“光學”課程中布儒斯特定律演示儀的設計與應用

摘要：自制教具可以提高學生的學習興趣，培養(yǎng)學生動手能力和創(chuàng)新思維，對大學課堂教學具有十分重要的意義。在“光學”課程中自制布儒斯特定律演示儀，采用學生生活中常見的CCD攝像頭拍攝圖像，用激光切割亞克力板制作光學旋轉(zhuǎn)支架來控制入射角和出射角，通過Matlab編程處理計算光強，用相對光強極值來自動尋找布儒斯特角位置，進而計算角度大小和介質(zhì)折射率。該裝置既可直觀演示布儒斯特現(xiàn)象，又能定量驗證布儒斯特定律，在教學中應用該演示儀，融入以學生為中心理念，制定了布儒斯特定律演示儀在“光學”課程中應用的教學策略。

關(guān)鍵詞：“光學”課程；教學改革；CCD；布儒斯特定律；演示儀器

Abstract：SelfmadeteachingAIDScanimprovestudents'interestinlearning，cultivatestudents'practicalabilityandinnovativethinking，whichisofgreatsignificancetouniversityclassroomteaching.Inopticalcoursehomemadecloth's&nbSlbSUQ2folRvArYwF0VEzg==sp;lawdemonstrationinstrument，usingthecommonCCDcamerainstudentlifeimages，withlasercuttingacrylicplatemakingopticalrotatingbrackettocontroltheAngleandAngleofincidence，throughMatlabprogrammingprocessingtocalculatelightintensitywithrelativelightintensityvaluetoautomaticallyfindcloth，Anglecalculationandmediumrefractiveindex.ThedevicecannotonlyvisuallydemonstratetheBururstphenomenon，butalsoquantitativelyverifyBurorst'slaw.Itappliesthedemonstrationinstrumentinteaching，integratesthestudentcenteredconcept，anddevelopstheteachingstrategyofburorst'slawdemonstrationinstrumentinopticalcourse.

Keywords：opticalcurriculum;teachingreform;CCD;Brewster'slaw;demonstrationinstrument

1概述

光學是物理學的重要分支，是自然科學中發(fā)展最早的學科之一，它與人類生產(chǎn)生活密不可分，光學在當今科技發(fā)展中具有重要地位。“光學”課程是理工科大學生的基礎課程，通過課程學習使學生掌握光的干涉、衍射、偏振等基本現(xiàn)象、原理和規(guī)律，培養(yǎng)學生的學習能力、科學探究能力和分析解決問題的能力。作為光學重要的章節(jié)之一，光的偏振在科技前沿領(lǐng)域、生產(chǎn)和國防上的應用越來越廣泛，在教學中結(jié)合實驗進行教學改革，用實驗現(xiàn)象使學生構(gòu)建正確的物理圖像是“光學”課程的重要任務之一。

為了讓學生深刻體驗和理解光的偏振現(xiàn)象，在教學中引入光的偏振演示實驗能有效促進教學效果，但目前大部分演示教具只能演示基本的實驗現(xiàn)象，比如用兩個偏振片疊加后旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生不同的消光現(xiàn)象，這些儀器無法進行定量測量。在講解布儒斯特定律時，會涉及入射角、折射角以及反射角的定量關(guān)系問題，這就需要對角度進行定量計算，設計能定量驗證布儒斯特定律的演示儀對加深學生理解光的偏振至關(guān)重要，是教學難點問題。傳統(tǒng)光學實驗室里的布儒斯特定律測量裝置對設備和環(huán)境要求較高，教師難以攜帶到課堂中進行演示，如果能配套便攜式布儒斯特定律定量演示儀，那么教學效果將會明顯提高。基于此，本教學團隊結(jié)合多年教學經(jīng)驗，開發(fā)出基于CCD的布儒斯特定律演示儀，不僅能定性演示布儒斯特效應，還能定量測量布儒斯特角，驗證布儒斯特定律，并且根據(jù)該演示儀器，設計了一套實驗教學策略。

