基于MATLAB 和 Esp32的中学物理实验创新设计

收稿日期：2023-10-19

基金项目：2022年云南师范大学优势本科专业核心课程建设项目“中学物理学科教学设计”（ 2022zyhxkc05）。

作者简介：刘冰（1997-），男，硕士研究生，主要从事中学物理实验创新研究。

*通信作者：李红梅（1972-），女，副教授，硕士研究生导师，主要从事中学物理教学、实验创新研究。

摘  要：光的偏振是一个相对抽象的概念，实际教学中学生很难直接观察到光的偏振现象，由此也造成了学生难以理解光的偏振概念、特点以及光的横波特性。传统教学中，由于实验器材的限制，教师常常采用讲解配合图片演示的方式教学，这对于抽象思维能力较弱的学生来说是一个挑战。因此，利用现代信息技术，通过ＭＡＴＬＡＢ仿真光的波动性传播动态效果，呈现光路的波动性传播过程，结合Ｅｓｐ３２和光强传感器进一步辅助学生探究透过两张偏振片的光强大小与偏振片透振方向夹角的关系，帮助学生理解偏振光的产生机制及其特点。

关键词：光的偏振；Ｅｓｐ３２；ＭＡＴＬＡＢ

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）3-0058-4

光的偏振是光学中的一个重要概念，它涉及到光的波动性质和矢量特征。在中学物理教学中，光的偏振是光学部分的深入和拓展，通常是在学习了光的干涉、衍射等基本概念之后进行的教学内容。《普通高中物理课程标准（２０１７年版２０２０年修订）》中对该部分的要求为观察光的偏振现象，了解其产生条件，知道其在生活中的应用，知道光是横波［１］。通过学习光的偏振，学生可以更深入地理解光的特性，在实验中认识偏振现象的本质，理解光是一种横波。

在中学物理教学中，光的偏振是一个比较抽象的概念，需要学生具备一定的物理知识和抽象思维能力。由于缺少具体的教具和实验设备，实际教学难度较大，教师难以直观展示光的偏振现象。一方面，偏振是光的波动性的一种表现，偏振的概念涉及到光的波动性和对称性等抽象概念，没有直观的实验设备或教具，对于一些学生来说，这些概念可能难以理解。另一方面，如果缺乏实际的实验设备或教具，教学可能会变得单调乏味，难以激发学生的学习兴趣和积极性。而将现代信息技术与物理教学相结合，则可以有效解决现在所面对的困境。本文利用ＭＡＴＬＡＢ模拟光的波动性传播过程，可视化展示光的波动性传播过程，帮助学生理解光的横波特性，结合传感器进一步辅助学生探究光强与两偏振片的偏振方向夹角之间的关系。信息技术与物理实验的整合可以对传统的物理实验过程进行优化以提高教学效率［２］。

１    基于ＭＡＴＬＡＢ辅助呈现光波振动动态图像

１．１    教学分析

在传统的教学中，往往利用细线振动穿过狭缝的传播过程来类比机械波的横波和纵波的传播过程，其中教科书中给出了模拟实验的图片，图 １中的甲、乙分别代表机械波的振动方向与狭缝平行放置和垂直放置的两种情况。同时，图中呈现了纵波振动后穿过狭缝的情况。紧接着，进一步通过观察教科书中图片展示的光的偏振现象说明光是一种横波。这种呈现方式帮助学生运用类比的思维理解光的横波特性。但在这一过程中也存在着几个问题。一方面，受实验器材的限制，未能展示出点光源（如太阳、白炽灯等）的振动传播现象及过程。另一方面，书中给出的案例绘制的是静态图片，而光波的传播是一个动态变化的过程，运用静态的图片难以呈现出光作为横波动态传播的过程。

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图 １  教科书中横、纵波模拟实验图［１］

１．２    实验操作

１．２．１    演示点光源光波振动过程

ＭＡＴＬＡＢ软件的引入可以有效帮助我们解决上述提到的两个问题。对于点光源的光波传播过程，首先，利用 ＭＡＴＬＡＢ 设置参数，绘制出空间范围为１５、空间离散点数为１００的三维空间，选取合适的时间范围和离散点数。接下来，生成 Ｘ、Ｙ 构成空间网格点，利用波函数公式Ｚ ＝

