徐 迅

（南通大学杏林学院，江苏 南通，226000）

引言

近年来，教育部积极引导地方高校向应用型技术型本科院校转型。大学物理是理工科专业的一门基础课。大学物理课程应符合相应高等工程教育的办学定位和人才培养目标，着重培养学生的理论素养和工程实践能力。将物理理论与工程实践相结合，是大学物理教学改革的重要内容。很多学者在教学、教材创新方面进行积极的尝试并取得了一定的成果。[1-8]

笔者参与编写的教材《大学基础物理学》[9]，根据工程技术人才培养的目标和要求，对大学物理学的内容进行了重新编排，突破了传统教材的框架和内容体系，力求为后续课程打好基础，以期适应工程技术人才培养的特点。该教材着力解决以往教材中应用性缺失、与工程实践脱节等问题，注重拓展基础理论的复合应用。

笔者在学院承担大学物理教学，认为目前的教材，虽按专业需求调整了教学侧重点，但物理理论与工程实践的结合仍不够深入，缺乏工程实例支撑，迫切需要在课程中引入具体情境，用工程实例来讲述物理理论。然而，工程实例大多较为复杂，涉及跨章节跨学科理论知识的综合运用，直接引入课程对学生而言难度过大，反而适得其反。因此，深入研究工程中的物理理论，提炼与课程知识点相关联的模型，帮助学生更深刻地理解理论并了解其工程应用，具有很强的现实意义。

本文以光学为例，开展与工程相结合的实例设计，为大学物理与工程相结合的教学改革提供思路。

一、“几何光学”结合光纤传光原理

光纤即光导纤维，作为光传导工具，光纤传输具有频带宽、损耗低、重量轻、抗干扰能力强等优点，广泛应用于通信、医疗、传感器等领域。

光纤由两层折射率不同的石英玻璃组成。内层为纤芯，围绕纤芯的外层为包层。纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2。空气折射率记为n0，则光纤的传光原理如图1所示。

图1 光纤的传光原理

光从纤芯入射包层时，入射角θ1与折射角φ2满足折射定律

根据全反射原理，当θ1大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面，全部反射。此时θ1应满足

从空气中入射光纤端面的光与光轴的夹角θ0与折射角φ1满足折射定律

要使光线不射出纤芯，θ0应满足

取临界值

光纤技术将信息通过光纤纤芯中的光信号传递，具有传输速度快、带宽大、信号不易受到干扰等特点。

在通信领域，被应用于长距离电话、互联网传输、有线电视、移动通信等，极大地提高了通信行业的整体水平。

在医疗领域，被应用于内窥镜、光学显微镜、激光手术等，能够传输高清晰度的图像和视频信号，并支持激光光束的精确控制。

在工业领域，被应用于传输工业自动化和控制系统中的信号，相比于传统的电缆传输，光纤传输具有更好的抗干扰能力和安全性。

将光纤传光原理融入教学，可帮助学生更深刻地理解光的折射、反射、全反射等理论，同时了解几何光学在工程中的应用。

二、“光程、光程差”结合光纤陀螺仪

光纤陀螺仪即光纤角速度传感器，具有无机械活动部件、无预热时间、动态范围宽、体积小等优点，具有广阔的发展前途和应用前景。其原理结构如图2所示。

图2 光纤陀螺仪原理结构

光源发出的光由分束器分为两束，分别进入光纤线圈的两端。沿相反方向传输，再由分光器组合送至光电检测器。其工作原理是Sagnac效应，如图3所示。

图3 圆形光路轨道Sagnac 效应

光源发出的光在A点分为两束，一束沿逆时针传播，记为a，一束沿顺时针传播，记为b。当系统角速度为0 时，两束光经相同的光程回到A点。设光轨道由N匝光纤构成，半径为R，则两束光的光程为

当干涉仪相对惯性空间以角速度Ω旋转时，经一段时间后，分束点从点A移动到了点A'。

根据相对论洛伦兹速度变换式，光在运动介质中传播速度为

式中，c为光速，n为介质的折射率，u为介质运动的速度。

经泰勒级数展开，略去高次项，可得

光束a绕行一周的时间为

光束b绕行一周的时间为

时间差

考虑到c2≫R2Ω2

相位差

式中，l= 2πNR，为光纤总长度

光程差

可见，相反方向传播的两束光的相位差或光程差与其旋转速度成线性关系。

光纤陀螺仪由于其在角速度及加速度测量方面的优越性以及在动态范围、灵敏度、可靠性等方面的显著优势，在现代航空航天、国防工业及民用领域都具有广泛的应用。[10]

在航空航天领域，光纤陀螺仪可以为飞行器提供三维角速度、位置、攻角和侧滑角数据，实现火箭发射的跟踪和测量，还可用于航天器增稳、测绘、导航和飞行控制等。当卫星导航在强电子干扰而无法获得准确信息时，光纤陀螺仪可以用来保证飞行器自主导航、精确制导和准确命中目标。

