“微視頻”和“動畫課件”在光的理論教學中的運用*

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“微視頻”和“動畫課件”在光的理論教學中的運用*

摘 要：本文論述了“微視頻”與“動畫課件”在光的干涉、衍射及偏振教學中的應用及其研究.這些研究對《大學物理》有關光的內(nèi)容教學可起到激發(fā)學生學習興趣、提高學習質(zhì)量的作用．

關鍵詞：微視頻大學物理動畫課件

就一般地方普通本科院校而言，《大學物理》課程的教學時數(shù)普遍比較少，而學生的學習狀況又普遍與重點院校存在差距，這就給《大學物理》課程的教學帶來不利因素．《大學物理》課程的光學部分的一些教學內(nèi)容由于比較抽象，有的學生理解這些物理現(xiàn)象存在一定困難，因而在這部分內(nèi)容的教學過程中雖然教師在課堂上費時費力，卻往往收不到較好的教學效果．盡管探討大學物理課程的教學方法文獻有很多[1~5]，但探討利用“微視頻”物理實驗模式輔助講解《大學物理》課程光學部分教學內(nèi)容的文獻卻比較少．為此，文中通過實例分析探討了“微視頻”物理實驗在《大學物理》課程“光的干涉、光的衍射”兩個部分教學內(nèi)容中的運用，這種探討對提高《大學物理》課程的教學質(zhì)量是具有實際意義的．

1“邁克耳孫干涉實驗”微視頻與“光的干涉”理論教學

“薄膜干涉”是“光的干涉”部分的教學內(nèi)容之一，一般《大學物理》教材都會把“薄膜干涉”的典型應用實例“邁克耳孫干涉儀”作為編寫內(nèi)容．

這部分內(nèi)容的講解有些抽象，一些學生不容易理解和掌握．如果采取物理演示實驗的形式進行這部分知識的教學，學校又不具備這個條件，且授課學時數(shù)較少，也不適合采用這種模式進行教學．

為此，這里以光學實驗項目“邁克耳孫干涉實驗”的“微視頻”為例，探討大學物理教學過程中如何利用實驗“微視頻”資料與授課內(nèi)容有機結合的問題．

圖1　邁克耳孫干涉儀原理圖

圖2　邁克耳孫干涉儀干涉圖樣

“邁克耳孫干涉儀”原理圖如1所示，S為光源，G1為分束片，G2為補償板，M1和M2為全反鏡，E為出光口．“薄膜干涉”的相應教學內(nèi)容不僅要講解“邁克耳孫干涉儀”原理，還要講解“邁克耳孫干涉圖樣”，即一組明暗相間的同心圓紋的干涉圖樣，如圖2所示．還要給出M1移動的距離Δd與光源波長λ，“冒出”或“陷入”干涉圖樣中心的條紋數(shù)目ΔN的關系式

(1)

以及解釋什么條件下“冒出”或“陷入”干涉條紋的現(xiàn)象等等．

另外，除了讓學生觀察現(xiàn)象，理解概念，總結公式外，在此基礎上，教師還可以給出相關的測量數(shù)據(jù)，讓學生課堂上計算出入射光源的波長．實驗數(shù)據(jù)如表1所示．

學生根據(jù)式(1)較容易地計算出該實驗光源的波長為0.000 635 9 mm，即635.9 nm．

通過“邁克耳孫干涉實驗”的“微視頻”播放，不僅可以激發(fā)學生的好奇心，還調(diào)動了他們的學習積極性．因此，學生不僅較易掌握“薄膜干涉”中“等傾干涉”的相應計算公式，理解“邁克耳孫干涉”現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，還掌握“冒出”或“陷入”干涉條紋現(xiàn)象產(chǎn)生的條件，大大提高了《大學物理》課堂教學效率，也為學生將來在物理實驗課中做此實驗項目了做了較好的鋪墊工作．

表1　實驗數(shù)據(jù)及計算結果

2“光柵衍射實驗”微視頻與“光柵衍射”理論教學

一般《大學物理》教材中“光的衍射”這部分教學內(nèi)容，都會編寫光柵衍射方程、光柵衍射光強分布等內(nèi)容，而這部分內(nèi)容的講解，如果只是通過語言講解和多媒體課件演示相結合，有的學生不能較好地理解和掌握，也收不到較好的教學效果．為此，可采取“光柵衍射實驗”的“微視頻”播放與“光柵衍射”教學內(nèi)容講解相結合的教學模式，可以收到較好的課堂教學效果．

“光柵衍射”原理如圖3所示，G為光柵，L為透鏡，H為觀察屏．f為透鏡的焦距，θ為衍射角，b為狹縫寬度，b′為狹縫間距，b+b′為光柵常數(shù)．在這部分知識的教學過程中，除了要講解“平行光垂直照射到透射光柵上時，在衍射角為θ時，相鄰兩縫發(fā)出的光到達透鏡后面的焦平面處的屏H上P點時的光程差都是相等的，光程差為(b+b′)sinθ”等知識點外，還要給出光程差(b+b′)sinθ與波長λ的關系式，即光柵方程

