中学物理光学教学

中学物理光学教学（共8篇）

中学物理光学教学 篇1

诗是人类知识的结晶，诗词在人类的生活中，起着极其重要的作用。因为好的诗歌不仅能给人类带来艺术享受，而且诗歌的广为流传，为人类的生活增添了绚丽的色彩，它在其他自然学科中也有广泛应用，推动了现代教育事业的发展。初中物理学以观察和实验为基础，使学生了解力、热、声、光、电的初步知识和实际应用，其教材内容多是简单的物理现象和结论，对物理概念的定义和规律的解释简单粗略。光学是初中物理教学的重点之一，其主要讲述光的直线传播、光的反射和光的折射及有关成像的基本知识，涉及生活和自然现象的内容很多。实际上，自然界的景物或现象是科学与人文共同的研究对象。下面我就诗词在初中物理光学教学中的应用，谈谈想法。

一、利用诗词激发学生的求知欲

在教学中，学生对学习对象是否感兴趣，在很大程度上影响了教学效果的强弱。兴趣是学生力求接触某种事物的意识倾向，它对学生的学习活动起着关键的作用。对于科学严谨的物理学科而言，在课堂教学中，插入一些学生熟知、喜欢的诗词，无疑给教学勾画了一幅美丽的图画，让人看了难以忘却。如果将诗词引入课堂教学，则既能营造良好的环境，活跃气氛，又能让学生获得知识、感受乐趣，使学生对学习对象产生浓厚的兴趣，将学习作为一种愉快的享受，从而产生积极主动的学习动机，产生极大的学习热情，学习效率将大大提高，进而达到良好的教学效果。如在讲初二物理第四章“多彩的光”时，就可以用宋代诗人辛弃疾的诗句“蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”，清朝诗人牛应之《雨窗消意图》中的诗句“夕阳返照桃花渡，柳絮飞来片片红”和韩愈《晚春》中的“草木知春不久归，百般红紫斗芳菲”来引入，让学生结合现实生活中的一些景物，从物理学的角度赏析诗词。由于学生很少从物理学的角度理解诗句，心理上受到较强的刺激，同时产生了较强的好奇心，从而有了求知欲，为下面的新课教学营造了一个良好的氛围。如果学生对大自然的光现象有初步的了解，对“多彩的光”产生一个美好的印象，对我们将要讲授的光学知识产生浓厚的兴趣，就会自主地带有目的性地探索与学习，揭开大自然的神秘面纱，我们的教学任务自然就会在一个轻松活跃的环境中完成。

二、利用诗词展示物理科学之美

“爱美之心，人皆有之”。教学不仅是一门科学，更是一门艺术，它是一门不断地向人们展示科学之美的艺术。罗丹有一句名言：“生活中并不缺少美，而是缺少美的发现。”物理教学也是如此，物理本身不是美学，要想使枯燥的物理知识从铅字变成闪烁美丽光彩的科学诗篇，关键在于物理教师在平常的教学中发掘物理科学美，展示美的特征，创设美的意境。在物理教学中引用诗词，就会把一堂只有计算和概念的物理课变得生机勃勃，利用诗词展示物理学的科学美，让学生潜移默化地受到物理科学美的陶冶，激发爱美的天性。如唐代诗人孟浩然在《彭蠡湖中望庐山》诗中写道：“香炉初上日，瀑水喷成虹。”描写了庐山的香炉峰早晨的一景：瀑布溅起的小水珠使照射到它上面的太阳光折射成彩色的光带———虹，这样的描写向学生展示了一幅绚丽多彩的图画，同时也揭示了产生彩虹的两个因素：光和小水珠。

三、分析诗词中的物理现象，加深学生对物理知识的理解

在练习中，以诗词作为题目背景，不仅会给人一种深层次的美学享受，而且通过赏析诗词，从中寻求物理规律，有助于加深学生对物理规律的理解，从而深厚学生的文学功底，更多地体现教学改革的理念，加强学科间的渗透。如唐代诗人王之涣写的《登鹳雀楼》：“白日依山尽，黄河入海流。欲穷千里目，更上一层楼。”特别是后两句，成了千古佳句，它不仅显示出了诗人向上进取的精神及高瞻远瞩的胸襟，而且带有很深的哲理性。它告诉人们站得高才能看得远。在此提出问题：站得高为什么能看得远呢?人能够看到物体或者物体的像，是因为有光线进入人眼的缘故，而光的波长很短，很容易被障碍物挡住，所以在同种均匀介质中光是沿直线传播的。由于人所处的位置很高，物体发出、反射或者折射的光线可以不受阻碍直接进入人的眼睛，人当然就能够看到远处的物体而“穷千里目”了。类似的诗句还有孟浩然的《宿建德江》：“野旷天低树，江清月近人。”“青山遮不住，毕竟东流去”等。这些都说明了光是沿直线传播的。在讲“光的传播速度”时，可以引用诗歌“傍晚农村小河旁，姑娘独自洗衣裳。湿衣暂放石板面，棒打衣物响四方。”它说明了光的传播速度比声音的传播速度快。如在讲“光的反射”时，可以引用赵彦端所作的《谒金门》中的“波底夕阳红湿”，它真切地写出了夕阳倒映湖中给予人的主观感受。倒影是因为光的反射形成的，这也是平面镜成像的原理。光的反射现象在很多诗人的作品中都出现过。

诗情画意的物理教学，就是把培养学生物理知识和技能与我国的传统文化相结合，既可以达到传授物理知识的目的，又可以传承优秀的传统文化和培养学生丰富的情感，还可以提高物理教学语言艺术水平。

参考文献

[1]刘方华.诗词与物理教学[J].湖北教育, 2007 (2) .

[2]刘大利.物理教学探讨[J].物理文学知识的渗透, 2006 (14) .

中学物理光学教学 篇2

摘要：近些年来，光学在科学与技术应用中的不断发展，迫切需要培养适合当前社会发展需求的光学专业人才。文章分别从光学教学内容、教学方法及考核方式等方面提出了一些改革的方法和措施，注重提高学生学习的兴趣和探索的欲望，培养学生分析和解决问题的能力，取得了良好的教学效果。

关键词：光学；教学；改革

光学课程是物理学专业最重要的基础课程之一，同时也是现代科学技术迅速发展、崛起的重要支柱。以激光为基础的现代光学的知识，已经渗透到日常生活中的众多领域，在工业、农业、交通、能源、医药、信息等领域发挥着越来越重要的作用。光学作为基础性学科具有很强的学术性，同时，光学课程的知识覆盖面广，应用性和可操作性也较强，它能够较好地锻炼学生的思维能力及理论与实际相结合的能力。而在传统的光学课程教学中，存在着重理论轻实践，理论与实际相脱离，缺乏创新，无法适应社会及专业领域的需求等问题。如何培养不仅具有扎实理论基础，还具备较强工程应用能力的光学类技术人才，是我们教学改革研究的重点问题。

1光学课程教学现状

光学课程教学大纲计划68学时，教材内容分为干涉、衍射、几何光学、光学仪器、偏振及现代光学部分[1-3]，内容繁多，教学任务较重。因此，光学一直是一门教师难教、学生难学的课程。在教学过程中，通常更加强调基础知识的理论性，而对知识的应用性和工程性关注偏少，理论联系实际显得不足，教学中不自觉地存在“重理论和基础，轻工程和应用”的倾向，淡化了光学类课程本身拥有的强烈应用和工程背景特性。另外，学生在大学阶段参与实习实践、接触实际工程问题和公司企业的机会偏少，教学与光学元器件的工程设计及公司企业的要求联系还不够，存在明显脱节现象。目前教学中教师的主导地位强，而学生的主体地位偏弱；第一课堂强，第二课堂弱；体现学生结合课本知识在“做中学”并培养自身实践精神、工程意识和创新能力的活动空间不够。

2光学课程改革的思考

光学课程有其自身的特点，与力学、热学等学科之间的联系不太紧密，自身的知识体系比较繁杂。在具体的教学改革与实践中，主要从教学内容、教学方法、考核方式等几个方面着手。

