光学教学中科学教育论文

2019-07-05 版权声明 举报文章

1类比法

1.1类比法在概念教学中的应用

力学中把忽略体积和形状,只具有一定质量的理想物体称为质点,而电磁学中把忽略体积和形状,只具有一定电量的理想带电体称为点电荷,在光学中把忽略体积和形状,只具有一定发光能力的理想物体称为点光源,采用类比法讲授点光源概念,要求学生联想到:一是把一个物体看作为一个点光源,实际上就是突出物体能发光和占有位置这两个根本性质,而忽略了物体的体积和形状;二是能否把一个物体看作为一个点光源,具有相对的意义,同一个物体,在有的问题中可以看作为点光源,而在另一些问题中则不能,这决定于该物体的体积和形状在所讨论的问题中,是否处于无关紧要的地位;三是点光源概念的重要性还表现在不能把发光物体看作为一个点光源的问题中,可以把该发光物体分割成很多体元,而每个体元都足够小,以致在所讨论的问题中可以看作为点光源。对于每个这样的体元,我们可以运用点光源的规律,把得到的所有体元的规律叠加起来就可以得出整个发光物体的规律,如面光源的等倾干涉正是应用此法。再如光线可通过已知的波线进行类比,虚物用实物类比,等倾干涉与等厚干涉之间的类比。运用类比法,对较难理解的物理概念进行简化物理教学,提高教学效率,同时可开阔思路,更多的体现对抽象物理概念的形象理解,作为教师要善于运用类比法进行概念教学。

1.2类比法在理论教学中的应用

物理学是自然科学中的一门基础科学,它不仅有一定的知识内容,而且这些内容之间存在着必然的内在联系,并且部分内容是贯穿于物理学的不同学科之间。将不同学科之间的类似知识进行类比,给学生以启示,使学生易于掌握新知识,同时也巩固了旧知识。光波与机械波分属不同的学科领域,其物理实质不同,但由于其间存在着相似性和可类比性,故可用学生熟知的力学中平面简谐波波函数和波的叠加原理导出惠更斯———菲涅耳原理数学表达式。其后根据惠更斯———菲涅耳原理表述:波面S上每个面积元dS都可以看成新的波源,它们均发出次波,波面前方空间某一点P的振动可以由S面上所有面积元所发出的次波在该点叠加后的合振动来表示;最后写出面积元dS发出的次波的表达式,从平面简谐波波函数表达式用类比法让学生想到次波表达式中振幅、初相位、相位滞后,进一步的在具体内容中再作较合理的假设和理解就不难导出次波的表达式,最终用积分写出惠更斯———菲涅耳原理数学表达式。运用类比法进行光学规律教学,可把陌生的知识和熟悉的知识进行对比,这样可使学生能动地认识、理解并掌握知识,让学生在学习知识的同时,提高获取知识的能力,掌握科学的思维方法,发展智力,也能使学生加深对这些物理事物的认识,增强对其的记忆。

2逻辑推理法

逻辑推理就是根据一系列的事实或论据,使用科学的推理方法,最后得到结论的严密的抽象思维过程,也就是在已有的规律的基础上结合一些概念,运用数学知识推证而得出结论的方法。半波带法是指将波面分成环带,使相邻二环带边缘到考察点P光程差为λ2(相位差为π),此法叫菲涅耳半波带法。通过画振幅矢量图可求得菲涅耳圆孔衍射合振幅为Ak=[a1+(-1)k+1ak]2,在此基础上,运用逻辑推理可求在圆孔内包含的不是整数半波带时,根据问题所需采用四分之一波带法、八分之一波带法、n分之一波带法。平行光照明的衍射屏,其中阴影部分为遮挡,图中标出的是该处到场点的光程,b是中心到场点的光程,用矢量图解法求轴上场点的光强与自由传播时之比。1a、b、e中将露出波面按四分之一波带进行分割,用矢量图解法可求得结果为2I0、2I0、5I0;1d、f中将露出波面按二分之一波带进行分割,考虑到不是完整半波带时振幅按比例减少,用矢量图解法可求得结果为I0、I0/16;在图2.1c中将露出波面按n分之一波带(n较大波带面积小)进行无限分割,用矢量图解法可求得结果为I0。光栅衍射光强的导出中也可用逻辑推理法,在光栅衍射中只打开第一个狭缝,其余狭缝遮蔽,则在接收屏上呈现单缝夫琅和费衍射图样,而后依次打开第二、三、…、N个狭缝,遮蔽其余狭缝,则每一次在接收屏上呈现与第一次完全一样的单缝夫琅和费衍射图样(位置和光强均一样),N个缝同时打开,在接收屏上的任一位置必是N束光的相干叠加,于是不难得出结论:光栅衍射是单缝衍射与多光束相干的综合结果。根据振幅A相同且相邻两光相位差φ也相等的N束光相干叠加的光强I=A2sin212Nφsin212φ,对光栅衍射而言,其每一束光的振幅为A用逻辑推理的方法进行讲解,由最基本的理论入手,依次深入,这种方法可以大大提高学生解决问题效率,同时易于学生接受新知识,还可培养学生的逻辑思维能力,教学效果事半功倍。

