“光的干涉”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與教學(xué)探究

駱興高，張傳兵，劉銘峰

摘? ?要：通過改進(jìn)光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置，將光的雙縫干涉圖樣更清晰地展示在學(xué)生面前;通過引導(dǎo)學(xué)生開展影響條紋間距大小因素的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)， 并為理論推導(dǎo)雙縫干涉條紋間距Δx與雙縫到屏的距離L、光的波長(zhǎng)λ、雙縫間距d的定量關(guān)系，提供了有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，突出學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性，培養(yǎng)學(xué)生推理論證的能力。

關(guān)鍵詞：雙縫干涉;實(shí)驗(yàn)改進(jìn);定性;定量;探究

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2022）5-0013-3

光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是光的波動(dòng)說的重要實(shí)驗(yàn)支持。本節(jié)課成敗的關(guān)鍵之一在于能否清晰地展示雙縫干涉實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。傳統(tǒng)的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)一般采用現(xiàn)成的“激光光學(xué)演示器”，但此實(shí)驗(yàn)裝置較為封閉，且教學(xué)時(shí)通常是老師講學(xué)生聽、老師做學(xué)生看，學(xué)生往往處于被動(dòng)的學(xué)習(xí)地位。針對(duì)上述不足，我們?cè)诮虒W(xué)中對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置和教學(xué)方法做了必要的改進(jìn)，收到了較好的效果。

1? ? 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

（1）改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。我們采用常見的激光筆做光源，取材簡(jiǎn)易，學(xué)校容易配置;實(shí)驗(yàn)器材采用分立式組合的方式，使教學(xué)的現(xiàn)場(chǎng)感更強(qiáng)，更有利于學(xué)生開展定性、定量的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，突出學(xué)生的參與性和主體性。

（2）在光源和雙縫之間加了一個(gè)玻璃圓柱體。讓激光從圓柱體側(cè)面射入，通過調(diào)整入射點(diǎn)和入射的角度，可將激光筆的光斑擴(kuò)展（擴(kuò)束），使原來呈點(diǎn)狀的干涉圖樣，變?yōu)楦逦臈l狀干涉圖樣，與教材呈現(xiàn)的雙縫干涉圖樣一致（圖2）。

（3）利用攝像頭或手機(jī)拍攝將干涉圖樣投影到大屏幕上，增加實(shí)驗(yàn)的可見度;同時(shí)，借助于同屏呈現(xiàn)的刻度尺，學(xué)生可以直接讀出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，非常方便且可信。

2? ? 教學(xué)探究

為使實(shí)驗(yàn)發(fā)揮更大的教學(xué)功能，除了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，我們還注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生更好地參與到實(shí)驗(yàn)探究的全過程。本節(jié)課的教學(xué)路徑簡(jiǎn)述如下。

2.1? ? 定性觀察

利用上述實(shí)驗(yàn)裝置演示光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生在觀察的基礎(chǔ)上分析并總結(jié)雙縫干涉條紋的特點(diǎn)（如明暗相間、等距排布），使他們對(duì)光的雙縫干涉形成一個(gè)較為清晰的物理表象。

改變實(shí)驗(yàn)條件，讓學(xué)生觀察大屏幕上雙縫干涉條紋間距的變化情況，通過分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

（1）只改變光屏的位置，使雙縫到光屏的距離逐漸增大時(shí)，干涉條紋間距Δx也隨之變大。

（2）只改變雙縫的間距，干涉條紋間距Δx也會(huì)相應(yīng)變化。增大雙縫的間距d，干涉條紋將變得更密，即干涉條紋間距Δx減小。

（3）采用不同的色光（即不同的波長(zhǎng)λ），例如紅光或綠光做光源，保持其他條件不變，相比之下，波長(zhǎng)較短的綠光的干涉條紋要比紅光的條紋密，即條紋間距更小。

2.2? ? 學(xué)生猜想

通過上述定性的觀察活動(dòng)，學(xué)生得出影響雙縫干涉條紋間距Δx的因素有：雙縫到光屏的距離L、雙縫的間距d以及光的波長(zhǎng)λ。在此基礎(chǔ)上，教師進(jìn)一步提出問題：雙縫干涉條紋間距Δx與上述因素間存在怎樣的定量關(guān)系呢？

