关于“光的偏振”教学的一些尝试

刘志国 黄喜强 张伶莉 曹永印 王庆东 王晓鸥 张 宇 赵 远

(哈尔滨工业大学物理学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

教育的目标是“授之以渔”，而非“授之以鱼”，也就是说，育人是教育的最终目的。在教育过程中，学生是学习的主体，教育目标的达成，离不开学生的主动学习。因此，调动学生的学习积极性，让学生能够主动地学习，在课堂教学中至关重要，在高等教育中更是如此。

我校的大学物理课程是在本科一年级的春季学期和二年级的秋季学期讲授的。经过高考前的紧张复习和磨练，加上高考后漫长的暑假，一部分学生在学习上比较懒散，甚至出现厌学情绪，在课堂上不够专心，教学效果也不尽人意。如何改变这种状况，让这部分学生在教学过程中能够积极主动，已成为大学物理课教师的任务之一。与此同时，提升课堂教学的效果，让学生加深对所学知识的理解，也是任课教师需要重点考虑的事情。

大学物理课程中光学部分的内容，主要是由波动光学构成的，只有少量几何光学的知识。从高中的几何光学为主一下跳跃到波动光学为主的情况，学生需要一段时间适应。而“光的偏振”一章，概念又比较多，如自然光、圆偏振光、偏振片、布儒斯特角、晶体的双折射、偏振光干涉、旋光等；对于有些概念和问题，学生理解起来比较困难，如寻常光、非寻常光、惠更斯作图法等。这些情况使“光的偏振”成为教学中的难点，如果不认真对待，教学效果必然受到影响[1]。

2018年秋季学期，针对“光的偏振”一章，我们对课堂教学进行了全新的设计和尝试，目的是提升学生对相关知识的兴趣，调动学生的积极性，让复杂的问题简单、直观化，从而达到提升教学效果的目的。

1 指导思想

钱学森[2]曾经说过，自然科学中最基础的学问有两门，一门是物理，是研究物质运动基本规律的学问；另一门是数学，是指导我们推理、演算的学问。 应用科学(工程技术)利用基础科学来解决生产实践中的问题。因此，对工科院校的学生来说，扎实地掌握物理知识对从事进一步研究工作是非常重要的。

让学生学习物理知识，首先要激发学生的兴趣，让他们对后续的讲解充满期待。怎样才能做到这一点呢？我们知道，物理来源于生活，是一门实验科学，因此演示实验在大学物理教学中起到了重要的作用[3]。让演示实验产生良好的效果，甚至超过预期，是保证教学效果的关键。

既然物理来源于生活，那么物理知识应该能够解释生活中的各种现象。所以，物理理论知识的讲解应紧密结合演示实验，并能够说明实验中各种现象的缘由，让学生感到物理知识并不是抽象和枯燥的，而是实实在在的，能够感受得到的。否则，就不是成功的授课。

学习物理知识的目的是为了将其应用到各行各业。介绍相关物理知识的应用应该成为课堂教学的一部分，对于工科院校的学生，尤其重要[4]。在课堂上适当介绍一点儿知识的简单应用，或者一些仪器的基本原理，可大大地提升学生对所学知识的深入理解。如果能够讲解物理知识在最新科学研究成果中的应用，对于学生的触动是相当惊人的。

总之，指导思想可以概括为：以演示实验为主线讲解物理知识；以实际应用来加深物理知识的理解。

2 实施方案

在“光的偏振”部分，演示实验比较丰富，为物理教学提供了大量的教学辅助材料。在具体的课堂教学过程中，我们尽量做到使知识讲解和演示实验有机地结合，充分发挥演示实验的作用，以提升教学效果。

2.1 问题的引入

物理教学中，怎样引入教学内容，需要精心设计。最终目的是让学生集中注意力，用心听讲。利用物理现象引入物理问题是一个不错的选择，关键是在课堂的一开始就能引起学生的兴趣，并能引发他们的思考以及对接下来教学内容的期待。因此，在选择演示实验时，我们选择那些尽量接近生活，并能让人感到出乎意料的例子，如果例子能让人感到震撼，那么效果就更好了。因此，我们的课堂教学是从演示实验开始的，并且按知识点进行单元式教学。以下是我们教学过程的一些具体例子。

图1 演示实验“穿墙而过”

例1在讲解“起偏和检偏”部分内容时，我们用到了图1所示的演示仪器，称为“穿墙而过”。其结构是两片透振方向垂直的偏振片，卷起来放进透明的圆筒内，各占一半空间，在交界的地方，由于光线经过两张偏振片后发生了消光，让人感觉到中间部分有一块“挡板”。当使圆筒中的网球从一侧滚到另一侧时，网球穿过了“挡板”！

当学生看到这个实验现象时，无不感到惊讶，有的学生甚至想到近前仔细看看是怎么回事。这样，学生的注意力一下子就被吸引过来，好奇心也被调动起来，对后面的讲解也更加感兴趣了。