2.1教学内容

在教学内容上，首先要优选教材，认真制订教学计划。教学中，既要注重讲解光学课程中最基本的概念、理论，夯实学生的基础知识，提高学生的理论水平，又要加强现代光学基础的教学，增加一些现代光学的前沿知识，了解光学发展的最新动态，引导学生不断拓宽视野，激发学生的创新意识和科学探索精神，培养学生的`科学素养。例如，在讲解几何光学及光学仪器知识时，可以介绍海市蜃楼、扫描隧道显微镜。在讲解光的干涉时，可以介绍相干探测技术、全息照相、光学薄膜等。在讲解偏振现象时，可以介绍3D电影及偏振雷达探测技术等。让学生体会光学知识在日常生活中应用、发展及科学前景。另外，针对相关科学前沿知识，开展一些专题讲座，让同学们更深入地理解光学科技的发展，同时强化了基础知识的学习。或让学生课外查阅相关文献，提高学生学习兴趣，激发学生探索欲望。积极搜集光学在日常生活中应用的实例，引导学生运用已学相关理论知识，解释日常生活中的光学现象，真正实现从生活走向物理，从物理走向社会。

2.2教学方法

在教学方法上，要注重重点、难点的理解和掌握，注重分析思路和处理问题的方法。积极引导学生理论联系实际，提高学生运用理论知识解决实际问题的能力。为了能够在有限学时内，尽可能多地讲解现代光学的内容，可以在课前布置相关的预习作业，既能节约课堂基础教学的时间，又能锻炼同学们的自学能力。在教学中，要求学生上课主动提问，培养学生自学及发现、解决问题的能力[4]。教学中针对相关课题让学生参与讨论，在讨论的过程中更透彻理解相关理论，并了解其应用，变被动学习为主动探索。在传统的理论教学基础上，尽可能多地增加实践教学的环节，改变教学观念，以任务为驱动，明确从理论到实践的具体操作过程，培养学生工程实践的能力[5]。实践教学中要求学生进行文献调研、撰写小论文及动手制作相关光学仪器，解决一定难度的实际问题、培养自身创新精神、科研意识和综合能力与素质。例如，我们在教学中将学生分组，动手制作简单光学器件，如望远镜、放大镜等，有效地激发了学生的学习兴趣、动手能力及团队合作的精神。科学技术的不断进步，使得教学方法的多样性成为可能。在教学中，针对光学课程本身的广泛应用性和工程背景，可以有针对性地介绍一两种国内外优秀光学设计软件，如ZEMAX、OSLO等。其中ZEMAX可进行光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射、折射、绕射等光学模型。该软件还具备对光学系统进行设计、优化、分析的功能。在光学课程第三章几何光学部分，学完基础知识后，给出一些利用设计软件进行相关光学课程中涉及的光学元器件和系统设计的典型实例，如望远镜系统设计、8倍观察镜系统设计等。同时试着让同学们分组利用该软件进行相关光学设计，从而既提高学生的学习兴趣，又有效地培养学生的工程设计能力和综合应用知识的实践能力。由于在光学课程的教学过程中，有些光学现象在日常生活中比较难于观察[6]，比如干涉、衍射的现象，很多感性材料只能从课本图片中获得，比如干涉条纹、衍射条纹等。为了能够使得同学们获得较多的感性材料，我们在教学过程中，利用一些计算软件，例如Matlab，将干涉、衍射现象通过程序模拟展示出来，这样既给同学们提供了清晰的感性材料、直观的物理图像，也通过程序中相关参数的调节，让同学们更加深入地理解光学知识中的相关规律。图1为利用Matlab软件编写的分振幅干涉中牛顿环的干涉图像，图2为氢原子光栅光谱图。物理是以实验为基础的科学。在教学过程中，改变理论与实验分开进行的现状，从教师指导演示实验，转变为学生在实验室自主实验。设置相关开放性实验课题，让学生分成实验小组，将学生自己的设计思想和实验内容相结合，鼓励学生自主创新，使课堂成为师生互动的场所。这样，即有利于将枯燥、抽象的理论生动化、具体化，又有助于对基础理论的深入理解及应用，充分调动学生学习的主动性和热情，提高了教学效果。实验室也在不断完善，力争提供更好的资源，取得更好的教学效果。

2.3考核方式

教学考核中，摈弃一次考试决定最终成绩的做法，将平时课堂表现和论文及动手制作部分纳入最后成绩测评，关注学生学习过程而非单一的最后考试结果。充分利用学院网络资源，建立网上习题库，建立有特色的个人主页，并通过此与学生进行定期的网上交流及作业的布置和批改。网上交流的方式可以更有效地与学生沟通，实时解决学生提出的相关问题，提高了学生学习的效率。

3结语

伴随着科技的快速进步，物理教学的手段也正在不断更新。如何培养适应新时代发展的光学专业人才，是我们教学改革的目标和方向。通过以上教学改革的探讨和在实际教学过程中的运用，使得教学活动充满了活力，极大地调动了学生学习的兴趣和探索的欲望，培养了学生自己动手实践的能力及团队合作的精神，大大提高了教学效果。

参考文献

[1]姚启钧.光学教程[M].北京:高等教育出版社,1993.

[2]赵凯华.新概念物理教程:光学[M].北京:高等教育出版社,.

[3]郭光灿,吴强.光学[M].合肥:中国科技大学出版社,.

[4]许晓赋,廖珊珊,高忠坚.《光学设计》课程教学模式的探索与实践[J].福建教育学院学报,2014(4):69-71.

[5]陈传盛,陈曙光,李富进.培养大学生科技创新能力的课堂教学改革实践[J].教育教学论坛,2014(4):51-52.

中学物理光学教学 篇3

本文中, 以理工科类所采用的大学物理教材、普通高中理科生所采用的人教版物理教材和初中生采用的人教版物理教材 (主要是前两者) 为参考, 对大学物理的几何光学部分 (大学物理下册第17章几何光学[1]) 如何与中学物理中相应知识 (选修2—3的第1章光的折射和第2章光学仪器[2]) 衔接的问题进行了分析和探讨, 理清这些问题将有助于促进大学物理课程改革健康有序地发展, 同时也希望为中学物理课程改革提供一定的借鉴。

1. 大学物理课程和中学物理课程基本要求的对比

对照《大学物理基本要求》[3]与《全日制普通高中物理课程标准》 (简称为《新课标》) , 从教学目标看, 《中学物理课程标准》把基础物理知识与技能学习、自主探究的过程训练和方法体验、情感与价值观的培养有机地结合起来。而《要求》则强调在系统掌握物理知识和方法的同时, 还要注重培养学生分析问题和解决问题的能力, 培养学生的探索精神和创新意识, 努力实现学生的知识、能力、素质三方面的协调发展。显然, 大学物理教学要求是在高中物理要求的基础上加以提高。

所以, 将《要求》和《新课标》中对几何光学部分的基本要求做比较, 分析大学物理中几何光学部分知识点的分布特点, 结果见下表。

通过对比可以发现, 大学物理几何光学部分中有60%以上的知识点在中学物理中出现过。然而, 大学物理的内容既不能是对中学物理知识的重复讲解, 又不能完全抛开中学物理的内容, 直接引入新的知识, 否则就会出现知识连接脱轨的现象, 那么大学物理应该如何衔接中学物理知识, 并顺利引入新的知识呢?下面我将针对部分典型问题进行具体分析。

2. 共同涉及知识点的相关要求及教材衔接处理

通过对比, 大学物理中几何光学部分的知识点在中学物理中已涉及的主要有以下几个:几何光学基本定律、折射率、光在平面上的反射和折射、全反射、薄透镜及其成像公式和作图法、光学仪器。

1) 几何光学基本定律包括:光的直线传播定律, 光的反射定律 (镜面反射和漫反射) , 光路可逆性, 光的折射定律。前三个定律一带而过, 做衔接的铺垫。

2) 折射率:在折射定律中将中学的折射率细分为: (1) 相对折射率 (第二种介质相对于第一种介质的折射率) ; (2) 绝对折射率 (相对于真空的折射率) 。然后斯涅耳定律是折射定律的另一种常用形式, 由相对折射率和绝对折射率两个公式推导而来:n1sini=n2sinr。

3) 光在平面上的反射和折射:大学物理教材上点了一下实像和虚像, 由同心光束在折射时被破坏导出一种现象叫像散, 从而接入新知识“视深度”, 视深度是入射光线交主光轴的点离界面距离P与折射光线反向延长线交主光轴的点离界面距离p′, 得。

