“定量探究双缝干涉实验”教学设计

陈维绸

摘 要：J2515双缝干涉实验仪能让学生观察到精美的双缝干涉图样，但全套装备可调可动有30多处，学生一般都难以在短时间内调出实验现象，若换用激光笔作光源，安装、调节方便，直接照射双缝就能产生较明显的干涉图样，便于学生操作、采集数据。实验成本较低而相干性较好。在此基础上，让学生利用J2515 实验仪进行分组探究实验，大大提高学生的等高共轴调节技巧，成功定量探究双缝干涉图样相邻亮纹或暗纹的间距与双缝到光屏距离、双缝距离、单色光波长三者的关系，激发学生学习光学的兴趣。

关键词：干涉图样；激光笔；双缝；光屏；等高共轴；定量探究

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）1-0068-3

1 教材与学情分析

1.1 本节的地位和作用

本节课内容选自鲁科版高中《物理》选修3-4。光的干涉现象是证明光具有波动性的重要依据，J2515双缝干涉实验仪能让学生观察到精美的双缝干涉图样，提高学生的等高共轴调节技巧。

1.2 学情分析

J2515双缝干涉实验仪的全套装备可调可动有30多处，学生一般都难以在较短时间内调出实验现象，更别说测量实验数据，再得出实验结论。

本节课旨在创造条件，让学生先观察双缝干涉图样，再简化干涉实验装置，探究关系式：

2 实验教学目标

2.1 知识与技能

（1）观察双缝干涉图样的特征；

（2）定量探究双缝干涉图样相邻亮纹或暗纹的间距Δx与双缝到光屏距离l、双缝距离d、单色光波长λ三者的关系。

2.2 过程与方法

（1）通过查找资料，在教师的引导下，设计实验方案，应用控制变量法和对比实验法探究实验；

（2）体验探究实验的过程，提高动手能力，能对探究过程进行交流和质疑。

2.3 情感、态度与价值观

通过探究活动、合作交流，培养学生严谨求实的科学态度和团结协作的精神。

教学重点：培养学生严谨求实的科学态度和团结协作的精神。

教学难点：学生能观察到双缝干涉图样的特征。

3 实验器材

光具座及附件、J2515双缝干涉实验仪、摄像头、滤色片（红、绿）；光具座及附件、普通激光笔（红λ1=650 nm、绿λ2=532 nm）、白色光屏（带刻度）、卷尺（总长5 m，带刻度）、双缝（0.08 mm/0.20 mm/0.25 mm）。

4 实验创新点

J2515双缝干涉实验仪如图1所示，单人单眼观察换用摄像头，USB连接电脑，大屏幕直接显示干涉图样，打破原有仅一人观察的局限，便于学生集体观察实验现象，添加可调节的滤色片“秒杀”变色，观察同一装置下不同单色光干涉条纹的宽度，效果非常好。真实的实验是课件永远无法替代的。

J2515双缝干涉实验仪操作技巧高，实验较难成功，若换用如图2所示的装置，激光笔作光源，安装、调节方便，直接照射双缝就能产生较明显的干涉图样，直观形象，便于学生操作和采集数据。

5 实验方法设计思路

5.1 实验原理

（1）双缝干涉图样相邻亮纹或暗纹的距离：

注：Δx是相邻亮纹（或暗纹）的间距、l是双缝到光屏的距离、d是双缝距离、λ是单色光的波长，如图3所示。

（2）激光有很多特性：单色，或者说单频；相干性；高度集中。

5.2 实验的不足

激光对人体的伤害主要是眼睛，其次是皮肤。所以，要提醒严禁裸眼观看激光束，注意操作规程，确定操作区。

5.3 實验环境

在多媒体、光学实验室中进行实验探究。

6 实验教学过程

6.1 初步感受，引入课题

（1）教师演示，学生初步感受

按装置图1进行安装，调出图样，请个别学生依次观察，然后用带USB线的摄像头连接电脑，大屏幕直接显示干涉图样，先观察彩色，然后依次在光源前加上滤色片， “秒杀”变色，对比观察彩色、红色、绿色三种图样，如图4所示。

（2）引导学生讨论，提出问题

装置不变，红光波长长，条纹宽，相邻亮纹或暗纹的间距Δx与波长λ有关。那么，具体与哪些量有关呢？

学生讨论，拟用如图2所示的实验装置，初试得实验现象，根据控制变量法，定性探究Δx与双缝距离d、双缝到光屏距离l、单色光波长λ三者的关系。

6.2 控制变量，定量探究

（1）学生交流实验操作要领

①按装置图2安装实验仪器；

②调各元件，使其等高共轴；

③控制变量，测量数据并记录至表格；

④利用Excel作图处理数据；

⑤实验完毕，归整仪器。

（2）实验数据记录，如表1所示。

（3）Excel作图处理数据，如图5、图6、图7所示。

6.3 实验结论

分析实验数据及图像，误差较小，属允许的范围内，得出双缝干涉图样相邻亮纹或暗纹的间距Δx与l、d、λ的关系：

（1）λ一定，d一定，Δx∝l；

（3）d一定，l一定，Δx∝λ。

6.4 注意事项

（1）严禁裸眼观看激光束，注意操作规程，确定操作区；

（2）掌握调节各元件等高共轴的操作技巧；

（3）列表格记录数据，作图处理数据。

6.5 实验提高与拓展

（1）学生分组实验，熟练调节J2515双缝干涉实验仪并观察白光、红光、绿光的干涉图样。

（3）课前课后，学生分组合作查阅搜集测单色光波长的原理和装置，例如：迈克尔逊干涉仪、马赫曾德干涉仪、杨氏双缝干涉、劈尖、牛顿环或者单缝衍射装置等。

7 实验教学反思与评价

本节课突破常规，大胆创新。

亮点一：通过摄像头集体观察双缝干涉图样的实验现象，学生对同一装置下，红光比绿光干涉条纹更宽的对比，实验印象非常深刻；

亮点三：大大激发学生对光学的学习兴趣，大大提高学生光学实验中等高共轴的调节技巧，提高了用J2515双缝干涉实验仪测量红、绿单色光波长的成功率。学生对自己调节出的干涉图样倍感珍惜，纷纷想方设法截图保存，并主动利用网络资源拓展干涉原理等知识。

参考文献：

[1]中国教育装备行业协会.第三届全国中小学实验教学说课活动优秀作品集[C].北京：专利文献出版社，2016：30-37.

[2]林行展，金邦建.双缝干涉实验及教学的改进[J].林区教学，2015（6）：91-92.

（栏目编辑 邓 磊）