“定量探究雙縫干涉實驗”教學設計

陳維綢

摘 要：J2515雙縫干涉實驗儀能讓學生觀察到精美的雙縫干涉圖樣，但全套裝備可調(diào)可動有30多處，學生一般都難以在短時間內(nèi)調(diào)出實驗現(xiàn)象，若換用激光筆作光源，安裝、調(diào)節(jié)方便，直接照射雙縫就能產(chǎn)生較明顯的干涉圖樣，便于學生操作、采集數(shù)據(jù)。實驗成本較低而相干性較好。在此基礎上，讓學生利用J2515 實驗儀進行分組探究實驗，大大提高學生的等高共軸調(diào)節(jié)技巧，成功定量探究雙縫干涉圖樣相鄰亮紋或暗紋的間距與雙縫到光屏距離、雙縫距離、單色光波長三者的關系，激發(fā)學生學習光學的興趣。

關鍵詞：干涉圖樣；激光筆；雙縫；光屏；等高共軸；定量探究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）1-0068-3

1 教材與學情分析

1.1 本節(jié)的地位和作用

本節(jié)課內(nèi)容選自魯科版高中《物理》選修3-4。光的干涉現(xiàn)象是證明光具有波動性的重要依據(jù)，J2515雙縫干涉實驗儀能讓學生觀察到精美的雙縫干涉圖樣，提高學生的等高共軸調(diào)節(jié)技巧。

1.2 學情分析

J2515雙縫干涉實驗儀的全套裝備可調(diào)可動有30多處，學生一般都難以在較短時間內(nèi)調(diào)出實驗現(xiàn)象，更別說測量實驗數(shù)據(jù)，再得出實驗結論。

本節(jié)課旨在創(chuàng)造條件，讓學生先觀察雙縫干涉圖樣，再簡化干涉實驗裝置，探究關系式：

2 實驗教學目標

2.1 知識與技能

（1）觀察雙縫干涉圖樣的特征；

（2）定量探究雙縫干涉圖樣相鄰亮紋或暗紋的間距Δx與雙縫到光屏距離l、雙縫距離d、單色光波長λ三者的關系。

2.2 過程與方法

（1）通過查找資料，在教師的引導下，設計實驗方案，應用控制變量法和對比實驗法探究實驗；

（2）體驗探究實驗的過程，提高動手能力，能對探究過程進行交流和質(zhì)疑。

2.3 情感、態(tài)度與價值觀

通過探究活動、合作交流，培養(yǎng)學生嚴謹求實的科學態(tài)度和團結協(xié)作的精神。

教學重點：培養(yǎng)學生嚴謹求實的科學態(tài)度和團結協(xié)作的精神。

教學難點：學生能觀察到雙縫干涉圖樣的特征。

3 實驗器材

光具座及附件、J2515雙縫干涉實驗儀、攝像頭、濾色片（紅、綠）；光具座及附件、普通激光筆（紅λ1=650 nm、綠λ2=532 nm）、白色光屏（帶刻度）、卷尺（總長5 m，帶刻度）、雙縫（0.08 mm/0.20 mm/0.25 mm）。

4 實驗創(chuàng)新點

J2515雙縫干涉實驗儀如圖1所示，單人單眼觀察換用攝像頭，USB連接電腦，大屏幕直接顯示干涉圖樣，打破原有僅一人觀察的局限，便于學生集體觀察實驗現(xiàn)象，添加可調(diào)節(jié)的濾色片“秒殺”變色，觀察同一裝置下不同單色光干涉條紋的寬度，效果非常好。真實的實驗是課件永遠無法替代的。

J2515雙縫干涉實驗儀操作技巧高，實驗較難成功，若換用如圖2所示的裝置，激光筆作光源，安裝、調(diào)節(jié)方便，直接照射雙縫就能產(chǎn)生較明顯的干涉圖樣，直觀形象，便于學生操作和采集數(shù)據(jù)。

