“光学”课程中布儒斯特定律演示仪的设计与应用

摘要：自制教具可以提高学生的学习兴趣，培养学生动手能力和创新思维，对大学课堂教学具有十分重要的意义。在“光学”课程中自制布儒斯特定律演示仪，采用学生生活中常见的CCD摄像头拍摄图像，用激光切割亚克力板制作光学旋转支架来控制入射角和出射角，通过Matlab编程处理计算光强，用相对光强极值来自动寻找布儒斯特角位置，进而计算角度大小和介质折射率。该装置既可直观演示布儒斯特现象，又能定量验证布儒斯特定律，在教学中应用该演示仪，融入以学生为中心理念，制定了布儒斯特定律演示仪在“光学”课程中应用的教学策略。

关键词：“光学”课程；教学改革；CCD；布儒斯特定律；演示仪器

Abstract：SelfmadeteachingAIDScanimprovestudents'interestinlearning，cultivatestudents'practicalabilityandinnovativethinking，whichisofgreatsignificancetouniversityclassroomteaching.Inopticalcoursehomemadecloth's&nbSlbSUQ2folRvArYwF0VEzg==sp;lawdemonstrationinstrument，usingthecommonCCDcamerainstudentlifeimages，withlasercuttingacrylicplatemakingopticalrotatingbrackettocontroltheAngleandAngleofincidence，throughMatlabprogrammingprocessingtocalculatelightintensitywithrelativelightintensityvaluetoautomaticallyfindcloth，Anglecalculationandmediumrefractiveindex.ThedevicecannotonlyvisuallydemonstratetheBururstphenomenon，butalsoquantitativelyverifyBurorst'slaw.Itappliesthedemonstrationinstrumentinteaching，integratesthestudentcenteredconcept，anddevelopstheteachingstrategyofburorst'slawdemonstrationinstrumentinopticalcourse.

Keywords：opticalcurriculum;teachingreform;CCD;Brewster'slaw;demonstrationinstrument

1概述

光学是物理学的重要分支，是自然科学中发展最早的学科之一，它与人类生产生活密不可分，光学在当今科技发展中具有重要地位。“光学”课程是理工科大学生的基础课程，通过课程学习使学生掌握光的干涉、衍射、偏振等基本现象、原理和规律，培养学生的学习能力、科学探究能力和分析解决问题的能力。作为光学重要的章节之一，光的偏振在科技前沿领域、生产和国防上的应用越来越广泛，在教学中结合实验进行教学改革，用实验现象使学生构建正确的物理图像是“光学”课程的重要任务之一。

为了让学生深刻体验和理解光的偏振现象，在教学中引入光的偏振演示实验能有效促进教学效果，但目前大部分演示教具只能演示基本的实验现象，比如用两个偏振片叠加后旋转产生不同的消光现象，这些仪器无法进行定量测量。在讲解布儒斯特定律时，会涉及入射角、折射角以及反射角的定量关系问题，这就需要对角度进行定量计算，设计能定量验证布儒斯特定律的演示仪对加深学生理解光的偏振至关重要，是教学难点问题。传统光学实验室里的布儒斯特定律测量装置对设备和环境要求较高，教师难以携带到课堂中进行演示，如果能配套便携式布儒斯特定律定量演示仪，那么教学效果将会明显提高。基于此，本教学团队结合多年教学经验，开发出基于CCD的布儒斯特定律演示仪，不仅能定性演示布儒斯特效应，还能定量测量布儒斯特角，验证布儒斯特定律，并且根据该演示仪器，设计了一套实验教学策略。

2CCD在教具设计中的应用

相较于厂家定制的仪器设备，自制教具是任课教师根据教学需求自己开发设计的实验仪器，它凝聚着教师独特的教学理念，在教学中的应用价值更高［14］。在教学中使用自制教具，虽然有时会出现这样那样的问题，但是在分析问题解决问题、改进仪器的过程中，学生从中学到的知识更多，尤其光学是一门以实验为基础的学科，教学中引入教师自己设计的演示实验是重要教学环节之一，能有效提升学生的参与度，根据教学团队教学经验，当教师在课堂上拿出自制教具进行演示实验时，课堂会立刻活跃起来，学生积极主动参与到实验当中。这对形成以学生为中心的实验探究氛围，提高“光学”课程高阶性、创新性和挑战度，提升学生学习主动性，进而提高教学质量具有重要意义。

