基于MATLAB 和 Esp32的中學物理實驗創新設計

收稿日期：2023-10-19

基金項目：2022年云南師范大學優勢本科專業核心課程建設項目“中學物理學科教學設計”（ 2022zyhxkc05）。

作者簡介：劉冰（1997-），男，碩士研究生，主要從事中學物理實驗創新研究。

*通信作者：李紅梅（1972-），女，副教授，碩士研究生導師，主要從事中學物理教學、實驗創新研究。

摘" 要：光的偏振是一個相對抽象的概念，實際教學中學生很難直接觀察到光的偏振現象，由此也造成了學生難以理解光的偏振概念、特點以及光的橫波特性。傳統教學中，由于實驗器材的限制，教師常常采用講解配合圖片演示的方式教學，這對于抽象思維能力較弱的學生來說是一個挑戰。因此，利用現代信息技術，通過ＭＡＴＬＡＢ仿真光的波動性傳播動態效果，呈現光路的波動性傳播過程，結合Ｅｓｐ３２和光強傳感器進一步輔助學生探究透過兩張偏振片的光強大小與偏振片透振方向夾角的關系，幫助學生理解偏振光的產生機制及其特點。

關鍵詞：光的偏振；Ｅｓｐ３２；ＭＡＴＬＡＢ

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）3-0058-4

光的偏振是光學中的一個重要概念，它涉及到光的波動性質和矢量特征。在中學物理教學中，光的偏振是光學部分的深入和拓展，通常是在學習了光的干涉、衍射等基本概念之后進行的教學內容。《普通高中物理課程標準（２０１７年版２０２０年修訂）》中對該部分的要求為觀察光的偏振現象，了解其產生條件，知道其在生活中的應用，知道光是橫波［１］。通過學習光的偏振，學生可以更深入地理解光的特性，在實驗中認識偏振現象的本質，理解光是一種橫波。

在中學物理教學中，光的偏振是一個比較抽象的概念，需要學生具備一定的物理知識和抽象思維能力。由于缺少具體的教具和實驗設備，實際教學難度較大，教師難以直觀展示光的偏振現象。一方面，偏振是光的波動性的一種表現，偏振的概念涉及到光的波動性和對稱性等抽象概念，沒有直觀的實驗設備或教具，對于一些學生來說，這些概念可能難以理解。另一方面，如果缺乏實際的實驗設備或教具，教學可能會變得單調乏味，難以激發學生的學習興趣和積極性。而將現代信息技術與物理教學相結合，則可以有效解決現在所面對的困境。本文利用ＭＡＴＬＡＢ模擬光的波動性傳播過程，可視化展示光的波動性傳播過程，幫助學生理解光的橫波特性，結合傳感器進一步輔助學生探究光強與兩偏振片的偏振方向夾角之間的關系。信息技術與物理實驗的整合可以對傳統的物理實驗過程進行優化以提高教學效率［２］。

１" " 基于ＭＡＴＬＡＢ輔助呈現光波振動動態圖像

１．１" " 教學分析

在傳統的教學中，往往利用細線振動穿過狹縫的傳播過程來類比機械波的橫波和縱波的傳播過程，其中教科書中給出了模擬實驗的圖片，圖 １中的甲、乙分別代表機械波的振動方向與狹縫平行放置和垂直放置的兩種情況。同時，圖中呈現了縱波振動后穿過狹縫的情況。緊接著，進一步通過觀察教科書中圖片展示的光的偏振現象說明光是一種橫波。這種呈現方式幫助學生運用類比的思維理解光的橫波特性。但在這一過程中也存在著幾個問題。一方面，受實驗器材的限制，未能展示出點光源（如太陽、白熾燈等）的振動傳播現象及過程。另一方面，書中給出的案例繪制的是靜態圖片，而光波的傳播是一個動態變化的過程，運用靜態的圖片難以呈現出光作為橫波動態傳播的過程。

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圖 １" 教科書中橫、縱波模擬實驗圖［１］

１．２" " 實驗操作

１．２．１" " 演示點光源光波振動過程

ＭＡＴＬＡＢ軟件的引入可以有效幫助我們解決上述提到的兩個問題。對于點光源的光波傳播過程，首先，利用 ＭＡＴＬＡＢ 設置參數，繪制出空間范圍為１５、空間離散點數為１００的三維空間，選取合適的時間范圍和離散點數。接下來，生成 Ｘ、Ｙ 構成空間網格點，利用波函數公式Ｚ ＝

ｓｉｎ（ｓｑｒｔ（Ｘ．＾２ ＋ Ｙ．＾２） － ｔ（ｉ））計算出每個時間點的波函數。最后，利用波函數公式計算得到的數據就能夠繪制出我們需要的點光源振動傳播的三維圖像了。在設置的過程中，師生也可以自定義設置坐標軸的范圍及圖像更新時間，按照個性化的需求設計所需的光波振動圖像。最終，利用 ＭＡＴＬＡＢ繪制出的仿真效果如圖２所示，圖中呈現了在一個三維空間中點光源光波振動傳播的動態過程，圖２中左側和右側分別為兩個不同視角下的點光源光波振動傳播的仿真實驗效果圖。

