适度融合学史，巧妙设计实验

石睿

摘 要：以《光的偏振》的教学设计为例，阐述了以物理学史为线索，如何在高中物理教学内容中渗透物理实验，达到教学目标的过程。

关键词：物理学史；光的偏振；偏振片

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）10（S）-0076-5

【教材内容】

本课使用教材为“鲁科版”《物理》选修（3-4）中第五章第3节。

【教学重点和难点】

（1）重点：理解什么是偏振，认识光是横波；

（2）难点：偏振现象的理解与分析。

【教学策略】

（1）挖掘史实，充分发挥物理学史在课堂中的积极作用

本课沿着历史的线索，从光的本性之争说起，到关于光是横波还是纵波的思考，再到马吕斯发现的新现象（光的偏振现象）与光的纵波说的矛盾，最后麦克斯韦电磁波理论的提出，光的横波说得到相对圆满的说明。本课前半部分完整而简要地展现出历史上光的偏振发现和解释的过程。用一个个真实的历史之问，引导学生思考，在历史人物与历史事件的陪伴下，逐渐让学生认识光的偏振现象并理解它与横波之间的联系。

（2）实验设计力求用材简单、现象明显

本课内容考试要求不高，但偏振现象在生活中并不少见。要让学生上完这节课有所收获，则要运用多种教学手段提高学生的内部动机。提高内部动机的策略有：激发兴趣、保持好奇心、使用大量有趣的呈现方式等。其中设计好演示实验与学生实验是物理课堂常用且好用的激发兴趣的方法。本课设计了两个演示实验、三个学生实验。实验力求用材简单且现象明显、对比强烈。

（3）注意在概念教学后创设各种情境

引导学生在解决新的问题中对已学过或刚学过的知识进行迁移，当堂掌握本节课内容，不增加课下负担。

【教学流程图】（图1）

图1 教学流程

【教学过程】

一、实验导入（8min）

演示实验1：反射光偏振

（如图2，教室一侧的窗户用窗帘遮住，留下一块窗户透光。请一个同学站在该窗口，摄像头与其他同学分居玻璃两侧。投影画面中其他同学与该同学的像重合在一起，主要看到这个同学。转动偏振片，该同学的像消失不见！学生们感到意外与神奇。）

图2 演示实验仪器排布图示

师：这个同学的“魅影”消失不见与摄像头前装的灰色“玻璃”有关。

（通过投影机，让学生观察这个灰色“玻璃”是透光的。）

【设计意图：这是本课第一个演示实验，力求有好的演示效果，一炮打响。课前教师通过反复调整玻璃的角度与摄像头位置，把窗户的反射光消除得比较彻底。课堂效果好。】

演示实验2：液晶显示屏偏振

（如图2，讲台上放着一个正常工作的电脑显示屏，朝向学生。把摄像头上的偏振片取下放在液晶屏前，观察现象。为了演示效果更好，再更换一块30cm×30cm的大块偏振片，在液晶屏前转动大块偏振片，学生看到偏振片在全黑与透光间转变，展现明显的偏振现象。）

师：这些神奇的现象背后有什么道理？让我们从18世纪说起。

二、沿着历史线索，认识偏振与光的偏振 （8min）

（进入历史）

回顾光的本性的争论

师：整个18世纪，关于光是什么的争论，一直是牛顿支持的粒子说占上风。直到1801年，托马斯·杨进行了双缝干涉实验，并用惠更斯的波动理论解释了干涉现象并观察到了干涉这一波现象，光的波动说才有所抬头，得到复兴。

光的纵波说

师：光到底是横波，还是纵波？当时波动说的支持者们受到机械波传播需要介质的影响，认为光波的传播也需要介质，既然光能在整个宇宙传播，这种介质也应该充满整个宇宙，称之为“以太”。但是因为观察不到以太对天体运行的影响，人们就把以太设定为是极其稀薄的气状物质。由于气体中只能传播纵波，就像空气中传播的声波是纵波，那么在以太中传播的光，应该也是纵波！他们用纵波论解释了很多光学现象。

