基于科學探究的 “光的偏振”教學過程

王明輝

(北京市大興區(qū)第一中學,北京 102600)

物理核心素養(yǎng)是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力.而科學探究不僅是學生獲取科學知識的有效途徑,同時還是有效培養(yǎng)學生良好科學素養(yǎng)的基本載體.“科學探究”是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋,以及對科學探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思的能力.[1]在教學中積極發(fā)揮學生的主體作用,引導(dǎo)學生進行科學探究,在實驗與探究中獲取新知,可以提高學生學習主動性,有利于實際教學效果落到實處.以科學探究過程展開“光的偏振”的教學,使學生在解決問題、分析現(xiàn)象中蘊含的物理原理中學習新知.

1 教學分析

1.1 內(nèi)容分析

“光的偏振”是《普通高中課程標準(2017版)》中選擇性必修1第3部分內(nèi)容.光的偏振的知識點是在機械波的形成和傳播、波的衍射和干涉、光的干涉和衍射的基礎(chǔ)上進行的.課標基本要求:知道光的偏振現(xiàn)象及其應(yīng)用.光的偏振是說明光是橫波的實驗依據(jù),也在生活生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用.

教學重點是知道光的偏振現(xiàn)象及其應(yīng)用,難點是偏振現(xiàn)象的理解.教學以將人教版和教科版相結(jié)合,依托于教材而不依賴教材,根據(jù)學生實際觀察的現(xiàn)象來展開教學.通過實驗降低學習難度、突破難點,以解決問題為目的利用任務(wù)驅(qū)動使學習層層遞進.

1.2 學情分析

知識基礎(chǔ)上,學生已經(jīng)掌握了機械波的相關(guān)知識,知道橫波與縱波的區(qū)別方法,知道光是一種波.但對光是橫波還是縱波沒有深入思考,在生活中可能已經(jīng)見到過光的偏振現(xiàn)象,但并不理解其中的物理原理,缺乏對偏振的深入研究.能力基礎(chǔ)上,學生通過兩年的高中物理學習過程,已經(jīng)具有一定的觀察、類比和分析推理能力,具有初步的抽象思維和科學探究能力.

1.3 教學目標

結(jié)合教學內(nèi)容,根據(jù)課程標準設(shè)計教學目標如下:

(1) 通過演示實驗建立偏振的概念,知道只有橫波才有偏振現(xiàn)象.

(2) 通過探究實驗設(shè)計及現(xiàn)象分析,知道偏振片的作用、偏振光和自然光的區(qū)別．知道光是橫波.初步了解光的偏振現(xiàn)象在生活、生產(chǎn)、技術(shù)中的應(yīng)用.

(3) 通過分組實驗鍛煉合作交流的能力,學習科學研究的思維方法.提高運用科學知識服務(wù)社會的意識.

1.4 教學設(shè)計

教學設(shè)計流程圖如圖1所示.本節(jié)課通過提出問題設(shè)疑引課；通過實驗方案設(shè)計介紹偏振現(xiàn)象、偏振片的知識；通過學生探究實驗搜集證據(jù)產(chǎn)生新的疑問；通過對學生實驗結(jié)果的討論、交流建立偏振光、自然光的概念.同時對學生實驗證據(jù)的解釋使學生了解光的偏振在生產(chǎn)、生活、科技等方面的應(yīng)用.通過創(chuàng)設(shè)情境、知識遷移、實驗引導(dǎo)的方式激發(fā)學生的問題意識,幫助學生建立物理概念,并引導(dǎo)學生思維,降低學習難度.在探究實驗中觀察到的現(xiàn)象形成學生探索新知的內(nèi)在動力,通過任務(wù)驅(qū)動逐步推進教學.

圖1 教學設(shè)計流程圖

2 教學流程

2.1 提出問題

問題1.光能發(fā)生干涉和衍射(圖2)說明光是一種波,那么光是橫波還是縱波呢?

問題2.我們是如何區(qū)分橫波和縱波的呢?

教學分析:“學起于思,思源于疑”.設(shè)疑導(dǎo)入,抓住學生的關(guān)注,誘發(fā)學生思維.進而從橫波、縱波的概念出發(fā)分析光是橫波還是縱波.使學生產(chǎn)生“光無法直觀觀察其振動”的新的疑問.引出偏振概念的教學.

圖2 光的干涉、衍射圖樣

2.2 方法選擇

由于光波的不可視性導(dǎo)致利用質(zhì)點振動與傳播方向關(guān)系判斷光是橫波還是縱波不可行.那么從可直觀觀察的機械波出發(fā),分析橫、縱波還有什么不同之處.

圖3 機械波的偏振實驗

演示實驗1.利用電磁打點計時器的振針帶動另一端固定的細繩產(chǎn)生駐波,觀察駐波通過狹縫后的情況[圖3(a)].

演示實驗2.利用橫桿穿起玩具彈簧,抖動彈簧形成縱波,觀察縱波通過狹縫后的情況[圖3(b)].

實驗結(jié)論:只有橫波才能發(fā)生偏振現(xiàn)象.

教學分析:實驗與探究奠定了物理學的實證基礎(chǔ),也是當代物理教育的核心實踐活動.[2]通過演示實驗使學生通過直觀地觀察、了解偏振現(xiàn)象,明確橫波、縱波的區(qū)別,為探究光是橫波還是縱波提供了實驗方法.演示實驗時,注意強調(diào)“選取與繩、彈簧相匹配的狹縫”,為后面介紹偏振片做好鋪墊.