4) 全反射、薄透镜, 薄透镜的作图法和光学仪器部分:除了基本的定义和条件外, 还介绍了一些全反射的用途和薄透镜的一些内容, 其他只做了解用。

3. 新增知识点的相关要求及教材衔接处理

大学物理几何光学部分知识点中新引入的知识点主要有以下几个:斯涅耳定律、视深度、光在球面上的反射和折射、薄透镜的横向放大率、薄透镜的光焦度与焦距。下面以一个典型例子分析大学物理教材对该部分知识的设计。

如图, 从光源S发出光线SA到半径r、曲率中心为C、顶点为O的球面反光镜AOB上, 反射光线交主轴于S′。则光线SAS′的光程为△SAS′=nl+nl′;其中 (余弦定理) :

光程△SAS′是角度φ的函数, 根据费马定理, 物象间的光程应取极值或常量。故对其求导并令其倒数为零。

当入射光是平行光时即p=-∞, 得, 此时p′即是焦点, 焦距可得近轴区域的球面反射成像公式:, 是一个普遍适用的物像公式。

就像这样的推导方法一样, 先由中学的知识开端, 加进大学物理的内容, 使定律从理想状态的使用条件推广到普遍适用的公式。

4. 结语

大学物理中几何光学部分的内容除一些知识外, 绝大多数概念学生在中学阶段已有接触, 故教材设计中的展开应适度, 避免重复。

对于大学物理中的新增知识点, 由于大学生都已初步具备了独立思考、分析和应用知识的能力, 就不能像对待中学生一样, 应用图画或大量例子使其理解的设计方法, 大学教材对新知识的设计, 应注重知识点之间的联系, 注重综合分析能力和知识应用能力的锻炼, 还应突出设计手法上的灵活多变。总之, 大学物理教材的设计在知识的衔接上既不能繁琐地重复讲解, 又不能出现知识的断点, 这样才能真正做到大学物理教材设计的最优化。

摘要：本文首先比较了教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会物理基础课程教学指导分委员会编制的理工科类大学物理课程教学基本要求 (2008年版) (以下简称“要求”) 和《全日制普通高中物理课程标准》 (以下简称“新课标”) 中关于几何光学部分内容的基本要求, 对大学物理教材和高中物理课程标准实验教材的恒定磁场部分进行了对比, 然后通过分析总结了几何光学部分在要求和教材内容方面的衔接及深入, 希望在几何光学内容的有效衔接方面为大学物理教材的编写提供一些有益的参考。

关键词：大学物理,中学物理,几何光学,衔接

参考文献

[1]尹国盛, 彭成晓.大学物理 (下册) [M].北京:机械工业出版社, 2010.

[2]张大昌, 彭前程等.普通高中课程标准实验教科书物理选修3—1.人民教育出版社, 2007.

论物理光学教学中的实践与改革 篇4

由于物理课程自身的独立性、系统性、专用性很强, 高等院校非物理专业的大学物理光学教学, 往往过分强调学科本位, 将课程设置的重点放在学科的完善上, 而和各个具体专业的专业知识结合不够紧密。而且光学部分的内容设置和学时限制, 很容易导致课程体系的“难、繁、偏、旧”, 使学生过于注重书本知识, 对物理公式死记硬背, 机械被动地接受学习。从而导致教学方法僵化、教学手段落后等, 也就影响着学生的学习兴趣和探索兴趣, 阻碍学生创新能力和探究能力的培养。

2 实践与探索

针对大学物理公共基础课程的特点通过总结教学经验, 我们在光学的教学过程中进行了一系列的实践和探索, 取得了很好的教学效果。

(1) 更新教学理念, 改变学科本位观念

光学知识在日常生活、科学技术和社会生活中都有着越来越广泛的应用。我们的教学应该指导学生“从生活走向物理”能增加学生学习物理的兴趣;“从物理走向生活”, 使学生懂得学习大学物理的真正意义:不是单纯为了学习而学习, 它和学生所学的专业有着密切的联系, 物理学的基础理论、基础知识和基本技能对其专业具有重要的作用和影响。在教学中, 尽力从知识和技能、过程和方法、情感态度和价值观三个维度去促进学生个体的发展。例如在讲述《几何光学》部分内容时, 引入现代建筑对光学的应用, 即香港的汇丰银行大楼, 用“日光镜”给办公大厅提供天然照明。采光设备就是一组平面镜和一组凸镜, 整个系统由电脑控制, , 使阳光经平面镜反射后射到大厅顶部的一组凸镜上, 再由凸镜反射照亮大厅。并介绍深宫皇妃饮酒宝杯—“蝴蝶杯”, 当杯内无酒时杯底里什麽也看不到, 当杯内斟酒以后, 从杯底里便看到有蝴碟翩翩起舞 (因杯底有一凸透镜, 杯脚内一蝴蝶) 。在讲《光的干涉》部分内容时, 简要介绍“纳米技术”, 纳米技术是指用数千个分子或原子制造新型材料或微型器件的科学技术, 纳米材料主要由超细薄膜、碳纳米管等。而一些介质薄膜的厚度可应用光的干涉有关知识进行检测, 并介绍一些和光学相关的高精测量技术, 从而大大激发了学生学习光学的兴趣使教学的内容充满活力。

(2) 调整教学内容, 尝试学科交叉融合

我们教学的对象是非物理专业的学生, 他们有着很强的专业意识。因此, 我们根据农业院校教学改革的要求, 结合各专业情况, 重新调整了教学内容, 将“光学”分为“基础知识、提高知识和扩展知识”3个部分。其中“扩展知识”部分根据学生的专业特点而有所不同。在教某个专业的光学之前, 就先试着阅读那个专业后续课的教材, 并检索与之相关的文献, 了解该学科的前沿与发展趋势。上课时可以举一些与该专业结合的例子, 使学生亲身感受到, 物理是现代高新科技的源泉。引导学生应用光学的知识和方法去学习、研究该专业。例如, 在对农业专业学生的教学中, 该专业不仅关心生物大分子的静态结构与功能, 还常常需要理解生物反应过程中其结构与功能随时间的变化。“时间分辨光谱”是生命科学中研究生物大分子结构和功能随时间变化的一种很难取代的检测方法, 还可以和荧光光谱、拉曼光谱等得到的信息综合起来, 深入研究某些分子演变过程的微观原理。如“时间分辨光谱”涉及到非线性光学和ps~fs量级的脉冲激光, 我们在“扩展知识”部分就简单介绍了相关的非线性光学知识和脉冲激光器原理。

(3) 优化教学模式, 注重素质教育培养

1) 采用“启发式”和“互动式”教学

“启发式”和“互动式”教学更能体现学习者的积极参与, 对于培养能力、训练思维是非常重要的。在教学中对所讲授的内容进行精心设计:怎样提出问题, 如何引导学生去思考、去分析, 对于可能出现的错误答案如何去辨析等等。在教学中安排适量的讨论学时, 让更多的同学参与到课堂讨论中来。这样, 不仅训练了学生的独立思维, 激发了学习的兴趣和主动性, 对于培养学生的创新能力也起到了很好的作用。比如, “波动光学”中“光的干涉”、“光的衍射”是学生在高中物理课程中已经接触过一部分观点的内容。授课时可以考虑安排教师上1学时, 另外1学时由学生来讲。这种“学生参与教学”的方式增进了教与学的交流, 加深了师生之间的理解, 也让学生对知识的认识和思维方式有了很大提高。

2) 应用现代教育技术提升教学质量

多媒体辅助教学, 光学学科是伴随着对各种光现象的发现、观察、分析和理解而逐步发展和建立起来的, 学习光学理论必须采取“观察现象”到“领会本质”这一过程才符合认知规律。因此在引入新的理论时, 教师要适当介绍相关的光学现象, 这样可以启发学生的求知欲望, 提高教学效果。例如教师可以采用两种方式对光学现象进行课堂再现, 一是编制光学现象仿真程序, 模拟光学现象的演示过程和效果;二是拍摄光学演示的录像, 经过加工剪辑在课堂放映。教师使用Power Point课件讲授光学课程, 在Power Point中通过作图和插入的静态图片和动态影像, 直观形象地介绍和说明光学现象和规律。借助多种硬件设备和软件平台, 完成了一整套多媒体光学教学课件。使用这些课件, 让学生经历了从兴趣到求知到领悟的学习过程, 课堂教学效果卓有成效。教师也将精力放在如何策划、组织和编排好每一次课堂教学, 真正达到攻克教学难点、提高教学效率、拓宽教学时空的目的。

