光學(xué)教學(xué)中科學(xué)教育論文

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1類比法

1．1類比法在概念教學(xué)中的應(yīng)用

力學(xué)中把忽略體積和形狀，只具有一定質(zhì)量的理想物體稱為質(zhì)點(diǎn)，而電磁學(xué)中把忽略體積和形狀，只具有一定電量的理想帶電體稱為點(diǎn)電荷，在光學(xué)中把忽略體積和形狀，只具有一定發(fā)光能力的理想物體稱為點(diǎn)光源，采用類比法講授點(diǎn)光源概念，要求學(xué)生聯(lián)想到:一是把一個(gè)物體看作為一個(gè)點(diǎn)光源，實(shí)際上就是突出物體能發(fā)光和占有位置這兩個(gè)根本性質(zhì)，而忽略了物體的體積和形狀;二是能否把一個(gè)物體看作為一個(gè)點(diǎn)光源，具有相對(duì)的意義，同一個(gè)物體，在有的問(wèn)題中可以看作為點(diǎn)光源，而在另一些問(wèn)題中則不能，這決定于該物體的體積和形狀在所討論的問(wèn)題中，是否處于無(wú)關(guān)緊要的地位;三是點(diǎn)光源概念的重要性還表現(xiàn)在不能把發(fā)光物體看作為一個(gè)點(diǎn)光源的問(wèn)題中，可以把該發(fā)光物體分割成很多體元，而每個(gè)體元都足夠小，以致在所討論的問(wèn)題中可以看作為點(diǎn)光源。對(duì)于每個(gè)這樣的體元，我們可以運(yùn)用點(diǎn)光源的規(guī)律，把得到的所有體元的規(guī)律疊加起來(lái)就可以得出整個(gè)發(fā)光物體的規(guī)律，如面光源的等傾干涉正是應(yīng)用此法。再如光線可通過(guò)已知的波線進(jìn)行類比，虛物用實(shí)物類比，等傾干涉與等厚干涉之間的類比。運(yùn)用類比法，對(duì)較難理解的物理概念進(jìn)行簡(jiǎn)化物理教學(xué)，提高教學(xué)效率，同時(shí)可開(kāi)闊思路，更多的體現(xiàn)對(duì)抽象物理概念的形象理解，作為教師要善于運(yùn)用類比法進(jìn)行概念教學(xué)。

1．2類比法在理論教學(xué)中的應(yīng)用

物理學(xué)是自然科學(xué)中的一門(mén)基礎(chǔ)科學(xué)，它不僅有一定的知識(shí)內(nèi)容，而且這些內(nèi)容之間存在著必然的內(nèi)在聯(lián)系，并且部分內(nèi)容是貫穿于物理學(xué)的不同學(xué)科之間。將不同學(xué)科之間的類似知識(shí)進(jìn)行類比，給學(xué)生以啟示，使學(xué)生易于掌握新知識(shí)，同時(shí)也鞏固了舊知識(shí)。光波與機(jī)械波分屬不同的學(xué)科領(lǐng)域，其物理實(shí)質(zhì)不同，但由于其間存在著相似性和可類比性，故可用學(xué)生熟知的力學(xué)中平面簡(jiǎn)諧波波函數(shù)和波的疊加原理導(dǎo)出惠更斯———菲涅耳原理數(shù)學(xué)表達(dá)式。其后根據(jù)惠更斯———菲涅耳原理表述:波面S上每個(gè)面積元dS都可以看成新的波源，它們均發(fā)出次波，波面前方空間某一點(diǎn)P的振動(dòng)可以由S面上所有面積元所發(fā)出的次波在該點(diǎn)疊加后的合振動(dòng)來(lái)表示;最后寫(xiě)出面積元dS發(fā)出的次波的表達(dá)式，從平面簡(jiǎn)諧波波函數(shù)表達(dá)式用類比法讓學(xué)生想到次波表達(dá)式中振幅、初相位、相位滯后，進(jìn)一步的在具體內(nèi)容中再作較合理的假設(shè)和理解就不難導(dǎo)出次波的表達(dá)式，最終用積分寫(xiě)出惠更斯———菲涅耳原理數(shù)學(xué)表達(dá)式。運(yùn)用類比法進(jìn)行光學(xué)規(guī)律教學(xué)，可把陌生的知識(shí)和熟悉的知識(shí)進(jìn)行對(duì)比，這樣可使學(xué)生能動(dòng)地認(rèn)識(shí)、理解并掌握知識(shí)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)，提高獲取知識(shí)的能力，掌握科學(xué)的思維方法，發(fā)展智力，也能使學(xué)生加深對(duì)這些物理事物的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)對(duì)其的記憶。

