课改下信息技术与物理教具整合的实例研究

吴文利

摘   要：新的课程改革强调将信息技术与高中物理教学紧密结合，物理实验教学应将现代化数字实验作为一种重要的物理教具和实验资源的补充。如用双缝干涉测量光的波长，在传统实验中要获得稳定、清晰的双缝干涉图样比较困难，可操作性不强；需要借助目镜来观察现象，借助螺旋测微器来处理数据，处理数据较难的同时精确度又不高。所以，要对该实验教具进行创新改进，就有必要借助信息化技术创新实验教具，利用DISLab光照分布传感器测量波长，从而有效突破难点，提升教学效果。

关键词：信息技术；数字实验；双缝干涉；物理教具

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）6-0053-3

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》［１］在课程实施建议中提出，要加强高中物理实验室建设，促进学生实验能力发展，提倡创新实验方式，强调要重视现代化的数字实验。数字实验室系统是利用传感器、数字采集器等收集实验数据、得出实验结果的现代化实验系统。利用数字实验系统可以使很多难以测量或难以控制的实验能够顺利进行［1］。这就要求中学教师要不断拓宽自己的知识面和信息技术水平，提升自己实验设计和实验操作水平，善于挖掘出教材难以突破的实验问题，设计直观的定量探究实验，致力于提升学生的动手实践能力、创造性思维能力，培养学生的创新精神、科学素养［2］。基于此背景，以“实验：用双缝干涉测量光的波长”为例，谈谈数字实验在物理教学中如何使用以及使用的重要性，以期能抛砖引玉。

1    问题提出

“用双缝干涉实验测量光的波长”是新人教版高中物理选择性必修第一册第四章第四节的教学内容，该实验是本章的教学重点与教学难点，在高考中也常出现。本节教材中介绍的实验设备也是大多数实验室配备的设备（图1），用的是亮度比较低的白炽灯泡、滤光片、单缝、0.25 mm宽度的双缝、60 cm～80 cm长度的遮光筒、测量头和目镜。

采用传统设备进行学生分组实验时，操作难度较大，数据精确度不够理想，误差较大，主要原因有两个：

一方面，由于所采用的光源亮度较小，对实验所处的光线亮度环境要求比较高，加上需要调节灯泡、滤光片、单缝、双缝、遮光筒器材，这导致实验现象在毛玻璃屏上亮度不足。为了达到双缝实验的清晰度，需要反复调整多种器材，导致学生在实际实验中的成功率往往不是很高，实验的可操作性不强，严重制约了学生在实验中的积极性。

另一方面，在本次实验数据处理中计算相邻亮纹之间的距离，需要利用目镜找到亮条纹中心处和利用螺旋测微器进行测量，在测量时要利用人眼精准寻找亮纹中心處，是本次实验误差的主要来源。为了降低误差，实验中一般采取多条亮纹间距，然后求算相邻亮纹之间的平均值，这导致实验数据记录和数据处理的难度增大，因此实验的可行性和精确性也不是很高。

为了解决上面两个问题，有必要对本次实验教具进行创新改进。为了提升实验的可操作性，我们可以用激光笔替代原有光源（灯泡）。由于激光笔既是单色光，又是相干光，因此本次实验可以不采用滤光片和单缝，较大程度降低了实验的操作难度。同时，激光笔能量足够大，显著提高了双缝干涉图样的亮度和清晰度。此外，为了精确定位亮暗纹的中心处，本次实验采用的是数字化设备——DISLab光照分布传感器，利用数据采集器将光照分布信号图传至电脑，可以直接在电脑屏幕上观察到亮纹中心处（波峰）和暗纹中心处（波谷）。利用DISLab光照分布传感器技术与本节实验的高度融合，可以有效解决上述难题，同时也明显提升了实验的可操作性、可视性和精确性。

2    创新实验设计

2.1    实验教具的创新

实验器材：红色激光笔（650 nm）、宽度为0.25 mm的双缝、DISLab光照分布传感器、数据采集器、电脑、带有刻度的光具底座（图2）。

2.2    实验过程的优化

（1）固定红色激光笔（650 nm）、0.25 mm的双缝（图3）、DISLab光照分布传感器在有刻度的光具座上，并调节红色激光笔的高度，使其光点对准双缝，调试校准传感器，并与电脑进行连接。

（2）打开红色激光笔，观看实验现象，通过光学底座刻度尺记录双缝到DISLab光照分布传感器的距离d，通过电脑屏幕观看在传感器上不同位置的光照分布情况（图4），并且通过图像记录相邻亮纹之间的间距。