(4) 结合科学研究, 提高教学质量

在教学过程中, 教师起着主导作用。因此必须改变教师自身知识结构的老化, 将最新科学技术有机地移植到物理教学中, 最有效的途径之一就是积极参加科学研究, 通过科研能力的提高, 改变自身知识结构的局限性, 进而提高教学质量。我觉得科研对于教学质量的促进有以下两个方面。第一、参加科研能大大提高教师的教学水平。物理学是一个整体, 参加科研, 不仅能在物理学的某一方面深入, 还能以点带面触类旁通, 加深对物理学其他领域以及科学方法的理解。我研究的方向是光信息和光电理论, 不仅涉及电磁理论, 还要用到量子力学和电动力学等多方面的理论知识。结合教学参加科研, 获得了大量的第一手资料, 将这些宝贵的资料充实到教学中, 丰富了教学内容, 拓宽了知识面, 也使教学富有真实感。第二、引导学生参加教师的科研工作, 是培养他们的科研素质和创新能力的好途径。

教学过程是一个系统工程。如何优化和深化基础物理教学是一个长期的课题, 随着高校教学改革的深入, 不断有新的现象和要求提出, 面临的问题值得每一位物理教师进行更深入的思考和探究。

摘要：光学教学改革的基本做法是在教学中不断介绍新的应用技术, 保持教学内容与方法的先进性;并在教学中适时引进实验演示, 突出对物理过程的分析, 提高学生的科学能力, 收到了好的教学效果。

关键词：教学改革,物理,光学

参考文献

[1]哈斯乌力吉, 吕志伟, 张爱红, 何伟明, 林殿阳, 王雨雷.物理光学教学改革的探索[J].电气电子教学学报, 2007, (S1) .

中学物理光学教学 篇5

关键词：光电信息工程专业,教学改革,物理光学,计算机仿真

随着信息技术与信息产业的蓬勃发展, 光电子产业已成为全球战略产业。加快建设我国的光电子产业和培养高层次光电子人才, 是现代社会信息技术发展的需要, 也是未来光电子产业的需要。为了适应光电子产业日益增长的人才需求, 国内越来越多的高校开设了光电信息工程专业 (简称光电专业) 。光电信息工程作为教育部本科专业目录中的重点学科, 涉及光学、光电子、微电子、通信等高新核心技术。光电专业与其他专业一样, 侧重于培养理论基础扎实, 实践能力较强, 具有人文精神和创新意识的应用型、复合型人才, 为我国经济建设和社会发展服务。

一、物理光学的课程特点与教学现状

物理光学是光电信息工程、电子科学与技术等本科专业的一门重要的专业必修课, 起着承上启下的衔接作用。其先修课程主要为高等数学、大学物理、应用光学、电磁理论等基础课程。后续的专业课程则包括激光原理与技术、激光加工、光电检测技术、光纤光学、信息光学、光纤通信等。该课程以光的电磁理论为理论基础, 讲述光在各向同性和异性介质中的传播规律, 光的干涉、衍射、偏振特性以及光的吸收、色散和散射等内容。专业的物理光学在大三第一学期开设, 总学时为96学时, 其中理论为72学时, 实验为24学时。该课程内容概念繁多, 物理规律较为抽象, 光学现象与规律讲授难以生动形象。物理光学内容包含大量的原理推导和数学公式, 学生往往容易记住公式却忘记了公式背后的物理意义和分析方法, 无法举一反三、学以致用。课堂中, 如果采用填鸭式的方法将传播条件与规律告诉学生, 显然没有明显的说服力。该教学方法既影响学生对课程内容的理解掌握, 也会影响学生的学习和探索兴趣, 阻碍学生创新能力和探究能力的培养。

二、课程建设改革的实践与探索

针对物理光学在光电专业课程体系中的特殊地位, 近几年我校光电系对该课程的课堂教学内容、教学方法和教学手段等方面进行了一系列的实践和探索, 取得了积极的效果。

1. 一条红线, 八大现象。

学生在经历了高中物理基础和大学物理课程学习之后, 对光的认识上升到了一个新的科学高度。对于光的波动现象等理论, 学生开始接受并有似懂非懂之感。物理光学的课程中, 则是采用数学的方法描述光波的传播特性。因此, 在授课过程中可删繁就简, 遇到重复的内容可一带而过。物理光学课程内容繁多, 在学习该课程时, 需谨记一条红线, 即光波的传播。光波在同性或异性介质, 自由或半自由空间传播时呈现的八大传播现象, 即反射、折射、干涉、衍射、偏振、吸收、色散与散射现象。在进行课堂讲述时, 先由光波的传播现象, 引出光波发生此现象的条件, 进而总结光波的传播规律。为了理论知识与实际问题密切联系, 着重介绍光波理论的理论和所涉及的行业领域, 通过丰富的课程内容让学生真实地感触知识的应用。

2. 问题导入式的教学方法。

物理光学作为一门专业基础课, 具有抽象性强、枯燥乏味等特点。同时, 物理光学也具有较强的专业性, 该学科的创建均来源于对实际光学问题的解释。在介绍一个知识点之前, 为了理论联系实际, 我们首先要有目的地设置问题。通过一步一步地启发学生, 让学生带着问题思考解决的方法与思路, 进而解决问题。例如, 我们讲授光波的衍射时, 首先从白光通过指缝的衍射现象出发, 提出产生衍射的条件。如果采用单色光源, 指缝转变为圆孔、矩形孔或不规则孔, 衍射条纹如何变化?引导学生思考如果采用多缝或透射光栅, 衍射条纹又将如何变化?从而引出影响衍射现象的因素和采用数学模型描述衍射现象的问题。实践证明, 这种以实际问题为先导的模式, 激发学生的思考和学习兴趣, 培养学生分析和解决问题的能力, 得到了良好的教学效果。

3. 充分利用多媒体教学。

多媒体教学在许多方面是传统教学模式所无法比拟的, 具有直观性强、图文声像并茂、信息量大、生动活泼等特点。但运用不当, 也会适得其反。为了弥补两方面的不足, 我们采用了多媒体课件与传统板书相结合的教学方法。在物理光学课程中, 采用PPT课件形式与FLASH动画结合, 生动描述光波的传播现象与规律。多媒体课件重点介绍物理概念及方法, 而大量的公式推导可在课后参考教材或其他课本。制作这种多媒体课件的教学方法不仅给学生留下深刻的印象, 而且还给教师留下充足的时间来强调重点、难点和核心内容。

4. 利用计算机虚拟仿真技术提高教学效果。

在课堂教学之余, 训练学生利用计算机仿真技术处理物理光学相关问题。利用现代计算机辅助手段, 加深学生对光学现象的理解, 发现学习中的盲区和误区, 提高教学的针对性。计算机虚拟仿真技术将抽象难懂的光学规律和概念形象直观展现给学生, 激发学生的求知欲。光学仿真设计软件有很多种, MATLAB、Trace Pro、Zemax、Fred、Opti System, 分别应用于不同的光学领域。MATLAB是Mathworks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件, 具有数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示等功能, 是工程界最流行的软件工具, 在大学理工课程教学中的应用亦渐成热点。目前, 已有众多文献采用MATLAB软件模拟光波发生干涉、衍射现象后光强度的分布。MATLAB软件中的图形用户界面 (Graphical User Interfaces, GUI) , 可以实现交互式模拟。采用交互式滚动条动态地展现各物理量对衍射结果的影响, 有利于加深学生对物理规律的理解和认识。Trace Pro是一款基于蒙特卡罗法的非序列光线追迹软件, 为美国Lambda Research公司开发。Trace Pro以实体对象来构建光路系统, 通过计算反射、折射、散热、吸收和衍射等行为来模拟光线与实体表面的作用, 对真实场景进行计算和显示。Trace Pro图形使用界面简单, 且具有强大的仿真功能, 能对光学镜头、背光板、照明灯具、投影显示器、医疗仪器等进行光学模拟及分析。目前, 在校学生已采用Trace Pro仿真软件成功对偏振棱镜、衍射光栅进行了模拟仿真, 采用光线追迹方法形象直观地展现光波传播过程及特性的变化, 加深对光波传播规律的认识和理解。