2邏輯推理法

邏輯推理就是根據(jù)一系列的事實(shí)或論據(jù)，使用科學(xué)的推理方法，最后得到結(jié)論的嚴(yán)密的抽象思維過(guò)程，也就是在已有的規(guī)律的基礎(chǔ)上結(jié)合一些概念，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)推證而得出結(jié)論的方法。半波帶法是指將波面分成環(huán)帶，使相鄰二環(huán)帶邊緣到考察點(diǎn)P光程差為λ2(相位差為π)，此法叫菲涅耳半波帶法。通過(guò)畫(huà)振幅矢量圖可求得菲涅耳圓孔衍射合振幅為Ak=［a1+(－1)k+1ak］2，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用邏輯推理可求在圓孔內(nèi)包含的不是整數(shù)半波帶時(shí)，根據(jù)問(wèn)題所需采用四分之一波帶法、八分之一波帶法、n分之一波帶法。平行光照明的衍射屏，其中陰影部分為遮擋，圖中標(biāo)出的是該處到場(chǎng)點(diǎn)的光程，b是中心到場(chǎng)點(diǎn)的光程，用矢量圖解法求軸上場(chǎng)點(diǎn)的光強(qiáng)與自由傳播時(shí)之比。1a、b、e中將露出波面按四分之一波帶進(jìn)行分割，用矢量圖解法可求得結(jié)果為2I0、2I0、5I0;1d、f中將露出波面按二分之一波帶進(jìn)行分割，考慮到不是完整半波帶時(shí)振幅按比例減少，用矢量圖解法可求得結(jié)果為I0、I0/16;在圖2．1c中將露出波面按n分之一波帶(n較大波帶面積小)進(jìn)行無(wú)限分割，用矢量圖解法可求得結(jié)果為I0。光柵衍射光強(qiáng)的導(dǎo)出中也可用邏輯推理法，在光柵衍射中只打開(kāi)第一個(gè)狹縫，其余狹縫遮蔽，則在接收屏上呈現(xiàn)單縫夫瑯和費(fèi)衍射圖樣，而后依次打開(kāi)第二、三、…、N個(gè)狹縫，遮蔽其余狹縫，則每一次在接收屏上呈現(xiàn)與第一次完全一樣的單縫夫瑯和費(fèi)衍射圖樣(位置和光強(qiáng)均一樣)，N個(gè)縫同時(shí)打開(kāi)，在接收屏上的任一位置必是N束光的相干疊加，于是不難得出結(jié)論:光柵衍射是單縫衍射與多光束相干的綜合結(jié)果。根據(jù)振幅A相同且相鄰兩光相位差φ也相等的N束光相干疊加的光強(qiáng)I=A2sin212Nφsin212φ，對(duì)光柵衍射而言，其每一束光的振幅為A用邏輯推理的方法進(jìn)行講解，由最基本的理論入手，依次深入，這種方法可以大大提高學(xué)生解決問(wèn)題效率，同時(shí)易于學(xué)生接受新知識(shí)，還可培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，教學(xué)效果事半功倍。

