大学物理与高中物理课程光学部分的衔接研究

n1 S
n2
p
n
C1
r1
S1 ' r2
C2
r1
dM
O 1 2
-p
p'
p1
图１ 图２ ① 基 金 项 目：教 育 部 高 等 学 校 物 理 基 础 课 程 教 学 指 导 分 委 员 会 教 改 项 目 （ＷＪＺＷ－２０１０－４３－ｚｎ）； 河 南 大 学 教 学 改 革 项 目 资 助（２０１０）。
、 普通高
中 理 科 生 所 采 用 的 人 教 版 物 理 教 材 ［ ４ ］ 为参 考，对大学物理中光学部分如何与中学物 理中相应知识衔接的问题进行了分析和探 讨， 并 提 出 了 建 议 。
１ 大学物理课程和高中物理课程光学部分 基本要求的对比
下面，我们以教育部２０１０年颁发的 “理 工科类大学物理课程教学基本要求” （ 以下 简称 “要求” ）和教育部制定的高中物理课 程标准（实验）（以下简称 “新课标” ）为参考， 给出大学物理与高中物理光学部分内容以 及教学要求的对比。 首先， 我们来看高中物理课程光学部 分的内容标准以及教学要求。 高中物理课 程光学部分内容在选修２～３ ［５］ ，内容标准 ［６］
科技创新导报
２０１２ ＮＯ．０７ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
创新教育
大学物理与高中物理课程光学部分的衔接研究 ①
高海燕１ 李若平２ 王志刚３ 黄明举２ 尹国盛２ （ １ ． 华北水利水电学院数学与信息科学系 河南郑州 ４ ５ ０ ０ １ １ ； ２ ． 河南大学物理与电子学院 河南开封 ４ ７ ５ ０ ０ ４ ； ３ ． 山东省泰安市实验学校 山东泰安 ２ ７ １ ０ ０ ０ ） 摘 要 ： 比较了教育部制订的 《高中物理课程标准》 和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 最新编制的 《理工科类大学物理课程教学基本要求》 （ ２ ０ １ ０ 年版） 中关于光学部分内容的基本要求， 较为深入地分析了大学物理与中学 物理在光学部分内容衔接中的一些具体问题， 并提出了相应的教学衔接的建议， 希望为顺利实现从中学向大学的过渡提供参考。 关键词： 大学物理 高中物理 光学部分 衔接 中图分类号： Ｏ ４ ３ 文献标识码 ： Ａ 文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２０１２）０３（ａ）－０１２４－０２
２ 几何光学知识点对比及衔接
虽然几何光学是高中物理光学部分的 重点，但是无论在在广度还是深度上都没 有大学物理的要求高。 首先， 我们从前面列 出的知识点上面来比较。 大学物理教材涉 及到的知识点比高中物理的知识点要多， 多出来的有： 光在球面上的反射和折射、 薄 透镜的成像。 其次，从教材编写上， 大学物 理更侧重理论推导的系统性和逻辑性，但
1 1 1 + ′ = （１） p p f
式中ｐ为物距， p′ 为像距，ｆ为透镜焦距。 并且说明此式对于凹透镜也成立。 但是在大学物理教材里， 这一部分知 识叫做薄透镜， 教材的安排也截然不同． 教 材 中 首 先 讲 解 球 面 折 射， 给 出 球 面 折 射 在 近 轴 情 况 下 成 像 的 公 式， 然 后 再 介 绍 薄 透 镜，指出其成像是由两个球面两次成像得 到的，推倒过程中将球面成像公式应用两 次， 然后略去透镜厚度， 最后得到薄透镜的 高斯公式 其中
