《双缝干涉教学设计

张 于 君 曾 志 旺

（玉环县楚门中学 浙江玉环 317605）

[教 材]：全日制普通高级中学教科书（试验修订本.必修加选修）物理第二册第二十章第

一节前半部分。

[教学时间]：一课时。

[教学目标]：本课教学目标在以下三个领域具体为。

1.知识与技能 ◆通过实验观察认识光的干涉现象，知道光的干涉现象说明了光是一种波； ◆掌握光的双缝干涉现象是如何产生的，何处出现亮条纹、何处出现暗条纹； ◆掌握相邻明条纹（或暗条纹）间距的计算公式。

◆知道不同色光的频率不同，掌握波长、波速、频率的关系。 2.过程与方法 ※通过分光法，理解相干光源的设计思想； ※观察双缝干涉现象，体验科学发现的过程；

※经历单色光双缝干涉规律的探究，获得探究活动的体验；

※领略“观察、实验——提出假说——理论证明——实验验证……”的物理学研

究方法

3.情感态度与价值观 ●激发和培养学生的科学探究情感。

●使学生觉得学习是自己的事情，是为了解决自己提出的问题，充分激发

主人翁的责任感和使命感。

[教学用具]：JGQ型氦氖激光器一台，双缝干涉仪25台，红、绿、紫色滤光片各25只，直

尺、圆规各25只，多媒体电脑及投影装置，多媒体课件。（为取得理想实验效果，本节课在光学实验室进行）。

[设计理念]： “转变学生的学习方式”，提倡自主、探索、合作的学习方式，让学生成为学

习的主人；充分利用学生已有的生活和学习经验，使其成为新知识学习探究的生长点，这是新课

程改革的基本理念。本课“光的干涉”教学设计力避当作一般性常识处理的传统做法，体现新课程理念，以学生已有知识经验为基础开展探究性学习，实现新课程三维目标价值体系。具体思路如下：以学生学过的波动理论为基础，引导学生提出问题、设计方案，实验观察光的干涉现象；然后让对双缝干涉的规律作猜测，并用尺规作图方法及实验方法予以理论和实验证明。 在各教学目标实现及教学中师生关系的处理上，采用 “同步”模式。

系统论的整体性功能原理指出，整体功能要大于各要素功能之和。物理知识、方法、能力、科学态度等都是教学的要素。如果把这些要素有机地联系起来，达到共同促进的作用，则物理教学的效果会更好，更有利于提高学生的科学素养。教学中，不是就方法讲方法、就情感讲情感，而是将知识的学习，方法的掌握，过程的体验，能力、态度、价值观的培养有机地结合起来。 教学论中强调教为主导，学为主体。教师的任务是制订目标，组织教学活动，控制教学活

动的进程，并随机应变，排除障碍，承认和尊重学生思维的主体性。“同步”的模式既注意了教学的作用，将教师置于“”地位。同时，更注意了学生的主体作用，有意识地设置教学活动的环境，让学生发现提出问题，参与实验方案的设计，积极地提出假设，并从理论和实验角度予以证实，使学生觉得问题是自已提出来的、方案是自己设计的、假说是自己提出来的，验证也是自己完成的，自己是学习探究的主人，自己有责任、有义务充分发挥聪明才智去克服探究活动的障碍。在教材难点处适当放慢节奏，给学生充分的时间进行思考和讨论。从而切实课前制定的新课程理念下制定的教学目标。

[教学过程]

一.知识复习，方法铺垫

（投影下列问题及图1）

⑴.波的两个特有现象是什么？产生明显的波的衍射现象的条件是什么？两列波产生稳定的干涉现象时，对两个波源有何要求？

⑵.图1是两列横波某时刻干涉的示意图，S1、S2是两个振动情况总是相同的波源，实线代表波峰，虚线代表波谷，直线OO｀是S1、S2的中垂线，①分析图中各点的振动情况及各点到S1、S2的路程差与波长λ的关系？②画出干涉区域内的振动“加强线”与“减弱线”。