在民用领域，可用于地面车辆的自动导航，农用飞机的姿态控制、播种和喷洒农药，以及大地测量、矿产勘探、地震监测等。

将光纤陀螺仪融入教学，可帮助学生更深刻地理解光程、光程差、相位差等概念，并了解其在工程中的应用以及光和相对论的联系。

三、“光的偏振”结合法拉第效应（磁致旋光效应）

磁致旋光效应是指在磁场作用下，物质对光的偏振状态发生旋转的现象，也称为法拉第效应。磁光效应传感器就是利用光的偏振状态来实现传感器的功能。当一束偏振光通过介质时，在光束传播方向施加一个外磁场，偏振面将旋转一个角度，可以通过该旋转角度来测量外加的磁场。基于法拉第效应的检测器原理如图4所示。

图4 基于法拉第效应的检测器

对于具有法拉第磁致旋光作用的光学器件，设沿其光轴方向磁感应强度为B，则沿光轴方向传播的线偏振光振动面旋转角为

式中，V为费尔德常数，L为线偏振光在磁光材料中的光程。

设经磁致旋光效应后的光偏振方向与检偏器的透射轴成θ角,光强为I0，根据马吕斯定律,检偏器透射的光强度为

为使探测器的输出成为磁场的线性函数,使检偏器与起偏器夹角为45°,有

由诱导公式可得

施加磁场后，探测器光强变化量为

由于Δθ很小，sin 2Δθ≈2Δθ，光强变化量

可见，探测器输出光强变化量与磁感应强度成线性关系。

法拉第效应在各种磁光器件中有广泛的应用，如磁光调制器、磁光隔离器、磁光传感器、磁光盘等。

磁光调制器利用偏振光通过磁光介质发生偏振面旋转来调制光束, 可用作红外检测器的斩波器,红外辐射高温计、高灵敏度偏振计等。

利用法拉第效应制作旋光器，当入射光进入旋光器时，偏振面发生旋转，可有效避免有害反射光造成光学损伤或系统不稳定。若在旋光器前后放置偏振光学元件来调控偏振态，使得反射光无法通过，可用作光隔离器，用于防止光源或光学系统受到背向反射噪声的干扰。

利用法拉第效应制作的光纤电流传感器，与传统的高压大电流测量相比，具有很好的抗干扰能力、较高的测量精度、容易小型化、没有潜在的爆炸危险等一系列优越性。

将法拉第效应融入教学，可以帮助学生更深刻地理解光的偏振理论、马吕斯定律以及光和电磁现象之间的联系。

四、“光的双折射”结合普克尔效应（线性电光效应）

电光效应是指在外加电场的作用下介质的光学性质发生变化。沿某一方向传播的线偏振光经过施加了电场的电光晶体时发生双折射，出射的两光束产生相位差，利用干涉的方法进行测量进而可以得到电场信息。基于电光效应原理制成的传感器具有灵敏度高、体积微小、带宽大等优点，且不会对被测电场产生干扰。

若介质折射率的变化与所加电场强度呈线性关系，称为线性电光效应，或普克尔效应。此时介质折射率的变化记为

其中，E为外加电场强度，k1为线性电光系数。

基于普克尔效应的电场测量原理如图5 所示。电光晶体沿光束传播方向的长度为l，沿光轴方向的高度为d。

图5 基于普克尔效应的电场测量原理

光源发出的光经起偏器转变为线偏振光，线偏振光与光轴成45°角入射到1/4 波片上成为圆偏振光，o光和e光相位差为π 2。

晶体未施加电场时，通过检偏器干涉后射出的光振幅为

式中，AoN和AeN分别是入射检偏器的o光和e光的光振幅，且圆偏振光AoN=AeN。

晶体施加电压为U的电场后，由于电光效应，介质折射率的变化产生的相位差为

式中，L为光束在晶体中的光程，d为电压施加方向上晶体的高度。

o光和e光的总相位差为π 2 + Δφ。通过检偏器干涉后射出的光振幅为

由于Δφ较小，sin Δφ≈Δφ，且光强正比于电场振幅的平方。设未施加电场时，探测器的光强为I0，则晶体施加电压后，探测器的光强为

光强变化为

可见，光强变化与外加电场呈线性关系。

普克尔效应在光电子学领域有着广泛的应用。在光通信中，普克尔效应被用于实现光的调制。通过改变外加电场的强度，可以改变光的传播速度，从而实现光的频率或相位的调制。此外，普克尔效应还被用于光学信息处理和光学测量等领域。利用普克尔效应，可以实现光的偏振态的调控，从而实现光的信息编码和解码。

将普克尔效应融入教学，可帮助学生更深刻地理解光的双折射、干涉理论以及光和电之间的联系。

五、结语

大学物理课程与工程相结合，是大学物理教学改革，培养工程技术人才的重要内容。然而，实际工程较为复杂，大多涉及跨章节跨学科理论知识的综合运用，直接引入课程对学生而言难度过大，反而适得其反。本文以光学为例，深入研究工程实践中的物理理论，从中提炼与课程知识点相关联的实例，设计了光纤传光原理、光纤陀螺仪、磁致旋光效应、线性电光效应等教学实例，帮助学生更深刻地理解光学理论并了解其工程实用性，为大学物理教学改革提供思路。