中学光的干涉实验教学研究

王敏 高长贤 魏江兵 陈志伟

摘 要：对双相干点光源空间干涉的问题进行分析时，在常见的高中甚至是大学普通物理光学教科书中，一般是在傍轴近似条件下得到平面截面处的干涉图样，却并没有给出不同平面截面上干涉图样的形状及条纹间距随坐标轴的变化而变化的具体形式。这给中学的干涉教学造成误区，在此则给出了中学教师对于干涉问题的教学探讨。

关键词：点光源；空间干涉；教学启示

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：1002-2589（2014）27-0231-02

引言

双相干点光源在全空间的干涉曲面和空间任意平面的交线即实验光屏上所观察到的干涉条纹，所以光屏上干涉条纹是光源全空间干涉的局部，而双相干点光源干涉实际上却具有全空间性。

一、光的干涉教学启示

光的干涉作为中学教学的重要内容，学生深刻理解光的干涉是学好光学知识的基础，又因双相干点光源空间干涉的曲面方程为旋转双叶双曲面[1]，而中学学习的干涉一般为某一平面上的干涉，一般教师的实验演示是取一线光源，放在讲台上，使学生坐在自己的座位上就能看见。发给每位学生双缝和一块滤光片。让学生通过手持的双缝直接观察光源，只要使缝平行于线光源，就会看到清晰的彩色干涉条纹，如果在双缝前放置滤光片，就会看到相应的单色光的干涉图样，但是教师如果不讲授清楚容易对学生造成误解，认为干涉只能发生在特定的平面，而且一定是直条纹的干涉图样。所以中学教师在授课时有必要向学生说明全空间的干涉性，课本上讲解的只是在x或y平面上观察到的。教师可以做一个全空间干涉的教具，向学生演示各个平面不同的干涉条纹，有直条纹，椭圆条纹，圆条纹，双曲条纹，这样将有助于学生的学习与理解。

二、实验在物理教学中的意义

（一）物理实验在教学中的地位

物理实验及其教学是物理教学的重要组成部分，它既是物理教学的重要基础，又是物理教学的重要内容、方法和手段。

1.实验是物理教学的重要基础。实验在物理教学中的作用主要是为学生创造一个良好的物理环境，使学生能在实验操作中自主地获得学习物理的知识与能力；同时，通过学生的观察操作，使学生掌握实验的基本方法，获得良好的动手能力和实践能力。因此，实验必须成为中学物理教学的基础。

2.实验是物理教学的重要内容。（1）物理实验本身就是物理学中的重要内容。物理学的三种因素：实验、物理思想和数学。可见，实验内容就其本身来说就是学生必须学，教师必须教的重要内容。

（2）实验教学是物理教学的重要组成部分。实验是物理教学在概念、规律的学习中必不可少的基础。没有实验，物理教学就不能把一堆枯燥难懂的材料变成生动的、丰富的物理知识，不利于激发学生的学习兴趣和调动学生的积极性。

（3）实验是培养学生实践能力的重要保证。教师的示范和学生自己的动手这一系列的操作，可以使学生从中学到实验的基本知识、基本技能和基本方法，发展其能力，培养其良好的实验素质。

3.实验是物理教学的重要方法。实验不仅是物理学研究的重要方法，也是教师教物理、学生学物理的重要方法。通过试验可以使学生透彻系统地掌握科学规律的发现及原理，有力激发学生的求知欲和探索欲。让学生更好地掌握知识，形成物理学习能力，从而也使教学过程变得简单，直观，达到事半功倍的效果。

（二）物理实验在物理教学中的作用

物理实验在物理教学中又具有十分重要的作用，具体表现为：

1.培养学生的兴趣和激发学生的求知欲，创设良好的学习氛围。中学生具有好奇、好动的天性。物理教学中各种新奇的实验现象必然会激发他们强烈的兴趣。让学生多动手做实验，不仅可以满足学生实际动手操作的内心愿望，而且可以让学生不断体会和尝到“发现”和“克服困难、解决问题、获得成功”后的喜悦，增强学习的动力和信心。

同时许多物理概念和规律都是从大量的具体生活事例中概括出来的。教学中感性知识的形成是物理知识和概念学习的基础。而感性生活既可以来自于学生的生活又可以来自于学生的课堂实验。而与生活事例相比，实验具有典型性、重复性、趣味性、定性和定量研究的全面性的特性，更利于学生从中总结特点。归纳知识，形成全面的知识体系。

2.训练学生的科学方法。实验是对学生进行创造意识训练和科学方法训练的有效途径。在实验教学中经常要用到实验归纳法、实验验证法、真实实验与理想实验相结合的方法、追溯机遇的方法。如伽利略的理想斜面实验以及在测定有限次平均速度的基础上，推论到位移趋于零时平均速度的极限，从而建立即时速度的概念和伦琴在偶然机会中发现X射线。这些方法不仅可以让学生更快地学会知识，更可以发展学生的想象力和逻辑推理能力。

3.培养学生良好的科学素质。通过物理实验教学我们可以培养学生在态度上实事求是，在工作上严谨认真，在意志上坚韧不拔等优良的科学实验与探究品质，使学生形成良好的科学素养，为学生未来的发展奠定良好的内在基础[2]。