当然, 计算机虚拟仿真技术只是物理光学教学的辅助, 不能代替理论教学。学生应该在认真掌握基本物理知识的基础上, 逐步学会运用计算机仿真软件, 才能达到促进学习的效果。计算机虚拟仿真的实际操作, 培养了学生将理论知识应用于分析实际问题的能力, 检验了学生专业知识的掌握程度, 也为下一阶段的课程教学提供了指导方向。

三、总结

在物理光学课程教学改革实践中, 针对课程内容理论性与专业较强, 数学公式与物理概念较多等特点, 我们对教学内容、教学方法和教学手段等进行了积极探索和实践。在学习过程中, 始终围绕光波的传播这条红线, 介绍光波的传播规律与现象。采用问题导入式的教学方法, 充分利用多媒体教学和计算机虚拟仿真技术的教学手段, 加深专业课程的抽象理论形象化。在教学中注重基础理论和知识的应用性, 培养学生的独立思考能力和创新意识, 促进了学生学习兴趣的提高和发展, 增强学习效果, 实现学以致用。

参考文献

[1]张尚剑.物理光学课程的研究性教学模式实践[J].教法研究, 2012, (8) .

[2]王伟.物理光学课程教学改革与实践[J].安徽工业大学学根, 2011, (4) .

[3]刘海洲.关于物理光学的教学设计与研究[J].高职教育, 2012, (8) .

[4]曾涛.高校多媒体教学中的互动性探析[J].科技信息, 2010, (5) .

[5]王秀芳, 郑家树, 陈世涛, 王续宇.Matlab-GUI在偏振光实验中的应用[J].大学物理实验, 2013, (1) .

[6]王诩, 王银河, 姚春龙.基于TracePro软件的组合反光镜设计与分析[J].灯与照明, 2010, 34 (3) .

中学物理光学教学 篇6

物理光学是光电信息科学与工程专业一门重要的专业基础课程, 它不但是后续课程, 如“光纤光学”、“光信息处理”、“激光技术”、“光纤通讯技术”的基础, 而且是今后从事科研中不可缺少的基础内容[1,2]。早几年前, 在物理光学教学中的基本思想是:多、深、全。多, 强调课堂上以老师讲授为主, 并尽可能传达多的信息量给学生, 这势必导致学生在课堂上对知识的被动接受, 不能发挥其主动思维的作用, 从而失去对这门课程学习的兴趣;深, 追求理论公式推导的逻辑性、严谨性, 以达到课堂内容的完整性和系统性。物理光学是以光的电磁场理论为基础, 研究光在不同介质中传播的规律, 理论知识抽象枯燥, 在公式的推导中需要学生有扎实的高等数学知识以及灵活运用知识的能力, 这样增加了课程学习的难度, 影响教学效果;全, 要求课堂教学尽可能覆盖教材上的内容, 这样, 模糊了课程的重点内容的突出, 也会有相当一部分学生跟不上课堂节奏。

鉴于以上存在的问题, 在物理光学教学中, 贯彻“以人为本”的教学理念, 提出了从以下四点进行教学改革, 在实践中取得一定的成效。

二、增加课堂内容的趣味性, 提高学生学习的主动性和积极性

“以人为本”的教学理念就是“以教师为主导, 以学生为主体, 强调学生在教学过程中的参与作用, 把开发智力, 启迪思维, 培养创造力放在首位”。为此增加课堂内容的趣味性, 以调动学生学习的主动性和积极性。例如在课堂上, 以讲故事的形式, 向学生介绍光学发展史上里程碑的事件、相关科学家的生平、现代光学发展的前景等, 吸引学生的注意力, 活跃课堂气氛, 增加学生学习的信心;另外采用以问题带动教学的方法, 启发学生思维, 引出要讲解的理论知识, 再反过来用讲解的理论知识解释所提出的问题。例如在讲授光学薄膜时, 让同学们互相观察对方的眼镜片, 会问大家为什么眼镜片会呈现紫红色呢?在讲解多光束干涉时, 会问大家, 为什么干涉滤光片会从白光中滤出单色光呢?为什么F-P干涉仪的干涉条纹与双光束干涉条纹相比会那么锐而亮呢?等等。可以先把结论告诉大家, 例如告诉大家眼镜片呈现紫红色, 是因为在眼镜片上镀了增透膜, 以提高眼镜片的成像质量, 并可以防止有些波段的光 (如紫外光, X射线) 伤害眼睛;F-P干涉仪的干涉条纹锐而亮, 是因为光在F-P腔中发生了多次反射和透射, 发生了多光束干涉的原因。然后用讲解的理论知识去解释这些现象。为了加深和巩固知识, 再次以典型的事例或例题形式讲解。

三、适当淡化抽象的理论推导过程

物理光学具有知识点繁、公式多、理论深等特点。对每个物理公式进行完整的推导, 这对授课老师提出了更高的要求, 老师讲得累, 学生听着也很费劲, 影响教学效果, 为此, 采取淡化理论公式推导过程的理念, 但为了保证教学内容的连续性和系统性, 知识点衔接上的逻辑性, 不会使学生感到突兀, 便于学生的理解和接受, 应讲清公式和基本定理的来弄去脉, 讲清公示的物理意义, 经适当的训练, 学生能灵活地运用它。例如, 由光的电磁场理论推导出的晶体光学的基本方程, 它描述了晶体中传播的单色平面光波的基本结构;菲涅耳方程是晶体基本方程的推导, 它描述了在晶体中传播的光, 波法线方向k与相应折射率n和晶体参数—介电当量ε之间的关系, 将菲涅耳方程具体应用于单轴和双轴晶体, 推导出波法线k方向上的折射率计算公式;另外从晶体的折射率椭球方程出发研究单轴晶体、双轴晶体光波波法方向k与折射率n以及电感应强度D之间的关系;光在晶体中传播的几何法描述中, 应用到的折射率曲面方程和射线曲面方程也是由菲涅耳方程的推导。

这些公式是学生理解光在晶体中传播特性的基础, 也是制作和应用光学器件的基础, 这部分内容不可删减, 但在课堂上要系统地推导出这些公式, 没有5、6个学时是下不来的, 所以对这部分内容采取只推演晶体光学的基本方程和折射率椭球方程, 其他公式讲清公式和所用理论的来弄去脉, 公式所描述的物理意义, 突出教学重点, 然后通过讲解例题或工程实例帮助学生理解公式的物理含义, 从而也训练了学生灵活使用这些公式的能力。

四、调整教学内容, 避免不同课程之间内容的重复

我们选用的教材是全国高等学校工科电子信息类专业的部级重点规划教材。“物理光学”部分共6章。第1—3章介绍光在各向同性介质中传播的规律、光的干涉和光的衍射, 第4—5章介绍光在各向异性介质中传播的规律, 第6章介绍光的吸收、色散和散射。该教材内容完整, 涉及面广, 逻辑性强。依以往的教学理念, 希望50学时的课堂教学, 覆盖教材中涉及的内容, 给学生传达尽可能多的信息, 这势必会模糊了教学内容重点的突出, 而本门课程应掌握的基本内容没有时间得到有效的巩固和加强, 针对这种现象, 对教学内容进行了调整, 例如, 在“光的衍射”这一章中删除了傅里叶光学和全息光学的内容, 这部分内容在后续专业课“光信息处理”中会涉及到;将“光的吸收、色散和散射”这一章由必讲改为机动, 以剩余课时情况而定;另外考虑到专业课“激光原理”, 在典型光波类型的介绍中, 对高斯光波讲解的内容压缩, 因为在“激光原理”中, 高斯光波结构应是其重点内容之一。另外对课堂例题进行了认真筛选, 以巩固基础知识和实用性为指导思想, 这样不但可以使学生有效地掌握物理光学的基本概念、基本原理和处理方法, 为后续专业课程的学习奠定必要的知识, 同时让学生了解到本门课程的实际应用价值, 有助于调动学生学习的主动性和积极性。