二.新课教学，层层探究

1.光的干涉现象的实验探究

图 1 ⑴.创设情景，启发猜想

教师通过一个小实验情景的创设，引导学生猜想光的本质是什么。

小实验：在投影上盖一张带有四个小孔（直径依次约为3cm、1cm、0.50cm、0.20cm）的不透明硬纸片，让学生观察比较屏幕上四个光斑的边缘有何特点。这应是什么现象？依据是什么？由此你能猜想出光的本质是什么？

生：光斑边缘模糊不清，这应是衍射现象；依据是与前面所学的机械波的衍射现象相同；光可能是一种波。

师：光可能是一种波。那么，为什么衍射现象不明显呢？

生：两种解释：一.光不是波，这种现象不是衍射现象；二.可能光的波长很小，不满足明显衍射的条件。

引导学生深入猜想。 师：假若光是一种波，第二种解释应该是有道理的，那么我们能否进一步证实光是一种波呢？ 生：因为波具有两个特有的现象：衍射和干涉，如果光是波，那么我们一定可以观察到光的干涉现象。

师：很好！这节课我们就来探究光的干涉现象。（动画显示课题） ⑵.合作讨论，设计方案 师：“如何设计实验来观察光的干涉现象呢？”。

让学生展开讨论。有的学生设想让两个光源发出的光束叠加即可；有的学生马上给予否定，因为日常生活中这种情况很多，但我们无法观察到光的干涉现象；有的学生解释是因为光的干涉现象不明显，我们不易观察到。

师（点拨）：发生明显干涉现象的条件是两个波源振动情况必须相同，由于光源的发光机理很复杂，所以平常的两个光源的振动情况不相同，无法满足条件。我们能否设计一个实验，先得

到一个点光源，再利用这个点光源得到两个相同的点光源，以满足实验条件？

生：通过思考、相互交流和讨论，设计出类似课本上的实验，如图2。 然后教师指出，单孔的作用是获得来自同一光源的一束光波，双孔的作用是将同一束光波分为两束“振动情况总是相同的光束”，因为双孔离得很近（0.08mm），且与前一个小孔距离相等，如果光是一种波，那么，任何时刻从前一个小孔发出的光波都会同时传到这两个小孔，这两个小孔就成了两个振动情况

图 2

总是相同的新的光源,我们把这样的两个光源称为—

—相干光源。如果用狭缝（0.01mm）代替，实验效果更明显。在1801年，英国的托马斯.杨就是利用这种思想，设计了光的双缝干涉实验。这节课我们就利用这个实验来观察光是否具有明显的干涉现象，以此来证明光是否具有波动性

⑶.分组实验，探索研究 ①观察现象，实验证实

学生熟悉实验器材，明确实验原理。

师：先用单色光来做实验，请学生类比水波的干涉图样，猜想一下：如果光是一种波，那么单色光的干涉图样应是什么样的？

生：明暗相间的条纹。

师：请同学们利用红、绿、紫色光来做实验，验证你们的猜想。 学生分组实验，教师巡回指导（主要是学生调焦不准确）。学生通过实验观察到光的干涉条纹，并且发现红光条纹间距最，绿光条纹间距次之，紫光条纹间距最小。

②运用规律，解释现象 实验证实光具有波动性，请学生们依照机械波的干涉，用波动理论解释明暗条纹分布的情况。 教师播放视频动画，模拟演示通过双缝的两列光波在空间传播时，叠加与干涉、光屏呈现明暗相间条纹的情景。如图3所示。