例2在“反射和折射起偏”部分，如果只是按部就班地进行理论讲解，大部分学生会觉得不易接受，而且觉得枯燥。我们采用了与教学密切相关的演示，即让学生从反光比较强烈的地方来看黑板上的字迹，他们会反映看不清。这时，我们递给他们一片偏振片，调整好角度。当透过偏振片能看清黑板上字迹的时候，他们都发出了惊叹，其内心的触动是显然的。对于那些坐在黑板正面的学生，让他们观察地面上日光灯的反光，如图2所示。调整好偏振片的角度以后，反光被滤掉！与单纯的理论讲解相比较，利用演示实验、用比较实用的方式来说明反射光是部分偏振光，往往使学生印象深刻，不易忘记。

图2 利用偏振片观察地面反光(a) 地面反射光； (b) 反射光通过偏振片； (c) 偏振片转过90°

例3在讲解“晶体的双折射”一节时，“非寻常光”的概念非常难以理解，单单通过讲授是不易达到教学效果的。我们在讲授这部分内容时，先让学生在纸上画一个点，然后让他们闭上眼睛，将方解石盖到黑点上。当他们睁开眼睛时，看到了两个黑点！不少学生有点不相信，还特意把方解石移开，看到底是几个点。

图3 方解石的双折射(a) 双折射现象； (b)(c) 转动偏振片，两个像交替出现

接着，让学生透过偏振片来观察这两个点，转动偏振片时，可以看到两个黑点交替出现。也就是说，两束光都是偏振光！而且，两个点出现时偏振片的透振方向成90°角，说明这两束光的偏振互相垂直。图3给出了相应的照片。这个实验做完，课堂气氛马上活跃起来。

从我们的教学效果来看，从演示实验开头，以物理现象引入教学内容，更容易激发学生学习的主动性。在好奇心的驱使下，学生往往能在课堂中表现得更为积极，物理知识的传授也就变得轻松了。

2.2 知识的讲解

在前面的演示实验中，已经把学生的积极性调动起来。接下来要做的就是相关知识的讲解。物理理论的讲解要紧密围绕实验中看到的现象，始终让学生处于同一问题的思路中，注意力也一直处于集中状态。讲解中使用简短的语言和公式，尽量做到通俗易懂。

例如，在例1的演示实验完成后，先讲授自然光和偏振光的区别，然后介绍从自然光中获得线偏振光的方法，在此基础上再讲授其他种类的偏振光和偏振光的检验方法。当光线连续通过两块偏振片时，透射光的强度与两个偏振片之间夹角余弦的平方成正比，即马吕斯定律。这样，“起偏和检偏”部分的内容就完成了。

对于“反射和折射起偏”部分，通过实验可知自然光反射后变成部分偏振光，接下来说明这是光的横波性引起的，即光矢量的振动方向只能垂直于光的传播方向。随着入射角的改变，反射光的两种偏振比例将发生改变，到特定角度，反射光中只含有垂直入射面的振动，成为完全线偏振光，这就是布儒斯特定律。再进一步，讲解折射光的偏振状态，并介绍从折射光中获得线偏振光的方法。

“晶体双折射”部分的理论，从“寻常光”和“非寻常光”讲起，接着介绍晶体的光轴(两种光线不分开)，再介绍两束光的偏振状态。通过光矢量与光轴的方位关系，说明双折射的起源，即晶体中非寻常光的光速随偏振方向与光轴的夹角而改变。利用两束光在晶体中的速度可以做出它们的波面，并由此引出惠更斯作图法。

这种讲解方式的优点是与实验现象联系紧密，讲解过程比较连贯，概念、公式和定律引出自然，学生接受起来比较容易。

2.3 理论和实验的对照

物理知识讲解完成后，再做一次演示实验，观察实验现象，并用相关物理知识来进行解释。解释实验现象时要言简意赅，让学生有一种恍然大悟的感觉。

例如，对于“穿墙而过”实验，需要介绍实验仪器的结构，说明中间的那个“隔板”其实并不存在(可以让学生仔细观察仪器)，而是透振方向相互垂直的两个偏振片造成的视觉效果，即第一个偏振片实现了自然光的起偏，而第二个偏振片造成了消光，所以网球的运动没有受到任何阻碍。

对于例2中的反射光，先和学生判断入射面的方向。由于反射光中垂直于入射面的振动分量比较多，可以转动偏振片的方向，让这个分量消光，反射光的强度就会大幅度降低，黑板或者地面上的相应位置就会看清楚。

方解石是晶体，是各向异性材料。两种方向偏振的光在晶体中传播速度不同，由惠更斯作图法可知，其传播方向不一样，这就是双折射现象，纸上的点也因此产生了两个像。两束光的偏振方向垂直，因此利用偏振片检偏时均有消光现象，且透振方向成90°角。

至此，通过两次给学生演示实验，不仅加深了学生的印象，理论和实验之间也实现了统一；理论知识很好地解释了实验现象，学生心里的疑问也因此得到解决。

2.4 展示实验变化，加深理论理解

将前述物理规律进行拓展，也就是改变相关实验参数，就可以观察到不同的物理现象，这有助于深入地理解物理知识。

例如，讲解了“起偏和检偏”内容之后，可以问学生一个问题：透过两个透振方向相互垂直的偏振片观察，眼前一片漆黑，看不到任何光线，如果在两者之间插入第三个偏振片，透振方向不同于这两片，将发生什么现象？在学生回答之后，利用实验说明加入第三个偏振片后就可以透光，再利用马吕斯定律进行解释。经过这样的过程后，学生对马吕斯定律就会更加熟悉。

