新課改背景下楊氏雙縫干涉深度教學(xué)探討

戴 瑞 李金環(huán) 王慶勇 劉 重

（1.東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024；2.東北師范大學(xué)附屬中學(xué)明珠校區(qū)，吉林 長(zhǎng)春 130118）

若不涉及光的發(fā)射和吸收等與物質(zhì)相互作用的微觀機(jī)制，光學(xué)在傳統(tǒng)上分為兩部分：幾何光學(xué)和物理光學(xué).幾何光學(xué)主要討論的是光在透明介質(zhì)中的傳播以及光學(xué)儀器成像等問(wèn)題；物理光學(xué)主要討論的是光的干涉、光的衍射和光的偏振等問(wèn)題，屬于光的電磁理論.楊氏雙縫干涉是最早、最基本、最重要的雙光束干涉，其基本思想是后續(xù)學(xué)習(xí)薄膜干涉、邁克爾遜干涉儀、光的衍射的基礎(chǔ)，所以對(duì)楊氏雙縫干涉進(jìn)行深度教學(xué)非常重要.

1 挖掘?qū)W史中的“思政元素”，滲透培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑、批判、創(chuàng)新、包容等科學(xué)精神

許多專家和學(xué)者對(duì)“課程思政”進(jìn)行了詮釋，“課程思政”核心內(nèi)涵是“育人”，是知識(shí)傳授與人文精神、科學(xué)精神培養(yǎng)的有機(jī)融合.人文精神是人類獨(dú)有、區(qū)別自然界的自我關(guān)懷，肯定理想，培養(yǎng)人格，追求尊嚴(yán)、價(jià)值與自由，能夠正確化解人與自然、人與社會(huì)之間困境的精神文化狀況.［1］科學(xué)精神是人類在認(rèn)識(shí)和改造世界過(guò)程中以理性精神追求真理所表現(xiàn)出的態(tài)度和規(guī)范，是質(zhì)疑、實(shí)證、創(chuàng)新、自由、平等、包容等科學(xué)態(tài)度和精神氣質(zhì)凝結(jié)在人的意識(shí)和行為層面的精神面貌.［2］挖掘?qū)W史中的“思政元素”可以有效地實(shí)現(xiàn)“課程思政”育人作用.“光的電磁理論確立”學(xué)史簡(jiǎn)介及其中的“思政元素”分析如表1所示.

表1 “光的電磁理論確立”學(xué)史簡(jiǎn)介及“思政元素”分析

以這段學(xué)史簡(jiǎn)介作為楊氏雙縫干涉教學(xué)導(dǎo)入，可以實(shí)現(xiàn)深度教學(xué)：一是可以讓學(xué)生對(duì)光的電磁理論的確立有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)，體會(huì)科學(xué)家們質(zhì)疑、批判、創(chuàng)新、包容的科學(xué)精神，鼓勵(lì)學(xué)生要傳承這種科學(xué)精神；二是讓學(xué)生了解一個(gè)理論的誕生是在科學(xué)家們不斷地質(zhì)疑、批判和創(chuàng)新的過(guò)程中建立起來(lái)的，體會(huì)科學(xué)發(fā)展的前進(jìn)與曲折性、事物的辯證性（提出假說(shuō)→實(shí)驗(yàn)證明→實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)→提出（新的）假說(shuō)→理論研究→實(shí)驗(yàn)證明），如圖1所示；三是讓學(xué)生了解楊氏干涉實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)史中的地位和作用，引發(fā)學(xué)生對(duì)楊氏、楊氏干涉實(shí)驗(yàn)的好奇，進(jìn)而過(guò)渡到楊氏雙縫干涉的學(xué)習(xí).

