大學物理與高中物理課程光學部分的銜接研究

摘 要:比較了教育部制訂的《高中物理課程標準》和教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會物理基礎課程教學指導分委員會最新編制的《理工科類大學物理課程教學基本要求》(2010年版)中關于光學部分內容的基本要求，較為深入地分析了大學物理與中學物理在光學部分內容銜接中的一些具體問題，并提出了相應的教學銜接的建議，希望為順利實現從中學向大學的過渡提供參考。

關鍵詞:大學物理 高中物理 光學部分 銜接

中圖分類號:O43文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)03(a)-0124-02

大學物理課程是所有高等院校理工科非物理類專業學生的一門重要的通識性必修基礎課，著重講述最基本的物理概念和物理學處理疑難問題的各種理論方法以及它在解決各種不同性質實際問題的作用[1]。大學物理課程在為學生系統地打好必要的物理基礎，培養學生樹立科學的世界觀，增強學生分析問題和解決問題的能力，培養學生的探索精神和創新意識等方面，具有其他課程不能替代的重要作用[2]。目前，中學物理和大學物理課程改革正在進行中。普通高中畢業生有一大半的學生進入高等學校后要學習大學物理知識，故對現行大學物理課程和中學物理課程的銜接情況進行研究具有一定的必要性。本文中，筆者以理工科類所采用的大學物理教材[3]、普通高中理科生所采用的人教版物理教材[4]為參考，對大學物理中光學部分如何與中學物理中相應知識銜接的問題進行了分析和探討，并提出了建議。

1 大學物理課程和高中物理課程光學部分基本要求的對比

下面，我們以教育部2010年頒發的“理工科類大學物理課程教學基本要求”(以下簡稱“要求”)和教育部制定的高中物理課程標準(實驗)(以下簡稱“新課標”)為參考，給出大學物理與高中物理光學部分內容以及教學要求的對比。

首先，我們來看高中物理課程光學部分的內容標準以及教學要求。高中物理課程光學部分內容在選修2～3[5]，內容標準[6]是這樣要求的:(1)通過實驗，理解光的折射定律。會測定材料的折射率。(2)認識光的全反射現象。初步了解光導纖維的工作原理和光纖在生產、生活中的應用。認識光纖技術對經濟社會生活的重大影響。(3)探究并理解透鏡成像的規律。會測定凸透鏡的焦距。(4)了解照相機的主要技術參數的含義。知道顯微鏡、望遠鏡的原理。(5)通過實驗認識光的干涉、衍射、偏振現象以及在生活、生產中的應用。(6)了解激光的特性和應用。了解常見固體和氣體激光器的原理。舉例說明激光技術在生活、生產中的應用。(7)知道新型電光源的特點以及應用。

以上內容標準中的知識技能目標動詞在“新課標”中是這樣解釋的:了解:再認或回憶知識；識別、辨認事實或證據；舉出例子；描述對象的基本特征。認識:位于“了解”與“理解”之間。理解:把握內在邏輯聯系；與已有知識建立聯系；進行解釋、推斷、區分、擴展；提供證據；收集、整理信息等。應用:在新的情境中使用抽象的概念、原則；進行總結、推廣；建立不同情境下的合理聯系等。其次，我們再來看“要求”中對理工科大學物理光學部分的教學要求[2]:

(1)介紹幾何光學的基本定律和近軸光學成像的分析方法。類別為A的內容有:幾何光學基本定律、光在平面上的反射和折射、光在球面上的反射和折射、薄透鏡；類別為B的內容有:顯微鏡、望遠鏡、照相機。

(2)重點講述光的干涉和衍射。類別為A的內容有:光源、光的相干性，光程、光程差的概念，分波陣面干涉，分振幅干涉，惠更斯-菲涅耳原理，夫瑯禾費單縫衍射，光柵衍射，光學儀器的分辨本領，光的偏振性、馬呂斯定律，布儒斯特定律；類別為B的內容有:邁克耳孫干涉儀，光的空間相干性和時間相干性，晶體的X射線衍射，全息照相，光的雙折射現象，偏振光干涉和人工雙折射，旋光現象，光與物質的相互作用:吸收、散射和色散。

