可見光范圍電磁波實踐教學(xué)中課程思政探索
——以牛頓環(huán)實驗為例

朱雙美，董西廣，王 遠(yuǎn)，毛乾輝，李會序

（1.河南工程學(xué)院理學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.河南工程學(xué)院計算機學(xué)院，河南 鄭州 451191）

0 引言

習(xí)近平總書記指出：“高校立身之本在于立德樹人”。全面推進課程思政建設(shè)，是落實立德樹人根本任務(wù)的重要戰(zhàn)略舉措，涉及培養(yǎng)社會主義事業(yè)建設(shè)者和可靠接班人重大問題，影響甚至決定著國家的長治久安[1]。教育部要求各高校緊緊圍繞“培養(yǎng)什么人、為誰培養(yǎng)人和怎樣培養(yǎng)人”這個重大問題，全面貫徹落實黨的教育方針政策，扎實推進“五育并舉三全育人”行動計劃，堅持在教育教學(xué)全過程要融入課程思政內(nèi)容，努力實現(xiàn)全員育人、全過程育人、全方位育人，多措并舉打造一批深度融合的課程思政“樣板課”和“金課”，推動各類課程與思想政治理論課同向同行、協(xié)同育人，促進高校人才培養(yǎng)質(zhì)量的不斷提升[2]。

在高等學(xué)校的課程設(shè)置中，物理學(xué)課程中的電磁學(xué)是強調(diào)不以人類意志為轉(zhuǎn)移的客觀規(guī)律的知識性學(xué)科，課程思政則是強調(diào)具有一定的價值引領(lǐng)作用的規(guī)范性學(xué)科。怎樣沖破這兩類不同學(xué)科之間的“壁壘”，將思想政治教育“無痕地”融入物理學(xué)課程的電磁學(xué)教學(xué)，為我們偉大祖國的建設(shè)培養(yǎng)有用的棟梁之材，是值得電磁學(xué)授課教師認(rèn)真思考和探究的一個時代命題[3]。一定頻率范圍的電磁波可以被人眼所看見，稱之為可見光，或簡稱為光，可見光波屬于電磁波[4]。在電磁波的整個波段范圍內(nèi)，可見光波只占很窄的一段。光的電磁理論能解釋光的傳播、干涉、衍射等現(xiàn)象。牛頓環(huán)實驗是利用分振幅的方法產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象，也是典型的等厚干涉。通過該實驗，學(xué)生可以對光的干涉原理和現(xiàn)象有更形象的認(rèn)識和應(yīng)用。學(xué)會利用光的干涉法去測量凸透鏡的曲率半徑、了解讀數(shù)顯微鏡的使用方法和逐差法處理數(shù)據(jù)的方法。從而提高學(xué)生觀察、思維、動手和創(chuàng)造能力以及獨立解決問題的能力。本文以等厚干涉牛頓環(huán)實驗為例，對可見光范圍電磁波實踐教學(xué)中課程思政進行了探索。

1 課程思政融入牛頓環(huán)等厚干涉實驗的構(gòu)思

1.1 物理學(xué)史教育幫助學(xué)生形成正確的價值觀

牛頓曾研究過光，并在17世紀(jì)發(fā)現(xiàn)了光的色散及反射望遠(yuǎn)鏡。有一次他在研究望遠(yuǎn)鏡的時候，把一個平凸透鏡和一個平板玻璃放在了一起，細(xì)心的牛頓發(fā)現(xiàn)在白光照射時，可以看到彩色圓環(huán)，而在單色光照射下，則表現(xiàn)為明暗相間的單色圓環(huán)。后來人們稱它為牛頓環(huán)，也叫牛頓圈。有人用“牛頓環(huán)就是上帝在光里扔的石子所引起的漣漪”來形容它的美麗。關(guān)于牛頓環(huán)的本質(zhì)，還有一段曲折的故事。17世紀(jì)，關(guān)于光的本質(zhì)科學(xué)界展開了一場“盟主之爭”，牛頓就是這個時期發(fā)現(xiàn)并用微粒說來解釋了牛頓環(huán)。因為牛頓的權(quán)威性，“微粒說”在19世紀(jì)以前一直占據(jù)絕對主導(dǎo)地位。但是到19世紀(jì)初，托馬斯·楊用光的波動說完美地解釋了牛頓環(huán)現(xiàn)象。楊氏雙縫干涉實驗又為建立光的“波動說”夯實了基礎(chǔ)。麥克斯韋提出“光是一種電磁波”理論以后，光的波動理論已經(jīng)變得牢不可破。直到“光電效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)，牛頓以來最偉大的物理學(xué)家愛因斯坦提出了光的“量子性”，即“粒子性”。從此，科學(xué)界對“光具有波粒二象性”達(dá)成了廣泛共識，這一事實徹底結(jié)束了爭論了一個多世紀(jì)的理論[5]。