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圖 ２" ＭＡＴＬＡＢ模擬點光源振動傳播圖像

利用 ＭＡＴＬＡＢ得到的實驗效果圖可以動態地為學生展示出點光源的光波傳播過程，學生能夠通過圖像清晰地觀察到點光源在傳播過程中光的橫波振動特點。同時，師生可以拖動鼠標控制動態圖像的角度，模擬實驗的整個過程，幫助學生從不同視角觀察點光源的光波傳播過程。為了便于學生觀察，這里波峰和波谷可以選擇用不同顏色來呈現。學生在觀看模擬實驗的同時能夠個性化調節參數，探究不同參數和視角下的實驗現象。

１．２．２" " 演示一束光線的光波振動過程

對于一束光線在傳播路徑中的光波振動過程，可以利用類似的方式通過 ＭＡＴＬＡＢ進行模擬演示。首先，需要設置光的波長、波數、平面尺寸和網格點數等參數。然后，創建一個平面網格，其高度初始值為０。接下來，創建一個圖形窗口，并用ｓｕｒｆ函數繪制初始的三維曲面。在循環中，我們不斷更新曲面的高度值，并通過ｓｅｔ函數更新曲面數據。最后，使用ｐａｕｓｅ函數控制刷新速度，實現動態效果。同時，也可以根據需要調整參數和控制刷新速度的時間間隔，以獲得滿足要求的動態光線波動性傳播過程的圖像。最終，利用 ＭＡＴＬＡＢ繪制出的效果如圖３所示，圖中呈現了一束光線在三維空間中的光波振動傳播動態過程，深色與淺色分別用來區分呈現波峰與波谷，圖３中左側和右側分別為一束光線在兩個不同視角下光波振動傳播的仿真實驗效果圖。

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圖 ３" ＭＡＴＬＡＢ 繪制一束光線的光波振動圖像

與模擬點光源的光波傳播過程實驗類似，我們仍然可以通過 ＭＡＴＬＡＢ 觀察動態的光波傳播過程，利用不同顏色呈現波峰與波谷的變化曲線。師生可以自由設置光的波長、波數、平面尺寸和網格點數等參數，以觀察不同參數下的光波振動圖像。

１．３" " 結果分析

利用 ＭＡＴＬＡＢ可視化物理實驗可以將抽象的物理概念通過動態圖像的形式呈現，使學生更加直觀地理解物理原理。這種視覺化的呈現方式能夠激發學生的學習興趣，提高學習主動性。可視化物理實驗不受實驗設備和條件的限制，可以模擬各種實驗場景和情況，這對于一些實驗條件受限或時間有限的情況，能夠為學生提供更多的實驗機會。總的來說，基于ＭＡＴＬＡＢ的可視化物理實驗為學生提供了更加直觀、生動、靈活的學習方式，幫助他們更好地理解和應用物理知識，提高實驗技能和創新能力。

２" " 利用Ｅｓｐ３２輔助探究光的偏振特性

２．１" " 教學分析

教科書中在呈現光的偏振特性時，利用圖4中的方式展現了當透過偏振片 Ｐ 的偏振光照射到偏振片 Ｑ時，如果兩個偏振片的透振方向平行，那么通過 Ｐ、Ｑ 偏振片的振動方向一致，則可以透過 Ｑ；如果兩個偏振片的透振方向垂直，那么通過 Ｐ、Ｑ 偏振片的振動方向不一致，則不可以透過 Ｑ。在傳統的教學中，講解這一特性時受到實驗器材的限制，教師大多采用圖片講解的方式幫助學生理解。學生難以通過實驗探究獲得物理規律。這種教學方式難以發揮學生的主體地位，同時也不利于對學生科學思維和科學探究能力的培養。

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圖 ４" 教科書中光的偏振現象實驗圖［１］

２．２" " 教具制作

２．２．１" " 實驗器材

發光均勻的顯示屏光源一個，OLED電子顯示屏一塊，偏振片一張（３０ ｃｍ×３０ ｃｍ），Ｅｓｐ３２主板一塊，光強傳感器一個，面包板一塊，紙盒一個，固定夾子若干，杜邦線若干。