纵波说遇到的挑战——马吕斯发现的现象

师：但几年后，波动说受到了一个挑战。

1808年的一个傍晚，法国的工程师马吕斯在自己家里无意中通过一块冰洲石观看玻璃窗所反射的落日的像，转动冰州石时偶然看到了与我们之前看到的反射像变化相类似的现象。

这种新的光学现象怎么用波动说解释呢？光的纵波说在此遇到了极大的困难，马吕斯（图3）本人也是光的微粒说的支持者，他用这个现象攻击光的波动说。

图3 马吕斯

为什么光的纵波说无法解释这个现象？

【设计意图：历史上物理学的发展与现在学生的思考进展是有一定程度相似的。历史上光的偏振现象的发现动摇了波动说。为什么二者之间存在矛盾？用真实的历史之问激发、保持学生的好奇心，使之具有更强的学习动机，并自然过渡到横、纵波的知识回顾，保持教学的流畅性。】

（离开历史）

偏振现象是横波与纵波最大的区别

师：（提问1）什么是横波，什么是纵波？

生：横波——波的振动方向与波传播方向相互垂直的波；纵波——波的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波。

师：（提问2）横、纵波振动方向的不同，会导致什么结果？

假想有一列绳波从左往右传播，如果在波传播方向上有一个关卡——狭缝（如图4）。（提问3）怎么放置才能让绳波顺利传播下去？

图4 PPT截图2

生：狭缝的方向与波振动的方向一致。如果沿其它的方向放置狭缝，绳波就不能继续传播下去。

师：狭缝就像一个门卫，当绳波的振动方向与狭缝方向相同时，波才能够保持原样通过，这个狭缝的方向称为透振方向。而波的这种现象称为偏振现象。

师：（提问4）对于纵波，有没有偏振现象？如果是一列纵波要通过狭缝，会怎么样？

生：不管怎么放置狭缝，纵波都能够通过。

师：所以偏振是横波特有的现象。

【设计意图：由学过的横、纵波知识出发，通过问题串引导学生进行知识迁移，发现横、纵波在偏振现象上的区别。】

偏振现象的本质

师：为什么横、纵波振动方向的不同会导致这种差异？

（给学生思考、讨论时间）

师：归根到底，偏振现象体现了一种不对称性。对于纵波来说，在传播方向确定的情况下，振动方向只有一种，振动方向相对于传播方向对称。而对于横波来说，在波传播方向确定的情况下，振动方向要满足垂直于传播方向，有无数种可能性。但对于一列确定的横波，它的振动方向确定，是在这无数多种方向中挑一种，振动方向相对于传播方向不对称。偏振现象是横波与纵波最明显的区别。

【设计意图：这个问题的答案学生无法轻易得到，但为了学生帮助对偏振现象的深入理解，有必要点出造成偏振现象的逻辑原因。可这个环节并不是本课重点，所以此处点到为止，相信不理解的但对偏振有兴趣的学生会在课后思考。】

认识光的偏振现象

师：光有没有偏振现象？

生：我们刚才看到转动介质片到不同的角度时，透射光强度不同，这就是一种不对称性，是光的偏振现象。

师：如果光是纵波，不论冰洲石怎么转动都不会影响到光的传播，不可能观察到偏振现象。所以马吕斯观察到的偏振现象用光的纵波说是无法解释的！

（进入历史）

马吕斯怎么用粒子说解释光的偏振现象

师：马吕斯是粒子说的支持者，他甚至用粒子说较好的解释了偏振现象：他把光想成是一个个长条形或椭球形指向不同的粒子，当介质转动的时候沿某个特殊指向的粒子才能通过。因此介质转到不同的方向，透过的光不同。

从托马斯·杨的坚持到光的偏振现象的完美解释

师：波动说遇到了很大的障碍。但托马斯·杨面对困难并没有动摇自己的科学信念，他写信给马吕斯说：“您的实验证明了我采用的理论（即干涉理论）有不足之处，但是这些实验并没有证明它是虚伪的。”经过几年的研究，托马斯·杨逐渐领悟到如果用横波的概念来代替纵波，那么就可以用光的波动说对马吕斯的发现做出当时最圆满的解释。但这又与光是在以太中传播的机械波的假设不相容。

