大学物理与高中物理课程光学部分的衔接研究

大学物理与高中物理课程光学部分的衔接研究摘要: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》(2010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
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[3]、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]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。

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:
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
式中f为物方焦距,f’为像方焦距,n为薄透镜的材料的折射率,n1和n2分别为物方和像方的折射率,r1和r2分别为透镜两个表面的半径,如图1所示:
当薄透镜置于同一种介质中,如空气中时:,上面的公式就可以转化成中学里常用的透镜成像公式(1)。

由此可以看出,通过大学物理的学习,学生更清楚地明白了透镜成像的原理,了解其本质,而不是仅仅从表面的实验现象去认识事物。

并且也找出了大学物理与高中物理的联系,即高中物理的结论在很多情况下只是大学物理知识的一个特例,这一特点在力学部分,电磁学[6]部分体现的更为突出。

另外几何光学里面也有与高中物理重复的地方,比如光的直线传
播定律,光的平面反射、折射定律等,在讲解这一类问题是,既可以以复习的形式总结性的给出结论,也可以选择让以学生自学的形式课外进行。

3 波动光学知识点对比及衔接
波动光学是大学物理光学部分的重点及主要内容,甚至在有些教材里只把波动光学的内容给出[7],而没有几何光学,在很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
最后,总结出单色光入射时条纹特点:等间距地分布于中央亮条纹的两侧明暗相间的直条纹,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。

参考文献
[1] 兰智高.“大学物理教学衔接问题”的研究述略[J].枣庄师范专科学报,2002,19(2):31～33.
[2] 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.理工科类大学物理课程教学基本要求(2010年版)[M].北京:高等教育出版社,2011:1、10.
[3] 尹国盛,彭成晓.大学物理(下册)[M].北京:机械工业出版社,2010:168～251.
[4] 张大昌,彭前程,等.普通高中物理共同必修1、2+选修3系列.北京:人民教育出版社,2004.
[5] 张大昌,彭前程,张维善.物理(普通高中课程实验教科书第2版,选修2～3)[M].北京:人民教育出版社,2007.
[6]中华人民共和国教育部.全日制普通高中物理课程标准[M].北
京:人民教育出版社,2004.
[7] 马文蔚,谢希顺,谈漱梅,柯景风.物理学(下册),第四版[M].北京:高等教育出版社,2003.
[8] 赵亚娟,陈浩.大学物理教育如何与中学物理教育跟好的衔接[J].物理通报,2010(11):14～17.
[9] 朱伟玲,吴登平,等.从光学谈大学与中学物理的衔接[J].物理通报,2011(5):6～8.。