課改下信息技術(shù)與物理教具整合的實例研究

吳文利

摘? ?要：新的課程改革強調(diào)將信息技術(shù)與高中物理教學(xué)緊密結(jié)合，物理實驗教學(xué)應(yīng)將現(xiàn)代化數(shù)字實驗作為一種重要的物理教具和實驗資源的補充。如用雙縫干涉測量光的波長，在傳統(tǒng)實驗中要獲得穩(wěn)定、清晰的雙縫干涉圖樣比較困難，可操作性不強；需要借助目鏡來觀察現(xiàn)象，借助螺旋測微器來處理數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)較難的同時精確度又不高。所以，要對該實驗教具進行創(chuàng)新改進，就有必要借助信息化技術(shù)創(chuàng)新實驗教具，利用DISLab光照分布傳感器測量波長，從而有效突破難點，提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)；數(shù)字實驗；雙縫干涉；物理教具

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）6-0053-3

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》［１］在課程實施建議中提出，要加強高中物理實驗室建設(shè)，促進學(xué)生實驗?zāi)芰Πl(fā)展，提倡創(chuàng)新實驗方式，強調(diào)要重視現(xiàn)代化的數(shù)字實驗。數(shù)字實驗室系統(tǒng)是利用傳感器、數(shù)字采集器等收集實驗數(shù)據(jù)、得出實驗結(jié)果的現(xiàn)代化實驗系統(tǒng)。利用數(shù)字實驗系統(tǒng)可以使很多難以測量或難以控制的實驗?zāi)軌蝽樌M行［1］。這就要求中學(xué)教師要不斷拓寬自己的知識面和信息技術(shù)水平，提升自己實驗設(shè)計和實驗操作水平，善于挖掘出教材難以突破的實驗問題，設(shè)計直觀的定量探究實驗，致力于提升學(xué)生的動手實踐能力、創(chuàng)造性思維能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、科學(xué)素養(yǎng)［2］。基于此背景，以“實驗：用雙縫干涉測量光的波長”為例，談?wù)剶?shù)字實驗在物理教學(xué)中如何使用以及使用的重要性，以期能拋磚引玉。

1? ? 問題提出

“用雙縫干涉實驗測量光的波長”是新人教版高中物理選擇性必修第一冊第四章第四節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，該實驗是本章的教學(xué)重點與教學(xué)難點，在高考中也常出現(xiàn)。本節(jié)教材中介紹的實驗設(shè)備也是大多數(shù)實驗室配備的設(shè)備（圖1），用的是亮度比較低的白熾燈泡、濾光片、單縫、0.25 mm寬度的雙縫、60 cm～80 cm長度的遮光筒、測量頭和目鏡。

采用傳統(tǒng)設(shè)備進行學(xué)生分組實驗時，操作難度較大，數(shù)據(jù)精確度不夠理想，誤差較大，主要原因有兩個：

一方面，由于所采用的光源亮度較小，對實驗所處的光線亮度環(huán)境要求比較高，加上需要調(diào)節(jié)燈泡、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒器材，這導(dǎo)致實驗現(xiàn)象在毛玻璃屏上亮度不足。為了達到雙縫實驗的清晰度，需要反復(fù)調(diào)整多種器材，導(dǎo)致學(xué)生在實際實驗中的成功率往往不是很高，實驗的可操作性不強，嚴(yán)重制約了學(xué)生在實驗中的積極性。

另一方面，在本次實驗數(shù)據(jù)處理中計算相鄰亮紋之間的距離，需要利用目鏡找到亮條紋中心處和利用螺旋測微器進行測量，在測量時要利用人眼精準(zhǔn)尋找亮紋中心處，是本次實驗誤差的主要來源。為了降低誤差，實驗中一般采取多條亮紋間距，然后求算相鄰亮紋之間的平均值，這導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理的難度增大，因此實驗的可行性和精確性也不是很高。

為了解決上面兩個問題，有必要對本次實驗教具進行創(chuàng)新改進。為了提升實驗的可操作性，我們可以用激光筆替代原有光源（燈泡）。由于激光筆既是單色光，又是相干光，因此本次實驗可以不采用濾光片和單縫，較大程度降低了實驗的操作難度。同時，激光筆能量足夠大，顯著提高了雙縫干涉圖樣的亮度和清晰度。此外，為了精確定位亮暗紋的中心處，本次實驗采用的是數(shù)字化設(shè)備——DISLab光照分布傳感器，利用數(shù)據(jù)采集器將光照分布信號圖傳至電腦，可以直接在電腦屏幕上觀察到亮紋中心處（波峰）和暗紋中心處（波谷）。利用DISLab光照分布傳感器技術(shù)與本節(jié)實驗的高度融合，可以有效解決上述難題，同時也明顯提升了實驗的可操作性、可視性和精確性。

2? ? 創(chuàng)新實驗設(shè)計

2.1? ? 實驗教具的創(chuàng)新

實驗器材：紅色激光筆（650 nm）、寬度為0.25 mm的雙縫、DISLab光照分布傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦、帶有刻度的光具底座（圖2）。

2.2? ? 實驗過程的優(yōu)化

（1）固定紅色激光筆（650 nm）、0.25 mm的雙縫（圖3）、DISLab光照分布傳感器在有刻度的光具座上，并調(diào)節(jié)紅色激光筆的高度，使其光點對準(zhǔn)雙縫，調(diào)試校準(zhǔn)傳感器，并與電腦進行連接。

（2）打開紅色激光筆，觀看實驗現(xiàn)象，通過光學(xué)底座刻度尺記錄雙縫到DISLab光照分布傳感器的距離d，通過電腦屏幕觀看在傳感器上不同位置的光照分布情況（圖4），并且通過圖像記錄相鄰亮紋之間的間距。

