗開始的，并且按知識點進行單元式教學。以下是我們教學過程的一些具體例子。

圖1 演示實驗“穿墻而過”

例1在講解“起偏和檢偏”部分內容時，我們用到了圖1所示的演示儀器，稱為“穿墻而過”。其結構是兩片透振方向垂直的偏振片，卷起來放進透明的圓筒內，各占一半空間，在交界的地方，由于光線經過兩張偏振片后發生了消光，讓人感覺到中間部分有一塊“擋板”。當使圓筒中的網球從一側滾到另一側時，網球穿過了“擋板”！

當學生看到這個實驗現象時，無不感到驚訝，有的學生甚至想到近前仔細看看是怎么回事。這樣，學生的注意力一下子就被吸引過來，好奇心也被調動起來，對后面的講解也更加感興趣了。

例2在“反射和折射起偏”部分，如果只是按部就班地進行理論講解，大部分學生會覺得不易接受，而且覺得枯燥。我們采用了與教學密切相關的演示，即讓學生從反光比較強烈的地方來看黑板上的字跡，他們會反映看不清。這時，我們遞給他們一片偏振片，調整好角度。當透過偏振片能看清黑板上字跡的時候，他們都發出了驚嘆，其內心的觸動是顯然的。對于那些坐在黑板正面的學生，讓他們觀察地面上日光燈的反光，如圖2所示。調整好偏振片的角度以后，反光被濾掉！與單純的理論講解相比較，利用演示實驗、用比較實用的方式來說明反射光是部分偏振光，往往使學生印象深刻，不易忘記。

圖2 利用偏振片觀察地面反光(a) 地面反射光； (b) 反射光通過偏振片； (c) 偏振片轉過90°

例3在講解“晶體的雙折射”一節時，“非尋常光”的概念非常難以理解，單單通過講授是不易達到教學效果的。我們在講授這部分內容時，先讓學生在紙上畫一個點，然后讓他們閉上眼睛，將方解石蓋到黑點上。當他們睜開眼睛時，看到了兩個黑點！不少學生有點不相信，還特意把方解石移開，看到底是幾個點。

圖3 方解石的雙折射(a) 雙折射現象； (b)(c) 轉動偏振片，兩個像交替出現

接著，讓學生透過偏振片來觀察這兩個點，轉動偏振片時，可以看到兩個黑點交替出現。也就是說，兩束光都是偏振光！而且，兩個點出現時偏振片的透振方向成90°角，說明這兩束光的偏振互相垂直。圖3給出了相應的照片。這個實驗做完，課堂氣氛馬上活躍起來。

從我們的教學效果來看，從演示實驗開頭，以物理現象引入教學內容，更容易激發學生學習的主動性。在好奇心的驅使下，學生往往能在課堂中表現得更為積極，物理知識的傳授也就變得輕松了。

2.2 知識的講解

在前面的演示實驗中，已經把學生的積極性調動起來。接下來要做的就是相關知識的講解。物理理論的講解要緊密圍繞實驗中看到的現象，始終讓學生處于同一問題的思路中，注意力也一直處于集中狀態。講解中使用簡短的語言和公式，盡量做到通俗易懂。

例如，在例1的演示實驗完成后，先講授自然光和偏振光的區別，然后介紹從自然光中獲得線偏振光的方法，在此基礎上再講授其他種類的偏振光和偏振光的檢驗方法。當光線連續通過兩塊偏振片時，透射光的強度與兩個偏振片之間夾角余弦的平方成正比，即馬呂斯定律。這樣，“起偏和檢偏”部分的內容就完成了。

對于“反射和折射起偏”部分，通過實驗可知自然光反射后變成部分偏振光，接下來說明這是光的橫波性引起的，即光矢量的振動方向只能垂直于光的傳播方向。隨著入射角的改變，反射光的兩種偏振比例將發生改變，到特定角度，反射光中只含有垂直入射面的振動，成為完全線偏振光，這就是布儒斯特定律。再進一步，講解折射光的偏振狀態，并介紹從折射光中獲得線偏振光的方法。