【设计意图：现今看来唾手可得的结论在物理学史上也历经波折，不以对错论英雄，尊重每一个科学家的坚持与劳作。】

师：这个矛盾直到几十年以后麦克斯韦与赫兹的工作证明了光是一种电磁波，光的横波说才得以完满的说明。

师：所以，偏振现象是光是横波的表现。我们这节课就来说说光的偏振。

（离开历史）

【设计意图：在课堂上引用史实，有增强趣味性与人文气息等等诸多好处，但并不等于全盘搬进课堂。大部分概念的形成进程在历史上是缓慢的、渐变的、曲折的，如果如实搬进课堂反倒会增加学生的负担。如何说好历史又讲清概念需要教师进行一定的取舍与合理的安排。

因此对于偏振概念的介绍环节，笔者通过提问学生：“为什么说光的纵波说无法解释这个现象呢？让我们回忆回忆横波与纵波。”将这块内容拉离历史，介绍清楚后再通过提问让学生判断马吕斯发现的现象属不属于偏振现象，提示学生迁移刚学习过的知识的同时自然的回归历史，两进两出，试将物理学史合理、适度、自然的融入课堂教学中。】

三、认识偏振片（5min）

光振动与偏振片

师：电磁波中振动的是什么？

生：电场强度和磁感应强度的大小与方向发生周期性变化。

师：其中引起视觉的是电矢量。所以我们把电矢量作为光波中振动矢量的代表。

师：在实验中我们使用的介质片与普通玻璃不同，叫做偏振片。它由特殊的材料制成，每个偏振片都有一个特定的方向，只有沿着这个方向的光振动才能顺利通过偏振片，而与这个方向垂直的光振动都被吸收了，这个方向叫做偏振片的透振方向。偏振片对于光就像是狭缝对于绳波，只不过偏振片上的透振方向直接用眼睛是看不到的。

学生实验1：使用单个偏振片

师：大家取桌上的一个偏振片转一转，能否观察到偏振现象？（一人一片）

生：没有。不管怎么转，看到的亮度都没有什么变化。

师：为什么呢？

【设计意图：同样是转动偏振片，演示实验与学生实验却看到了截然不同的现象，设疑激趣。】

四、自然光与偏振光（12min）

什么是自然光

师：这是因为普通的日光、灯光和液晶屏发出的光不同。

任何普通光源（灯、烛、太阳）都是由大量分子、原子组成的，它们发出的光是这些原子、分子发光的总和。而各个原子的发光过程都是随机的、彼此没有关联的。可能一个原子发出的光在x轴方向振动，而另一个又在y轴方向，各个原子发出的光的振动方向是杂乱无章的。

师：这样的话，宏观来看普通光源发出的光有什么特点？

生：在垂直于传播方向的平面内，沿各个方向的振动都有。

师：很好。并且没有哪个方向比哪个方向更优越，各个方向都是均衡的，各个方向的振动是均匀对称分布的。具有这种特点的光称为自然光。

什么是偏振光

师：现在你们知道为什么转动一个偏振片看不到光强变化的效果了吗？

（分别提问单个学生）

提问1：让自然光通过一个偏振片，会怎么样？

生：只剩下沿着透振方向的振动。

师：这种只包含单一振动方向的光叫做线偏振光。自然界中并不是除了自然光就是线偏振光，其实介于二者之间的还有部分偏振光（各个方向振动都有但振幅不是相同）、圆偏振光、椭圆偏振光等，只是高中阶段对这些不做研究。