图 3 图 4

然后投出如下问题让学生考虑：

a. 屏上与两个狭缝S1、S2距离相等的位置是否出现亮纹？为什么？ b. 试分析屏上出现亮纹的各个位置到两双缝的路程差满足什么关系？ c. 试分析屏上出现暗纹的各个位置到两双缝的路程差满足什么关系？ 学生分组思考、讨论后总结回答：

a｀.出现亮纹，因为S1、S2发出的两列光波到该位置路程相等，即路程差d=0，两列波在该 位置的振动情况相同，总是波峰与波峰相遇或波谷与波谷相遇，振动加强，应出现亮纹。

b｀．在屏上中间位置的两侧都有亮纹出现，各亮纹到两双缝S1、S2的路程差d=nλ（n=0、 1、2……）。

c｀．在屏上中间位置的两侧都有暗纹出现，各暗纹到两双缝S1、S2的路程差d=（２n+1）

 2（n=0、1、2……）。

师：肯定学生的回答，然后播放视频动画，如图４所示。同时指出：中间的亮纹称“亮纹”，中间两侧对称出现的这纹称为“第一亮纹”、“第二亮纹” ……；中间亮纹两侧对称出现的暗纹分别称“第一暗纹”、“第二暗纹” ……。

2.相邻亮纹（或暗纹）间距公式的探究

师：在双缝干涉实验中，分别用红、绿、紫色做实验时，大家观察到相邻亮纹（或暗纹）的间距是不同的。双缝干涉实验中，相邻亮纹（或暗纹）的距离与什么因素有关？

⑴．提出猜想

学生在思考、交流讨论后提出：可能与单缝到双缝的距离有关；与双缝到接收屏的距离有关；可能与双缝的间距有关；肯定与做实验所用的入射光的波长有关。

当教师追问“与这些因素都有关吗？”，就有学生提出“与单缝到双缝的距离无关”，理由是“干涉是从双缝开始的，光源和单缝只是为干涉创造相干光源的条件。”。

师：相邻亮纹（或暗纹）间距ΔΧ与双缝到接收屏的距离Ｌ、与双缝间距d、实验光波长λ可能存在怎样的关系？

学生根据生活经验在思考、充分的交流讨论后认为：可能与Ｌ成正变关系，因为Ｌ增大时，相当于将整个装置放大；可能与d成反变关系，因为d足够大时，将不再有明显的干涉现象，即条纹合在一起；与λ可能成正变关系（直觉）。

⑵．理论解释与实验证明

要求学生根据波的干涉的形成机理，运用探究多因素问题时的控制变量思想，用尺规作图的 方法证明自己的对ΔΧ与l、d、关系的定性猜想。学生在教师的引导下，用尺规作图法作出保持d、不变时的图５，证实ΔΧ与l关系的定性猜想；在保持l、λ不变时，作出比较图6，证实ΔΧ与d关系的定性猜想；在保持l、d不变时，作出比较图7，证实ΔΧ与关系的定性猜想。

在用“尺规作图”的数学方法解释了定性猜想后，要求学生用实验方法证明自己的猜想。学生在交流、讨论后，运用控制变量思想，用实验方法分别验证：d、λ保持不变时，ΔΧ与l的关系；l、保持不变时，ΔΧ与d的关系。

之后，教师指出：也可以用实验方法证实，当保持d、l不变时，ΔΧ与成正变关系。 ⑶.扩展延伸，定量关系 引导学生根据ΔΧ与l、d、之间的定性关系及各个物理量的量纲，猜测一下它们之间可 能具有的最简单的定量关系式。

在学生作出猜测后，教师指出：在l》d的条件下，可以认为光屏上的干涉条纹是均匀的；应用光屏上成亮纹时（或暗纹时）的条件，可以计算：在l》d的条件，光屏上相邻亮纹（暗纹）间的距离ΔΧ与l、d、之间的定量关系为：ΔΧ=

l。同学们可以在课后自己试着推导一d下。

干涉现象实验中，红光、绿光、紫光的相邻干涉条纹间距依次变小，表明它们的波长依次变小。又波速等于波长和频率的乘积，不同的色光在真空中的传播速度相同，所以它们的频率依次