五、实验教学内容的调整

培养能力强、富有创新精神的应用型人才, 是“以人为本”的重要内容。物理光学实验是整个物理教学内容的一个重要环节, 通过实验一方面加强学生对课堂理论知识的理解和掌握, 另一方面启发学生的创新意识, 训练学生的实验技能, 培养学生分析问题、解决问题的能力。为此在实验中增加了设计型实验, 例如, 讲授了晶体光学器件后, 有设计型实验供学生选做:在给定实验条件下, (1) 设计检验不同类型波片的实验, (2) 设计检验不同偏振态光源的实验等。以此培养学生分析问题、解决问题的实践动手能力和创新意识。

在“以人为本”的教学理念指导下, 对光电信息科学与工程专业的物理光学教学实施了以上四点的改革, 经过多年的实践, 从本门课程考察情况来看, 有一定的成效, 这增加了授课老师在物理光学上改革的信心, 在改革的道路上我们将不断探索, 为培养综合素质强、创新能力强的人才做不懈的努力。

摘要：“物理光学”是研究光的本性、光的传播和光与物质相互作用的一门科学, 是理工大学光电信息科学与工程专业的专业基础课, 通过本门课程的学习, 使学生掌握光在介质中传播的基本规律, 培养学生用相关知识分析问题解决问题的能力, 同时为后续专业课程的学习奠定基础。根据物理光学课程内容的特点, 结合“以人为本”的教学理念, 对本门课程的教学内容、教学方法等进行了探讨, 通过教学实践, 证明有一定的成效。

关键词：物理光学,以人为本,教学实践

参考文献

[1]黄元申, 李柏承, 徐邦联, 张大伟, 倪争技, 等.物理光学本科教学体会[J].上海:上海理工大学学报, 2014, 36 (3) :293-296.

中学物理光学教学 篇7

光学作图题主要涉及到以下几种类型: (1) 已知入射光线, 根据光的反射定律作图; (2) 利用平面镜成像特点作出物体在平面镜中的像; (3) 利用光的反射定律作出物体在平面镜中的像; (4) 利用光的折射规律作图; (5) 光在两种介质分界面上同时发生反射和折射; (6) 光经过凸透镜折射; (7) 利用凸透镜成像规律作图。

已知入射光线, 根据光的反射定律作图

例1: (2009年北京市) 如下图甲, AO为入射光线, ON为法线。请画出入射光线AO的反射光线。

分析:这是一道简单的利用光反射定律作图的题。在图甲中给出了平面镜、入射光线和法线, 要求画出反射光线。只要掌握光反射定律, 根据光反射定律作图就可以了。光的反射定律:在反射现象中, 反射光线、入射光线和法线都在同一个平面内, 反射光线、入射光线分居法线两侧, 反射角等于入射角。

解答见下图乙。

利用平面镜成像特点作出物体在平面镜中的像

例2: (2009年江苏省) 根据平面镜成像特点, 在右上图甲中画出物体AB在平面镜MN中所成的像A'B'。

分析:这是一道根据平面镜成像特点作图的题。平面镜成像特点是:像与物关于平面镜对称, 像与物等大, 所成的像是虚像。作图时首先根据平面镜成像特点:像与物关于平面镜对称, 作出物体AB上两点A和B在平面镜中的像A'和B', 然后连接A'、B'两点, A'B'即为AB在平面镜中的像。作图时注意:由于平面镜所成的像不是实际光线会聚成的, 是虚像, 所以像A'B'要用虚线表示。

解答见下图乙。

利用光的反射定律作出物体在平面镜中的像

例3: (2009年黑龙江省哈尔滨市) 请利用光的反射定律, 在下图甲中作图确定蜡烛上A点在平面镜中像的位置。

分析:这也是一道关于平面镜成像的作图题, 但题目要求是根据光的反射定律确定某一点的像的位置。要利用光的反射定律确定某一点在平面镜中像的位置, 至少要画从这点发出的两条入射光线, 依据光的反射定律画出它们的反射光线, 反射光线的反向延长线的交点就是这一点在平面镜中像的位置。从A点任意画两条入射到平面镜上的光线AB、AD, 入射点分别为B和D, 根据光的反射定律画出AB的反射光线BC, AD的反射光线DE, 反射光线BC、DE的反向延长线的交点A'即为A点的像。作图时注意由于反射光线的反向延长线不是实际的光线, 所以要用虚线。

解答如图下乙。

利用光的折射规律作图

例4: (2009年山东省、广东省) 如下图甲, AO表示从空气斜射向平行玻璃砖上表面的一束光, 请大致画出这束光通过玻璃砖的光路图。

分析:这是利用光的折射规律作图题。光线从空气斜射入玻璃砖上表面通过玻璃砖的过程, 实际上是经过这样两次折射:光线由空气斜射入玻璃、再由玻璃斜射入空气中。只要掌握光的折射规律:光从一种介质斜射入另一种介质时, 传播方向要发生偏折, 这种现象叫做光的折射, 光从空气斜射入水中或其他介质中时, 折射光线向法线偏折。进行作图就可以了。光由空气 (光疏媒质) 斜射入玻璃 (光密媒质) 时, 折射光线向法线偏折, 光线由玻璃 (光密媒质) 斜射入空气 (光疏媒质) 时, 折射光线偏离法线。

作图时注意:光由空气斜射入玻璃时的入射角与光由玻璃斜射入空气时的折射角相等, 光由空气斜射入玻璃时的入射光线与光由玻璃斜射入空气时的折射光线平行。

光从空气斜射向平行玻璃砖, 光经过两次折射后, 出射光线的方向不发生改变, 只是透过玻璃砖后发生“错位”。

解答见下图乙。

光在两种介质分界面上同时发生反射和折射

例5: (2009年云南省昆明市) 请你在右上图甲中, 作出光线由玻璃斜射入空气时的反射光线和大致的折射光线。

分析:这是一道利用光的反射定律和光的折射规律作图的题。这道题既涉及到光的反射, 又涉及到光的折射, 光的反射是在同一介质中发生的, 遵循光的反射定律;光的折射是发生在两种不同介质中, 是光由一种介质进入另一种介质中时, 传播方向发生偏折。

根据光的反射定律作出光线AO在玻璃中的反射光线OB, 根据光的折射规律作出光线AO在玻璃与空气分解面处由玻璃进入空气中的折射光线OC。作图时注意光线由玻璃 (光密媒质) 斜射入空气 (光疏媒质) 中时, 折射光线要偏离法线, 这时的折射角大于入射角。

解答见下图乙。

例6: (2009年广东省广州市) 如下图甲所示, 水面上方有一发光点A1, 水中另有一发光点A2, 人在空气中看到A2在水中的位置就是A1在水中像的位置, 画出: (1) A1发出的光经水面反射进入人眼的光路图。 (2) A2发出的光进入人眼的光路图。

分析:光从一种介质斜射入另一种介质时, 传播方向要发生偏折, 这种现象叫做光的折射。光从空气斜射入水中或其他介质中时, 折射光线向法线偏折。

平静的水面相当于平面镜, 根据平面镜成像特点:像与物关于平面镜对称, 可以确定A1点在水中像的位置A1'。根据题中叙述A1'也是人眼看到的A2点在水中的位置。人眼看到A2在水中的位置实际上是A2在水中像的位置, 要比A2点在水中的实际位置浅些。水中A2点的光线经水面折射后射入人的眼睛, 这条折射光线的反向延长线经过A1点在水中的像 (A2在水中的像) A1'点。连接A1'点和人眼交水面于O点, 则O点为入射点, O到人眼这条光线即为A1发出的光经水面反射的反射光线, OA1'为这条反射光线的反向延长线, 所以要用虚线。连接A1O即为A1点的入射光线, 连接A2O即为A2点的入射光线。这道题的作图既要用到平面镜成像特点知识, 同时又要用到光的折射的知识。

解答见下图乙。

例7: (2009年吉林省) 在下图甲中画出经凸透镜折射后的光线。

分析:这是一道简单的光经过凸透镜折射的作图题。图中给出的是两条特殊的光线:一条是平行于凸透镜主光轴的光线, 另一条是经过凸透镜光心的光线。只要掌握平行于凸透镜主光轴的光线经凸透镜折射后会聚在焦点上, 经过凸透镜光心的光线经凸透镜折射后方向不发生改变, 作图即可。