ｓｉｎ（ｓｑｒｔ（Ｘ．＾２ ＋ Ｙ．＾２） － ｔ（ｉ））计算出每个时间点的波函数。最后，利用波函数公式计算得到的数据就能够绘制出我们需要的点光源振动传播的三维图像了。在设置的过程中，师生也可以自定义设置坐标轴的范围及图像更新时间，按照个性化的需求设计所需的光波振动图像。最终，利用 ＭＡＴＬＡＢ绘制出的仿真效果如图２所示，图中呈现了在一个三维空间中点光源光波振动传播的动态过程，图２中左侧和右侧分别为两个不同视角下的点光源光波振动传播的仿真实验效果图。

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图 ２  ＭＡＴＬＡＢ模拟点光源振动传播图像

利用 ＭＡＴＬＡＢ得到的实验效果图可以动态地为学生展示出点光源的光波传播过程，学生能够通过图像清晰地观察到点光源在传播过程中光的横波振动特点。同时，师生可以拖动鼠标控制动态图像的角度，模拟实验的整个过程，帮助学生从不同视角观察点光源的光波传播过程。为了便于学生观察，这里波峰和波谷可以选择用不同颜色来呈现。学生在观看模拟实验的同时能够个性化调节参数，探究不同参数和视角下的实验现象。

１．２．２    演示一束光线的光波振动过程

对于一束光线在传播路径中的光波振动过程，可以利用类似的方式通过 ＭＡＴＬＡＢ进行模拟演示。首先，需要设置光的波长、波数、平面尺寸和网格点数等参数。然后，创建一个平面网格，其高度初始值为０。接下来，创建一个图形窗口，并用ｓｕｒｆ函数绘制初始的三维曲面。在循环中，我们不断更新曲面的高度值，并通过ｓｅｔ函数更新曲面数据。最后，使用ｐａｕｓｅ函数控制刷新速度，实现动态效果。同时，也可以根据需要调整参数和控制刷新速度的时间间隔，以获得满足要求的动态光线波动性传播过程的图像。最终，利用 ＭＡＴＬＡＢ绘制出的效果如图３所示，图中呈现了一束光线在三维空间中的光波振动传播动态过程，深色与浅色分别用来区分呈现波峰与波谷，图３中左侧和右侧分别为一束光线在两个不同视角下光波振动传播的仿真实验效果图。

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图 ３  ＭＡＴＬＡＢ 绘制一束光线的光波振动图像

与模拟点光源的光波传播过程实验类似，我们仍然可以通过 ＭＡＴＬＡＢ 观察动态的光波传播过程，利用不同颜色呈现波峰与波谷的变化曲线。师生可以自由设置光的波长、波数、平面尺寸和网格点数等参数，以观察不同参数下的光波振动图像。

１．３    结果分析

利用 ＭＡＴＬＡＢ可视化物理实验可以将抽象的物理概念通过动态图像的形式呈现，使学生更加直观地理解物理原理。这种视觉化的呈现方式能够激发学生的学习兴趣，提高学习主动性。可视化物理实验不受实验设备和条件的限制，可以模拟各种实验场景和情况，这对于一些实验条件受限或时间有限的情况，能够为学生提供更多的实验机会。总的来说，基于ＭＡＴＬＡＢ的可视化物理实验为学生提供了更加直观、生动、灵活的学习方式，帮助他们更好地理解和应用物理知识，提高实验技能和创新能力。

２    利用Ｅｓｐ３２辅助探究光的偏振特性

２．１    教学分析

教科书中在呈现光的偏振特性时，利用图4中的方式展现了当透过偏振片 Ｐ 的偏振光照射到偏振片 Ｑ时，如果两个偏振片的透振方向平行，那么通过 Ｐ、Ｑ 偏振片的振动方向一致，则可以透过 Ｑ；如果两个偏振片的透振方向垂直，那么通过 Ｐ、Ｑ 偏振片的振动方向不一致，则不可以透过 Ｑ。在传统的教学中，讲解这一特性时受到实验器材的限制，教师大多采用图片讲解的方式帮助学生理解。学生难以通过实验探究获得物理规律。这种教学方式难以发挥学生的主体地位，同时也不利于对学生科学思维和科学探究能力的培养。

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图 ４  教科书中光的偏振现象实验图［１］

２．２    教具制作

２．２．１    实验器材

发光均匀的显示屏光源一个，OLED电子显示屏一块，偏振片一张（３０ ｃｍ×３０ ｃｍ），Ｅｓｐ３２主板一块，光强传感器一个，面包板一块，纸盒一个，固定夹子若干，杜邦线若干。