2.3 制定方案及實施

器材選擇:偏振片——與光相“匹配”的“狹縫”．能使振動方向與其透振方向平行的光通過狹縫.

觀察對象:教室中的各種光——日光燈管,液晶屏發(fā)出的光,透過窗玻璃照進來的陽光,各種物體表面的反射光.

實驗方法:每組發(fā)放兩個偏振片,使學生自由進行實驗、觀察.

實驗現(xiàn)象:如表1所示.

表1 探究實驗過程及現(xiàn)象記錄

教學分析:引導(dǎo)學生進行探究實驗設(shè)計過程,有利于提高學生的科學探究能力,掌握科學研究方法.親歷探究過程,分享實驗結(jié)果,有利于提高學生信息意識和合作學習的能力.各種實驗現(xiàn)象的分享中,學生會對現(xiàn)象成因產(chǎn)生疑問,而這種疑問正是學生繼續(xù)學習,挖掘現(xiàn)象之中物理原理的動力.

2.4 分析論證 得出結(jié)論

問題1.在觀察中,旋轉(zhuǎn)偏振片時大多會看到光有明暗的變化說明什么?

觀察到光有明暗變化說明光有時能通過偏振片,有時不能通過——說明光能發(fā)生偏振現(xiàn)象——說明光是橫波.

問題2.為什么用一個偏振片觀察日光燈時卻沒有看到明暗變化的現(xiàn)象?

自然光:包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光,而且沿著各個方向振動的光波的強度都相同.一般光源直接發(fā)出的光是自然光.

線偏振光:在垂直于傳播方向的平面上,沿著某個特定的方向振動的光.

部分偏振光：在垂直于傳播方向的平面上，沿某一定方向的光振動較強，而與之垂直的光振動較弱.

驗證實驗:撕下偏振片邊緣的貼紙,觀察兩個偏振片的透振方向,重復(fù)第2個實驗,觀察什么情況下觀察到的光最暗(完全消失),什么情況光最亮.

得出結(jié)論:光能夠發(fā)生偏振,說明光是橫波.

教學分析:問題1引導(dǎo)學生建立“光能發(fā)生偏振” 的理念,問題2又進一步使學生產(chǎn)生認知不協(xié)調(diào),使學生帶著疑問進入“自然光、偏振光”概念的學習,有利于學生學習主動性的激發(fā).驗證性實驗進一步使學生明確自然光和偏振光的區(qū)別,并明確兩個偏振片的作用(起偏、檢偏).

2.5 反思交流

實驗中可以看出自然光經(jīng)過各種物質(zhì)反射、折射之后的光是不同程度的偏振光.當入射角滿足某一特定值時反射光是線偏振光.

播放實驗視頻:透過偏振片觀察水面.旋轉(zhuǎn)偏振片的過程中,可以看到水面反光有時強烈,有時完全沒有(圖4).

圖4 偏振片消除水面反光

因此可利用偏振片制成偏光眼鏡或者在相機鏡頭前增加偏光鏡來消除反光.

實驗中可以看到液晶屏射出的光為偏振光——這與液晶的工作原理有關(guān).液晶可以使通過其中的光的振動方向發(fā)生改變,而這種改變的程度與給液晶所加電壓有關(guān)——液晶的這種特性稱為“旋光性”.

演示實驗:光源發(fā)出的光通過偏振片1后變?yōu)槠窆?使該偏振光通過糖水,用另一偏振片2分析透過糖水后的光的振動方向與偏振片1的透振方向不同.而糖水的旋光角度與其濃度有關(guān).利用這一原理可以制作成旋光儀來檢測旋光溶液濃度.

教學分析:通過對學生探究實驗觀察到的現(xiàn)象討論交流,在解決疑問的過程中學習偏振光在實際生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用.同時教學中配以相關(guān)實驗展示,有利于加深學生理解,降低學習難度.消光實驗中,讓學生看到旋轉(zhuǎn)偏振片過程中水面反光的變化效果非常震撼,有利于加深學生的印象.

3 教學反思

“光的偏振”中有很多新的概念和現(xiàn)象,而這些知識本質(zhì)都是在解決“光是橫波還是縱波”這個問題中學習的.由于光的偏振現(xiàn)象的抽象性及學生的抽象思維能力有限,所以在教學中主要采用教師設(shè)疑,學生探討的教學模式,讓學生觀察、思考、討論,充分發(fā)表意見.這樣既有利于突出重點,化解難點,又充分發(fā)揮了學生的主體性.在光偏振應(yīng)用中,利用學生熟悉的器材、環(huán)境制作微視頻,引起學生關(guān)注、激發(fā)學生的興趣．并通過偏光鏡和液晶屏的介紹使學生了解光偏振的廣泛應(yīng)用.

將整節(jié)課設(shè)計為學生的科學探究過程,讓學生帶著疑問投入學習,讓學生體會到理論應(yīng)用于實際的快樂,并且進一步培養(yǎng)學生透過現(xiàn)象挖掘理論本質(zhì)、善于思考的習慣．而科學探究中不但使學生了解科學研究過程,同時又鍛煉了學生的交流合作能力,有利于提高學生科學素養(yǎng).