基于科学探究的 “光的偏振”教学过程

王明辉

(北京市大兴区第一中学,北京 102600)

物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力.而科学探究不仅是学生获取科学知识的有效途径,同时还是有效培养学生良好科学素养的基本载体.“科学探究”是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释,以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力.[1]在教学中积极发挥学生的主体作用,引导学生进行科学探究,在实验与探究中获取新知,可以提高学生学习主动性,有利于实际教学效果落到实处.以科学探究过程展开“光的偏振”的教学,使学生在解决问题、分析现象中蕴含的物理原理中学习新知.

1 教学分析

1.1 内容分析

“光的偏振”是《普通高中课程标准(2017版)》中选择性必修1第3部分内容.光的偏振的知识点是在机械波的形成和传播、波的衍射和干涉、光的干涉和衍射的基础上进行的.课标基本要求:知道光的偏振现象及其应用.光的偏振是说明光是横波的实验依据,也在生活生产中有广泛的应用.

教学重点是知道光的偏振现象及其应用,难点是偏振现象的理解.教学以将人教版和教科版相结合,依托于教材而不依赖教材,根据学生实际观察的现象来展开教学.通过实验降低学习难度、突破难点,以解决问题为目的利用任务驱动使学习层层递进.

1.2 学情分析

知识基础上,学生已经掌握了机械波的相关知识,知道横波与纵波的区别方法,知道光是一种波.但对光是横波还是纵波没有深入思考,在生活中可能已经见到过光的偏振现象,但并不理解其中的物理原理,缺乏对偏振的深入研究.能力基础上,学生通过两年的高中物理学习过程,已经具有一定的观察、类比和分析推理能力,具有初步的抽象思维和科学探究能力.

1.3 教学目标

结合教学内容,根据课程标准设计教学目标如下:

(1) 通过演示实验建立偏振的概念,知道只有横波才有偏振现象.

(2) 通过探究实验设计及现象分析,知道偏振片的作用、偏振光和自然光的区别．知道光是横波.初步了解光的偏振现象在生活、生产、技术中的应用.

(3) 通过分组实验锻炼合作交流的能力,学习科学研究的思维方法.提高运用科学知识服务社会的意识.

1.4 教学设计

教学设计流程图如图1所示.本节课通过提出问题设疑引课；通过实验方案设计介绍偏振现象、偏振片的知识；通过学生探究实验搜集证据产生新的疑问；通过对学生实验结果的讨论、交流建立偏振光、自然光的概念.同时对学生实验证据的解释使学生了解光的偏振在生产、生活、科技等方面的应用.通过创设情境、知识迁移、实验引导的方式激发学生的问题意识,帮助学生建立物理概念,并引导学生思维,降低学习难度.在探究实验中观察到的现象形成学生探索新知的内在动力,通过任务驱动逐步推进教学.

图1 教学设计流程图

2 教学流程

2.1 提出问题

问题1.光能发生干涉和衍射(图2)说明光是一种波,那么光是横波还是纵波呢?

问题2.我们是如何区分横波和纵波的呢?

教学分析:“学起于思,思源于疑”.设疑导入,抓住学生的关注,诱发学生思维.进而从横波、纵波的概念出发分析光是横波还是纵波.使学生产生“光无法直观观察其振动”的新的疑问.引出偏振概念的教学.

图2 光的干涉、衍射图样

2.2 方法选择

由于光波的不可视性导致利用质点振动与传播方向关系判断光是横波还是纵波不可行.那么从可直观观察的机械波出发,分析横、纵波还有什么不同之处.

图3 机械波的偏振实验

演示实验1.利用电磁打点计时器的振针带动另一端固定的细绳产生驻波,观察驻波通过狭缝后的情况[图3(a)].

演示实验2.利用横杆穿起玩具弹簧,抖动弹簧形成纵波,观察纵波通过狭缝后的情况[图3(b)].

实验结论:只有横波才能发生偏振现象.

教学分析:实验与探究奠定了物理学的实证基础,也是当代物理教育的核心实践活动.[2]通过演示实验使学生通过直观地观察、了解偏振现象,明确横波、纵波的区别,为探究光是横波还是纵波提供了实验方法.演示实验时,注意强调“选取与绳、弹簧相匹配的狭缝”,为后面介绍偏振片做好铺垫.