“晶體雙折射”部分的理論，從“尋常光”和“非尋常光”講起，接著介紹晶體的光軸(兩種光線不分開)，再介紹兩束光的偏振狀態。通過光矢量與光軸的方位關系，說明雙折射的起源，即晶體中非尋常光的光速隨偏振方向與光軸的夾角而改變。利用兩束光在晶體中的速度可以做出它們的波面，并由此引出惠更斯作圖法。

這種講解方式的優點是與實驗現象聯系緊密，講解過程比較連貫，概念、公式和定律引出自然，學生接受起來比較容易。

2.3 理論和實驗的對照

物理知識講解完成后，再做一次演示實驗，觀察實驗現象，并用相關物理知識來進行解釋。解釋實驗現象時要言簡意賅，讓學生有一種恍然大悟的感覺。

例如，對于“穿墻而過”實驗，需要介紹實驗儀器的結構，說明中間的那個“隔板”其實并不存在(可以讓學生仔細觀察儀器)，而是透振方向相互垂直的兩個偏振片造成的視覺效果，即第一個偏振片實現了自然光的起偏，而第二個偏振片造成了消光，所以網球的運動沒有受到任何阻礙。

對于例2中的反射光，先和學生判斷入射面的方向。由于反射光中垂直于入射面的振動分量比較多，可以轉動偏振片的方向，讓這個分量消光，反射光的強度就會大幅度降低，黑板或者地面上的相應位置就會看清楚。

方解石是晶體，是各向異性材料。兩種方向偏振的光在晶體中傳播速度不同，由惠更斯作圖法可知，其傳播方向不一樣，這就是雙折射現象，紙上的點也因此產生了兩個像。兩束光的偏振方向垂直，因此利用偏振片檢偏時均有消光現象，且透振方向成90°角。

至此，通過兩次給學生演示實驗，不僅加深了學生的印象，理論和實驗之間也實現了統一；理論知識很好地解釋了實驗現象，學生心里的疑問也因此得到解決。

2.4 展示實驗變化，加深理論理解

將前述物理規律進行拓展，也就是改變相關實驗參數，就可以觀察到不同的物理現象，這有助于深入地理解物理知識。

例如，講解了“起偏和檢偏”內容之后，可以問學生一個問題：透過兩個透振方向相互垂直的偏振片觀察，眼前一片漆黑，看不到任何光線，如果在兩者之間插入第三個偏振片，透振方向不同于這兩片，將發生什么現象？在學生回答之后，利用實驗說明加入第三個偏振片后就可以透光，再利用馬呂斯定律進行解釋。經過這樣的過程后，學生對馬呂斯定律就會更加熟悉。

如果入射光的偏振方向處于入射面內，并且入射角等于布儒斯特角，反射光線將是怎樣的？這樣的問題對于理解布儒斯特定律是很有幫助的。通過實驗讓學生知道，這個時候只有折射光線，反射光線將消失。

光線通過方解石后分為兩束，那一束是非尋常光？變換入射光的方向，兩條折射光線將如何變化？第一個問題可通過轉動方解石來判斷，因為方解石直接接觸紙面，因此入射角為90°，尋常光的折射光線始終垂直于晶體表面，不改變方向，而非尋常光將繞著尋常光旋轉。對于第二個問題，可通過惠更斯作圖法給出，也可通過實驗驗證。在光軸方向和垂直光軸方向，兩束光不分開，隨著對這兩個方向的偏離，兩束光將逐漸分開。如果這些問題能弄清楚了，在實驗中也觀察到現象了，那么對雙折射的理解也就透徹了。