圖1 光的電磁理論確立過(guò)程

2 設(shè)計(jì)“非常規(guī)”光的干涉實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)、科學(xué)探究能力、創(chuàng)新意識(shí)

新版普通高中物理教科書中提到：光的干涉實(shí)驗(yàn)最早是英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊在1801年成功完成的.托馬斯·楊的時(shí)代沒(méi)有激光，他用日光照亮一條狹縫，通過(guò)這條狹縫的光再通過(guò)雙縫，發(fā)生干涉.這是歷史上著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，它有力地證明了光是一種波.［3］但這不是楊氏干涉實(shí)驗(yàn)最早的提法，在《藝術(shù)中的物理學(xué)》中對(duì)楊氏干涉實(shí)驗(yàn)是這樣描述的：楊（Thomas Young）在1801年做了一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他用一面鏡子反射太陽(yáng)光，經(jīng)過(guò)一塊紅色濾光鏡過(guò)濾后，光束穿過(guò)一個(gè)針孔，投射到一間暗室中，在這里，用一張厚約1 mm的撲克牌，把它像圖2所示那樣放進(jìn)光束中，將光束分成兩束，兩束光發(fā)生相長(zhǎng)干涉和相消干涉，生成干涉圖樣，如圖2所示.［4］

圖2 證明光的波動(dòng)本性的楊氏實(shí)驗(yàn)

《藝術(shù)中的物理學(xué)》對(duì)楊氏干涉實(shí)驗(yàn)的描述，可以讓學(xué)生真真切切地“看到”由一束光獲得兩束相干光、發(fā)生光的干涉的條件：① 濾光鏡的作用，獲得單色光（兩束光頻率相同）；② 針孔的作用，獲得一束非常窄的光束，滿足兩束光的初相位差不隨時(shí)間變化；③ 撲克牌的作用，把一束光分成了兩束光，這兩束光的振動(dòng)方向接近平行；④ 可見光的波長(zhǎng)范圍約是390—760 nm，所以只有用針孔、撲克牌薄厚這樣量級(jí)的障礙物才有可能觀察到光的干涉現(xiàn)象.

《藝術(shù)中的物理學(xué)》對(duì)楊氏干涉實(shí)驗(yàn)的描述，還可以讓學(xué)生真真切切地“看到”物理學(xué)的“美”：用最簡(jiǎn)單的儀器和設(shè)備（反射鏡、濾光鏡、針孔、撲克牌），發(fā)現(xiàn)了最根本、最單純的科學(xué)概念（光的干涉）.培養(yǎng)學(xué)生欣賞物理學(xué)的“美”，并鼓勵(lì)學(xué)生向著這個(gè)方向努力.

根據(jù)《藝術(shù)中的物理學(xué)》對(duì)楊氏干涉實(shí)驗(yàn)的描述，考慮教室實(shí)際環(huán)境，設(shè)計(jì)“非常規(guī)”光的干涉演示實(shí)驗(yàn)：用氦氖激光器代替“太陽(yáng)光＋濾光鏡＋針孔”，把一張普通的撲克牌沿著激光傳播方向放入光束中，并沿著與光傳播方向垂直的方向進(jìn)行微調(diào)，直到在觀察屏上看到明暗相間的干涉圖樣，如圖3所示.

圖3 “非常規(guī)”光的干涉演示實(shí)驗(yàn)

“百聞不如一見，百看不如一干.”在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，可以用小功率的紅色激光筆替代激光器，把這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生自主探究性實(shí)驗(yàn)——“探究光的干涉發(fā)生條件”，讓學(xué)生以小組合作形式完成（提醒學(xué)生在使用激光筆時(shí)注意安全，避免激光直射或反射入人眼），在做的過(guò)程中“體會(huì)”科學(xué)家的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)探究能力，實(shí)現(xiàn)深度教學(xué).① 逢年過(guò)節(jié)時(shí)，大家會(huì)玩撲克牌娛樂(lè)一下，而借助于一張小小的撲克牌可以完成一個(gè)著名的物理實(shí)驗(yàn)是超乎學(xué)生想象的，讓學(xué)生感受到物理就在身邊，能夠非常有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.在此基礎(chǔ)上，提出問(wèn)題，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)交流、討論、分析用“激光筆＋撲克牌”是如何獲得兩束相干光的？建立光的干涉核心概念（當(dāng)兩束光的相位相同，兩束光的振動(dòng)“步調(diào)”相同，合振動(dòng)加強(qiáng)，為相長(zhǎng)干涉；當(dāng)兩束光的相位相反，兩束光的振動(dòng)“步調(diào)”相反，合振動(dòng)減弱，為相消干涉）.實(shí)現(xiàn)從“以教為主”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)為主”.② 學(xué)生對(duì)針孔的大小、撲克牌的厚度在視覺(jué)上、感覺(jué)上有認(rèn)知.在學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)楊氏雙縫干涉時(shí)，可以通過(guò)類比感知雙縫的縫寬、間距的大小，而不是只是通過(guò)一些數(shù)字“看出”雙縫的大小，在“數(shù)量級(jí)”與“實(shí)物”之間建立起近似聯(lián)系，使數(shù)量級(jí)“可視化”，這一點(diǎn)非常重要.③ 這個(gè)“類經(jīng)典”實(shí)驗(yàn)符合“壇壇罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)理念，又符合“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的新課程理念.［5］在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生更加深刻地體會(huì)到了楊氏干涉實(shí)驗(yàn)的“美”、楊氏在這個(gè)實(shí)驗(yàn)上的創(chuàng)新之處.