2.3 制定方案及实施

器材选择:偏振片——与光相“匹配”的“狭缝”．能使振动方向与其透振方向平行的光通过狭缝.

观察对象:教室中的各种光——日光灯管,液晶屏发出的光,透过窗玻璃照进来的阳光,各种物体表面的反射光.

实验方法:每组发放两个偏振片,使学生自由进行实验、观察.

实验现象:如表1所示.

表1 探究实验过程及现象记录

教学分析:引导学生进行探究实验设计过程,有利于提高学生的科学探究能力,掌握科学研究方法.亲历探究过程,分享实验结果,有利于提高学生信息意识和合作学习的能力.各种实验现象的分享中,学生会对现象成因产生疑问,而这种疑问正是学生继续学习,挖掘现象之中物理原理的动力.

2.4 分析论证 得出结论

问题1.在观察中,旋转偏振片时大多会看到光有明暗的变化说明什么?

观察到光有明暗变化说明光有时能通过偏振片,有时不能通过——说明光能发生偏振现象——说明光是横波.

问题2.为什么用一个偏振片观察日光灯时却没有看到明暗变化的现象?

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.一般光源直接发出的光是自然光.

线偏振光:在垂直于传播方向的平面上,沿着某个特定的方向振动的光.

部分偏振光：在垂直于传播方向的平面上，沿某一定方向的光振动较强，而与之垂直的光振动较弱.

验证实验:撕下偏振片边缘的贴纸,观察两个偏振片的透振方向,重复第2个实验,观察什么情况下观察到的光最暗(完全消失),什么情况光最亮.

得出结论:光能够发生偏振,说明光是横波.

教学分析:问题1引导学生建立“光能发生偏振” 的理念,问题2又进一步使学生产生认知不协调,使学生带着疑问进入“自然光、偏振光”概念的学习,有利于学生学习主动性的激发.验证性实验进一步使学生明确自然光和偏振光的区别,并明确两个偏振片的作用(起偏、检偏).

2.5 反思交流

实验中可以看出自然光经过各种物质反射、折射之后的光是不同程度的偏振光.当入射角满足某一特定值时反射光是线偏振光.

播放实验视频:透过偏振片观察水面.旋转偏振片的过程中,可以看到水面反光有时强烈,有时完全没有(图4).

图4 偏振片消除水面反光

因此可利用偏振片制成偏光眼镜或者在相机镜头前增加偏光镜来消除反光.

实验中可以看到液晶屏射出的光为偏振光——这与液晶的工作原理有关.液晶可以使通过其中的光的振动方向发生改变,而这种改变的程度与给液晶所加电压有关——液晶的这种特性称为“旋光性”.

演示实验:光源发出的光通过偏振片1后变为偏振光,使该偏振光通过糖水,用另一偏振片2分析透过糖水后的光的振动方向与偏振片1的透振方向不同.而糖水的旋光角度与其浓度有关.利用这一原理可以制作成旋光仪来检测旋光溶液浓度.

教学分析:通过对学生探究实验观察到的现象讨论交流,在解决疑问的过程中学习偏振光在实际生产、生活中的应用.同时教学中配以相关实验展示,有利于加深学生理解,降低学习难度.消光实验中,让学生看到旋转偏振片过程中水面反光的变化效果非常震撼,有利于加深学生的印象.

3 教学反思

“光的偏振”中有很多新的概念和现象,而这些知识本质都是在解决“光是横波还是纵波”这个问题中学习的.由于光的偏振现象的抽象性及学生的抽象思维能力有限,所以在教学中主要采用教师设疑,学生探讨的教学模式,让学生观察、思考、讨论,充分发表意见.这样既有利于突出重点,化解难点,又充分发挥了学生的主体性.在光偏振应用中,利用学生熟悉的器材、环境制作微视频,引起学生关注、激发学生的兴趣．并通过偏光镜和液晶屏的介绍使学生了解光偏振的广泛应用.

将整节课设计为学生的科学探究过程,让学生带着疑问投入学习,让学生体会到理论应用于实际的快乐,并且进一步培养学生透过现象挖掘理论本质、善于思考的习惯．而科学探究中不但使学生了解科学研究过程,同时又锻炼了学生的交流合作能力,有利于提高学生科学素养.