三、杨氏双缝干涉教学

教师向学生说明光具有全空间的干涉性后，就要向学生介绍杨氏双缝干涉了。这一课是人教版普通高中物理选修3-4第十三章的重点章节，本节课是一堂典型的探究式课堂教学，教学中应体现新课程学习的理念。教学中一般要设置多个探究点，学生在自主学习，合作学习，探究学习的过程中不仅掌握了知识，更重要的是学会了研究问题的方法。在学习的过程中兴趣盎然，积极主动地参与到教学中，从而培养了学习物理的兴趣。在实际教学中教师可以通过六个方面的探究式教学，可以较好地完成了教学目标。

（一）学情分析重实际

第一，学生的兴趣。学生具有强烈的好奇心和求知欲，对观察演示实验及动手操作具有极大的兴趣。

第二，学生的知识基础。学生已经学习过光学的一些基本知识以及机械波的干涉的相关知识。学生在生活中缺乏对光的干涉现象的直观经验，但是具有对水波、声波等机械波干涉的经验与理论。学生对于“光程差”不易理解，但对“光的传播路程”和相位差有一定的理解。

第三，学生在以往的学习中已有一定的自主构建新知识框架的能力，可以从已感知的机械波干涉现象与规律延伸至待认定的光是波的推想。且学生已有一定的物理学科方法，如观察与分析实验，假说方法，从现象中归纳规律等。引导学生从实验中发现问题，找出其解决方法，以理解光的干涉的条件是比较适合进行探究式教学的探索的。

（二）引课有创意

首先用具有感染力的语言邀请学生表演他们儿时玩过的游戏：吹泡泡，通过吹泡泡引领学生观察泡泡上光的变化。这样引入新课，能使学生产生一种亲切感，愿意积极参与，并且兴趣盎然；接下来用图片展示：几种常见的光的干涉现象，让学生觉得光的干涉现象离我们生活很近，生活中处处有光的干涉，有关于物理的各种有趣现象，培养学生深入了解生活的习惯，调动学生主动探究学习物理的热情和积极性。

（三）教学设计有新意

“授人以鱼，供一饭之需；授人以渔，则终身受用。”教法的实质是学法，教学过程实质上是学生的学习过程，教学设计实质是学生学习方法的设计。教学过程中学生的认知体验、情感体验以及道德体验决定着教学的最终结果。教无定法，学无定式，因此在备课时要对教材进行重新整合。教材的安排是这样的：先演示杨氏双缝干涉实验，之后再讲决定条纹间距的条件。但是介于普通光源的杨氏双缝干涉实验只能在暗室内做，且只能排队一个个地观察，无法在课堂现场演示；因此要把教材中的教师演示实验变成了学生分组探究实验，这样既可以使学生亲身体验到光的干涉现象，又可以节省课堂教学时间，同时使课堂教学效果大大增强，达到事半功倍的目的。而且学生的探究实验简单易行，不受教室光线强弱限制，能使每位学生在自己座位上切实看到光的干涉图样。尽管这些均匀排布的干涉条纹的强度受到单缝衍射图样的调制，但其衍射中央条纹中的干涉图样对本节教学的演示就足以说明问题了。因此，本环节的教学设计完全体现了教学方式和方法的创新点。

（四）探究有层次

考虑到探究的难度和学生的实际决定让学生在教师的引导下进行师生共同探究。首先教师要通过让学生观察水波和声波的干涉视频，要求学生类比两种干涉现象对单色光的干涉展开合理猜想，调动学生验证猜想的积极性。设计实验这一环节中学生自主设计的困难很大，所以引导的比较多，当遇到困难时，不要直接告诉学生结论，而是通过启发学生观察水波的干涉装置继续引导学生想办法克服困难。探究过程中应留给学生充分的观察、思考、设计、进行实验的空间，使学生在学习过程中充满质疑和探究意识，培养学生自主学习和探究的能力。体会“杨氏双缝干涉实验”所蕴含的巧妙的方法，并通过小组讨论和合作完成实验和探究过程。

（五）课件有实效

光的干涉一课中的理论分析的部分特别适合用课件来展示。所以教师应充分利用了物理课件，实现了信息技术与教学内容恰当有效的整合，而且有效地突出了重点，巧妙地突破了难点。

首先，课件具有互动性强、仿真度高的特性，可以模拟一些不易实际操作或无法操作的实验。实际教学中，面对各种条件的限制，教师在进行一些实验教学时往往只能“纸上谈兵”，这就失去了实验教学的预期目的和意义。而教学中的课件正好就弥补了教学中的不足，教师可以从网上下载或制作互动性强、仿真度高的课件。上课时，让学生在电脑上分组或单独通过对课件的操作，这样就达到了和实际操作的实验一样的教学和学习效果。

其次，课件可以展示不易操作和不易观察的演示实验。本教学中，虽然对学生进行了分组教学，但光的干涉现象难以长时间保存，学生也难以同时看到一样的实验结果。而我们通过网络资源，下载实验的操作实录，做成内容充实、互动性强的演示实验课件在课堂上展示给学生同样也可以顺利完成教学任务。

最后，利用课件重现和重作实验，为实验的综合学习奠定基础。互动性强，仿真性高的模拟分组实验课件和演示实验资源库课件，使学生能既快速又方便地熟悉和掌握演示实验的现象和分组实验的过程和方法，对进一步深层次、高难度的实验学习和分析提供了扎实的基础。为老师的实验教学和学生自主的实验学习，提供了极大的方便。

参考文献：

[1]于建强，袁景和.双相干点光源干涉的一般分析[J].大学物理，2006（9）.

[2]赵凯华，钟锡华.光学[M].北京：北京大学出版社，1982：169-176.