全国优秀物理教学设计《双缝干涉》教学

1、双缝干涉教学设计方案目录（注：蓝色文字为超级链接，按住ctrl 并单击可跳转到相应位置）一、教学内容概述2二、教学目标分析2三、重点和难点2四、学习者特点分析3五、教学策略挑选与设计3六、教学资源与工具设计3七、教学过程5（一） 设疑引入5（二） 专题探究5（三） 归纳总结8（四） 课后摸索8八、教学流程图9九、教学评判设计10十、板书设计11十一、 注释和说明11十二、 教学后记13参考资料16附加说明16双缝干涉教学设计方案一、教学内容概述 返回目录本课所争论的内容选自现行一般高中课程标准试验教科书·物理（人民训练出版社）选修 3-4 第十三章光 ；以往教材对光学部分的处理都是将

2、几何光学和物理光学分解为两章，新课标下的教材将两部分内容整合为一，突出了“光的本性”，更加有利于同学对光现象的深刻熟识和懂得； 本章在第一节得到折射定律后，准时引导同学作深层摸索：通过试验得到的斯涅耳定律与从惠更斯原理得出的波的折射定律数学形式一样，由此是否可以估计光可能是一种波，而“光线”就是光波的波线？（见教材第47 页）使同学自然地由对光的直观认知进展到对光的本性摸索； 这样的编排顺乎人类对光本性熟识的进展规律，也是与高中同学的认知水平相适应的；探究课题来源于教材，但探究过程的设计及细节的处理在教材基础上做了肯定的修改；本课环绕对干涉现象的争论绽开，着力于展现典型的光干涉现象，分析光干涉

3、图样的规律；同学在本课的学习中，不但要懂得其学问内容，更要深刻熟识探究过程中所表达出来的科学争论方法与思想；二、教学目标分析 返回目录1学问与技能熟识双缝干涉条纹的特点；知道影响条纹间距的因素；2过程与方法通过对机械波与光的比较，经受学问的迁移过程；在探究影响条纹间距的诸多因素的过程中，加深对“掌握变量法”的熟识；在专题探究中体验“提出假说理论分析试验验证”的科学探究过程；3情感态度与价值观通过观赏光现象的神奇与漂亮，培育对物理学的爱好；在严格的理论分析和一丝不苟的试验探究过程中培育严谨求实的科学态度；在课题的分析和验证过程中体验探究自然规律的艰辛与欢乐；三、重点和难点 返回目录1重点双缝干涉

4、条纹的特点和影响条纹间距的因素； “提出假说理论分析试验验证”的科学探究过程及思想方法；2难点估计影响条纹间距的因素并设计方案予以验证；四、学习者特点分析 返回目录在前一节课的学习中，同学已经发觉了通过试验得到的斯涅耳定律与从惠更斯原理得出的波的折射定律数学形式惊人的一样，并开头了关于光的本性的摸索；继而通过查阅资料、集体争论明白了人类对光的熟识过程，知道了托马斯· 杨所做的双缝干涉试验，并对比机械波的干涉条件具体分析了双缝干涉仪的工作原理，但具体的试验现象对同学而言仍是一个悬 念；同学虽然没有观看过光的干涉现象，但已经有了丰富的关于机械波干涉的体会；在对机械波的干涉现象争论中，教材

5、并没有直接给出加强区和减弱区的分布规律，但同学经过课内外的探究与争论，已经得到了如下结论：（ 1）两列机械波在匀称介质中发生干涉，假如两个波源振动情形完全相同，就与两波源距离差为波长整数倍的位置是加强区，与两波源距离差为半波长奇数倍的位置是减弱区；（ 2）加强区和减弱区能分别连成一系列双曲线，两个波源是这些双曲线的焦点（由于到两定点的距离差为定值的点的集合是双曲线）；同学已经具有肯定的自主构建新学问框架的才能，可以从已知的物理现象与规律迁移至新的现象与规律；另外， 同学也已经熟识了必要的科学探究方法，如假说、 掌握变量， 等等；五、教学策略挑选与设计返回目录理论分析与试验探究相结合， 在教学设