以上類別標注在“要求”中的解釋是:A類內容構成大學物理課程教學內容的基本框架，是核心內容；B類是擴展內容，它們常常是理解現代科學技術進展的基礎，講述這些內容可以使學生對大學物理的基本規律的理解更加深刻和充實。

從上面列出的高中物理和大學物理中光學部分的教學內容以及要求中，可以明顯的看出他們的區別:高中物理重點在幾何光學，對于波動光學內容知識僅僅給出現象的認識與了解；大學物理重點在波動光學，對于光的干涉和衍射在理論上進行了深入的分析，而在幾何光學內容里做了系統的總結，避免了與中學物理的重復。

2 幾何光學知識點對比及銜接

雖然幾何光學是高中物理光學部分的重點，但是無論在在廣度還是深度上都沒有大學物理的要求高。首先，我們從前面列出的知識點上面來比較。大學物理教材涉及到的知識點比高中物理的知識點要多，多出來的有:光在球面上的反射和折射、薄透鏡的成像。其次，從教材編寫上，大學物理更側重理論推導的系統性和邏輯性，但高中物理更側重定性認識及應用。下面我們就舉例來說明，并且從中可以體會在教學中的銜接問題。

以中學里面的重點透鏡成像的規律為例。在高中物理教材中，首先以實驗的方式，給出作圖法來確定凸透鏡成像的規律，讓學生掌握作圖法得到凸透鏡成像的位置，然后由作圖法里面的幾何關系，由相似三角形推出其成像公式為:

(1)

式中p為物距，為像距，f為透鏡焦距。并且說明此式對于凹透鏡也成立。

但是在大學物理教材里，這一部分知識叫做薄透鏡，教材的安排也截然不同.教材中首先講解球面折射，給出球面折射在近軸情況下成像的公式，然后再介紹薄透鏡，指出其成像是由兩個球面兩次成像得到的，推倒過程中將球面成像公式應用兩次，然后略去透鏡厚度，最后得到薄透鏡的高斯公式

(2)

其中

，(3)

式中f為物方焦距，f'為像方焦距，n為薄透鏡的材料的折射率，n1和n2分別為物方和像方的折射率，r1和r2分別為透鏡兩個表面的半徑，如圖1所示:

當薄透鏡置于同一種介質中，如空氣中時:，上面的公式就可以轉化成中學里常用的透鏡成像公式(1)。

由此可以看出，通過大學物理的學習，學生更清楚地明白了透鏡成像的原理，了解其本質，而不是僅僅從表面的實驗現象去認識事物。并且也找出了大學物理與高中物理的聯系，即高中物理的結論在很多情況下只是大學物理知識的一個特例，這一特點在力學部分，電磁學[6]部分體現的更為突出。

另外幾何光學里面也有與高中物理重復的地方，比如光的直線傳播定律，光的平面反射、折射定律等，在講解這一類問題是，既可以以復習的形式總結性的給出結論，也可以選擇讓以學生自學的形式課外進行。

3 波動光學知識點對比及銜接

波動光學是大學物理光學部分的重點及主要內容，甚至在有些教材里只把波動光學的內容給出[7]，而沒有幾何光學，在很多工科院校里面大學物理光學部分也是只講波動光學，由此可見其重要性。對比高中物理和大學物理的波動光學內容，可以發現他們都涉及到的有光的干涉、衍射、偏振等知識點。但是高中物理里面的講解只是停留在這些光現象的認識上，又簡單講了這些知識在技術中的應用，為進一步在大學物理的學習作了鋪墊。在大學物理的波動光學部分，同樣的知識作了非常詳細的講解，通過定量的計算，分析了出現這些光現象的原因，使學生對光的波動性有了深刻的認識。下面，我們以楊氏雙縫干涉為例來做具體的分析，并從中體會大學物理與高中物理的知識點銜接。