5 實驗方法設計思路

5.1 實驗原理

（1）雙縫干涉圖樣相鄰亮紋或暗紋的距離：

注：Δx是相鄰亮紋（或暗紋）的間距、l是雙縫到光屏的距離、d是雙縫距離、λ是單色光的波長，如圖3所示。

（2）激光有很多特性：單色，或者說單頻；相干性；高度集中。

5.2 實驗的不足

激光對人體的傷害主要是眼睛，其次是皮膚。所以，要提醒嚴禁裸眼觀看激光束，注意操作規(guī)程，確定操作區(qū)。

5.3 實驗環(huán)境

在多媒體、光學實驗室中進行實驗探究。

6 實驗教學過程

6.1 初步感受，引入課題

（1）教師演示，學生初步感受

按裝置圖1進行安裝，調(diào)出圖樣，請個別學生依次觀察，然后用帶USB線的攝像頭連接電腦，大屏幕直接顯示干涉圖樣，先觀察彩色，然后依次在光源前加上濾色片， “秒殺”變色，對比觀察彩色、紅色、綠色三種圖樣，如圖4所示。

（2）引導學生討論，提出問題

裝置不變，紅光波長長，條紋寬，相鄰亮紋或暗紋的間距Δx與波長λ有關。那么，具體與哪些量有關呢？

學生討論，擬用如圖2所示的實驗裝置，初試得實驗現(xiàn)象，根據(jù)控制變量法，定性探究Δx與雙縫距離d、雙縫到光屏距離l、單色光波長λ三者的關系。

6.2 控制變量，定量探究

（1）學生交流實驗操作要領

①按裝置圖2安裝實驗儀器；

②調(diào)各元件，使其等高共軸；

③控制變量，測量數(shù)據(jù)并記錄至表格；

④利用Excel作圖處理數(shù)據(jù)；

⑤實驗完畢，歸整儀器。

（2）實驗數(shù)據(jù)記錄，如表1所示。

（3）Excel作圖處理數(shù)據(jù)，如圖5、圖6、圖7所示。

6.3 實驗結論

分析實驗數(shù)據(jù)及圖像，誤差較小，屬允許的范圍內(nèi)，得出雙縫干涉圖樣相鄰亮紋或暗紋的間距Δx與l、d、λ的關系：

（1）λ一定，d一定，Δx∝l；

（3）d一定，l一定，Δx∝λ。

6.4 注意事項

（1）嚴禁裸眼觀看激光束，注意操作規(guī)程，確定操作區(qū)；

（2）掌握調(diào)節(jié)各元件等高共軸的操作技巧；

（3）列表格記錄數(shù)據(jù)，作圖處理數(shù)據(jù)。

6.5 實驗提高與拓展

（1）學生分組實驗，熟練調(diào)節(jié)J2515雙縫干涉實驗儀并觀察白光、紅光、綠光的干涉圖樣。

（3）課前課后，學生分組合作查閱搜集測單色光波長的原理和裝置，例如：邁克爾遜干涉儀、馬赫曾德干涉儀、楊氏雙縫干涉、劈尖、牛頓環(huán)或者單縫衍射裝置等。

7 實驗教學反思與評價

本節(jié)課突破常規(guī)，大膽創(chuàng)新。

亮點一：通過攝像頭集體觀察雙縫干涉圖樣的實驗現(xiàn)象，學生對同一裝置下，紅光比綠光干涉條紋更寬的對比，實驗印象非常深刻；

亮點三：大大激發(fā)學生對光學的學習興趣，大大提高學生光學實驗中等高共軸的調(diào)節(jié)技巧，提高了用J2515雙縫干涉實驗儀測量紅、綠單色光波長的成功率。學生對自己調(diào)節(jié)出的干涉圖樣倍感珍惜，紛紛想方設法截圖保存，并主動利用網(wǎng)絡資源拓展干涉原理等知識。

參考文獻：

[1]中國教育裝備行業(yè)協(xié)會.第三屆全國中小學實驗教學說課活動優(yōu)秀作品集[C].北京：專利文獻出版社，2016：30-37.

[2]林行展，金邦建.雙縫干涉實驗及教學的改進[J].林區(qū)教學，2015（6）：91-92.

（欄目編輯 鄧 磊）