2.5 介紹知識的應用

“學以致用”是學習科學知識的最終目的。物理知識在生產、生活中有著廣泛的應用。一些科學儀器的基本原理往往非常簡單，就是利用了課堂中講到的物理規律。在教學中給學生介紹這樣的應用，對于啟發學生的思考，培養其創新精神無疑是重要的。在以往的教學中，這部分的比例并不大。這次嘗試，我們大幅提高了知識應用部分所占的比例，以拉近物理知識和實際之間的距離。以下是課堂中講解的一些例子。

晚上汽車在沒有路燈的路上行駛，打開遠光燈是必要的，因為這可以讓司機的視野更開闊。但是，路對面來車的司機會感到炫目，容易引發交通事故。解決的辦法就是在汽車的照明燈和風擋玻璃前面加裝一個和地面成45°角的偏振片，當對向來車時，兩車的透振方向垂直，燈光互不影響。

根據反射光線和反射面可判斷入射面的方向，由布儒斯特定律可知反射光偏振的優勢方向。在相機前面加裝一個偏振片，就能減小反射光的影響，這是高品質攝影中經常使用的方法。又如，在激光器內部加兩片法線方向和光線成布儒斯特角的光學玻璃，出射的激光就是線偏振光，因為在諧振腔里經過多次反射后，激光垂直光學玻璃入射面的偏振已經沒有了，只有平行入射面的偏振。

將雙折射晶體切成表面平行于光軸的薄片，可制成波片。它利用尋常光和非尋常光傳播速度的不同，造成兩束光之間的相位差。若相位差為90°，稱為1/4波片，若為180°，則稱為1/2波片。因為這種情況下兩束光的偏振方向垂直，所以1/4波片的作用是使線偏振光變成圓偏振光，或者使圓偏振光變成線偏振光；而1/2波片的作用是使線偏振光的偏振轉過一定角度。

這些應用的原理很簡單，用到的物理知識也不復雜，學生理解起來并不困難。在講授大學物理時加入這些內容，對開拓學生視野、知識的活學活用會起到積極的促進作用。

3 學生反饋

經過這學期的教學實踐，學生對這種教學模式是認可的。這種重視演示實驗和實際應用的教學模式還是有非常好的前景的。以下摘錄了部分學生對這種課堂教學模式的反饋。

“……有趣至極。有時候真不知道他們是怎么設計出這樣那樣的實驗的，其中許多點子都是我考慮不到的，這也可以開拓我的思路……”；

“……效果蠻好的。因為展示時，頭不暈了，眼皮不打架了，手機也不玩了呢。大家都全神貫注地參與到實驗中……”；

“……課前課中都有展示，課前激起學生興趣和探知欲，在課中通過物理理論的講解指導學生逐步理解物理現象的本質原因。在課中也有展示，可以加深學生印象……”；

“……相對來說新的物理過程能夠更全面地展示所學的內容。兩次演示能加深我們對知識點的理解和掌握……”；

“……新的物理過程展示，給我們講的時候更有脈絡，邏輯更清晰易懂，而且確實更能激發我們的興趣。因為在了解現象之后，我們會更渴望知道為什么是這樣的，原理是怎樣的，而不是像以前那樣……”；

“……新的物理過程展示更好，在講解理論之前先展示實驗現象，能激發我們對問題的探索……，我認為新的展示更能引發我們對問題的思考。

……可以讓我們感到物理現象好奇妙，使我們更專注地投入到課堂……”；

“……展示效果較好，能夠吸引注意力……”；

“……新的物理過程展示可以讓大家一起看現象，通過觀看實驗能更集中地去學習，在很大程度上減小了課堂分神……”。

4 結論

經過一段時間的課堂教學，大學物理課程中“光的偏振部分”內容已經講授完畢。根據學生的反饋情況來看，教學效果還是很好的。教學回歸了“物理是實驗科學”這一根本，使抽象、枯燥的書本知識與實際聯系了起來，學生對物理也產生了“面對面”的了解。新的教學方式使學生的知識基礎更加牢固，思維更加活躍，視野也得到了拓展。