這個故事告訴我們，科學(xué)研究不單單需要牛頓這樣善于發(fā)現(xiàn)的眼睛，還需要托馬斯楊等這般對真理永無止境的追尋之心。今天我們是站在巨人的肩膀上來做牛頓環(huán)實驗的。

1.2 測量曲率半徑的原理部分分析激發(fā)學(xué)生科學(xué)思維

可用牛頓環(huán)實驗測量透鏡表面的曲率半徑、判斷透鏡表面及其他光學(xué)元件的平整度，測量不同液體折射率等。本實驗是用牛頓環(huán)實驗測量透鏡表面的曲率半徑，實驗裝置如圖1所示。當(dāng)單色平行光垂直照射到該裝置上，會形成以接觸點為中心且內(nèi)疏外密的明暗相間的圓環(huán)形干涉條紋。當(dāng)一束平行光垂直照射在牛頓環(huán)儀上時，空氣層上表面有一束反射光線，下表面同樣也有一束反射光線。由于平凸透鏡曲率半徑很大，所以是小角度反射，可以近似認(rèn)為反射光線的方向是垂直向上的。兩束反射光線滿足相干光條件，產(chǎn)生干涉。設(shè)空氣層薄膜厚度為d，而空氣的折射率n=1。光程差由兩部分組成，一部分光程差為2dn。此外，因為下表面反射光線是入射光由光疏進入光密介質(zhì)產(chǎn)生的，所以會有半波損失，這就是另外一部分光程差。所以，在與接觸點O相距r處，兩束反射光的光程差為：

由式（2，3）可以看出d越大k越大，也就是說牛頓環(huán)中心的干涉級數(shù)是最小的，越靠近外環(huán)，干涉級數(shù)越大。另外，因為牛頓環(huán)上方是平凸透鏡，距離中心越遠(yuǎn)，與底部平板玻璃的間隔增加的速度就越快，即每增加一個波長的光程差，需要的半徑增加量就越少，條紋就越細(xì)密，所以牛頓環(huán)儀上就形成了內(nèi)疏外密的圖像，如圖1。

圖1 牛頓環(huán)實驗裝置及其干涉圖樣。

為了測量平凸透鏡的曲率半徑，研究某一處發(fā)生的干涉，設(shè)透鏡的曲率半徑為R，條紋半徑為rk，可以畫出圖中這個直角三角形，由勾股定理可以得到：

將其展開：

由于平凸透鏡曲率半徑很大，R是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于d的，可以省略d的平方得到d的公式：

從圖中可以看出牛頓環(huán)的明環(huán)比暗環(huán)寬，且人眼對暗環(huán)比較敏感，所以研究暗環(huán)。把d代入（2）式就可以得到第k級暗環(huán)半徑公式：

本階段通過勾股定理推導(dǎo)平凸透鏡曲率半徑的公式可以使學(xué)生的數(shù)學(xué)邏輯思維能力得以鍛煉，使學(xué)生學(xué)會用數(shù)學(xué)的方法研究物理問題，進而使學(xué)生更深入的理解所學(xué)物理概念。

1.3 優(yōu)化實驗方法激發(fā)科學(xué)探索精神

了解過原理，要進一步完善實驗方法。牛頓環(huán)的中心是一塊大的暗斑，很難精確的定準(zhǔn)圓心。采取用把十字叉絲分別定位在同級暗環(huán)左右兩側(cè)切線的位置來測量直徑，避免確定圓心的困難。需把公式（7）中的半徑改為直徑。

在實際測量時，由于牛頓環(huán)儀中的灰塵和壓力引起的附加光程差，第k級暗紋很難精確確定?？梢酝ㄟ^算直徑平方差來代替直徑平方。把公式（8）改為關(guān)于兩個暗環(huán)直徑平方差的公式：

公式（9）表示可以通過測量牛頓環(huán)外側(cè)的暗紋直徑和級數(shù)差來間接測算透鏡的曲率半徑。這才是可以付諸實踐的實驗方法。

在此過程中，需要科學(xué)設(shè)定實驗流程，教師可以鼓勵學(xué)生去嘗試?yán)闷渌母倪M方法，鼓勵學(xué)生深入思考、認(rèn)真分析，以此來培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探索精神。

