可见光范围电磁波实践教学中课程思政探索——以牛顿环实验为例

朱双美，董西广，王 远，毛乾辉，李会序

（1.河南工程学院理学院，河南 郑州 451191；2.河南工程学院计算机学院，河南 郑州 451191）

0 引言

习近平总书记指出：“高校立身之本在于立德树人”。全面推进课程思政建设，是落实立德树人根本任务的重要战略举措，涉及培养社会主义事业建设者和可靠接班人重大问题，影响甚至决定着国家的长治久安[1]。教育部要求各高校紧紧围绕“培养什么人、为谁培养人和怎样培养人”这个重大问题，全面贯彻落实党的教育方针政策，扎实推进“五育并举三全育人”行动计划，坚持在教育教学全过程要融入课程思政内容，努力实现全员育人、全过程育人、全方位育人，多措并举打造一批深度融合的课程思政“样板课”和“金课”，推动各类课程与思想政治理论课同向同行、协同育人，促进高校人才培养质量的不断提升[2]。

在高等学校的课程设置中，物理学课程中的电磁学是强调不以人类意志为转移的客观规律的知识性学科，课程思政则是强调具有一定的价值引领作用的规范性学科。怎样冲破这两类不同学科之间的“壁垒”，将思想政治教育“无痕地”融入物理学课程的电磁学教学，为我们伟大祖国的建设培养有用的栋梁之材，是值得电磁学授课教师认真思考和探究的一个时代命题[3]。一定频率范围的电磁波可以被人眼所看见，称之为可见光，或简称为光，可见光波属于电磁波[4]。在电磁波的整个波段范围内，可见光波只占很窄的一段。光的电磁理论能解释光的传播、干涉、衍射等现象。牛顿环实验是利用分振幅的方法产生的干涉现象，也是典型的等厚干涉。通过该实验，学生可以对光的干涉原理和现象有更形象的认识和应用。学会利用光的干涉法去测量凸透镜的曲率半径、了解读数显微镜的使用方法和逐差法处理数据的方法。从而提高学生观察、思维、动手和创造能力以及独立解决问题的能力。本文以等厚干涉牛顿环实验为例，对可见光范围电磁波实践教学中课程思政进行了探索。

1 课程思政融入牛顿环等厚干涉实验的构思

1.1 物理学史教育帮助学生形成正确的价值观

牛顿曾研究过光，并在17世纪发现了光的色散及反射望远镜。有一次他在研究望远镜的时候，把一个平凸透镜和一个平板玻璃放在了一起，细心的牛顿发现在白光照射时，可以看到彩色圆环，而在单色光照射下，则表现为明暗相间的单色圆环。后来人们称它为牛顿环，也叫牛顿圈。有人用“牛顿环就是上帝在光里扔的石子所引起的涟漪”来形容它的美丽。关于牛顿环的本质，还有一段曲折的故事。17世纪，关于光的本质科学界展开了一场“盟主之争”，牛顿就是这个时期发现并用微粒说来解释了牛顿环。因为牛顿的权威性，“微粒说”在19世纪以前一直占据绝对主导地位。但是到19世纪初，托马斯·杨用光的波动说完美地解释了牛顿环现象。杨氏双缝干涉实验又为建立光的“波动说”夯实了基础。麦克斯韦提出“光是一种电磁波”理论以后，光的波动理论已经变得牢不可破。直到“光电效应”的发现，牛顿以来最伟大的物理学家爱因斯坦提出了光的“量子性”，即“粒子性”。从此，科学界对“光具有波粒二象性”达成了广泛共识，这一事实彻底结束了争论了一个多世纪的理论[5]。

这个故事告诉我们，科学研究不单单需要牛顿这样善于发现的眼睛，还需要托马斯杨等这般对真理永无止境的追寻之心。今天我们是站在巨人的肩膀上来做牛顿环实验的。

1.2 测量曲率半径的原理部分分析激发学生科学思维

可用牛顿环实验测量透镜表面的曲率半径、判断透镜表面及其他光学元件的平整度，测量不同液体折射率等。本实验是用牛顿环实验测量透镜表面的曲率半径，实验装置如图1所示。当单色平行光垂直照射到该装置上，会形成以接触点为中心且内疏外密的明暗相间的圆环形干涉条纹。当一束平行光垂直照射在牛顿环仪上时，空气层上表面有一束反射光线，下表面同样也有一束反射光线。由于平凸透镜曲率半径很大，所以是小角度反射，可以近似认为反射光线的方向是垂直向上的。两束反射光线满足相干光条件，产生干涉。设空气层薄膜厚度为d，而空气的折射率n=1。光程差由两部分组成，一部分光程差为2dn。此外，因为下表面反射光线是入射光由光疏进入光密介质产生的，所以会有半波损失，这就是另外一部分光程差。所以，在与接触点O相距r处，两束反射光的光程差为：

由式（2，3）可以看出d越大k越大，也就是说牛顿环中心的干涉级数是最小的，越靠近外环，干涉级数越大。另外，因为牛顿环上方是平凸透镜，距离中心越远，与底部平板玻璃的间隔增加的速度就越快，即每增加一个波长的光程差，需要的半径增加量就越少，条纹就越细密，所以牛顿环仪上就形成了内疏外密的图像，如图1。

