仇杰++劉國(guó)珍++臧濤成

【摘要】光程是波動(dòng)光學(xué)的重要基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)之一，是解決光波干涉問(wèn)題的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)。作者從人文視角切入物理學(xué)光程的概念，利用數(shù)學(xué)計(jì)算推導(dǎo)光程的表達(dá)式，逐層解釋了光程的物理涵義。在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)積極實(shí)踐了教學(xué)方法改革，取得了良好的教學(xué)效果。本文探討的教學(xué)方法對(duì)理工科的課程設(shè)計(jì)具有積極的借鑒價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】光程 光的干涉 波動(dòng)光學(xué) 大學(xué)物理 教學(xué)方法

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）12-0097-02

一、前言

波動(dòng)光學(xué)是大學(xué)物理課程的重點(diǎn)章節(jié)，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)之一。如何把艱難晦澀的物理知識(shí)生動(dòng)有趣地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生感受到物理知識(shí)的趣味性，從而激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)物理知識(shí)的熱情，是物理教學(xué)方法探索的重要方向。本文從成語(yǔ)“守株待兔”談“光程”這個(gè)物理概念，是對(duì)以上教學(xué)理念的探索性實(shí)踐。

二、從守株待兔談光波在透明媒質(zhì)中的波長(zhǎng)

守株待兔是耳熟能詳?shù)囊粋€(gè)成語(yǔ)，本意在從農(nóng)夫的行為后果告訴人們不要丟掉本職工作，去干投機(jī)取巧的事情。在物理教學(xué)中，我們借助守株待兔這一成語(yǔ)故事，假定有一片排列不整齊的樹林，討論人在樹林中奔跑，如何避免撞到樹上。在人腳步頻率不變的理想情況下，降低速度，減小步距，改變方向，可以有效避免像兔子一樣撞到樹上。人的步距減小的幅度取決于樹林中樹木疏密程度。從這種發(fā)散性的思維中，我們可以很自然地引入光疏媒質(zhì)和光密媒質(zhì)這兩個(gè)物理概念。透明的媒質(zhì)具有不同的折射率n （n﹥1）。比較而言，折射率大的媒質(zhì)叫做光密媒質(zhì)；折射率小的媒質(zhì)叫做光疏媒質(zhì)，然后利用介電常數(shù)和磁導(dǎo)率介紹媒質(zhì)折射率n的物理內(nèi)涵。已知真空和空氣的折射率n為1，在空氣（真空）中光波的頻率為f，波長(zhǎng)為λ，光波的速度為c。在透明媒質(zhì)中，光波的頻率f不變，波長(zhǎng)變?yōu)棣薾 = λ/n，則波速變?yōu)関 = c/n。光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另外一種媒質(zhì)，由于折射，光的傳播方向會(huì)改變。光波在光密媒質(zhì)中傳播，其速度降低，波長(zhǎng)變小?？梢?，光波在透明媒質(zhì)中傳播，其的行為很像人在樹林中奔跑的特點(diǎn)。從上面的講解中，我們把稀疏樹林和密集的樹林分別對(duì)應(yīng)了光物理中的光疏媒質(zhì)和光密媒質(zhì)；正如人在密集的樹林中奔跑必須降低速度一樣，光在光密媒質(zhì)中速度也會(huì)降低，降低量取決于透明媒質(zhì)的折射率。這種借助人文知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)比較和分析的方法介紹物理學(xué)枯燥而抽象概念的教學(xué)方法，很大程度上解放了學(xué)生的思維，讓同學(xué)感悟到了物理學(xué)中的人文氣息和生活密碼，起到了加深記憶，過(guò)耳不忘的教學(xué)效果。

三、在波動(dòng)方程中借助光的波長(zhǎng)引入光程

兩束滿足干涉條件的光波在折射率分別為n1和n2的兩種透明媒質(zhì)中傳播的幾何距離分別是r1和r2。光的波動(dòng)方程可以有多種表達(dá)式，采用波長(zhǎng)參量，令兩列波的光波動(dòng)方程分別為：

因此在P點(diǎn)，兩列光波是否發(fā)生干涉，取決于相位差，而相位差又取決于參量△。相位差的表達(dá)式相對(duì)復(fù)雜，為了方便計(jì)算光波的干涉方程，我們只需關(guān)注一個(gè)簡(jiǎn)單的物理量△，從而引入了“光程”和“光程差”這兩個(gè)物理概念。

光程等于媒質(zhì)折射率n乘以光傳播的幾何路程r。在媒質(zhì)中，光傳播的時(shí)間t = nr/（ λf ），那么在相等的時(shí)間內(nèi)，光波在真空中可以傳播的距離等于ct = nr，因此引入光程的作用在于把光在不同媒質(zhì)中通過(guò)的幾何路程，轉(zhuǎn)化為在對(duì)等時(shí)間內(nèi)、在真空中傳播的幾何路程。相應(yīng)地，在不同媒質(zhì)中光程的代數(shù)差定義為光程差△。以時(shí)間為紐帶來(lái)傳遞光程的概念和物理意義，比用波數(shù)這個(gè)抽象的物理名詞，更容易讓學(xué)生接受光程這個(gè)概念。為了緩解課堂緊張的氣氛，可以形象告訴學(xué)生，“光程”的作用，相當(dāng)于全國(guó)同一張高考試題，不同地方考生的水平，就可以放在一個(gè)平臺(tái)上比較了。

四、結(jié)語(yǔ)

以人文視角和生活化的事例，介紹枯燥的物理學(xué)概念和知識(shí)，不僅可以活躍課堂氣氛，還會(huì)起到事半功倍的教學(xué)效果，是對(duì)理工科的課程教學(xué)設(shè)計(jì)的有益探索和嘗試。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬文蔚， 周雨青. 物理學(xué)教程 第二版 上冊(cè) [M]. 北京： 高等教育出版社， 2006.

[2] James S. Wakker. Physics 第二版 [M]. New Jersey： Pearson Education， Inc.， 2004.

基金項(xiàng)目：教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目；以提升創(chuàng)新思維能力為核心的理工類地方院校大學(xué)物理和實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革與實(shí)踐（DWJZW201525hd），教育部高等學(xué)校大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)；大學(xué)物理和實(shí)驗(yàn)對(duì)建設(shè)類專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新思維養(yǎng)成的研究和實(shí)踐（2015033），中國(guó)建設(shè)教育協(xié)會(huì)；江蘇省教育廳教學(xué)改革研究立項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目：以提升創(chuàng)新能力為核心的應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的研究與實(shí)施（2015JSJG058）；蘇州科技學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)專業(yè)應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（2013ZYXZ-08）。