２．２．２" " 實驗設計簡圖

該裝置主要由兩部分組成，其中一部分是自制檢偏器，另一部分是光強傳感器。自制檢偏器主要由偏振片（單側有膠）和亞克力板組成，準備一個圓形的亞克力板（半徑３５ ｃｍ）備用。準備一張偏振片（３０ ｃｍ×３０ ｃｍ），將偏振片沿著其中垂線，分為兩張大小一樣的長方形偏振片。裁剪成角度為 １０°的小扇形備用（共 ３６ 張），將３６張角度為１０°的偏振片拼湊成一個圓形，并將其貼在圓形的亞克力板上固定。同時，利用電腦CAD畫圖軟件制作出圓環形狀并標有角度的圖像，打印好后用雙面膠將其固定在亞克力板上，其效果如圖５所示。

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圖 ５" 自制檢偏器模擬圖

光強傳感器的型號為ＢＨ１７０５，該型號的傳感器感應范圍較小，測量結果更為靈敏，同時價格低廉，能夠進一步降低教具制作的成本。搭配傳感器使用的還有Ｅｓｐ３２主板、OLED顯示屏、杜邦線（若干）和面包板。首先，需要將OLED顯示屏幕和光強傳感器ＢＨ１７０５一起固定在Ｅｓｐ３２主板上。用杜邦線將上述所有元器件固定在面包板上，最終連線如圖６所示。

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圖 ６" Ｅｓｐ３２ 與光強傳感器接線圖

為了教具整體的美觀性，最后需要將Ｅｓｐ３２主板和面包板一起封裝進紙盒內部，將OLED顯示屏幕固定在紙盒外部，同時將光強傳感器通過杜邦線延長其接線，留出足夠的長度便于測量自制檢偏器上不同位置的光強大小。組裝后的效果如圖 ７所示。

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圖 ７" 光強傳感器封裝效果圖

為了便于使用該裝置，將自制檢偏器用燕尾夾固定在豎直方向上，同時將封裝好的傳感器組件與自制檢偏器結合在一起，就可以進行實驗測量了，最終組裝后的自制教具實際效果如圖 ８所示。

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圖 ８" 自制教具效果圖

２．３" " 實驗過程

將自制的檢偏器放置在一塊發光均勻的顯示器前。顯示器中通常會使用偏振片來調節光的傳播方向，以實現圖像的顯示效果。偏振片可以過濾掉不符合特定方向的光線，使得只有符合特定方向的光線才能通過，從而調節顯示器的亮度和對比度。圖９為顯示器中偏振片的工作過程，圖１０為實際的實驗過程圖。

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圖 ９" 顯示器偏振片工作過程圖

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圖 １０" 自制教具實驗過程圖

實驗過程中，我們利用自制檢偏器的角度標注和光強傳感器來采集光線穿過顯示器的偏振片和自制檢偏器的偏振片上不同透振方向的夾角對應的光強大小，利用Ｅｘｃｅｌ 軟件進行數據擬合，得到對應的圖像，圖 １１為利用 Ｅｘｃｅｌ 將實驗數據線性擬合得到的數據圖像。

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圖 １１" 實驗數據線性擬合圖

２．４" " 結果分析

利用 Ｅｓｐ３２ 和傳感器制作光強傳感的過程簡單，成本低廉，易于普及的同時，也可以引導學生自己制作出其他滿足個性化需求的教具。該裝置可以將現代信息技術融入物理教學中，幫助學生定量探究透過兩張偏振片后，影響其光強大小的因素。學生在實驗過程中可以任意采集兩偏振片的透振方向在 ０～９０°之間的光強數據，探求其中的物理規律。引導學生歸納總結出隨著兩偏振片透振方向夾角的增大，光強在逐漸減弱，且光強隨透振方向夾角增大而減弱的整個過程并不是呈線性的變化趨勢。

３" " 結" 論

ＭＡＴＬＡＢ和Ｅｓｐ３２融入到高中物理教學中可以使高中物理實驗更具趣味性和實用性，激發學生學習興趣的同時提高教學效率。在ＭＡＴＬＡＢ的幫助下學生能夠進行模擬實驗，自主設計模擬實驗的參數和效果，培養學生的思維和能力。同時，在信息技術工具的幫助下，學生能夠更深入地進行實驗探究，通過觀察和分析實驗現象，學生可以發現物理規律，解決實際問題。學生利用傳感器可以實時采集和記錄物理實驗數據，培養動手能力。信息技術的加入可以提高教學效率，幫助教師更好地組織和展示教學內容。學生通過使用這些工具可以更加直觀地理解和掌握物理概念和原理，傳感器進入物理實驗中也能對學生創造性思維能力的培養有一定的幫助作用［３］。

參考文獻：

［１］教育部基礎教育課程教材專家工作委員會．普通高中物理課程標準（２０１７年版２０２０年修訂）解讀［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２０２０.

［２］陸軍．運用信息技術優化高中物理實驗的探索［Ｊ］．物理教學，２０１３，３５（２）：３０－３２，４７．

［３］梁興祥．傳感器在高中物理實驗中的應用［Ｊ］．物理教學，２０２２，４４（４）：２７－２８，２６．

（欄目編輯" " 劉" "榮）