解答见下图乙。

例8: (2009年辽宁省沈阳市) 如下图甲所示是照相机的原理图, A'B'是AB的像。请画出图中与入射光线对应的折射光线, 并确定凸透镜一侧焦点的位置, 用字母F表示。

分析:这是关于照相机原理——物体位于凸透镜2倍焦距以外, 成倒立、缩小实像的问题。图中给出了物体AB经凸透镜后像A'B'的大小和位置, 并且给出了A点发出的一条平行于主光轴的光线, 要求确定凸透镜焦点的位置。作图时只要抓住平行于凸透镜主光轴的光线经凸透镜折射后经过焦点这一条特殊光线就可以了。

由图可知, A'为A点像的位置。平行于凸透镜主光轴的光线AC经凸透镜折射后折射光线一定经过A'点, 连接CA'即为入射光线AC的折射光线, 由于平行于凸透镜主光轴的光线经凸透镜折射后通过焦点, 所以折射光线CA'与主光轴的交点即为此凸透镜的焦点F。

解答如下图乙所示。

例9: (2009年江西省南昌市) 如下图甲所示, 是探究凸透镜成像规律实验时, 光屏上所得到的像。请你在图上大致画出像所对应的物体。

分析:这是根据凸透镜成像规律作图的试题。凸透镜成像规律是:物体位于凸透镜1倍焦距以内时, 在透镜的同侧成正立、放大的虚像;当物体位于1倍焦距和2倍焦距之间时, 在透镜的另一侧成倒立、放大的实像, 像位于2倍焦距以外;当物体位于2倍焦距时, 在透镜的另一侧成倒立、等大的实像, 像位于2倍焦距处;当物体位于凸透镜的2倍焦距以外时, 在凸透镜的另一侧成倒立、缩小的实像, 像位于1倍焦距和2倍焦距之间。

图中给出像的位置是位于凸透镜2倍焦距以外, 根据凸透镜成像规律可以判断, 物体位于凸透镜1倍焦距和2倍焦距之间, 物体小于像的大小。题目要求在图上大致画出像所对应的物体, 如下图乙所示。

我们也可以用作图法精确的确定物体的位置和大小。在作图时, 应用光经过凸透镜折射后的三条特殊光线中的任意两条就可以精确的确定物体的位置和大小。这三条光线是:通过凸透镜光心的光线经凸透镜折射后方向不发生改变;平行于主光轴的光线经凸透镜折射后通过焦点;通过焦点的光线经凸透镜折射后平行于主光轴射出。在这里我们选择通过凸透镜光心的光线经凸透镜折射后方向不发生改变;平行于主光轴的光线经凸透镜折射后通过焦点这两条光线作图。精确作图如下图丙所示。

例10: (2009年湖北省黄冈市) 人在水中看物体会成像在视网膜后, 相当于人眼的晶状体变薄, 潜水员戴上潜水镜实质是在眼前加上一个空气层, 如下页左上图甲, 请根据图中已有的光路, 完成光路图, 画出物体A的大致位置。

分析:这是一道光的折射规律和凸透镜成像结合的试题, 是光的折射规律和凸透镜成像规律在实际中应用的题。潜水员戴上潜水镜实质是在眼前加上一个空气层, 光线由水中斜射入空气中要发生折射, 折射光线要偏离法线。作图时注意:由于光是由光密媒质 (水) 斜射入光疏媒质 (空气) , 折射光线要偏离法线, 折射角大于入射角。

解答如下图乙所示。

【力学部分】

力学作图题主要涉及到以下几种类型: (1) 物体受力示意图。包括静止物体受力示意图, 运动物体所受摩擦力的示意图, 两个物体叠加在一起运动时的受力示意图; (2) 作用在杠杆上力的力臂; (3) 滑轮组的绕绳方法。

静止物体受力示意图

例11: (2009年山东省) 如右上图甲所示, 物体A重30N, 用F等于50N的力垂直压在墙上静止不动, 画出物体A的受力示意图。

分析:首先对物体A进行受力分析。由于用F等于50N的力垂直压在墙上不动, 物体A受到50N垂直于墙的压力作用, 物体A受到墙面对它的压力的作用, 物体A受到的垂直于墙面的压力和受到墙面对它的压力的作用是一对平衡力;物体A受到竖直向下的重力的作用, 由于物体A静止不动, 受到墙面对它竖直向下的摩擦力的作用, 物体A受到的向下的重力和墙面对它的摩擦力是一对平衡力。

作图时注意:由于题目中已经给出了物体A重30N, 用F等于50N的力将物体垂直压在墙上静止不动。表示重力大小的线段就要小于垂直压在墙上的力的线段, 并且是成比例的。摩擦力的作用点可以画在物体的重心上, 也可以画在物体与墙的接触面上。墙对物体的压力的作用点既可以画在物体的重心上, 也可以画在物体与墙的接触面上。

解答如下图乙所示。

运动物体所受摩擦力的示意图

例12: (2009年云南省昆明市) 用大小为10N水平方向的力拉着物体A沿水平桌面向左匀速运动, 在下图甲中用力的示意图将物体A所受到的摩擦力表示出来。

分析:首先对物体A在水平方向上的受力情况进行分析。物体A在10N的水平拉力的作用下向左运动, 说明物体受到一个向左的拉力作用, 由于桌面不是光滑的, 所以物体A要受到一个摩擦力的作用, 由于摩擦力的方向总是与物体相对运动的方向相反, 所以物体A要受到一个与运动方向相反即水平向右的摩擦力的作用。又由于物体A在水平方向上做匀速直线运动, 说明物体A在水平方向上受到的是一对平衡力, 所以物体A受到的向右的摩擦力的大小与向左的拉力的大小相等, 也是10N。

作图时注意:摩擦力的作用点可以在物体的重心上, 也可以在物体与桌面的接触面上。

解答如下图乙 (或丙) 所示。

例13: (2009年河南省) 在探究“摩擦力的大小与哪些因素有关”的实验中, 用弹簧测力计拉动木块在水平桌面上匀速向右运动, 如下图甲所示。请画出木块在运动过程中所受力示意图。

分析:首先对木块进行受力分析。木块在竖直方向上受到竖直向下重力的作用和桌面对木块竖直向上的支持力的作用, 这两个力是一对平衡力。木块在水平方向上受到弹簧水平向右的拉力和桌面对木块水平向左的摩擦力的作用, 由于木块在水平桌面上匀速向右运动, 所以这两个力也是一对平衡力。根据受力分析进行作图即可。

作图时注意:摩擦力的作用点可以在物体的重心上, 也可以在物体与桌面的接触面上。

解答如下页下图乙 (或丙) 所示。

两个物体叠加在一起运动时的受力示意图

例14: (2009年甘肃省兰州市) 如下图甲所示, A物体放置在B物体上, A物体随B物体在外力F的作用下, 由静止开始运动。请画出A物体所受摩擦力f和B物体所受重力G的示意图 (其中G>f) 。

分析:这是一道两个物体叠放在一起运动的比较复杂受力分析问题。解决问题的方法是分别对每一个物体进行受力分析。首先分析物体A的受力情况。物体A在竖直方向上受到竖直向下重力作用和物体B对它的竖直向上支持力的作用, 这两个力是一对平衡力。在水平方向上, 由于与物体B接触, 并随物体B由静止开始向右运动, 所以物体A受到物体B向右的摩擦力的作用。对于物体B, 在竖直方向上受到竖直向下的重力的作用, 物体A对它竖直向下的压力的作用, 桌面对它竖直向上的支持力的作用。在水平方向上, 受到水平向右的拉力的作用, 物体A对它水平向左的摩擦力的作用。物体A对B水平向左的摩擦力和物体B对A水平向右的摩擦力是一对作用力和反作用力。

作图时应注意:题中已经告诉B物体所受重力G大于A物体所受摩擦力f (G>f) , 所以在作力的示意图时, 表示B物体所受重力G的线段要比表示A物体所受摩擦力f的线段长些。摩擦力的作用点可以在物体的重心上, 也可以在物体与桌面的接触面上。