3 建構(gòu)“雙縫干涉”模型，培養(yǎng)學(xué)生物理科學(xué)思維

上述自主探究實(shí)驗(yàn)是一個(gè)定性分析過(guò)程，為了實(shí)現(xiàn)定量測(cè)量要構(gòu)建“雙縫干涉”模型.利用圖2幫助學(xué)生過(guò)渡到楊氏雙孔干涉實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)、分析雙孔干涉原理，再過(guò)渡到楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)、分析各物理量之間的關(guān)系，建構(gòu)“雙縫干涉”模型，實(shí)現(xiàn)深度教學(xué)，滲透學(xué)生物理科學(xué)思維的培養(yǎng).① 如圖4（a）所示，針孔的作用可以用一個(gè)小孔S替代（遮光板上有一個(gè)小孔），撲克牌的作用可以用兩個(gè)小孔S1、S2替代（遮光板上有兩個(gè)小孔），小孔S、S1、S2足夠小、S1和S2離得很近，，兩塊遮光板平行放置；② 雙孔干涉原理可以借用圖4（b）進(jìn)行分析，S1、S2可以認(rèn)為是兩個(gè)次波的波源，它們來(lái)源于波源S，且始終位于波源S的同一波面上，所以S1、S2發(fā)出的次波頻率相同、相位差不變（恒等于0）、振動(dòng)方向近似平行，滿足兩束光干涉條件；③ 為了提高干涉條紋可見度和觀察范圍，用3個(gè)互相平行的狹縫S、S1、S2代替3個(gè)小孔，此時(shí)的干涉圖樣為等寬等間距的明暗相間的直條紋.條紋位置、條紋間距、波長(zhǎng)與雙縫間距、雙縫到觀察屏距離、光的傳播介質(zhì)有關(guān)，詳細(xì)討論見筆者已發(fā)表的另一篇文章“基于光的干涉概念框架分析楊氏雙縫干涉圖樣的變化”.［6］這就是著名的楊氏雙縫模型.

圖4 雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)是很重要的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)：波長(zhǎng)（很短）反映的是光波空間周期性，直接觀察不到，而條紋間距反映的是干涉場(chǎng)中光強(qiáng)分布的周期性（含有波長(zhǎng)信息），所以可以通過(guò)測(cè)量條紋間距測(cè)光的波長(zhǎng)（楊氏首次測(cè)量了7種顏色光的波長(zhǎng)），這是一種轉(zhuǎn)化放大的測(cè)量方法.

4 結(jié)語(yǔ)

文中詳細(xì)探討了如何利用學(xué)史、“非常規(guī)”光的干涉實(shí)驗(yàn)建構(gòu)“雙縫干涉”模型，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力、進(jìn)行深度教學(xué).實(shí)現(xiàn)了課程思政育人功能、培養(yǎng)了學(xué)生的自主探究能力、物理科學(xué)思維、創(chuàng)新意識(shí)、質(zhì)疑、批判等科學(xué)精神，符合新課程改革背景下的教學(xué)理念.