基于“光的偏振”及其演示实验的微设计

罗 佳 周新雅 黄亦斌

(江西师范大学物理与通信电子学院 江西 南昌 330022)

演示实验是教师在课堂上结合教学内容，对相关实验进行操作和演示，并引导学生观察、思考、分析实验现象的一种教学方式，它在中学物理教学过程中不可或缺.合理运用演示实验进行教学，能够有效吸引学生的注意力，大大激发学生的学习兴趣，并在更大程度上帮助学生建立和理解相关的物理概念、规律[1].

然而，令人遗憾的是，一些教师观念相对保守，加之应试教育的压力和实验器材的破旧或欠缺，导致演示实验教学状况不尽人意.特别值得一提的是，在中学物理中许多知识原本就比较抽象，学生理解起来很是困难，迫切需要通过有效的演示实验创设情境，化抽象为具体，使学生在观察和分析形象直观的实验现象中掌握相关物理概念和规律.因此，在中学物理课堂教学过程中，创设有效的教学情境对激发学生问题意识、培养学生的创新精神和实践能力将会具有十分重要的促进作用[2].

1 创设情境提出偏振

师:同学们，我们在大街小巷经常看到贴膜的小摊，今天，我们不给手机贴膜而是给电脑“贴膜”.老师手上有一块透光的膜，现在老师要给电脑进行贴膜，同学们注意观察.

学生观察发现电脑上的图案“消失”了(图1).

图1 给电脑“贴膜”，电脑显示的图案“消失”

师：想知道图案“消失”的原因吗？让我们带着这个问题走入今天的课堂.

设计意图：以给笔记本电脑“贴膜”的情景出发，利用光的偏振使得电脑上的图案“消失”，吸引学生的注意力，激发学生的兴趣和求知欲.在轻松愉快的物理学习氛围下[3]，引导学生思考图案“消失”的原因，但由于学生知识水平有限，难以分析出其中的原因，从而引入本节课的课题.

2 举例分析类比偏振

教师运用多媒体展示图片，引导学生想象，假如让软绳穿过一块带有狭缝的木板，先后将狭缝与振动方向平行放置及与振动方向垂直放置，再依次抖动绳子(图2).接着把软绳换成弹簧，前后推动弹簧(图3).

图2 情境图一

图3 情境图二

师：软绳的振动和弹簧的振动分别形成了一列什么波？它们形成的波能否穿过狭缝？

学生运用所学知识分析出软绳的振动形成一列横波，弹簧的振动形成一列纵波，并分析图2和图3情境中的振动分别穿过木板狭缝的情况.

教师分析学生给出的答案，引导学生对上述情境的结论进行归纳总结，得出在垂直于波传播方向的平面上，只有沿着平行于狭缝方向的振动才能穿过狭缝.同时，告诉学生这种现象称为偏振现象.而情境二中，无论狭缝怎样放置，弹簧形成的纵波都可以穿过狭缝传播到纸板的另一侧.

师：刚刚我们已经知道什么是偏振现象了，那纵波能发生偏振现象吗？

学生根据偏振现象的特点判断出纵波不能够发生偏振现象.

教师引导学生根据上面横波和纵波穿过狭缝的情境归纳出偏振现象是横波的特有现象，只有横波才能发生偏振现象.

设计意图：联系生活经验，将抽象的物理情境清晰地、分步骤地展现出来，有利于学生理解整个运动情况的过程.同时，该环节通过利用机械波来类比，帮助学生建立偏振的概念，让学生明白光通过的“狭缝方向”是确定的，为理解偏振现象提供了一个思路.

3 自制教具体验偏振

演示实验一：打开手电筒，让手电筒的光通过一块圆片，使光线投射到光屏上，旋转圆片，提醒学生观察屏上光斑亮度的变化情况.(图4)

师：当旋转圆片时，屏上光斑的亮度是怎么变化的？

学生观察屏上光斑亮度的变化情况，总结出光斑的亮度不发生变化.

师：为什么此时光斑的亮度不会发生改变呢？

学生分小组思考讨论，请小组代表回答.

教师对学生的回答进行分析和点评.告诉学生想要知道光斑亮度不发生变化的原因，先要了解自然光的特点.通过多媒体展示图5，引导学生掌握自然光的特点.

学生观察图片，通过教师的引导，发现并总结出自然光包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同.

教师结合所做的演示实验，告诉学生实验中用到的圆片在物理中叫做偏振片，并引导学生建立偏振光的概念.

学生在教师的引导下，明白在偏振片上有一个特定的方向，只有沿着这个方向振动的光波才能顺利通过偏振片，这个方向叫做透振方向，此时透射出来的光叫做偏振光，而透振方向的作用相当于之前木板上狭缝的作用.