提问2：转动偏振片为什么透射光的亮度没有变化？

生：因为虽然偏振片透振方向在转动，但因为自然光在每个方向的振动强度都是一样，所以没有光强的变化。

提问3：以自然光为光源，如果想看到透射光强度变化的现象要怎么办呢？

学生实验2：使用两个偏振片观察自然光的偏振现象

生：使用两个偏振片，一个不动，转动另一个。

师：自然光通过一个偏振片后的透射光，只剩沿透振方向的振动，转动另一个偏振片，当二者透振方向一样时，线偏振光全部通过。当与透振方向垂直时，没有光可以通过，看到的就是漆黑一片，这种现象称为消光。

师：不垂直也不平行时，观察到亮度介于二者之间，为什么？

生：将线偏振光的光振动正交分解，其中平行第二个偏振片透振方向的分量可以通过。

师：在这里第一个偏振片让自然光变成了偏振光，这个过程称为起偏。从功能上，第一个偏振片也称为起偏器，第二个偏振片用于检验光束的偏振状态，叫做检偏器。

【设计意图：这一块是本节课的重点。“什么是自然光”设计为直接讲授，让学生进行机械学习。而后通过教师提问1、2、3，促使学生将刚刚学过的自然光与偏振片的知识进行迁移运用，自然而然完成“什么是偏振光”的教学。此处设计为让单个学生回答，也是通过学生的表述，及时测查学生的理解情况，相应地调整教学，保证学生对偏振光与自然光理解准确到位，从而才能进入下一版块——光的偏振的应用。】

五、光的偏振的应用（10min）

反射光是偏振光

师：第一个演示实验中以自然光为光源，为什么只用一个偏振片转动也有光强变化呢？

师：那是因为当自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时，反射光和折射光都是偏振光。我们把反射的像消除了，其实就是用偏振片把由玻璃反射后的光线挡住，不进入摄像头。入射角不同时，偏振程度也不一样。当入射角等于某一定值，反射光是线偏振光。将摄像头调到那个角度，转动偏振片就可以将反射光完全消除。所以起偏器不一定是偏振片，自然界中有各种起偏器。

光的偏振的应用1——摄影中增强成像效果

（介绍摄影、摄像中用偏振片消除反射光与散射光）（图5）

图5 PPT截图3

光的偏振的应用2——液晶显示屏

师：第二个演示实验中我们转动的也是一个偏振片，这说明电脑液晶屏发出的光也是偏振光。不仅如此，液晶电视及计算器、手表等数字化仪表屏发出的光也是偏振光。为什么呢？

（介绍液晶显示屏原理）（图6）

我们用的这一大片偏振片就是实验员老师从废旧液晶电视屏上面拆下来的。

图6 PPT截图4

光的偏振的应用3——光弹性效应

学生实验3：观察塑料尺的光弹性效应

师：请大家每人手持一个偏振片，透过偏振片观察老师手中的大三角塑料尺，有没有特别之处？

生：没有。

师：（将塑料尺移到电脑屏幕前，即让屏幕发出的偏振光照射到尺子）现在再用偏振片观察？

生：尺子变成彩色的了！（图7）

师：一边观察，一边转一转你们手中的偏振片，有什么现象？

生：电脑屏幕变黑了，尺子还是彩色的！这样看到的实验现象更明显了。

师：这种现象叫做光弹性效应。（简介光弹性效应）

图7 光弹性效应

【设计意图：因为时间比较紧凑，此环节的设计是紧扣课前的两个导入演示实验进行的。“应用1、2”运用这节课刚学过的知识，解释了导入实验，并拓展介绍其它方面的运用。“应用3”中的学生实验取材简单，实验效果却非常好。】

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2003.

[2]姚启钧.光学教程[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]赵凯华，钟锡华.光学（上册）[M].北京：北京大学出版社，1984.

[4]赵凯华，张维善.新概念高中物理读本（第三册）[M].北京：人民教育出版社，2007.

[5]罗伯特·斯莱文，著，姚梅林，等，译.教育心理学·理论与实践[M].北京：人民邮电出版社，2004.