增大。可见光光谱中，从红光到紫光，它们的波长越来越小、频率越来越大。

三.学习应用，自主探索

请学生观察白光的干涉条纹，总结出白光的干涉条纹的特点，并用所学知识定性解释观察到的现象。教师播放视频动画，如图8所示。

生：观察讨论后回答：

⑴现象特点：①明暗相间的彩色条纹；②为白色亮条纹；③干涉条纹是在亮纹两侧对称地排列的；④在每条彩色亮纹中红光总是在外缘，紫光在内缘。

⑵解释：白光由从红光到紫光的七种单色光组成。图 8 七种单色光在均成亮纹，复合成白光，所以为

白色亮条纹；从红光到紫光的七种单色光的波长依次减小，所以它们干涉条纹依次是红光总是在外缘，紫光在内缘。

师：通过本节课的学习，我们证实了光能发生干涉现象，从而证明了光是一种波。人类在对光的本性的认识中经历了的漫长而曲折的历程。

介绍：（1）微粒说；（2）波动说；（3）电磁说；⑷光子说；⑸波粒二象性。 然后多媒体展示：

学说名称 提出代表者 内 容 光是沿直线运动的粒子微粒说 牛顿 流 光的直线传播 光的反射 射和折射 实验基础 能解释的现象 光的直进 困 难 无法解释同时发生反光是某种振动，以波的形波动说 惠更斯 式从光源向周围传播 光的干涉和衍射 光的反射、折射、干涉和衍射 难以解释光的直进，直空中光的传播介质 赫兹的电磁波实光的电磁说 麦克斯韦 光是一种电磁波 验 光子说 爱因斯坦 光是一种能量子 光电效应实验 光电效应 许多光的现象 无法解释光电效应现象 各种光学现象

四.知识小结，方法提炼

⑴杨氏双缝干涉实验的设计思想；

⑵单色光的干涉条纹特点：用“路程差”解释； ⑶单色光的干涉条纹中，相邻亮纹（暗纹）间距公式ΔΧ=

l； d⑷白色光的干涉条纹特点；用不同色光的波长不同解释；

⑸本节课应用的研究方法：问题—猜想—实验探索（理论解释）—结论—应用。

五.例题练讲，布置作业

[例题]：用单色光通过双缝做实验,单色光的波长400nm，A点与狭缝S1、S2的路程差为1.8 -6

×10m，则A点是出现亮条纹还是暗条纹？

学生思考后回答：暗条纹，因为：路程差=（２n+1）

-6

=1.8×10m 2练习时，学生中出现多种解法，只要符合波动理论，都应肯定。 [作业]：略

[教学流程]：

[评 析]：本课是一节探究程度较高的探究课，设计思路清晰、新颖，教学目标具体、

明确，教学过程灵活，符合学生的认知规律及教学规律。本课始终以培养学生的探究能力为基本出发点，用类似科学研究的方式，还原物理现象、物理规律的发现过程，强调学生通过自主参与

类似科学研究的学习活动，获得亲身体验，产生积极情感。如第一层探究活动中，学生通过情景的启发，自行提出研究课题“用实验探索光的干涉现象”，接着通过讨论设计实验方案、进行实验；第二层探究活动中，学生利用生活经验提出并解释“条纹间距”的影响因素及定性关系，再用已有知识从理论上予以解释和用实验方法加以验证。学生在教师的恰当引导下亲身经历探究的全过程，对科学探究能力的培养、探究情感的激发和升华有着巨大的作用。

注重问题情境的设置。通过精心设计的问题情境，使学生逐步形成一种在日常学习与生活中喜爱质疑、乐于探究和努力求知的心理倾向，激发探索和创新的积极欲望。如新课教学的开始，教师通过一个小实验情境的创置，引导学生提出研究课题；相邻条纹间距公式的教学，不是直接给出公式，而是让学生先去猜想可能的影响因素及可能具有的定性关系，并从纲量分析角度猜测可能具有的最简单定量关系。这从心理背景上为给出定量关系式奠定了基础。

注重实验与多媒体辅助教学在课堂教学中的有机结合，尽可能充分发挥它们的重要作用。如第一层次探究活动中，在学生思考回答光的干涉现象的形成机理后，播放视频动画，使学生直观、形象地感知干涉现象的形成机制；在学生给出亮暗条纹的出现与到两光源路程差关系后，播放视频动画，使学生直观、形象地感知亮暗条纹的分布及到光源路程差的关系；等等。

October 23, 2005