大学物理课程是所有高等院校理工科 非物理类专业学生的一门重要的通识性必 修基础课，着重讲述最基本的物理概念和 物理学处理疑难问题的各种理论方法以及 它在解决各种不同性质实际问题的作用 ［１］ 。 大学物理课程在为学生系统地打好必要的 物理基础，培养学生树立科学的世界观，增 强 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 等 方 面， 具 有 其他课程不能替代的重要作用 ［２］ 。 目前，中 学物理和大学物理课程改革正在进行中。 普通高中毕业生有一大半的学生进入高等 学校后要学习大学物理知识， 故对现行大 学物理课程和中学物理课程的衔接情况进 行研究具有一定的必要性。 本文中， 笔者以 理工科类所采用的大学物理教材
１２４
科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
创新教育
高中物理更侧重定性认识及应用。 下面我 们就举例来说明，并且从中可以体会在教 学中的衔接问题。 以中学里面的重点透镜成像的规律为 例。 在高中物理教材中， 首先以实验的方 式， 给出作图法来确定凸透镜成像的规律， 让学生掌握作图法得到凸透镜成像的位 置， 然后由作图法里面的几何关系， 由相似 三 角 形 推 出 其 成 像 公 式 为：
２０１２ ＮＯ．０７ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
科技创新导报
多工科院校里面大学物理光学部分也是只 讲波动光学， 由此可见其重要性。 对比高中 物理和大学物理的波动光学内容， 可以发 现他们都涉及到的有光的干涉、 衍射、 偏振 等知识点。 但是高中物理里面的讲解只是 停留在这些光现象的认识上， 又简单讲了 这些知识在技术中的应用，为进一步在大 学物理的学习作了铺垫。 在大学物理的波 动 光 学 部 分， 同 样 的 知 识 作 了 非 常 详 细 的 讲解， 通过定量的计算， 分析了出现这些光 现 象 的 原 因， 使 学 生 对 光 的 波 动 性 有 了 深 刻的认识。 下面， 我们以杨氏双缝干涉为例 来做具体的分析，并从中体会大学物理与 高中物理的知识点衔接。 在高中物理里面，杨氏双缝干涉在波 动光学里面是讲得最详细的。 其教学安排 是： 首先介绍机械波的干涉现象， 然后定性 说明在波峰与波峰、 波谷与波谷相遇的地 方 干 涉 加 强， 波 峰 与 波 谷 相 遇 的 地 方 干 涉 减弱； 接着就给出杨氏双缝干涉， 利用与机 械波中水波干涉差不多一样的实验装置的 设计，给出红色激光入射杨氏双缝装置的 干涉图样，接着说明在两束相干光的路程 差为半波长的偶数倍的地方是干涉加强出 现明条纹，在两束光的路程差为半波长的 奇数倍的地方是干涉减弱出现暗条纹，而 没有定量的计算。 在大学物理中， 杨氏双缝干涉的教学 内 容 安 排 为： 首 先 说 明 杨 氏 双 缝 干 涉 是 利 用分振幅的方法来利用普通光源得到两束 相干光，进而产生干涉现象； 接着由如图２ 所示的杨氏双缝干涉的实验装置来做定量 的计算。 设双缝间的距离为ｄ ， 双 缝 至 屏 的 距 离 为Ｄ， 且Ｄ＞＞ｄ，当 实 验 装 置 处 在 空 气 中 时， 折射率ｎ＝１，此时，光程差δ和波程差△ｒ相 等， 则 在 光 屏 上 任 意 位 置 ｘ 处， 两 相 干 光 的 光程差为 ∆r = d 且当 ∆r = ±k λ ,
［３］