２．２．２    实验设计简图

该装置主要由两部分组成，其中一部分是自制检偏器，另一部分是光强传感器。自制检偏器主要由偏振片（单侧有胶）和亚克力板组成，准备一个圆形的亚克力板（半径３５ ｃｍ）备用。准备一张偏振片（３０ ｃｍ×３０ ｃｍ），将偏振片沿着其中垂线，分为两张大小一样的长方形偏振片。裁剪成角度为 １０°的小扇形备用（共 ３６ 张），将３６张角度为１０°的偏振片拼凑成一个圆形，并将其贴在圆形的亚克力板上固定。同时，利用电脑CAD画图软件制作出圆环形状并标有角度的图像，打印好后用双面胶将其固定在亚克力板上，其效果如图５所示。

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图 ５  自制检偏器模拟图

光强传感器的型号为ＢＨ１７０５，该型号的传感器感应范围较小，测量结果更为灵敏，同时价格低廉，能够进一步降低教具制作的成本。搭配传感器使用的还有Ｅｓｐ３２主板、OLED显示屏、杜邦线（若干）和面包板。首先，需要将OLED显示屏幕和光强传感器ＢＨ１７０５一起固定在Ｅｓｐ３２主板上。用杜邦线将上述所有元器件固定在面包板上，最终连线如图６所示。

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图 ６  Ｅｓｐ３２ 与光强传感器接线图

为了教具整体的美观性，最后需要将Ｅｓｐ３２主板和面包板一起封装进纸盒内部，将OLED显示屏幕固定在纸盒外部，同时将光强传感器通过杜邦线延长其接线，留出足够的长度便于测量自制检偏器上不同位置的光强大小。组装后的效果如图 ７所示。

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图 ７  光强传感器封装效果图

为了便于使用该装置，将自制检偏器用燕尾夹固定在竖直方向上，同时将封装好的传感器组件与自制检偏器结合在一起，就可以进行实验测量了，最终组装后的自制教具实际效果如图 ８所示。

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图 ８  自制教具效果图

２．３    实验过程

将自制的检偏器放置在一块发光均匀的显示器前。显示器中通常会使用偏振片来调节光的传播方向，以实现图像的显示效果。偏振片可以过滤掉不符合特定方向的光线，使得只有符合特定方向的光线才能通过，从而调节显示器的亮度和对比度。图９为显示器中偏振片的工作过程，图１０为实际的实验过程图。

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图 ９  显示器偏振片工作过程图

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图 １０  自制教具实验过程图

实验过程中，我们利用自制检偏器的角度标注和光强传感器来采集光线穿过显示器的偏振片和自制检偏器的偏振片上不同透振方向的夹角对应的光强大小，利用Ｅｘｃｅｌ 软件进行数据拟合，得到对应的图像，图 １１为利用 Ｅｘｃｅｌ 将实验数据线性拟合得到的数据图像。

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图 １１  实验数据线性拟合图

２．４    结果分析

利用 Ｅｓｐ３２ 和传感器制作光强传感的过程简单，成本低廉，易于普及的同时，也可以引导学生自己制作出其他满足个性化需求的教具。该装置可以将现代信息技术融入物理教学中，帮助学生定量探究透过两张偏振片后，影响其光强大小的因素。学生在实验过程中可以任意采集两偏振片的透振方向在 ０～９０°之间的光强数据，探求其中的物理规律。引导学生归纳总结出随着两偏振片透振方向夹角的增大，光强在逐渐减弱，且光强随透振方向夹角增大而减弱的整个过程并不是呈线性的变化趋势。

３    结  论

ＭＡＴＬＡＢ和Ｅｓｐ３２融入到高中物理教学中可以使高中物理实验更具趣味性和实用性，激发学生学习兴趣的同时提高教学效率。在ＭＡＴＬＡＢ的帮助下学生能够进行模拟实验，自主设计模拟实验的参数和效果，培养学生的思维和能力。同时，在信息技术工具的帮助下，学生能够更深入地进行实验探究，通过观察和分析实验现象，学生可以发现物理规律，解决实际问题。学生利用传感器可以实时采集和记录物理实验数据，培养动手能力。信息技术的加入可以提高教学效率，帮助教师更好地组织和展示教学内容。学生通过使用这些工具可以更加直观地理解和掌握物理概念和原理，传感器进入物理实验中也能对学生创造性思维能力的培养有一定的帮助作用［３］。

参考文献：

［１］教育部基础教育课程教材专家工作委员会．普通高中物理课程标准（２０１７年版２０２０年修订）解读［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２０２０.

［２］陆军．运用信息技术优化高中物理实验的探索［Ｊ］．物理教学，２０１３，３５（２）：３０－３２，４７．

［３］梁兴祥．传感器在高中物理实验中的应用［Ｊ］．物理教学，２０２２，４４（４）：２７－２８，２６．

（栏目编辑    刘   荣）