（3）多次移动双缝，改变双缝到DISLab光照分布传感器的距离，通过光照分布情况再次记录亮纹之间的间距，同样记录相邻亮纹之间的间距。

（4）红色激光笔（650 nm）更换为绿色激光笔（532 nm），重复上面的实验步骤，记录实验数据。

（5）更换间距0.25 mm的双缝为0.20 mm的双缝，重复上面的实验步骤，记录数据。

2.3    实验数据记录及误差分析

对某次实验数据记录具体说明如下：

（1）相邻亮纹间距的计算方法

首先选定研究区域，选择两个亮纹的波峰处作为亮纹的中心处，然后从图中可以看出选定区域内的亮条纹数为4个（图5），在图中有对应的距离刻度，软件自动记录显示，所以只要输入数据条纹数为4，软件利用其他数据（本次实验是在双缝到传感器距离为0.72 m、双缝间距为0.25 mm的情况下）就自动求算红光波长为651 nm。

（2）图中的具体数据计算说明

L=0.72 m，d=0.25 mm，选定研究区域长度7.50 mm（有4个暗纹间距）。

通过数据可知Δx=1.875 mm，根据Δx=L/d λ，

可以得到λ=651 nm。

激光笔铭牌上标注的红色波长为650 nm，可以算出实验结果误差不到0.2%。

（3）改变双缝到光照分布传感器的距离

图中的具体数据说明（图6）：

L=0.52 m，d=0.25 mm，选定研究区域长度9.42 mm（有7个暗纹间距）。

通過数据可知Δx=1.346 mm，根据Δx=L/d λ，可以得到λ=647 nm。

激光笔铭牌上标注的红色波长为650 nm，可以算出误差为0.46%。

3    实验教具创新之处

3.1    利用激光笔提高了干涉实验的可操作性

通过使用激光笔，可以解决灯泡、滤光片、单缝等众多器材难以调节的棘手问题，可以克服单缝与双缝需要平行，否则干涉图样不清晰的问题，可以改善光源能量不足的问题，从而大大提升本实验成功的概率，增强了学生实验操作的信心，激发了他们的探究热情。

3.2    利用动态演示提高了实验现象可视化

通过光照分布比率图，可以直观地观察到光强分布，同时可以清晰地看到亮纹之间的等间距。通过传感器可以实时显示相邻亮条纹间距随着双缝宽度、激光波长、双缝到光屏的距离的变化而变化的动态演示，在不改变d大小的情况下，增大双缝到光屏之间的距离，实验效果图可以清晰地显示出亮纹间距变宽（图7）。

3.3    利用精准定位技术提高了实验数据的精确化

传统器材采用人眼定位技术来确定亮纹或暗纹的中心位置，而用传感器定点定位技术则可以有效减小记录数据的难度，只需要选择两个亮纹或暗纹的中心处，计算出选定区域有几个亮纹或暗纹，从而计算出相邻亮暗纹的间距。实验结果表明，相邻亮纹之间的实验数据误差也大大降低。经过多次实验，误差都能控制在０．５％以内，可以说实验精确程度非常高，因此该实验方案具有较高的普及性。

4     结  语

在高中物理教学过程中，我们发现还有许多深奥、抽象的内容仅凭传统器材很难探究，而信息技术的数字实验的运用可以有效解决这一难题。例如，要定量探究两个物体处于非平衡态时作用力和反作用力大小始终相等的关系；要定量探究系统的合外力为零时，在相互作用中系统的动量始终守恒；要定量探究理想气体在温度不变的情况下，玻意耳定律始终成立；要直观观察线圈断电自感现象中电流的变化情况等。这些知识要想让学生科学建构起来，显然利用传统器材很难定量探究和直观观察，也很难突破难点，不利于学生思维能力和创新精神的培养。所以，我们针对传统器材很难探究的实验，通过科学的方法，将信息技术与实验教具有效融合，创新实验教具、优化实验方案设计，可以让学生更直观地了解物理知识发生和建立的全过程，从而更深入地理解和探究物理知识和规律，采用这种方式，学生们不仅能够获得更高的学习效率，还能培养学生求真求实的精神和严谨的科学态度，有效提高学生的物理核心素养和探究物理问题的关键能力。因此，信息技术在高中物理教学中的整合应用对于核心素养课堂的实现具有重要的意义。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］谷春生．新课标下的高中物理实验教学实践研究［J］.中国现代教育装备，2021（10）：30-32，35.

（栏目编辑    刘   荣）