可見光范圍電磁波實踐教學中課程思政探索
——以牛頓環實驗為例

朱雙美，董西廣，王 遠，毛乾輝，李會序

（1.河南工程學院理學院，河南 鄭州 451191；2.河南工程學院計算機學院，河南 鄭州 451191）

0 引言

習近平總書記指出：“高校立身之本在于立德樹人”。全面推進課程思政建設，是落實立德樹人根本任務的重要戰略舉措，涉及培養社會主義事業建設者和可靠接班人重大問題，影響甚至決定著國家的長治久安[1]。教育部要求各高校緊緊圍繞“培養什么人、為誰培養人和怎樣培養人”這個重大問題，全面貫徹落實黨的教育方針政策，扎實推進“五育并舉三全育人”行動計劃，堅持在教育教學全過程要融入課程思政內容，努力實現全員育人、全過程育人、全方位育人，多措并舉打造一批深度融合的課程思政“樣板課”和“金課”，推動各類課程與思想政治理論課同向同行、協同育人，促進高校人才培養質量的不斷提升[2]。

在高等學校的課程設置中，物理學課程中的電磁學是強調不以人類意志為轉移的客觀規律的知識性學科，課程思政則是強調具有一定的價值引領作用的規范性學科。怎樣沖破這兩類不同學科之間的“壁壘”，將思想政治教育“無痕地”融入物理學課程的電磁學教學，為我們偉大祖國的建設培養有用的棟梁之材，是值得電磁學授課教師認真思考和探究的一個時代命題[3]。一定頻率范圍的電磁波可以被人眼所看見，稱之為可見光，或簡稱為光，可見光波屬于電磁波[4]。在電磁波的整個波段范圍內，可見光波只占很窄的一段。光的電磁理論能解釋光的傳播、干涉、衍射等現象。牛頓環實驗是利用分振幅的方法產生的干涉現象，也是典型的等厚干涉。通過該實驗，學生可以對光的干涉原理和現象有更形象的認識和應用。學會利用光的干涉法去測量凸透鏡的曲率半徑、了解讀數顯微鏡的使用方法和逐差法處理數據的方法。從而提高學生觀察、思維、動手和創造能力以及獨立解決問題的能力。本文以等厚干涉牛頓環實驗為例，對可見光范圍電磁波實踐教學中課程思政進行了探索。

1 課程思政融入牛頓環等厚干涉實驗的構思

1.1 物理學史教育幫助學生形成正確的價值觀

牛頓曾研究過光，并在17世紀發現了光的色散及反射望遠鏡。有一次他在研究望遠鏡的時候，把一個平凸透鏡和一個平板玻璃放在了一起，細心的牛頓發現在白光照射時，可以看到彩色圓環，而在單色光照射下，則表現為明暗相間的單色圓環。后來人們稱它為牛頓環，也叫牛頓圈。有人用“牛頓環就是上帝在光里扔的石子所引起的漣漪”來形容它的美麗。關于牛頓環的本質，還有一段曲折的故事。17世紀，關于光的本質科學界展開了一場“盟主之爭”，牛頓就是這個時期發現并用微粒說來解釋了牛頓環。因為牛頓的權威性，“微粒說”在19世紀以前一直占據絕對主導地位。但是到19世紀初，托馬斯·楊用光的波動說完美地解釋了牛頓環現象。楊氏雙縫干涉實驗又為建立光的“波動說”夯實了基礎。麥克斯韋提出“光是一種電磁波”理論以后，光的波動理論已經變得牢不可破。直到“光電效應”的發現，牛頓以來最偉大的物理學家愛因斯坦提出了光的“量子性”，即“粒子性”。從此，科學界對“光具有波粒二象性”達成了廣泛共識，這一事實徹底結束了爭論了一個多世紀的理論[5]。

這個故事告訴我們，科學研究不單單需要牛頓這樣善于發現的眼睛，還需要托馬斯楊等這般對真理永無止境的追尋之心。今天我們是站在巨人的肩膀上來做牛頓環實驗的。

1.2 測量曲率半徑的原理部分分析激發學生科學思維

可用牛頓環實驗測量透鏡表面的曲率半徑、判斷透鏡表面及其他光學元件的平整度，測量不同液體折射率等。本實驗是用牛頓環實驗測量透鏡表面的曲率半徑，實驗裝置如圖1所示。當單色平行光垂直照射到該裝置上，會形成以接觸點為中心且內疏外密的明暗相間的圓環形干涉條紋。當一束平行光垂直照射在牛頓環儀上時，空氣層上表面有一束反射光線，下表面同樣也有一束反射光線。由于平凸透鏡曲率半徑很大，所以是小角度反射，可以近似認為反射光線的方向是垂直向上的。兩束反射光線滿足相干光條件，產生干涉。設空氣層薄膜厚度為d，而空氣的折射率n=1。光程差由兩部分組成，一部分光程差為2dn。此外，因為下表面反射光線是入射光由光疏進入光密介質產生的，所以會有半波損失，這就是另外一部分光程差。所以，在與接觸點O相距r處，兩束反射光的光程差為：

由式（2，3）可以看出d越大k越大，也就是說牛頓環中心的干涉級數是最小的，越靠近外環，干涉級數越大。另外，因為牛頓環上方是平凸透鏡，距離中心越遠，與底部平板玻璃的間隔增加的速度就越快，即每增加一個波長的光程差，需要的半徑增加量就越少，條紋就越細密，所以牛頓環儀上就形成了內疏外密的圖像，如圖1。

