追溯本源 回歸教材
——對(duì)2021年江蘇省高考物理第6題的分析與思考

袁加興

（宿遷市教研室，江蘇 宿遷 223800）

1 原題呈現(xiàn)

例題.（2021年江蘇省高考題）鐵絲圈上附有肥皂膜，豎直放置時(shí)，肥皂膜上的彩色條紋上疏下密，由此推測(cè)肥皂膜前后兩個(gè)面的側(cè)視形狀應(yīng)當(dāng)是

2 試題溯源

教材是高考命題專家的優(yōu)質(zhì)素材庫(kù)，高考試題的設(shè)計(jì)常源于教材、高于教材.通過(guò)對(duì)近幾年江蘇高考物理試題研究可以看出，目前源于教材的試題，不再是簡(jiǎn)單地照抄課本，而是對(duì)常規(guī)的典型的問(wèn)題在設(shè)問(wèn)方式上進(jìn)行創(chuàng)新，“移花接木、舊枝新顏”是常用的手段.這類試題往往給人耳目一新的感覺(jué)，令人拍案稱奇.試題設(shè)置著力考查學(xué)生對(duì)物理基本概念、基本規(guī)律的理解和應(yīng)用，引導(dǎo)教學(xué)重視學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)，特別是讓學(xué)生形成物理觀念，重視基礎(chǔ)知識(shí).

通過(guò)分析本考題，筆者發(fā)現(xiàn)試題源于人教版高中物理選修3- 4“光的顏色 色散”一節(jié)中正文演示實(shí)驗(yàn)部分和問(wèn)題與練習(xí)部分.試題將演示實(shí)驗(yàn)（肥皂膜干涉實(shí)驗(yàn)）與真實(shí)問(wèn)題解決（牛頓環(huán)干涉條紋半徑變化）有機(jī)融合，了解并知道干涉條紋產(chǎn)生的機(jī)理，條紋分布的狀況等.從而引導(dǎo)考生回歸課本，去真做實(shí)驗(yàn)，要認(rèn)真觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，養(yǎng)成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，并運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)去解決真實(shí)問(wèn)題.

教材第68頁(yè)用肥皂膜做薄膜干涉實(shí)驗(yàn)，在酒精燈的燈芯上撒一些食鹽，燈焰就能發(fā)出明亮的黃光.把鐵絲圈在肥皂水中蘸一下，讓它掛上一層薄薄的液膜.把這層液膜當(dāng)作一個(gè)平面鏡，用它觀察燈焰的像（圖2）.這個(gè)像與直接看到的燈焰有什么不同？

圖1

圖2 燈焰在肥皂膜上所成的像

教材第70頁(yè)問(wèn)題與練習(xí)，牛頓環(huán)干涉條紋半徑變化.凸透鏡的彎曲表面是個(gè)球面，球面的半徑叫作這個(gè)曲面的曲率半徑.把一個(gè)凸透鏡壓在一塊平面玻璃上，讓單色光從上方射入（圖3），從上往下看凸透鏡，可以看到亮暗相間的圓環(huán)狀條紋.這個(gè)現(xiàn)象是牛頓首先發(fā)現(xiàn)的，這些環(huán)狀條紋叫作牛頓環(huán)，它是兩個(gè)玻璃表面之間的空氣膜引起的薄膜干涉造成的.如果換一個(gè)表面曲率半徑更大的凸透鏡，觀察到的圓環(huán)半徑是更大還是更小？如果改用波長(zhǎng)更長(zhǎng)的單色光照射，觀察到的圓環(huán)半徑是變大還是變??？

圖3 觀察牛頓環(huán)

3 試題分析

下面以牛頓環(huán)干涉條紋為例，闡述薄膜干涉條紋形成的機(jī)理，以及條紋分布上疏下密的原因.

在一塊光滑平整的玻璃磚的上表面，放一塊曲率為R的平凸透鏡，兩者接觸于O點(diǎn)，用波長(zhǎng)為λ的平行光垂直于上表面照射（圖4），現(xiàn)從平凸透鏡的上表面向下看，可以看到以O(shè)點(diǎn)為圓心的同心圓環(huán)（圖5、圖6）.

圖4 牛頓環(huán)

圖5 單色光的干涉現(xiàn)象

圖6 白光的干涉現(xiàn)象

當(dāng)單色光垂直于平凸透鏡的上表面入射時(shí)，一部分到達(dá)凸透鏡的凸面時(shí)，先由空氣層的上表面反射回去（l1），另一部分通過(guò)空氣層由其下表面反射，再通過(guò)空氣層的上表面透射出去（l2），由于實(shí)驗(yàn)室中所用牛頓環(huán)球面曲率半徑很大，并且凸透鏡下表面與玻璃磚空氣層間隙又非常小，兩束反射光l1、l2彼此非?？拷?，兩束反射光l1、l2必會(huì)在空間某一區(qū)域產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)明暗相間的圓環(huán).在圖7中的A點(diǎn)，設(shè)空氣層膜的厚度為d，則有

圖7

實(shí)際上，由于R?d，（1）式可以進(jìn)一步寫(xiě)成r2＝2Rd，即

同時(shí)，當(dāng)一束光從折射率小的光疏介質(zhì)，垂直入射（i＝0°）或掠入射（i≈90°）到折射率較大的光密介質(zhì)上發(fā)生反射時(shí)，在這兩種介質(zhì)分界面的入射點(diǎn)處，便有π相位突變，這相當(dāng)于光波在該處存在半個(gè)波長(zhǎng)的額外波程差.在A點(diǎn)，如果出現(xiàn)明條紋，有

其中k為整數(shù)，k＝1，2，3…將（2）式代入（3）式，可得出亮條紋到中心O點(diǎn)的半徑為.因此，相鄰明條紋之間的距離為隨著k的值越來(lái)越大，明條紋之間的間距越來(lái)越小；在O點(diǎn)處，，出現(xiàn)暗斑.同理，我們也可以分析暗條紋，也會(huì)得出類似的結(jié)論.因此，牛頓環(huán)干涉條紋為明、暗相間的條紋，無(wú)論是明條紋還是暗條紋，都是由內(nèi)向外明、暗條紋均依次變窄，中間為暗斑.

圖8 薄膜前后兩個(gè)面的反射光發(fā)生了干涉

圖9 實(shí)際的薄膜形狀

圖10 肥皂膜的干涉現(xiàn)象

總之，教材是物理課程的核心資源，為我們理解物理、理解學(xué)生、理解教學(xué)提供了強(qiáng)有力的支撐，是提高課堂效率的根本保證.教學(xué)中要充分發(fā)掘教材中例題、習(xí)題、實(shí)驗(yàn)、科學(xué)漫步等欄目的教學(xué)功能與育人價(jià)值，回歸知識(shí)原點(diǎn)，讓學(xué)生在問(wèn)題的解決中強(qiáng)化必備知識(shí)，形成物理觀念.減少通過(guò)刷題來(lái)提高成績(jī)的不科學(xué)做法，將時(shí)間真正還給學(xué)生.在《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》的指引下，立足于教學(xué)實(shí)際，認(rèn)真研讀新課標(biāo)，突出必備知識(shí)的基礎(chǔ)地位，再現(xiàn)知識(shí)建構(gòu)過(guò)程，有機(jī)滲透科學(xué)思維，培養(yǎng)學(xué)科關(guān)鍵能力，提升學(xué)生學(xué)科素養(yǎng).