經(jīng)過討論，多數(shù)學(xué)生都會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察的現(xiàn)象直覺地認(rèn)定：雙縫干涉條紋間距Δx可能與雙縫到光屏的距離L以及光的波長(zhǎng)λ成正比，而與雙縫的間距d成反比。對(duì)于學(xué)生提出的猜想，教師在給予鼓勵(lì)的同時(shí)，還要讓學(xué)生明白需通過進(jìn)一步的定量實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)論證。

2.3? ? 定量探究

考慮到影響干涉條紋間距的相關(guān)變量較多，啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用控制變量法自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)討論完善后讓學(xué)生全程參與，師生協(xié)作完成。

（1）探究Δx與L的關(guān)系

采用紅光照射間距為0.20 mm的雙縫，逐次移動(dòng)光屏改變位置，并用卷尺測(cè)量雙縫到光屏之間的距離L。同時(shí)，利用附加在光屏上的毫米刻度尺，測(cè)出相應(yīng)的干涉條紋間距Δx。為了減小測(cè)量誤差，在實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生讀取5個(gè)條紋的總間距，再計(jì)算得到相鄰條紋的間距。學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可得，隨著雙縫到光屏距離L的增加，干涉條紋間距Δx也逐漸增大。為了更直觀地呈現(xiàn)兩者間的關(guān)系，還可以利用Excel 工作表格繪圖功能，作出Δx-L圖像（圖3），得到一條經(jīng)過原點(diǎn)的直線，從而說明二者呈正比關(guān)系。

（2）探究Δx與d的關(guān)系

保持雙縫到光屏的距離一定，用紅光分別去照射間距各為0.20 mm和0.25 mm的雙縫，將所成的干涉圖像依次投影到大屏幕上，讓學(xué)生分別測(cè)出5個(gè)條紋間距的寬度，進(jìn)而計(jì)算相鄰干涉條紋的間距。相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可得，干涉條紋間距Δx隨著雙縫間距d的增大而減小，并且Δx與d的乘積相等，由此可推測(cè)兩者呈反比關(guān)系。

（3）探究Δx與λ的關(guān)系

保持雙縫到光屏的距離一定，采用波長(zhǎng)為660 nm的紅色激光和波長(zhǎng)為532 nm的綠色激光，分別去照射間距同為0.25 mm的雙縫，將所成的干涉圖像投影到大屏幕上，讓學(xué)生測(cè)量并計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，如表3所示。

由表3可得，干涉條紋間距Δx隨著入射光波長(zhǎng)λ的增大而增大。并且發(fā)現(xiàn)，Δx與λ的比值近似相等，這也佐證了干涉條紋間距Δx與波長(zhǎng)λ的正比關(guān)系。

通過上述實(shí)驗(yàn)，說明我們對(duì)于光的雙縫干涉條紋規(guī)律的猜想是正確合理的。

2.4? ? 理論推導(dǎo)

正如著名物理學(xué)家密立根所言：“科學(xué)是用理論和實(shí)驗(yàn)這兩只腳前進(jìn)的”?？茖W(xué)家探究科學(xué)規(guī)律是如此，學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)亦是如此。在經(jīng)歷上述實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)的基礎(chǔ)上，教師再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步從理論上推導(dǎo)雙縫干涉條紋間距Δx與雙縫到屏的距離L、光的波長(zhǎng)λ、雙縫間距d的定量關(guān)系（推導(dǎo)過程從略）。

學(xué)科知識(shí)是形成學(xué)科素養(yǎng)的載體。一切知識(shí)，惟有成為學(xué)生探究與實(shí)踐對(duì)象的時(shí)候，其學(xué)習(xí)過程才有可能成為素養(yǎng)發(fā)展的過程[1]。通過上述教學(xué)過程，就是力求讓學(xué)生回到知識(shí)發(fā)生的起點(diǎn)，通過盡可能真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境，讓他們面對(duì)原始的問題，并且以情境化任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，不斷生成問題、解決問題，使學(xué)生的思維活動(dòng)始終處于高階水平，通過“知識(shí)重演”最終獲得真知。實(shí)踐表明，這樣的教學(xué)不僅有助于學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解與掌握，還可以培育他們的核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]余文森.核心素養(yǎng)導(dǎo)向的課堂教學(xué)[M].上海：上海教育出版社，2017.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）316269DF-501A-4410-851B-AE44F7F4AB8D