本文自制教具采用CCD摄像头，通过USB连接到电脑，在电脑上显示拍摄图像，通过编程处理得到相关测量结果。CCD是能够把光信号转化为数字信号的一种半导体器件，在航天、机械、医疗等领域广泛应用。CCD上每个感光单元称作像素，像素的数量决定画面质量，每个像素是一个金属—氧化物—半导体构成的MOS单元［57］。CCD数据采集系统主要由CCD器件、时序驱动、A/D转化、信号处理、存储控制器和上位机等组成。常用的CCD根据分辨率、灵敏度、信噪比，彩色还原特性及自动功能等不同指标，其价格在几十元至几十万元不等，本文采用物美价廉的普通CCD摄像头，价格在百元左右。作为新型半导体光电转换器件，CCD技术广泛应用于光学检测当中，在“光学”课程里，采用CCD摄像头可以完成单缝衍射、声光效应、牛顿环和分光计等实验的显示和测量。

3基于CCD的布儒斯特定律演示仪

在光学课堂中引入布儒斯特演示实验能有效促进学生对知识的理解，但目前市面上缺乏一款携带方便、实验条件要求低，并且能定量测量的演示仪器。针对这一问题，笔者制作了基于CCD的布儒斯特定律演示仪，用以拓宽学生的知识面，让学生在教具制作和实验中对光的偏振知识有更深刻的理解，同时能够灵活运用这些知识。

3.1设计理论

当自然光入射到折射率分别为n1和n2的两种介质的分界面上时，随着入射角的改变，反射光的偏振化程度也随之改变，当入射角满足tani0=n2/n1时，反射光中就只有垂直于入射面的光振动，而没有平行于入射面的光振动，如图1所示，图中圆点表示垂直入射面的光振动，短线表示平行于入射面的光振动。此时反射光为线偏振光，而折射光仍为部分偏振光。这时的入射角i0称为布儒斯特角。同时可以证明，当入射角为布儒斯特角时，反射光线与折射光线的夹角刚好为90°。因此，在设计仪器时，需要能连续调节入射角大小，并能检测反射光刚好为线偏振光时的角度大小，得到布儒斯特角，进而计算得到介质折射率。

3.2教具构成

自制实验教具的硬件主要由带有坐标纸的玻璃板、激光器、CCD探头、升降台、装有介质的容器、电脑等，如图2所示。

激光器产生激光，通过光阑后入射到介质中，在介质的反射光方向加上偏振片，滤去反射光的垂直偏振光，并用CCD探头接收反射光。当CCD检测到的光强为0或最弱（有干扰源）时，即为布儒斯特角所在位置。将CCD探头另一端连接电脑上的Matlab光斑追踪分析程序，改变入射角，在电脑上绘制光强变化曲线，光强曲线的最低点就是介质的布儒斯特角所在的位置。CCD探头位置坐标为（x，y），空气折射率近似为1，上述公式可化为n2=x/y，也就是说CCD探头的横纵坐标之比即为介质的折射率。

布儒斯特定律演示仪的软件程序界面如图3所示，包含摄像头采集、实时光斑、光强显示和结果计算等模块。整个实验过程现象直观，通过Matlab光斑追踪分析程序将布儒斯特角的测量巧妙转化为观察光斑的明暗，将光强转化为像素值，并且设计追踪程序，自动化程度高，测量介质的折射率更准确。

3.3教学策略

3.3.1原理讲解与教具组装

教师向学生介绍该教具测量介质折射率的原理，即布儒斯特定律。然后学生分组实验，根据教师介绍的原理和提供的实验元器件，思考并交流如何组装出教具。教师可以设置一些提示性的问题，如“偏振片应该怎么装？用什么采集光斑？激光发射器和CCD探头的移动要注意什么？”等来帮助学生完成教具的组装。