是这样要求的：（１）通过实验，理解光的折射 定律。 会测定材料的折射率。 （２）认识光的全 反射现象。 初步了解光导纤维的工作原理 和光纤在生产、 生活中的应用。 认识光纤技 术对经济社会生活的重大影响。 （ ３ ）探究并 理解透镜成像的规律。 会测定凸透镜的焦 距。 （４）了解照相机的主要技术参数的含义。 知道显微镜、 望远镜的原理。 （５）通过实验认 识光的干涉、 衍射、 偏振现象以及在生活、 生产中的应用。 （６）了解激光的特性和应用。 了解常见固体和气体激光器的原理。 举例 说明激光技术在生活、 生产中的应用。 （７）知 道新型电光源的特点以及应用。 以上内容标准中的知识技能目标动词 在 “新课标” 中是这样解释的： 了解： 再认或 回忆知识； 识别、 辨认事实或证据； 举出例 子； 描述对象的基本特征。 认识：位于 “了 解” 与 “理解” 之间。 理 解： 把 握 内 在 逻 辑 联 系； 与已有知识建立联系； 进行解释、 推断、 区分、 扩展； 提供证据； 收集、 整理信息等。 应用：在新的情境中使用抽象的概念、 原 则； 进行总结、 推广； 建立不同情境下的合 理联系等。 其次， 我们再来看 “要求” 中对理 工科大学物理光学部分的教学要求 ［ ２ ］ ： （１）介绍几何光学的基本定律和近轴光 学成像的分析方法。 类别为Ａ的内容有：几 何光学基本定律、 光在平面上的反射和折 射、 光在球面上的反射和折射、 薄透镜； 类 别为Ｂ 的 内 容 有： 显 微 镜 、 望远镜、 照相机。 （ ２ ）重点讲述光的干涉和衍射。 类别为 Ａ的 内 容 有： 光 源 、 光 的 相 干 性， 光 程 、 光程 差的概念，分波阵面干涉，分振幅干涉，惠
间的直条纹， 并给出光强分布图加以说明。 另外还指出复色光入射时条纹分布的规律 以及重级的出现。 并且在双缝实验的演变 实验劳埃德镜中， 还得出了半波损失。 可以 看出， 虽然讲述的都是杨氏双缝干涉， 但整 个分析比高中物理的具体、 定量，且深度 大。
４ 结语
本文从几何光学和波动光学出发，讨论 了高中物理和大学物理的知识点对比以及 教学过程中的衔接问题。 与力学、 电 磁 学 ［８］ 部分相比， 光学部分的衔接有自己的特点： 高中物理光学部分以定性介绍光学现象以 及在技术上的简单应用为主， 大学物理以 计算定量来定量的详细分析中学中接触过 的 光 学 现 象， 高 中 的 知 识 为 大 学 物 理 的 进 一步学习作了铺垫。 但在几何光学部分有 少量重复，教学中要注意授课方法尽量避 免， 使 课 堂 时 间 充 分 利 用 。 另外，光学部分 应该还包括量子光学、 现代光学部分 ［９］，但 在大学物理分别归类到量子物理以及现代 物 理 部 分， 所 以 在 此 处 不 再 作 讨 论 。
更斯－ 菲 涅 耳 原 理 ， 夫 琅 禾 费 单 缝 衍 射 ， 光 栅衍射， 光学仪器的分辨本领， 光的偏振 性、 马吕斯定律，布儒斯特定律； 类别为Ｂ的 内容有： 迈克耳孙干涉仪， 光的空间相干性 和时间相干性， 晶体的Ｘ 射线衍射， 全息照 相， 光的双折射现象， 偏振光干涉和人工双 折射， 旋 光 现 象 ， 光 与 物 质 的 相 互 作 用 ： 吸 收、 散射和色散。 以上类别标注在 “要求” 中的解释是：Ａ 类内容构成大学物理课程教学内容的基本 框架，是核心内容； Ｂ类是扩展内容，它们常 常 是 理 解 现 代 科 学 技 术 进 展 的 基 础， 讲 述 这些内容可以使学生对大学物理的基本规 律的理解更加深刻和充实。 从上面列出的高中物理和大学物理中 光学部分的教学内容以及要求中， 可以明 显的看出他们的区别： 高中物理重点在几 何光学，对于波动光学内容知识仅仅给出 现象的认识与了解； 大学物理重点在波动 光学，对于光的干涉和衍射在理论上进行 了深入的分析，而在几何光学内容里做了 系 统 的 总 结， 避 免 了 与 中 学 物 理 的 重 复 。