图1 牛顿环实验装置及其干涉图样。

为了测量平凸透镜的曲率半径，研究某一处发生的干涉，设透镜的曲率半径为R，条纹半径为rk，可以画出图中这个直角三角形，由勾股定理可以得到：

将其展开：

由于平凸透镜曲率半径很大，R是远远大于d的，可以省略d的平方得到d的公式：

从图中可以看出牛顿环的明环比暗环宽，且人眼对暗环比较敏感，所以研究暗环。把d代入（2）式就可以得到第k级暗环半径公式：

本阶段通过勾股定理推导平凸透镜曲率半径的公式可以使学生的数学逻辑思维能力得以锻炼，使学生学会用数学的方法研究物理问题，进而使学生更深入的理解所学物理概念。

1.3 优化实验方法激发科学探索精神

了解过原理，要进一步完善实验方法。牛顿环的中心是一块大的暗斑，很难精确的定准圆心。采取用把十字叉丝分别定位在同级暗环左右两侧切线的位置来测量直径，避免确定圆心的困难。需把公式（7）中的半径改为直径。

在实际测量时，由于牛顿环仪中的灰尘和压力引起的附加光程差，第k级暗纹很难精确确定。可以通过算直径平方差来代替直径平方。把公式（8）改为关于两个暗环直径平方差的公式：

公式（9）表示可以通过测量牛顿环外侧的暗纹直径和级数差来间接测算透镜的曲率半径。这才是可以付诸实践的实验方法。

在此过程中，需要科学设定实验流程，教师可以鼓励学生去尝试利用其他的改进方法，鼓励学生深入思考、认真分析，以此来培养学生严谨的科学探索精神。

1.4 实验操作过程培育学生追求真理的科学精神

该课程重点不但是介绍实验原理，更重要的是引导学生将理论知识迁移到实用中来，面对具体问题，具体运用。接下来做实验前的准备工作：第一步开启钠光灯并预热5分钟。第二步，用手调节牛顿环上的三个螺钉，使牛顿环位于其正中心，此时用肉眼可以看到很小的彩色干涉图像。第三步，调节目镜调焦旋钮，使十字叉丝清晰并且横平竖直然后固定目镜。第四步，使读数显微镜的物镜靠近待测牛顿环，转动调焦手轮，改变牛顿环与物镜之间的距离，使牛顿环通过物镜所成的像恰好在叉丝的平面上且可以看到清晰的叉丝与被放大的牛顿环所成的像。第五步，改变牛顿环仪装置的位置，使叉丝位于牛顿环的正中心。做好了前期准备工作，接下来测量牛顿环的直径。转动测微鼓轮，使十字叉丝向左移动，移动到第32暗环左边，然后反方向转动测微鼓轮到牛顿环的左边第30环至21环的外侧相切，记下标尺和手轮读数。继续转动测微鼓轮到右边与第21环至30环的内侧相切并记下读数。这里，一边外切一边内切的测量方法可以有效地避免由于牛顿环暗环宽度带来的测量误差。最后，同等级暗环左右两数相减就得到这一级牛顿环暗环的直径，如图2。

图2 测牛顿外环直径示意图

得到实验数据之后，需要用逐差法对数据进行处理。第一步：算出来相差特定级数的暗环直径平方差之后，再对其求平均值。第二步：把前边得到的数据带入公式（9）就算出了平凸透镜曲率半径的平均值。

但是在实际实验操作过程中，由于学生出现不规范操作，会测出许多不同的错误结果。如果牛顿环装置中的三个螺钉拧得太紧，则会导致平凸透镜发生形变，其曲率半径被强行改变，这样测出平凸透镜曲率半径的平均值离其标准值会相差很多，会造成很大的误差；在测量牛顿环的直径时，目镜的十字叉丝的竖线倾斜造成与被测环的相切方式不合适；测量过程中出现螺杆空转引起的回程差造成测量数据不准确；在数牛顿环的级数个数时多数或者少数造成测量数据不准确等。

在检查学生记录的原始实验数据时，如果数据有误，需通过分析数据偏差的原因启发学生去探索、去修正实验操作过程，而不能简单地要求的他们重做。同时要求学生在实验中不放过任何一个微小的细节，对实验误差一次一次校正，其过程即是追求真理的过程。通过一步一步的实验及纠错引导，在潜移默化中培育了学生追求真理的科学精神。

2 总结

教书与育人是同向同行且如影随行的两件事情，又是一个辩证统一过程。在教学的过程中，走进学生的心灵深处，并潜移默化的影响它们。作为物理学专业电磁学课程教师要牢固树立课程思政意识和育人理念，充分挖掘所教课程中的思政元素，并在教学设计环节巧妙地融入思政元素，在整个课堂教学过程中实现教育与德育同向同行，全力培养出德才兼备的社会主义建设者和接班人。本文以等厚干涉牛顿环实验为例，通过对光的电磁理论实践教学实施“课程思政”，培养学生的科学素质，科学精神，把教书和育人有机融合在一起。