3近似法

任何真理都是绝对性和相对性的统一,光学理论也不例外。因此,在学习物理知识的同时,既要重视知识的系统性和严密性,又要了解物理理论的近似性。在推导光学公式和结论时,如果完全依照实际情形推导,往往是数学处理非常繁且难度大,用近似方法处理,简化推导过程,而结果与实际基本相符。,考虑在近轴远场条件下,即rd和rλ时有r2-r1≈dsinθ≈dtgθ=dyr0,进一步考虑r0d时又有sinθ≈tgθ=yr0,于是建立起光程差r2-r1与位置坐标y之间的关系,为得出杨氏双缝干涉用位置坐标表示强弱和解决有关复杂问题建立起重要的关系式。厚干涉中的光程差Δ=n2(AB+BC)-n1CD-λ2,因薄膜很薄,且两个表面夹角很小,近似认为与等倾干涉时光程差的表达式一样,即Δ=2n2d0cosi2-λ2,据此能做出更多的近似,只要满足薄膜很薄,两个表面夹角很小,对任意形状的薄膜其光程差为Δ=2n2d0cosi2-λ2,这种近似的方法对处理同类问题带来便利,且办法简单适用。菲涅耳衍射中,用半波带法可知菲涅耳圆孔衍射合振动振幅Ak=[a1±ak]2,如果圆孔的半径为无限大,近似认为ak≈0,则A∞≈a12,可说明没有遮蔽的整个波面对P点的作用等于第一个波带在该点作用的一半,也就说明光能的传播几乎是沿直线进行的,从而得出几何光学是波动光学在圆孔的线度趋于无限大时的极限,对于圆屏衍射合振动振幅Ak=ak+12,圆屏的半径为无限大时作近似ak+1≈0,A∞≈0,又一次说明了几何光学是波动光学在圆屏的线度趋于无限大时的极限。又在夫朗和费衍射中,对单缝衍射光强为珋Ip=Iosin2πbsinθλπbsinθ()λ2,在障碍物缝的线度b远大于光的波长λ时,除θ=0°处光强为Io外,其余位置光强珋Ip≈0,再次说明几何光学是波动光学在障碍物单缝的宽度b趋于无限大时的极限,同理在夫朗和费的圆孔、光栅衍射中用障碍物线度趋于无限大时,从近似后的表达式也能得出类似的结论,综上用近似的方法得出几何光学是波动光学在障碍物的线度趋于无限大时的极限的结论。通过近似方法处理光学问题,紧抓问题的关键,合理近似,能达到求解过程简单,学生理解容易,所得结论与实际符合,物理涵义深刻,是一简单实用的好方法。

4结语

事实上,知识本身是一种客观存在,本无方法可言,但当人们研究探索知识的真谛时,必须借助一定的工具或手段,通过一定的操作去观察、去发现,这就体现为方法。在光学教学中,无论采用类比法,或是近似法,还是逻辑推理法以及其它科学教育方法,都是学生获取知识,发展能力,提高素质的有效途径。因此,在光学教学中,教师需不断探索与实践,从而建立一套完善的光学科学教育方法体系,才有助于培养具有创新精神的合格大学生。

作者:岳保旺 张晋华 单位:忻州师范学院

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