（栏目编辑 邓 磊）

提问2：转动偏振片为什么透射光的亮度没有变化？

生：因为虽然偏振片透振方向在转动，但因为自然光在每个方向的振动强度都是一样，所以没有光强的变化。

提问3：以自然光为光源，如果想看到透射光强度变化的现象要怎么办呢？

学生实验2：使用两个偏振片观察自然光的偏振现象

生：使用两个偏振片，一个不动，转动另一个。

师：自然光通过一个偏振片后的透射光，只剩沿透振方向的振动，转动另一个偏振片，当二者透振方向一样时，线偏振光全部通过。当与透振方向垂直时，没有光可以通过，看到的就是漆黑一片，这种现象称为消光。

师：不垂直也不平行时，观察到亮度介于二者之间，为什么？

生：将线偏振光的光振动正交分解，其中平行第二个偏振片透振方向的分量可以通过。

师：在这里第一个偏振片让自然光变成了偏振光，这个过程称为起偏。从功能上，第一个偏振片也称为起偏器，第二个偏振片用于检验光束的偏振状态，叫做检偏器。

【设计意图：这一块是本节课的重点。“什么是自然光”设计为直接讲授，让学生进行机械学习。而后通过教师提问1、2、3，促使学生将刚刚学过的自然光与偏振片的知识进行迁移运用，自然而然完成“什么是偏振光”的教学。此处设计为让单个学生回答，也是通过学生的表述，及时测查学生的理解情况，相应地调整教学，保证学生对偏振光与自然光理解准确到位，从而才能进入下一版块——光的偏振的应用。】

五、光的偏振的应用（10min）

反射光是偏振光

师：第一个演示实验中以自然光为光源，为什么只用一个偏振片转动也有光强变化呢？

师：那是因为当自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时，反射光和折射光都是偏振光。我们把反射的像消除了，其实就是用偏振片把由玻璃反射后的光线挡住，不进入摄像头。入射角不同时，偏振程度也不一样。当入射角等于某一定值，反射光是线偏振光。将摄像头调到那个角度，转动偏振片就可以将反射光完全消除。所以起偏器不一定是偏振片，自然界中有各种起偏器。

光的偏振的应用1——摄影中增强成像效果

（介绍摄影、摄像中用偏振片消除反射光与散射光）（图5）

图5 PPT截图3

光的偏振的应用2——液晶显示屏

师：第二个演示实验中我们转动的也是一个偏振片，这说明电脑液晶屏发出的光也是偏振光。不仅如此，液晶电视及计算器、手表等数字化仪表屏发出的光也是偏振光。为什么呢？

（介绍液晶显示屏原理）（图6）

我们用的这一大片偏振片就是实验员老师从废旧液晶电视屏上面拆下来的。

图6 PPT截图4

光的偏振的应用3——光弹性效应

学生实验3：观察塑料尺的光弹性效应

师：请大家每人手持一个偏振片，透过偏振片观察老师手中的大三角塑料尺，有没有特别之处？

生：没有。

师：（将塑料尺移到电脑屏幕前，即让屏幕发出的偏振光照射到尺子）现在再用偏振片观察？

生：尺子变成彩色的了！（图7）

师：一边观察，一边转一转你们手中的偏振片，有什么现象？

生：电脑屏幕变黑了，尺子还是彩色的！这样看到的实验现象更明显了。

师：这种现象叫做光弹性效应。（简介光弹性效应）

图7 光弹性效应

【设计意图：因为时间比较紧凑，此环节的设计是紧扣课前的两个导入演示实验进行的。“应用1、2”运用这节课刚学过的知识，解释了导入实验，并拓展介绍其它方面的运用。“应用3”中的学生实验取材简单，实验效果却非常好。】

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2003.

[2]姚启钧.光学教程[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]赵凯华，钟锡华.光学（上册）[M].北京：北京大学出版社，1984.

[4]赵凯华，张维善.新概念高中物理读本（第三册）[M].北京：人民教育出版社，2007.

[5]罗伯特·斯莱文，著，姚梅林，等，译.教育心理学·理论与实践[M].北京：人民邮电出版社，2004.