在高中物理里面，楊氏雙縫干涉在波動光學里面是講得最詳細的。其教學安排是:首先介紹機械波的干涉現象，然后定性說明在波峰與波峰、波谷與波谷相遇的地方干涉加強，波峰與波谷相遇的地方干涉減弱；接著就給出楊氏雙縫干涉，利用與機械波中水波干涉差不多一樣的實驗裝置的設計，給出紅色激光入射楊氏雙縫裝置的干涉圖樣，接著說明在兩束相干光的路程差為半波長的偶數倍的地方是干涉加強出現明條紋，在兩束光的路程差為半波長的奇數倍的地方是干涉減弱出現暗條紋，而沒有定量的計算。

在大學物理中，楊氏雙縫干涉的教學內容安排為:首先說明楊氏雙縫干涉是利用分振幅的方法來利用普通光源得到兩束相干光，進而產生干涉現象；接著由如圖2所示的楊氏雙縫干涉的實驗裝置來做定量的計算。

設雙縫間的距離為d，雙縫至屏的距離為D，且D>>d，當實驗裝置處在空氣中時，折射率n=1，此時，光程差δ和波程差△r相等，則在光屏上任意位置x處，兩相干光的光程差為

(4)

且當

(5)

時干涉加強出現明條紋，當

(6)

時干涉減弱出現暗條紋。接著又由式(4)～(6)得出在光屏上的位置x出現明暗紋的條件

(7)

最后，總結出單色光入射時條紋特點:等間距地分布于中央亮條紋的兩側明暗相間的直條紋，并給出光強分布圖加以說明。另外還指出復色光入射時條紋分布的規律以及重級的出現。并且在雙縫實驗的演變實驗勞埃德鏡中，還得出了半波損失。可以看出，雖然講述的都是楊氏雙縫干涉，但整個分析比高中物理的具體、定量，且深度大。

4 結語

本文從幾何光學和波動光學出發，討論了高中物理和大學物理的知識點對比以及教學過程中的銜接問題。與力學、電磁學[8]部分相比，光學部分的銜接有自己的特點:高中物理光學部分以定性介紹光學現象以及在技術上的簡單應用為主，大學物理以計算定量來定量的詳細分析中學中接觸過的光學現象，高中的知識為大學物理的進一步學習作了鋪墊。但在幾何光學部分有少量重復，教學中要注意授課方法盡量避免，使課堂時間充分利用。另外，光學部分應該還包括量子光學、現代光學部分[9]，但在大學物理分別歸類到量子物理以及現代物理部分，所以在此處不再作討論。

參考文獻

[1] 蘭智高.“大學物理教學銜接問題”的研究述略[J].棗莊師范專科學報，2002，19(2):31～33.

[2] 教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會物理基礎課程教學指導分委員會.理工科類大學物理課程教學基本要求(2010年版)[M].北京:高等教育出版社，2011:1、10.

[3] 尹國盛，彭成曉.大學物理(下冊)[M].北京:機械工業出版社，2010:168～251.

[4] 張大昌，彭前程，等.普通高中物理共同必修1、2+選修3系列.北京:人民教育出版社，2004.

[5] 張大昌，彭前程，張維善.物理(普通高中課程實驗教科書第2版，選修2～3)[M].北京:人民教育出版社，2007.

[6]中華人民共和國教育部.全日制普通高中物理課程標準[M].北京:人民教育出版社，2004.

[7] 馬文蔚，謝希順，談漱梅，柯景風.物理學(下冊)，第四版[M].北京:高等教育出版社，2003.

[8] 趙亞娟，陳浩.大學物理教育如何與中學物理教育跟好的銜接[J].物理通報，2010(11):14～17.

[9] 朱偉玲，吳登平，等.從光學談大學與中學物理的銜接[J].物理通報，2011(5):6～8.

①基金項目:教育部高等學校物理基礎課程教學指導分委員會教改項目(WJZW-2010-43-zn)；河南大學教學改革項目資助(2010)。