1.4 實驗操作過程培育學(xué)生追求真理的科學(xué)精神

該課程重點不但是介紹實驗原理，更重要的是引導(dǎo)學(xué)生將理論知識遷移到實用中來，面對具體問題，具體運用。接下來做實驗前的準(zhǔn)備工作：第一步開啟鈉光燈并預(yù)熱5分鐘。第二步，用手調(diào)節(jié)牛頓環(huán)上的三個螺釘，使牛頓環(huán)位于其正中心，此時用肉眼可以看到很小的彩色干涉圖像。第三步，調(diào)節(jié)目鏡調(diào)焦旋鈕，使十字叉絲清晰并且橫平豎直然后固定目鏡。第四步，使讀數(shù)顯微鏡的物鏡靠近待測牛頓環(huán)，轉(zhuǎn)動調(diào)焦手輪，改變牛頓環(huán)與物鏡之間的距離，使牛頓環(huán)通過物鏡所成的像恰好在叉絲的平面上且可以看到清晰的叉絲與被放大的牛頓環(huán)所成的像。第五步，改變牛頓環(huán)儀裝置的位置，使叉絲位于牛頓環(huán)的正中心。做好了前期準(zhǔn)備工作，接下來測量牛頓環(huán)的直徑。轉(zhuǎn)動測微鼓輪，使十字叉絲向左移動，移動到第32暗環(huán)左邊，然后反方向轉(zhuǎn)動測微鼓輪到牛頓環(huán)的左邊第30環(huán)至21環(huán)的外側(cè)相切，記下標(biāo)尺和手輪讀數(shù)。繼續(xù)轉(zhuǎn)動測微鼓輪到右邊與第21環(huán)至30環(huán)的內(nèi)側(cè)相切并記下讀數(shù)。這里，一邊外切一邊內(nèi)切的測量方法可以有效地避免由于牛頓環(huán)暗環(huán)寬度帶來的測量誤差。最后，同等級暗環(huán)左右兩數(shù)相減就得到這一級牛頓環(huán)暗環(huán)的直徑，如圖2。

圖2 測牛頓外環(huán)直徑示意圖

得到實驗數(shù)據(jù)之后，需要用逐差法對數(shù)據(jù)進行處理。第一步：算出來相差特定級數(shù)的暗環(huán)直徑平方差之后，再對其求平均值。第二步：把前邊得到的數(shù)據(jù)帶入公式（9）就算出了平凸透鏡曲率半徑的平均值。

但是在實際實驗操作過程中，由于學(xué)生出現(xiàn)不規(guī)范操作，會測出許多不同的錯誤結(jié)果。如果牛頓環(huán)裝置中的三個螺釘擰得太緊，則會導(dǎo)致平凸透鏡發(fā)生形變，其曲率半徑被強行改變，這樣測出平凸透鏡曲率半徑的平均值離其標(biāo)準(zhǔn)值會相差很多，會造成很大的誤差；在測量牛頓環(huán)的直徑時，目鏡的十字叉絲的豎線傾斜造成與被測環(huán)的相切方式不合適；測量過程中出現(xiàn)螺桿空轉(zhuǎn)引起的回程差造成測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；在數(shù)牛頓環(huán)的級數(shù)個數(shù)時多數(shù)或者少數(shù)造成測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等。

在檢查學(xué)生記錄的原始實驗數(shù)據(jù)時，如果數(shù)據(jù)有誤，需通過分析數(shù)據(jù)偏差的原因啟發(fā)學(xué)生去探索、去修正實驗操作過程，而不能簡單地要求的他們重做。同時要求學(xué)生在實驗中不放過任何一個微小的細(xì)節(jié)，對實驗誤差一次一次校正，其過程即是追求真理的過程。通過一步一步的實驗及糾錯引導(dǎo)，在潛移默化中培育了學(xué)生追求真理的科學(xué)精神。

2 總結(jié)

教書與育人是同向同行且如影隨行的兩件事情，又是一個辯證統(tǒng)一過程。在教學(xué)的過程中，走進學(xué)生的心靈深處，并潛移默化的影響它們。作為物理學(xué)專業(yè)電磁學(xué)課程教師要牢固樹立課程思政意識和育人理念，充分挖掘所教課程中的思政元素，并在教學(xué)設(shè)計環(huán)節(jié)巧妙地融入思政元素，在整個課堂教學(xué)過程中實現(xiàn)教育與德育同向同行，全力培養(yǎng)出德才兼?zhèn)涞纳鐣髁x建設(shè)者和接班人。本文以等厚干涉牛頓環(huán)實驗為例，通過對光的電磁理論實踐教學(xué)實施“課程思政”，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，科學(xué)精神，把教書和育人有機融合在一起。