(b+b′)sinθ=±kλk=0,1,2,3,…

(2)

利用光柵衍射方程(2)式，就可以計算出單色光的波長λ．而且要解釋“光柵衍射圖樣是單縫衍射和多縫干涉的總合效果”以及“在觀察屏上會看到什么樣的現(xiàn)象”等等．由于語言講解描述起來比較繁瑣，且不直觀，需要學生想象出光柵衍射圖樣．實際教學效果不算太好．

圖3　光柵的多光束干涉

如果結合播放“光柵衍射實驗”的“微視頻”來講解“光柵衍射”教學內(nèi)容，不僅可以讓學生通過觀察屏直觀看到衍射圖樣，而且讓學生明確看到入射光為白光時，波長λ不同，衍射角θ不同，則產(chǎn)生色散，形成光譜．即除中央零級(k=0,θ=0)條紋O點，與波長無關，也就是說中央明條紋與波長無關由各色光混合為白色外，其他各級次(k≠0)條紋的衍射角θ與波長λ有關，在同級(k≠0)衍射條紋中，λ較大者，θ較大，λ較小者，θ較?。捎诩t橙黃綠青藍紫色的波長是由大到小的，因此衍射角也是由大變小的，由此可以知道：兩側(cè)各級明條紋都從紫到紅對稱排列，紫光靠近中央明條紋， 紅光遠離中央明條紋，形成彩色光帶，也稱為衍射光譜，而且k級紅光有可能與k+1級紫光重疊，甚至越過，如圖4所示．

圖4　白光衍射光譜

通過“光柵衍射實驗”的“微視頻”播放與“光柵衍射”教學內(nèi)容的有機結合，不僅激發(fā)了學生的學習熱情，還充分集中了他們的課堂注意力．而且通過這種方式，學生不僅較容易地掌握“光柵衍射”的相應計算公式，理解“光柵衍射實驗”現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，掌握彩色光帶的形成原因和分布情況等．還為學生將來在物理實驗課中做好“光柵衍射”實驗打下了良好基礎．

3“動畫課件”與“光的偏振”理論教學

一般《大學物理》教材中“光的偏振”這部分教學內(nèi)容，都會先編寫自然光、線偏振光、部分偏振光、起偏器、檢偏器、馬呂斯定律等內(nèi)容．這部分內(nèi)容的講解采用“動畫課件”就可以收到非常好的教學效果．比如，利用如圖5所示的“動畫課件”可以演示“馬呂斯定律”公式，其表達式如下

I=I0cos2θ

(3)

式中θ為“起偏器”和“檢偏器”的偏振化方向之間的夾角．

圖5　光的偏振

通過放映制作的“光的偏振”動畫課件與課堂啟發(fā)式的講解，可以使學生較深刻地理解和掌握“自然光”、“線偏振光”、“起偏“、”檢偏”等概念以及“馬呂斯定律”計算公式，收到事半功倍的教學效果．

4結語

通過對“邁克耳孫干涉實驗”微視頻在“光的干涉”理論教學中的運用以及“光柵衍射實驗”微視頻在“光柵衍射”理論教學中的運用的探討，以及“起偏器和檢偏器”的“動畫課件”在“光的偏振”理論教學中的具體運用，對于探討“微視頻”及“動畫課件”在《大學物理》課程教學中的應用是一個有益的嘗試．在《大學物理》課程教學中注意兩種模式的分別運用，也可以把這兩種模式有機結合起來進行課堂教學，不管哪種模式都可以激發(fā)學生的課堂學習興趣，調(diào)動學生的積極性，還可以激發(fā)學生的潛能，對于提高少學時的《大學物理》課程的教學質(zhì)量是有實際意義的，尤其是對于拓展學生的學習思路，啟迪學生的理論與實驗相結合創(chuàng)新意識也是具有積極意義的．

參 考 文 獻

1倪燕茹.補償法的運用與探討.重慶工學院學報(自然科學版)，2007,21(7)：51~55

2倪燕茹.類比法和補償法在大學物理教學中的的運用與探討.內(nèi)江師范學院學報，2009,24(8)：83~86

3孫厚謙，洪林，史友進，等.應用型工科“大學物理”課程教學改革的實踐與思考.中國大學教學，2010(12)：49~51

4彭傳正.基于CDIO理念的大學物理教學改革研究.物理通報,2013(10):24~25

5王慧君.地方院校大學物理“模塊類·結構化·建構化”教學模式初探.河南科技學院學報，2011(12)：102~1031

(收稿日期：2015-09-28)

作者簡介：倪燕茹**泉州師范學院教學改革研究項目，編號：201434倪燕茹(1965-)，女，學士，副教授，主要從事大學物理理論與實驗研究．
(泉州師范學院物理與信息工程學院福建 泉州362000)