教具的组装可以锻炼学生的动手操作能力以及解决问题的能力，组装出正确教具的这一过程也可以帮助学生加深对偏振、折射率等知识点的理解。通过分组实验，学生之间互相讨论交流，以团队形式设计实验和最终实验汇报，培养学生团队协作能力。

3.3.2开展实验

在组装好教具后，让学生按照以下步骤进行实验：（1）预热激光器之后打开CCD探头，连接电脑中的Matlab程序，实时追踪光斑；（2）同时移动激光器和CCD探头，绘制出光强变化曲线；（3）找到Matlab中光强曲线最小的点，即为布儒斯特角所在位置；（4）测量并记录CCD探头的坐标，其横纵坐标之比即为介质的折射率；（5）多次测量得出介质折射率的平均值。

以玻璃的折射率测量为例，随着激光器入射角度的改变，光斑从亮逐渐变暗，再变亮，所绘制的光强变化曲线先减小后增大（如图4所示）。在光斑最暗处微调激光器的入射角度，找出所绘制的光强曲线上的最低点，就是玻璃的布儒斯特角，读出该位置探头的横纵坐标，横纵坐标之比即为介质的折射率。

重复上述过程，进行多次实验，可以得出所测玻璃的折射率。在得出介质的折射率之后，将其与实际值进行比对9kq/a1NKXxnp2RZDGyql+A==，计算误差并分析误差产生的原因，寻找改进实验的办法，教师还可以更换不同的介质让学生进行实验。

通过以上自制布儒斯特定律演示仪，学生能够直观体会到布儒斯特现象，并且能定量测量得到介质的折射率，该装置现象明显，有利于学生更深刻地理解和运用相关知识。在完成实验后，给学生介绍折射率测量在食品生产、油田开采、生化医疗等多个领域的广泛应用，让学生体会到光学与生活的密切联系，从生活走向光学，从光学走向社会，加深对光学知识重要性的认识，从而燃起学生学习光学的兴趣。此外，物理实验与计算机工程的结合契合跨学科实践的教育理念，有利于拓宽学生的视野，培养学生的工程思维和创新精神。

结语

自制教具有利于激发学生的学习兴趣，加深学生对于知识的理解和运用，锻炼学生的动手能力和解决问题的能力。因此，在光学课程中教师应根据教学需要，不断完善已有教具并探索研发新教具，本文基于CCD摄像头和Matlab编程自制了布儒斯特定律演示仪，并简述了在课堂中的使用策略，对提高课堂教学效果，增强学生学科素养和探索精神，促进立德树人培养目标的达成具有一定的促进作用。

参考文献：

［1］孙宝印，杨婷妍，王芳苏，等.灵活利用家用物品巧妙自制物理教具［J］.物理教师，2020，41（9）：4548.

［2］姜玉仙.自制教具推动物理教学之思［J］.华夏教师，2021（5）：7980.

［3］孙宝印，李成金，刘军.基于创新能力培养的物理演示实验教学模式［J］.物理实验，2017，37（S1）：2528.

［4］崔彩红.自制教具在物理实验教学中的作用与应用策略［J］.甘肃教育，2019（13）：86.

［5］金丹青.CCD在光学实验中的应用［J］.宁波广播电视大学学报，2010，008（001）：120122.

［6］朱宏娜，常相辉，吴晓立，等.CCD技术在大学物理实验教学中的应用［J］.实验科学与技术，2010（4）：67.

［7］尹真，陈丽萍，廖志伟，等.用CCD测量布儒斯特角实验的研究［J］.赣南师范学院学报，2009（3）：102104.

基金项目：本文系2023年教育部产学合作协同育人项目“电磁学高压输电实验虚拟仿真平台建设”（项目编号：230806071093324）；苏州大学高等教育教改研究课题“电磁学实验教学中创新型人才培养的改革与实践”（项目编号：202338）研究成果

作者简介：罗杰（1989—），男，汉族，江苏建湖人，博士，副研究员，研究方向：光学。

*通讯作者：孙宝印（1987—），男，汉族，江苏连云港人，硕士，高级实验师，研究方向：物理实验研究。