6、计上更加关注同学猎取学问的过程， 着重为同学搭建自主学习的平台，让同学通过观看、 估计和分析，熟识光的干涉现象， 经受学问的同化和迁移，体验探究自然规律的艰辛与欢乐；“假说”是科学探究的重要要素之一；本课要求同学在试验观看之前，先进行猜想、估计，依据现有学问预知新的规律，然后观看、检验；这一方面是为了克服观看的盲目性，同时更是为了让同学对“假说”这个重要的科学探究环节加深熟识；六、教学资源与工具设计返回目录我们常见的双缝干涉试验仪器如图1 所示（教材第54 页图，我所在的学校使用的就是这样的仪器） ；（图 1）这套仪器调整起来稍显复杂，而且只能通过目镜对现象进行观看；用来做同学分组试验成效尚可

7、， 用来做演示试验就实在勉为其难；但假如同学在本节课的研讨中不能亲眼看到光 的干涉现象， 明显就缺少了一个至关重要的认知环节；为此， 我设计制作了可以对试验结果 进行数字化分析的“双缝干涉分析仪” ；仪器结构如图2 所示（摄像头通过usb 接口与电脑连接，照片中未拍照电脑）；遮光罩摄像头光屏双缝激光器光具座（图 2）双缝干涉分析仪利用激光器作为光源，从而克服了一般光单色性不好、强度较弱的缺点；摄像头将光屏上的干涉条纹实时地传递给运算机进而通过投影仪在大屏幕上显示出来，给同学以最真实、 最清楚的认知感受；这套仪器能够不受外界光环境限制，清楚地在投影屏幕上出现干涉条纹；这套仪器的另一显著特点是将试

8、验现象直接送入了运算机，从而为进一步的定量分析供应了便利；利用图片编辑软件，可以轻松地对干涉条纹进行裁切、测量、比较，这是传统的双缝干涉演示仪器所做不到的；注释一我采纳的图片编辑工具是microsoft公司开发的画图（mspaint ）软件，这套软件操作比较简洁，而且就本课的应用而言其功能已经足够（当然，使用其它图片加工软件未尝不行，如 adobe 公司开发的photoshop 等）；为便于试验探究中进行条纹间距的对比，需要在课前以图片形式预备四组如图3 所示的标尺（储存为bmp 格式以便编辑） ，其中三组标尺分别对应“双缝与光屏的距离对条纹间距的影响”、“双缝间距对条纹间距的影响”、“光的波

9、长对条纹间距的影响”；由于不能预知同学探究结论的显现次序，因此将这三组标尺储存成三个文件 以保证随时便利地调用；最终一组标尺对应“其它因素对条纹间距的影响”；在探究过程中， 可能会有同学认为存在其它影响条纹间距的因素，假如同学在集体争论中发表了这样的观点，那么除了请同学在理论上对其进行分析之外， 在必要的情形下需要通过试验赐予验证；注释二另外， 为了提高课堂效率，老师于课前完成四次验证条纹间距相等的实验并以图片形式储存试验结论，以备课堂演示之用；（图 3）七、教学过程 返回目录（一）设疑引入 返回目录 前一课的争论给同学留下了一个悬念：双缝干涉试验究竟能观看到什么现象？请同学回忆 “光的干涉”

10、 这个曾经长期困扰人类的闻名光现象和托马斯·杨的奇妙试验设计，进一步激发同学的剧烈奇怪心，使同学急迫地想解开这个疑团；（二）专题探究 返回目录 【探究课题一 】双缝干涉试验能够观看到什么样的现象？估计和猜想： 请同学对试验现象进行推测，然后针对此问题沟通观点；由于同学对机械波的干涉现象已经有了深刻的熟识，因此可以通过独立的摸索得出如下估计：光的干涉图样可能是明暗相间的；（注：由于这个问题其实是上节课留下的悬疑，所以有的同学可能在课前就已经作了充分的争论，在此直接给出“明暗相间的等间距条纹”的结论；假如有这样的情形， 老师应当赐予高度的评判，并勉励其他同学发扬这种钻研精神；）试验探究：

