“光的干涉”实验改进与教学探究

骆兴高，张传兵，刘铭峰

摘   要：通过改进光的双缝干涉实验装置，将光的双缝干涉图样更清晰地展示在学生面前;通过引导学生开展影响条纹间距大小因素的实验探究活动， 并为理论推导双缝干涉条纹间距Δx与双缝到屏的距离L、光的波长λ、双缝间距d的定量关系，提供了有力的实验证据，突出学生学习的主体性，培养学生推理论证的能力。

关键词：双缝干涉;实验改进;定性;定量;探究

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2022）5-0013-3

光的双缝干涉实验是光的波动说的重要实验支持。本节课成败的关键之一在于能否清晰地展示双缝干涉实验现象。传统的双缝干涉实验一般采用现成的“激光光学演示器”，但此实验装置较为封闭，且教学时通常是老师讲学生听、老师做学生看，学生往往处于被动的学习地位。针对上述不足，我们在教学中对实验装置和教学方法做了必要的改进，收到了较好的效果。

1    实验改进

（1）改进后的实验装置如图1所示。我们采用常见的激光笔做光源，取材简易，学校容易配置;实验器材采用分立式组合的方式，使教学的现场感更强，更有利于学生开展定性、定量的实验探究活动，突出学生的参与性和主体性。

（2）在光源和双缝之间加了一个玻璃圆柱体。让激光从圆柱体侧面射入，通过调整入射点和入射的角度，可将激光笔的光斑扩展（扩束），使原来呈点状的干涉图样，变为更清晰的条状干涉图样，与教材呈现的双缝干涉图样一致（图2）。

（3）利用摄像头或手机拍摄将干涉图样投影到大屏幕上，增加实验的可见度;同时，借助于同屏呈现的刻度尺，学生可以直接读出相应的实验数据，非常方便且可信。

2    教学探究

为使实验发挥更大的教学功能，除了改进实验装置，我们还注重实验教学方法的设计，让学生更好地参与到实验探究的全过程。本节课的教学路径简述如下。

2.1    定性观察

利用上述实验装置演示光的双缝干涉实验，引导学生在观察的基础上分析并总结双缝干涉条纹的特点（如明暗相间、等距排布），使他们对光的双缝干涉形成一个较为清晰的物理表象。

改变实验条件，让学生观察大屏幕上双缝干涉条纹间距的变化情况，通过分析对比发现：

（1）只改变光屏的位置，使双缝到光屏的距离逐渐增大时，干涉条纹间距Δx也随之变大。

（2）只改变双缝的间距，干涉条纹间距Δx也会相应变化。增大双缝的间距d，干涉条纹将变得更密，即干涉条纹间距Δx减小。

（3）采用不同的色光（即不同的波长λ），例如红光或绿光做光源，保持其他条件不变，相比之下，波长较短的绿光的干涉条纹要比红光的条纹密，即条纹间距更小。

2.2    学生猜想

通过上述定性的观察活动，学生得出影响双缝干涉条纹间距Δx的因素有：双缝到光屏的距离L、双缝的间距d以及光的波长λ。在此基础上，教师进一步提出问题：双缝干涉条纹间距Δx与上述因素间存在怎样的定量关系呢？

经过讨论，多数学生都会根据实验观察的现象直觉地认定：双缝干涉条纹间距Δx可能与双缝到光屏的距离L以及光的波长λ成正比，而与双缝的间距d成反比。对于学生提出的猜想，教师在给予鼓励的同时，还要让学生明白需通过进一步的定量实验来检验论证。

2.3    定量探究

考虑到影响干涉条纹间距的相关变量较多，启发学生运用控制变量法自行设计实验方案，经讨论完善后让学生全程参与，师生协作完成。

（1）探究Δx与L的关系

采用红光照射间距为0.20 mm的双缝，逐次移动光屏改变位置，并用卷尺测量双缝到光屏之间的距离L。同时，利用附加在光屏上的毫米刻度尺，测出相应的干涉条纹间距Δx。为了减小测量误差，在实验中要求学生读取5个条纹的总间距，再计算得到相邻条纹的间距。学生现场测量的数据如表1所示。

由表1可得，随着双缝到光屏距离L的增加，干涉条纹间距Δx也逐渐增大。为了更直观地呈现两者间的关系，还可以利用Excel 工作表格绘图功能，作出Δx-L图像（图3），得到一条经过原点的直线，从而说明二者呈正比关系。

（2）探究Δx与d的关系

保持双缝到光屏的距离一定，用红光分别去照射间距各为0.20 mm和0.25 mm的双縫，将所成的干涉图像依次投影到大屏幕上，让学生分别测出5个条纹间距的宽度，进而计算相邻干涉条纹的间距。相关数据如表2所示。

由表2可得，干涉条纹间距Δx随着双缝间距d的增大而减小，并且Δx与d的乘积相等，由此可推测两者呈反比关系。

（3）探究Δx与λ的关系

保持双缝到光屏的距离一定，采用波长为660 nm的红色激光和波长为532 nm的绿色激光，分别去照射间距同为0.25 mm的双缝，将所成的干涉图像投影到大屏幕上，让学生测量并计算相关数据，如表3所示。

由表3可得，干涉条纹间距Δx随着入射光波长λ的增大而增大。并且发现，Δx与λ的比值近似相等，这也佐证了干涉条纹间距Δx与波长λ的正比关系。

通过上述实验，说明我们对于光的双缝干涉条纹规律的猜想是正确合理的。

2.4    理论推导

正如著名物理学家密立根所言：“科学是用理论和实验这两只脚前进的”。科学家探究科学规律是如此，学生学习科学知识亦是如此。在经历上述实验探究活动的基础上，教师再引导学生进一步从理论上推导双缝干涉条纹间距Δx与双缝到屏的距离L、光的波长λ、双缝间距d的定量关系（推导过程从略）。

学科知识是形成学科素养的载体。一切知识，惟有成为学生探究与实践对象的时候，其学习过程才有可能成为素养发展的过程[1]。通过上述教学过程，就是力求让学生回到知识发生的起点，通过尽可能真实的实验情境，让他们面对原始的问题，并且以情境化任务为驱动，不断生成问题、解决问题，使学生的思维活动始终处于高阶水平，通过“知识重演”最终获得真知。实践表明，这样的教学不仅有助于学生对所学知识的理解与掌握，还可以培育他们的核心素养。

参考文献：

[1]余文森.核心素养导向的课堂教学[M].上海：上海教育出版社，2017.

（栏目编辑    赵保钢）316269DF-501A-4410-851B-AE44F7F4AB8D