2CCD在教具設計中的應用

相較于廠家定制的儀器設備，自制教具是任課教師根據(jù)教學需求自己開發(fā)設計的實驗儀器，它凝聚著教師獨特的教學理念，在教學中的應用價值更高［14］。在教學中使用自制教具，雖然有時會出現(xiàn)這樣那樣的問題，但是在分析問題解決問題、改進儀器的過程中，學生從中學到的知識更多，尤其光學是一門以實驗為基礎的學科，教學中引入教師自己設計的演示實驗是重要教學環(huán)節(jié)之一，能有效提升學生的參與度，根據(jù)教學團隊教學經(jīng)驗，當教師在課堂上拿出自制教具進行演示實驗時，課堂會立刻活躍起來，學生積極主動參與到實驗當中。這對形成以學生為中心的實驗探究氛圍，提高“光學”課程高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，提升學生學習主動性，進而提高教學質(zhì)量具有重要意義。

本文自制教具采用CCD攝像頭，通過USB連接到電腦，在電腦上顯示拍攝圖像，通過編程處理得到相關(guān)測量結(jié)果。CCD是能夠把光信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的一種半導體器件，在航天、機械、醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應用。CCD上每個感光單元稱作像素，像素的數(shù)量決定畫面質(zhì)量，每個像素是一個金屬—氧化物—半導體構(gòu)成的MOS單元［57］。CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由CCD器件、時序驅(qū)動、A/D轉(zhuǎn)化、信號處理、存儲控制器和上位機等組成。常用的CCD根據(jù)分辨率、靈敏度、信噪比，彩色還原特性及自動功能等不同指標，其價格在幾十元至幾十萬元不等，本文采用物美價廉的普通CCD攝像頭，價格在百元左右。作為新型半導體光電轉(zhuǎn)換器件，CCD技術(shù)廣泛應用于光學檢測當中，在“光學”課程里，采用CCD攝像頭可以完成單縫衍射、聲光效應、牛頓環(huán)和分光計等實驗的顯示和測量。

3基于CCD的布儒斯特定律演示儀

在光學課堂中引入布儒斯特演示實驗能有效促進學生對知識的理解，但目前市面上缺乏一款攜帶方便、實驗條件要求低，并且能定量測量的演示儀器。針對這一問題，筆者制作了基于CCD的布儒斯特定律演示儀，用以拓寬學生的知識面，讓學生在教具制作和實驗中對光的偏振知識有更深刻的理解，同時能夠靈活運用這些知識。

3.1設計理論

當自然光入射到折射率分別為n1和n2的兩種介質(zhì)的分界面上時，隨著入射角的改變，反射光的偏振化程度也隨之改變，當入射角滿足tani0=n2/n1時，反射光中就只有垂直于入射面的光振動，而沒有平行于入射面的光振動，如圖1所示，圖中圓點表示垂直入射面的光振動，短線表示平行于入射面的光振動。此時反射光為線偏振光，而折射光仍為部分偏振光。這時的入射角i0稱為布儒斯特角。同時可以證明，當入射角為布儒斯特角時，反射光線與折射光線的夾角剛好為90°。因此，在設計儀器時，需要能連續(xù)調(diào)節(jié)入射角大小，并能檢測反射光剛好為線偏振光時的角度大小，得到布儒斯特角，進而計算得到介質(zhì)折射率。

3.2教具構(gòu)成

自制實驗教具的硬件主要由帶有坐標紙的玻璃板、激光器、CCD探頭、升降臺、裝有介質(zhì)的容器、電腦等，如圖2所示。

激光器產(chǎn)生激光，通過光闌后入射到介質(zhì)中，在介質(zhì)的反射光方向加上偏振片，濾去反射光的垂直偏振光，并用CCD探頭接收反射光。當CCD檢測到的光強為0或最弱（有干擾源）時，即為布儒斯特角所在位置。將CCD探頭另一端連接電腦上的Matlab光斑追蹤分析程序，改變?nèi)肷浣牵陔娔X上繪制光強變化曲線，光強曲線的最低點就是介質(zhì)的布儒斯特角所在的位置。CCD探頭位置坐標為（x，y），空氣折射率近似為1，上述公式可化為n2=x/y，也就是說CCD探頭的橫縱坐標之比即為介質(zhì)的折射率。

布儒斯特定律演示儀的軟件程序界面如圖3所示，包含攝像頭采集、實時光斑、光強顯示和結(jié)果計算等模塊。整個實驗過程現(xiàn)象直觀，通過Matlab光斑追蹤分析程序?qū)⒉既逅固亟堑臏y量巧妙轉(zhuǎn)化為觀察光斑的明暗，將光強轉(zhuǎn)化為像素值，并且設計追蹤程序，自動化程度高，測量介質(zhì)的折射率更準確。