3近似法

任何真理都是絕對(duì)性和相對(duì)性的統(tǒng)一，光學(xué)理論也不例外。因此，在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的同時(shí)，既要重視知識(shí)的系統(tǒng)性和嚴(yán)密性，又要了解物理理論的近似性。在推導(dǎo)光學(xué)公式和結(jié)論時(shí)，如果完全依照實(shí)際情形推導(dǎo)，往往是數(shù)學(xué)處理非常繁且難度大，用近似方法處理，簡(jiǎn)化推導(dǎo)過(guò)程，而結(jié)果與實(shí)際基本相符。，考慮在近軸遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，即rd和rλ時(shí)有r2－r1≈dsinθ≈dtgθ=dyr0，進(jìn)一步考慮r0d時(shí)又有sinθ≈tgθ=yr0，于是建立起光程差r2－r1與位置坐標(biāo)y之間的關(guān)系，為得出楊氏雙縫干涉用位置坐標(biāo)表示強(qiáng)弱和解決有關(guān)復(fù)雜問(wèn)題建立起重要的關(guān)系式。厚干涉中的光程差Δ=n2(AB+BC)－n1CD－λ2，因薄膜很薄，且兩個(gè)表面夾角很小，近似認(rèn)為與等傾干涉時(shí)光程差的表達(dá)式一樣，即Δ=2n2d0cosi2－λ2，據(jù)此能做出更多的近似，只要滿足薄膜很薄，兩個(gè)表面夾角很小，對(duì)任意形狀的薄膜其光程差為Δ=2n2d0cosi2－λ2，這種近似的方法對(duì)處理同類問(wèn)題帶來(lái)便利，且辦法簡(jiǎn)單適用。菲涅耳衍射中，用半波帶法可知菲涅耳圓孔衍射合振動(dòng)振幅Ak=［a1±ak］2，如果圓孔的半徑為無(wú)限大，近似認(rèn)為ak≈0，則A∞≈a12，可說(shuō)明沒(méi)有遮蔽的整個(gè)波面對(duì)P點(diǎn)的作用等于第一個(gè)波帶在該點(diǎn)作用的一半，也就說(shuō)明光能的傳播幾乎是沿直線進(jìn)行的，從而得出幾何光學(xué)是波動(dòng)光學(xué)在圓孔的線度趨于無(wú)限大時(shí)的極限，對(duì)于圓屏衍射合振動(dòng)振幅Ak=ak+12，圓屏的半徑為無(wú)限大時(shí)作近似ak+1≈0，A∞≈0，又一次說(shuō)明了幾何光學(xué)是波動(dòng)光學(xué)在圓屏的線度趨于無(wú)限大時(shí)的極限。又在夫朗和費(fèi)衍射中，對(duì)單縫衍射光強(qiáng)為珋Ip=Iosin2πbsinθλπbsinθ()λ2，在障礙物縫的線度b遠(yuǎn)大于光的波長(zhǎng)λ時(shí)，除θ=0°處光強(qiáng)為Io外，其余位置光強(qiáng)珋Ip≈0，再次說(shuō)明幾何光學(xué)是波動(dòng)光學(xué)在障礙物單縫的寬度b趨于無(wú)限大時(shí)的極限，同理在夫朗和費(fèi)的圓孔、光柵衍射中用障礙物線度趨于無(wú)限大時(shí)，從近似后的表達(dá)式也能得出類似的結(jié)論，綜上用近似的方法得出幾何光學(xué)是波動(dòng)光學(xué)在障礙物的線度趨于無(wú)限大時(shí)的極限的結(jié)論。通過(guò)近似方法處理光學(xué)問(wèn)題，緊抓問(wèn)題的關(guān)鍵，合理近似，能達(dá)到求解過(guò)程簡(jiǎn)單，學(xué)生理解容易，所得結(jié)論與實(shí)際符合，物理涵義深刻，是一簡(jiǎn)單實(shí)用的好方法。

4結(jié)語(yǔ)

事實(shí)上，知識(shí)本身是一種客觀存在，本無(wú)方法可言，但當(dāng)人們研究探索知識(shí)的真諦時(shí)，必須借助一定的工具或手段，通過(guò)一定的操作去觀察、去發(fā)現(xiàn)，這就體現(xiàn)為方法。在光學(xué)教學(xué)中，無(wú)論采用類比法，或是近似法，還是邏輯推理法以及其它科學(xué)教育方法，都是學(xué)生獲取知識(shí)，發(fā)展能力，提高素質(zhì)的有效途徑。因此，在光學(xué)教學(xué)中，教師需不斷探索與實(shí)踐，從而建立一套完善的光學(xué)科學(xué)教育方法體系，才有助于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的合格大學(xué)生。

作者：岳保旺 張晉華 單位：忻州師范學(xué)院