如果入射光的偏振方向处于入射面内，并且入射角等于布儒斯特角，反射光线将是怎样的？这样的问题对于理解布儒斯特定律是很有帮助的。通过实验让学生知道，这个时候只有折射光线，反射光线将消失。

光线通过方解石后分为两束，那一束是非寻常光？变换入射光的方向，两条折射光线将如何变化？第一个问题可通过转动方解石来判断，因为方解石直接接触纸面，因此入射角为90°，寻常光的折射光线始终垂直于晶体表面，不改变方向，而非寻常光将绕着寻常光旋转。对于第二个问题，可通过惠更斯作图法给出，也可通过实验验证。在光轴方向和垂直光轴方向，两束光不分开，随着对这两个方向的偏离，两束光将逐渐分开。如果这些问题能弄清楚了，在实验中也观察到现象了，那么对双折射的理解也就透彻了。

2.5 介绍知识的应用

“学以致用”是学习科学知识的最终目的。物理知识在生产、生活中有着广泛的应用。一些科学仪器的基本原理往往非常简单，就是利用了课堂中讲到的物理规律。在教学中给学生介绍这样的应用，对于启发学生的思考，培养其创新精神无疑是重要的。在以往的教学中，这部分的比例并不大。这次尝试，我们大幅提高了知识应用部分所占的比例，以拉近物理知识和实际之间的距离。以下是课堂中讲解的一些例子。

晚上汽车在没有路灯的路上行驶，打开远光灯是必要的，因为这可以让司机的视野更开阔。但是，路对面来车的司机会感到炫目，容易引发交通事故。解决的办法就是在汽车的照明灯和风挡玻璃前面加装一个和地面成45°角的偏振片，当对向来车时，两车的透振方向垂直，灯光互不影响。

根据反射光线和反射面可判断入射面的方向，由布儒斯特定律可知反射光偏振的优势方向。在相机前面加装一个偏振片，就能减小反射光的影响，这是高品质摄影中经常使用的方法。又如，在激光器内部加两片法线方向和光线成布儒斯特角的光学玻璃，出射的激光就是线偏振光，因为在谐振腔里经过多次反射后，激光垂直光学玻璃入射面的偏振已经没有了，只有平行入射面的偏振。

将双折射晶体切成表面平行于光轴的薄片，可制成波片。它利用寻常光和非寻常光传播速度的不同，造成两束光之间的相位差。若相位差为90°，称为1/4波片，若为180°，则称为1/2波片。因为这种情况下两束光的偏振方向垂直，所以1/4波片的作用是使线偏振光变成圆偏振光，或者使圆偏振光变成线偏振光；而1/2波片的作用是使线偏振光的偏振转过一定角度。

这些应用的原理很简单，用到的物理知识也不复杂，学生理解起来并不困难。在讲授大学物理时加入这些内容，对开拓学生视野、知识的活学活用会起到积极的促进作用。

3 学生反馈

经过这学期的教学实践，学生对这种教学模式是认可的。这种重视演示实验和实际应用的教学模式还是有非常好的前景的。以下摘录了部分学生对这种课堂教学模式的反馈。

“……有趣至极。有时候真不知道他们是怎么设计出这样那样的实验的，其中许多点子都是我考虑不到的，这也可以开拓我的思路……”；

“……效果蛮好的。因为展示时，头不晕了，眼皮不打架了，手机也不玩了呢。大家都全神贯注地参与到实验中……”；

“……课前课中都有展示，课前激起学生兴趣和探知欲，在课中通过物理理论的讲解指导学生逐步理解物理现象的本质原因。在课中也有展示，可以加深学生印象……”；

“……相对来说新的物理过程能够更全面地展示所学的内容。两次演示能加深我们对知识点的理解和掌握……”；

“……新的物理过程展示，给我们讲的时候更有脉络，逻辑更清晰易懂，而且确实更能激发我们的兴趣。因为在了解现象之后，我们会更渴望知道为什么是这样的，原理是怎样的，而不是像以前那样……”；

“……新的物理过程展示更好，在讲解理论之前先展示实验现象，能激发我们对问题的探索……，我认为新的展示更能引发我们对问题的思考。

……可以让我们感到物理现象好奇妙，使我们更专注地投入到课堂……”；

“……展示效果较好，能够吸引注意力……”；

“……新的物理过程展示可以让大家一起看现象，通过观看实验能更集中地去学习，在很大程度上减小了课堂分神……”。

4 结论

经过一段时间的课堂教学，大学物理课程中“光的偏振部分”内容已经讲授完毕。根据学生的反馈情况来看，教学效果还是很好的。教学回归了“物理是实验科学”这一根本，使抽象、枯燥的书本知识与实际联系了起来，学生对物理也产生了“面对面”的了解。新的教学方式使学生的知识基础更加牢固，思维更加活跃，视野也得到了拓展。