3.3教學策略

3.3.1原理講解與教具組裝

教師向?qū)W生介紹該教具測量介質(zhì)折射率的原理，即布儒斯特定律。然后學生分組實驗，根據(jù)教師介紹的原理和提供的實驗元器件，思考并交流如何組裝出教具。教師可以設置一些提示性的問題，如“偏振片應該怎么裝？用什么采集光斑？激光發(fā)射器和CCD探頭的移動要注意什么？”等來幫助學生完成教具的組裝。

教具的組裝可以鍛煉學生的動手操作能力以及解決問題的能力，組裝出正確教具的這一過程也可以幫助學生加深對偏振、折射率等知識點的理解。通過分組實驗，學生之間互相討論交流，以團隊形式設計實驗和最終實驗匯報，培養(yǎng)學生團隊協(xié)作能力。

3.3.2開展實驗

在組裝好教具后，讓學生按照以下步驟進行實驗：（1）預熱激光器之后打開CCD探頭，連接電腦中的Matlab程序，實時追蹤光斑；（2）同時移動激光器和CCD探頭，繪制出光強變化曲線；（3）找到Matlab中光強曲線最小的點，即為布儒斯特角所在位置；（4）測量并記錄CCD探頭的坐標，其橫縱坐標之比即為介質(zhì)的折射率；（5）多次測量得出介質(zhì)折射率的平均值。

以玻璃的折射率測量為例，隨著激光器入射角度的改變，光斑從亮逐漸變暗，再變亮，所繪制的光強變化曲線先減小后增大（如圖4所示）。在光斑最暗處微調(diào)激光器的入射角度，找出所繪制的光強曲線上的最低點，就是玻璃的布儒斯特角，讀出該位置探頭的橫縱坐標，橫縱坐標之比即為介質(zhì)的折射率。

重復上述過程，進行多次實驗，可以得出所測玻璃的折射率。在得出介質(zhì)的折射率之后，將其與實際值進行比對9kq/a1NKXxnp2RZDGyql+A==，計算誤差并分析誤差產(chǎn)生的原因，尋找改進實驗的辦法，教師還可以更換不同的介質(zhì)讓學生進行實驗。

通過以上自制布儒斯特定律演示儀，學生能夠直觀體會到布儒斯特現(xiàn)象，并且能定量測量得到介質(zhì)的折射率，該裝置現(xiàn)象明顯，有利于學生更深刻地理解和運用相關(guān)知識。在完成實驗后，給學生介紹折射率測量在食品生產(chǎn)、油田開采、生化醫(yī)療等多個領(lǐng)域的廣泛應用，讓學生體會到光學與生活的密切聯(lián)系，從生活走向光學，從光學走向社會，加深對光學知識重要性的認識，從而燃起學生學習光學的興趣。此外，物理實驗與計算機工程的結(jié)合契合跨學科實踐的教育理念，有利于拓寬學生的視野，培養(yǎng)學生的工程思維和創(chuàng)新精神。

結(jié)語

自制教具有利于激發(fā)學生的學習興趣，加深學生對于知識的理解和運用，鍛煉學生的動手能力和解決問題的能力。因此，在光學課程中教師應根據(jù)教學需要，不斷完善已有教具并探索研發(fā)新教具，本文基于CCD攝像頭和Matlab編程自制了布儒斯特定律演示儀，并簡述了在課堂中的使用策略，對提高課堂教學效果，增強學生學科素養(yǎng)和探索精神，促進立德樹人培養(yǎng)目標的達成具有一定的促進作用。

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基金項目：本文系2023年教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“電磁學高壓輸電實驗虛擬仿真平臺建設”（項目編號：230806071093324）；蘇州大學高等教育教改研究課題“電磁學實驗教學中創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的改革與實踐”（項目編號：202338）研究成果

作者簡介：羅杰（1989—），男，漢族，江蘇建湖人，博士，副研究員，研究方向：光學。

*通訊作者：孫寶印（1987—），男，漢族，江蘇連云港人，碩士，高級實驗師，研究方向：物理實驗研究。