解答如下图乙 (或丙) 所示。

作用在杠杆上力的力臂作图

例15: (2009年山西省) 某同学在做俯卧撑运动时, 可将他视为一个杠杆, 支点为O, 支撑力为F, 如右上图甲, 请画出重力和支撑力的力臂。

分析:如果将做俯卧撑的人视为一个杠杆, 这个杠杆的支点在人的脚与地面的接触点O, 由于重力的方向是竖直向下的, 所以过重心A点竖直向下画一条带箭头的线段表示人所受到的重力, 从支点O向重力的作用线做垂线, 垂线段L1就是重力G的力臂。做支撑力F的反向延长线, 从支点O向支撑力F的反向延长线做垂线, 垂线段L2就是支撑力F的力臂。

解答如下图乙所示。

例16: (2009年辽宁省沈

例16: (2009年辽宁省沈阳市) 如下图甲所示, 用滑轮组沿水平地面拉动物体A, 请画出最省力的绕绳方法。

分析:这是一个由一个定滑轮和一个动滑轮组成的滑轮组的问题。由一个动滑轮和一个定滑轮组成的滑轮组的绕绳方式有两种。一种是绳的固定端系在定滑轮上, 然后绕过动滑轮和定滑轮, 如下图乙所示, 此时有两股绳子承担物重, 在不考虑摩擦和滑轮自重的情况下, 绳子自由端的拉力为物重的;另一种绕法是绳子的固定端系在动滑轮上, 然后绕过定滑轮和动滑轮, 如下图丙所示, 此时有三股绳子承担物重, 在不考虑摩擦和滑轮自重的情况下, 绳子自由端的拉力为物重的。由此可见第二种绕法更省力。所以, 对于由一个动滑轮和一个定滑轮组成的滑轮组, 绳子固定端系在动滑轮上, 然后绕过定滑轮和动滑轮这种方法更省力。

中学物理光学教学 篇8

近年来,量子点背光技术作为液晶显示技术新的突破,备受行业关注[1]。经过多年研究,业界已开发出嵌入量子点的光学薄膜(QDEF) 成功应用于LCD背光源。

量子点(quantum dot)是准零维的纳米晶体,由少量的原子构成,形态上一般为球形或类球形,是由半导体材料(通常由II B~ⅥB或IIIB~VB元素组成)制成的、稳定直径在2~20nm的纳米粒子[2]。这些纳米粒子能在特定波长光线照射下激发出更高波长的光,QDEF由于嵌入了发绿光和红光的量子点,可在蓝光LED背光的照射下激发绿光和红光,激发的绿光和红光与透过薄膜的蓝光一起混合成白光,从而提升了LCD背光的发光效果。QDEF在侧入式背光源LCD显示器的应用如图1 所示,采用量子点薄膜的屏幕拥有更准确的色彩表现,并且在色彩饱和度方面拥有明显的优势[3]。

本文以获取的某公司量子点膜(QDEF)为研究对象,通过扫描电镜/ 能谱仪(SEM/EDS)、傅立叶转换红外光谱仪(FTIR)、热重分析测试仪(TGA)、荧光光谱仪、透光率/ 雾度测试仪以及水汽穿透过率测试仪分析了QDEF的宏观/ 微观形貌和结构、各层组成成分以及QDEF的物理光学特性。

2 实验部分

2.1 样品的制备

(1)将QDEF样品进行超薄切片,所取切片表面进行喷金处理,备用;

(2) 将QDEF样品切成4cm×4cm大小,置于80℃温水浸泡24h后,用镊子将上下两片雾面薄膜剥离,备用。

2.2 分析与测试

(1)扫描电镜/ 能谱测试:采用日立S-3400N扫描电镜/ 能谱仪,测定QDEF表面形貌、各层厚度及元素组成;

(2)红外光谱测试:采用Nicoleti S10 红外光谱仪,4000~500cm-1范围扫描,测定QDEF各层成分;

(3)热重分析测试:采用SDTQ-600 型TG分析仪,氮气氛围,温度:50~850℃,升温速率为10℃/min,表征QDEF量子点层的热稳定性;

(4)荧光光谱测试:采用LS45 型荧光光谱仪,激发光波长450nm,480~700nm波长范围进行扫描,速率为10nm/s,测试QDEF的荧光性能;

(5)透光率/ 雾度测试:采用NDH2000N型透光率/ 雾度测试仪,测试QDEF及其阻隔膜的透光率和雾度;

(6) 水汽透过率(WVRT) 测试:采用美国MOCON Permatran-W,model 3/33 水汽透过率测试仪,38℃/100%RH条件下,测试QDEF表面阻隔薄膜的水汽透过率。

3 结果与分析

QDEF产品典型结构如图2 所示,本文以此参照对比进一步分析。

3.1 扫描电镜/ 能谱(SEM/EDS)分析

(1)样品的表面形貌分析

图3 为QDEF样品上、下表面的扫描电镜照片。

从图3 可以看到,QDEF的上下表面的SEM形貌几乎是一致的,表面涂层中含有凸起的粒子,该层表面呈现雾状。涂层中粒子的平均粒径在4μm左右。由于QDEF放置于背光源导光板和增光膜之间,表面做如此处理,可以有效降低背光模组的“白斑”(wet-out)光学不良现象。

(2)样品断面形貌分析

图4 为QDEF样品断面电镜照片。

从图4 可以看出,QDEF的断面由7 层组成,以中间层为轴线呈对称, 最薄层厚度只有1.35μm左右,最厚层厚度有125μm左右,中间层厚度为100μm左右。从结构看,中间层受两边保护,中间层为量子点层,而两边保护层为PET阻隔层, 在量子点层和PET阻隔膜中间的1.35μm为粘合剂层,它起到将量子点层和PET阻隔膜粘合的作用。

(3)能谱(EDS)分析

按照QDEF的结构,从上到下分别为7 层结构,分别进行了能谱测试,以确定各层含有的元素,结果如表1 所示。

从表1 可以看到,除了第四层(量子点层)外,其余层的元素均由C、O组成,也就是其余层均由聚合物组成,而量子点层元素组成相对比较复杂。

3.2 红外光谱分析

按照QDEF的结构,从上到下分别为7 层结构,分别进行了红外光谱测试,如图5 所示。

图5 QDEF各层红外光谱图(a)第一层(b)第二层(c)第三层(d)第四层(e)第五层(f)第六层(g)第七层Fig 5 The FTIR spectra of QDEF(a)Layer 1(b)Layer 2(c)Layer 3(d)Layer 4(e)Layer 5(f)Layer 6(g)Layer 7

从QDEF的各层红外光谱可以看到,每层的组成成分并不完全一致,具体分析结果如表2 所示。

3.3 热重(TGA)分析

由于量子点层的成分相对比较复杂,因此本研究在此仅对量子点层进行了热重分析,进一步确定其热性质,如图6 所示。

从量子点层的热重分析图可以看到,样品从100%开始失重,100℃就开始缓慢失重,说明其热性能一般;最终残余量为45.16%,说明量子点层里面含有高含量的耐高温填料成分;TGA曲线较为平滑,说明该层的纯度较好。

3.4 荧光性能分析

图7 为QDEF荧光光谱图。

从QDEF的荧光光谱图可以看出,量子点层中含有绿光和红光量子点,受450nm蓝光激发的绿光集中在535nm,激发的红光集中在625nm,并且绿光荧光强度明显比红光要强。

3.5 透光率/ 雾度分析

QDEF属于光学膜片,而透光率和雾度是光学膜片最主要的光学性能,因此,对QDEF及其表面保护的阻隔膜进行了测试,结果如表3。

从表3 可以看出,QDEF的透光率不是很高,但是雾度很大,这也解释了其可以代替扩散膜而用于背光的原因。另外,由于表面进行了防白斑涂层(Anti wet-out coating) 处理,阻隔膜具有一定的雾度,这是由于涂层里面添加了粒子所致。上、下阻隔膜具有相同的透光率和雾度,说明上、下阻隔膜具有同样的光学特性,分析为同一种膜片。

3.6 水汽透过率分析

图8 为QDEF阻隔膜水汽透过率测试曲线。

从图8 可以看出,QDEF所用阻隔膜的水汽透过率为10-2-10-3数量级,阻隔性很好,可以有效保护量子点(QD)不受水汽影响,从而使QDEF具有很好的耐久性。

4 结论