圖1 牛頓環實驗裝置及其干涉圖樣。

為了測量平凸透鏡的曲率半徑，研究某一處發生的干涉，設透鏡的曲率半徑為R，條紋半徑為rk，可以畫出圖中這個直角三角形，由勾股定理可以得到：

將其展開：

由于平凸透鏡曲率半徑很大，R是遠遠大于d的，可以省略d的平方得到d的公式：

從圖中可以看出牛頓環的明環比暗環寬，且人眼對暗環比較敏感，所以研究暗環。把d代入（2）式就可以得到第k級暗環半徑公式：

本階段通過勾股定理推導平凸透鏡曲率半徑的公式可以使學生的數學邏輯思維能力得以鍛煉，使學生學會用數學的方法研究物理問題，進而使學生更深入的理解所學物理概念。

1.3 優化實驗方法激發科學探索精神

了解過原理，要進一步完善實驗方法。牛頓環的中心是一塊大的暗斑，很難精確的定準圓心。采取用把十字叉絲分別定位在同級暗環左右兩側切線的位置來測量直徑，避免確定圓心的困難。需把公式（7）中的半徑改為直徑。

在實際測量時，由于牛頓環儀中的灰塵和壓力引起的附加光程差，第k級暗紋很難精確確定?？梢酝ㄟ^算直徑平方差來代替直徑平方。把公式（8）改為關于兩個暗環直徑平方差的公式：

公式（9）表示可以通過測量牛頓環外側的暗紋直徑和級數差來間接測算透鏡的曲率半徑。這才是可以付諸實踐的實驗方法。

在此過程中，需要科學設定實驗流程，教師可以鼓勵學生去嘗試利用其他的改進方法，鼓勵學生深入思考、認真分析，以此來培養學生嚴謹的科學探索精神。

1.4 實驗操作過程培育學生追求真理的科學精神

該課程重點不但是介紹實驗原理，更重要的是引導學生將理論知識遷移到實用中來，面對具體問題，具體運用。接下來做實驗前的準備工作：第一步開啟鈉光燈并預熱5分鐘。第二步，用手調節牛頓環上的三個螺釘，使牛頓環位于其正中心，此時用肉眼可以看到很小的彩色干涉圖像。第三步，調節目鏡調焦旋鈕，使十字叉絲清晰并且橫平豎直然后固定目鏡。第四步，使讀數顯微鏡的物鏡靠近待測牛頓環，轉動調焦手輪，改變牛頓環與物鏡之間的距離，使牛頓環通過物鏡所成的像恰好在叉絲的平面上且可以看到清晰的叉絲與被放大的牛頓環所成的像。第五步，改變牛頓環儀裝置的位置，使叉絲位于牛頓環的正中心。做好了前期準備工作，接下來測量牛頓環的直徑。轉動測微鼓輪，使十字叉絲向左移動，移動到第32暗環左邊，然后反方向轉動測微鼓輪到牛頓環的左邊第30環至21環的外側相切，記下標尺和手輪讀數。繼續轉動測微鼓輪到右邊與第21環至30環的內側相切并記下讀數。這里，一邊外切一邊內切的測量方法可以有效地避免由于牛頓環暗環寬度帶來的測量誤差。最后，同等級暗環左右兩數相減就得到這一級牛頓環暗環的直徑，如圖2。

圖2 測牛頓外環直徑示意圖

得到實驗數據之后，需要用逐差法對數據進行處理。第一步：算出來相差特定級數的暗環直徑平方差之后，再對其求平均值。第二步：把前邊得到的數據帶入公式（9）就算出了平凸透鏡曲率半徑的平均值。

但是在實際實驗操作過程中，由于學生出現不規范操作，會測出許多不同的錯誤結果。如果牛頓環裝置中的三個螺釘擰得太緊，則會導致平凸透鏡發生形變，其曲率半徑被強行改變，這樣測出平凸透鏡曲率半徑的平均值離其標準值會相差很多，會造成很大的誤差；在測量牛頓環的直徑時，目鏡的十字叉絲的豎線傾斜造成與被測環的相切方式不合適；測量過程中出現螺桿空轉引起的回程差造成測量數據不準確；在數牛頓環的級數個數時多數或者少數造成測量數據不準確等。

在檢查學生記錄的原始實驗數據時，如果數據有誤，需通過分析數據偏差的原因啟發學生去探索、去修正實驗操作過程，而不能簡單地要求的他們重做。同時要求學生在實驗中不放過任何一個微小的細節，對實驗誤差一次一次校正，其過程即是追求真理的過程。通過一步一步的實驗及糾錯引導，在潛移默化中培育了學生追求真理的科學精神。

2 總結

教書與育人是同向同行且如影隨行的兩件事情，又是一個辯證統一過程。在教學的過程中，走進學生的心靈深處，并潛移默化的影響它們。作為物理學專業電磁學課程教師要牢固樹立課程思政意識和育人理念，充分挖掘所教課程中的思政元素，并在教學設計環節巧妙地融入思政元素，在整個課堂教學過程中實現教育與德育同向同行，全力培養出德才兼備的社會主義建設者和接班人。本文以等厚干涉牛頓環實驗為例，通過對光的電磁理論實踐教學實施“課程思政”，培養學生的科學素質，科學精神，把教書和育人有機融合在一起。