（栏目编辑 邓 磊）

提问2：转动偏振片为什么透射光的亮度没有变化？

生：因为虽然偏振片透振方向在转动，但因为自然光在每个方向的振动强度都是一样，所以没有光强的变化。

提问3：以自然光为光源，如果想看到透射光强度变化的现象要怎么办呢？

学生实验2：使用两个偏振片观察自然光的偏振现象

生：使用两个偏振片，一个不动，转动另一个。

师：自然光通过一个偏振片后的透射光，只剩沿透振方向的振动，转动另一个偏振片，当二者透振方向一样时，线偏振光全部通过。当与透振方向垂直时，没有光可以通过，看到的就是漆黑一片，这种现象称为消光。

师：不垂直也不平行时，观察到亮度介于二者之间，为什么？

生：将线偏振光的光振动正交分解，其中平行第二个偏振片透振方向的分量可以通过。

师：在这里第一个偏振片让自然光变成了偏振光，这个过程称为起偏。从功能上，第一个偏振片也称为起偏器，第二个偏振片用于检验光束的偏振状态，叫做检偏器。

【设计意图：这一块是本节课的重点。“什么是自然光”设计为直接讲授，让学生进行机械学习。而后通过教师提问1、2、3，促使学生将刚刚学过的自然光与偏振片的知识进行迁移运用，自然而然完成“什么是偏振光”的教学。此处设计为让单个学生回答，也是通过学生的表述，及时测查学生的理解情况，相应地调整教学，保证学生对偏振光与自然光理解准确到位，从而才能进入下一版块——光的偏振的应用。】

五、光的偏振的应用（10min）

反射光是偏振光

师：第一个演示实验中以自然光为光源，为什么只用一个偏振片转动也有光强变化呢？

师：那是因为当自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时，反射光和折射光都是偏振光。我们把反射的像消除了，其实就是用偏振片把由玻璃反射后的光线挡住，不进入摄像头。入射角不同时，偏振程度也不一样。当入射角等于某一定值，反射光是线偏振光。将摄像头调到那个角度，转动偏振片就可以将反射光完全消除。所以起偏器不一定是偏振片，自然界中有各种起偏器。

光的偏振的应用1——摄影中增强成像效果

（介绍摄影、摄像中用偏振片消除反射光与散射光）（图5）

图5 PPT截图3

光的偏振的应用2——液晶显示屏

师：第二个演示实验中我们转动的也是一个偏振片，这说明电脑液晶屏发出的光也是偏振光。不仅如此，液晶电视及计算器、手表等数字化仪表屏发出的光也是偏振光。为什么呢？

（介绍液晶显示屏原理）（图6）

我们用的这一大片偏振片就是实验员老师从废旧液晶电视屏上面拆下来的。

图6 PPT截图4

光的偏振的应用3——光弹性效应

学生实验3：观察塑料尺的光弹性效应

师：请大家每人手持一个偏振片，透过偏振片观察老师手中的大三角塑料尺，有没有特别之处？

生：没有。

师：（将塑料尺移到电脑屏幕前，即让屏幕发出的偏振光照射到尺子）现在再用偏振片观察？

生：尺子变成彩色的了！（图7）

师：一边观察，一边转一转你们手中的偏振片，有什么现象？

生：电脑屏幕变黑了，尺子还是彩色的！这样看到的实验现象更明显了。

师：这种现象叫做光弹性效应。（简介光弹性效应）

图7 光弹性效应

【设计意图：因为时间比较紧凑，此环节的设计是紧扣课前的两个导入演示实验进行的。“应用1、2”运用这节课刚学过的知识，解释了导入实验，并拓展介绍其它方面的运用。“应用3”中的学生实验取材简单，实验效果却非常好。】

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2003.

[2]姚启钧.光学教程[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]赵凯华，钟锡华.光学（上册）[M].北京：北京大学出版社，1984.

[4]赵凯华，张维善.新概念高中物理读本（第三册）[M].北京：人民教育出版社，2007.

[5]罗伯特·斯莱文，著，姚梅林，等，译.教育心理学·理论与实践[M].北京：人民邮电出版社，2004.

（栏目编辑 邓 磊）