师：现在我们已经知道自然光的特点，那请同学们再次分析下光屏上的亮度不会改变的原因.

学生思考并讨论，得出结论：光屏上的亮度不变是因为自然光在其垂直于传播方向上包含着各个方向振动的光，所以在旋转偏振片的过程中，光屏上都会出现光斑，又因为各个方向振动的光波的强度都相同，所以光斑的亮度不会发生改变，如图6所示.

图6 演示实验一示意图

演示实验二：在实验一的情况中增加一块圆片，使得两块圆片相同颜色的区域平行，再请一位学生来将其中一块圆片缓慢地旋转180°，让全班学生对光斑的亮度进行观察，如图7所示.

图7 演示实验二

学生观察光斑的亮度变化，归纳出当两块圆片相同颜色的区域平行时，光斑最亮；旋转其中一块圆片的过程中，光斑亮度逐渐变暗，直到红色区域与黑色区域平行时，亮度最暗，光斑消失.

师：为什么增加一块偏振片后，旋转其中一块偏振片，光的亮度会发生改变呢？

学生分小组思考讨论，结合之前的知识进行分析，小组代表回答.

教师对几组学生的分析进行归纳，如果两个偏振片的透振方向平行，那么，偏振光的振动方向跟第2个偏振片的透振方向平行，偏振光能通过第2个偏振片，透射光的强度最大，示意图如图8所示.把第1块偏振片称为起偏器，第2块偏振片称为检偏器.

图8 演示实验二透振方向平行时的示意图

学生理解并掌握两块偏振片透振方向平行时，透射光的强度最强.

教师边演示实验边讲解，如果两个偏振片的透振方向垂直，那么，偏振光的振动方向跟第2个偏振片的透振方向垂直，偏振光不能通过第2个偏振片，透射光的强度为零，示意图如图9所示.

图9 演示实验二透振方向垂直时的示意图

学生理解并掌握两块偏振片透振方向垂直时，透射光的强度为零.

师：现在我们已经理解了实验现象产生的原因，那么光是一种什么波呢？

学生思考讨论，结合偏振现象的知识分析出光是一种横波.并能够明确，如果光是纵波，无论两狭缝夹角如何变化，光斑亮度不变.而实验结果显示，随着两偏振片夹角不同，光斑亮度发生了变化，所以光是一种横波.

设计意图：教师通过演示实验，向学生展现直观的实验现象，并让学生参与到实验中，使得学生的主体性得以体现.结合“实验探究”和“科学推理”，通过对实验现象进行观察分析，又加以科学的想象推理，引导学生去发现知识，总结规律.在分析演示实验的现象时，与学生进行谈话式的问答，逐步引导学生在思考讨论以及分析问题过程中掌握理论知识，提高学生的分析能力和观察能力，体现“教师主导，学生主体”的理念.

4 揭秘贴膜前后呼应

教师引导学生回到课堂最初留下的疑问，通过用两张偏振片放在物理书上，“物理”二字消失，如图10所示，使学生明白电脑上图案“消失”的原因.

图10 “物理”消失

学生运用本节的知识在教师的指导下认真分析图案消失的原因，得出：当在电脑屏幕上加上一块偏振片，使其透振方向与笔记本电脑上的偏振片的透振方向垂直时，这时透射光的亮度就为零，那么图案就看不见了，也就是我们说的图案“消失”了.

设计意图：前后呼应，巩固新知.培养学生自主思考的能力，加强学生对知识的理解.

5 拓展延伸应用偏振

教师运用多媒体展示两组图片，一组是照相机镜头没加偏振片拍摄的，一组是加了偏振片拍摄的，请学生来观察这两组图片有什么不同.

学生认真观察、比较图片，可发现加了偏振片的镜头拍摄出来的照片反射光很弱.

师：除了照相机上运用光的偏振，你们还能举出其他运用光的偏振的例子吗？

学生思考举出生活中运用光的偏振的例子，并对其进行分析.

设计意图：开阔学生视野，拓展思维.运用所学的知识解决实际问题，巩固所学的知识.

6 总结交流反思教学

本堂课首先以给笔记本电脑屏幕“贴膜”的情境引入，从而拉近了学生与科学知识间的距离，有利于激发学生的好奇心和求知欲.接着在光的偏振演示实验中让学生参与其中，使之由被动变为主动，其积极性也得以提高；同时利用实验的直观性引导学生去观察实验现象并去思考问题，让学生在演示实验的体验中感受到物理学的多重魅力.在教学的最后，让学生运用本节课的知识去解决课前留下的问题，分析生活中的偏振现象，不仅能检查学生对所学知识的掌握程度，而且能帮助学生巩固新知.整堂课体现了“从生活走进物理，从物理走向生活”的教育理念，势必会取得了良好的教学效果.