（3）多次移動雙縫，改變雙縫到DISLab光照分布傳感器的距離，通過光照分布情況再次記錄亮紋之間的間距，同樣記錄相鄰亮紋之間的間距。

（4）紅色激光筆（650 nm）更換為綠色激光筆（532 nm），重復(fù)上面的實驗步驟，記錄實驗數(shù)據(jù)。

（5）更換間距0.25 mm的雙縫為0.20 mm的雙縫，重復(fù)上面的實驗步驟，記錄數(shù)據(jù)。

2.3? ? 實驗數(shù)據(jù)記錄及誤差分析

對某次實驗數(shù)據(jù)記錄具體說明如下：

（1）相鄰亮紋間距的計算方法

首先選定研究區(qū)域，選擇兩個亮紋的波峰處作為亮紋的中心處，然后從圖中可以看出選定區(qū)域內(nèi)的亮條紋數(shù)為4個（圖5），在圖中有對應(yīng)的距離刻度，軟件自動記錄顯示，所以只要輸入數(shù)據(jù)條紋數(shù)為4，軟件利用其他數(shù)據(jù)（本次實驗是在雙縫到傳感器距離為0.72 m、雙縫間距為0.25 mm的情況下）就自動求算紅光波長為651 nm。

（2）圖中的具體數(shù)據(jù)計算說明

L=0.72 m，d=0.25 mm，選定研究區(qū)域長度7.50 mm（有4個暗紋間距）。

通過數(shù)據(jù)可知Δx=1.875 mm，根據(jù)Δx=L/d λ，

可以得到λ=651 nm。

激光筆銘牌上標(biāo)注的紅色波長為650 nm，可以算出實驗結(jié)果誤差不到0.2%。

（3）改變雙縫到光照分布傳感器的距離

圖中的具體數(shù)據(jù)說明（圖6）：

L=0.52 m，d=0.25 mm，選定研究區(qū)域長度9.42 mm（有7個暗紋間距）。

通過數(shù)據(jù)可知Δx=1.346 mm，根據(jù)Δx=L/d λ，可以得到λ=647 nm。

激光筆銘牌上標(biāo)注的紅色波長為650 nm，可以算出誤差為0.46%。

3? ? 實驗教具創(chuàng)新之處

3.1? ? 利用激光筆提高了干涉實驗的可操作性

通過使用激光筆，可以解決燈泡、濾光片、單縫等眾多器材難以調(diào)節(jié)的棘手問題，可以克服單縫與雙縫需要平行，否則干涉圖樣不清晰的問題，可以改善光源能量不足的問題，從而大大提升本實驗成功的概率，增強了學(xué)生實驗操作的信心，激發(fā)了他們的探究熱情。

3.2? ? 利用動態(tài)演示提高了實驗現(xiàn)象可視化

通過光照分布比率圖，可以直觀地觀察到光強分布，同時可以清晰地看到亮紋之間的等間距。通過傳感器可以實時顯示相鄰亮條紋間距隨著雙縫寬度、激光波長、雙縫到光屏的距離的變化而變化的動態(tài)演示，在不改變d大小的情況下，增大雙縫到光屏之間的距離，實驗效果圖可以清晰地顯示出亮紋間距變寬（圖7）。

3.3? ? 利用精準(zhǔn)定位技術(shù)提高了實驗數(shù)據(jù)的精確化

傳統(tǒng)器材采用人眼定位技術(shù)來確定亮紋或暗紋的中心位置，而用傳感器定點定位技術(shù)則可以有效減小記錄數(shù)據(jù)的難度，只需要選擇兩個亮紋或暗紋的中心處，計算出選定區(qū)域有幾個亮紋或暗紋，從而計算出相鄰亮暗紋的間距。實驗結(jié)果表明，相鄰亮紋之間的實驗數(shù)據(jù)誤差也大大降低。經(jīng)過多次實驗，誤差都能控制在０．５％以內(nèi)，可以說實驗精確程度非常高，因此該實驗方案具有較高的普及性。

4? ? ?結(jié)? 語

在高中物理教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)還有許多深奧、抽象的內(nèi)容僅憑傳統(tǒng)器材很難探究，而信息技術(shù)的數(shù)字實驗的運用可以有效解決這一難題。例如，要定量探究兩個物體處于非平衡態(tài)時作用力和反作用力大小始終相等的關(guān)系；要定量探究系統(tǒng)的合外力為零時，在相互作用中系統(tǒng)的動量始終守恒；要定量探究理想氣體在溫度不變的情況下，玻意耳定律始終成立；要直觀觀察線圈斷電自感現(xiàn)象中電流的變化情況等。這些知識要想讓學(xué)生科學(xué)建構(gòu)起來，顯然利用傳統(tǒng)器材很難定量探究和直觀觀察，也很難突破難點，不利于學(xué)生思維能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。所以，我們針對傳統(tǒng)器材很難探究的實驗，通過科學(xué)的方法，將信息技術(shù)與實驗教具有效融合，創(chuàng)新實驗教具、優(yōu)化實驗方案設(shè)計，可以讓學(xué)生更直觀地了解物理知識發(fā)生和建立的全過程，從而更深入地理解和探究物理知識和規(guī)律，采用這種方式，學(xué)生們不僅能夠獲得更高的學(xué)習(xí)效率，還能培養(yǎng)學(xué)生求真求實的精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，有效提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)和探究物理問題的關(guān)鍵能力。因此，信息技術(shù)在高中物理教學(xué)中的整合應(yīng)用對于核心素養(yǎng)課堂的實現(xiàn)具有重要的意義。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］谷春生．新課標(biāo)下的高中物理實驗教學(xué)實踐研究［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2021（10）：30-32，35.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）