11、 利用双缝干涉分析仪进行试验（取光屏到双缝的距离=80cm ，双缝间距 =0.20mm ，激光波长=532nm ）；请同学仔细观看， 描述看到的试验现象；试验可以得到如图4 所示的干涉条纹 （注： 为便于排版， 压缩了图片尺寸，但除此之外未做任何其它加工，下同） ；同学依据试验现象，可以得到如下结论： 干涉图样是明暗相间的等间距条纹；为了进一步检验条纹间距是否相等，可以对条纹进行切割比较（如图5）；为使试验结论更具普遍性，出示课前做过的四组验证条纹间距相等的试验结论（如图6）；阶段性结论：双缝干涉的试验现象：1 明暗相间的条纹；2 条纹间距相等；【探究课题二 】影响条纹间距的因素有哪些？（图

12、4）（图 5）（图 6）小组争论： 请同学留意观看图6，发觉在不同条件下做试验，条纹间距并非一成不变；那么，究竟是哪些因素对条纹间距造成了影响，造成了什么样的影响？请同学绽开小组争论，设计方案找到影响条纹间距的因素；本环节具有高度的敏捷性，老师要答应同学充分发挥其想象力和制造力，只要是合理的方案， 就要赐予确定； 在同学进行小组争论的过程中，老师应在必要时给以肯定的帮忙和提 示；观点沟通： 请同学阐述、沟通自己的观点和成果；同学可能会提出的几种观点及其对观点可能的说明：（ 1）条纹间距与双缝到光屏的距离有关，双缝到光屏的距离越远，条纹间距越大；同学可能做出的第一种说明：联想到在机械波的干涉争论

13、中曾利用作图的方法找到加强区和减弱区，假如能够仿照机械波的规律作出光的干涉示意图（如图 7），就马上可以看出光屏离双缝越近，光屏上相邻加强点（或相邻减弱点）距离越近，即条纹间距越小；学 生 可 能 做 出 的 第二种说明：如图8 所示，s1由几何关系可知（图 7）b 1b 2s b -s b <s b-s ba 1a 222122111s2如 s2b1 -s1b1= ，就s2b2-s1b 2<欲使 s2b 2-s1b 2=，就显（图 8）然要向上移动b2，故相对位置而言，光屏放在位置时条纹间距更大；（ 2）条纹间距与双缝间距有关，双缝间距越小，条纹间距越大；同学可能做出的说明：如图

14、9 所示，由几何关系可知bs2 b-s1b>s 2b-s1 b如 s2b-s1 b= ，就s2b-s1b<欲使 s2 b-s1b= ，就明显要向上移 动 b，故双缝间距越小， 条纹间距越大；（ 3）条纹间距与光的波长有关，光的波长越长，条纹间距越大；同学可能做出的第一种说明：如图7 所示， 仍旧仿照机械波的规律作出光的干涉示意图； 假如增大光的波长， 就相当于把图中全部的圆都做等比例放大；在光屏位置不变的情形下， 明显相邻加强点 （或相邻减弱点） 的距离将变大，即条纹间距变大；同学可能做出的其次种说明：如图10 所示，s2b-s1b=s1 s1s2 s2s1s2a（图 9）ba（图

15、 10）如光的波长增大为 （ >），就 s2b-s1 b< ；欲使 s2b-s1b= ，明显要向上移动b，故光的波长越长，条纹间距越大；以上列举的是同学可能会提出的几种观点及其说明；需要留意的是， 同学解决问题是非常有制造性的， 未必会依据上述次序说出自己的观点，更不肯定用上述方法来说明自己的结 论；老师在此环节中切不行有任何限制同学思维的行为，更不能为了“掌握”课堂而用自己的观点代替同学的摸索；同学在阐述观点的过程中可能会显现错误，此时应以争论的方式对同学的观点进行分析，让同学在对错误观点的剖析中获得进展；另外， 即使是错误的观点往往也有其积极的意义，老师对此肯定要做出科学的评判

16、，更要防止对同学的探究积极性造成损害；此环节是最富于变化的，老师应做到既能让同学充分发挥其制造性，又能很好地把握课堂研讨的方向；每当一个观点得到同学的认可之后，应通过试验检验其正确性；同时，通过试验又能让同学进一步发觉双缝干涉的其它规律；可以采纳掌握变量的方法，通过如下方式对同学的各个观点进行验证：（ 1）试验验证：双缝与光屏的距离对条纹间距的影响；保持其它条件不变，转变双缝与光屏的距离，得到两组干涉条纹；从两幅图像上分别复制相同个数的条 纹注释三 ，粘贴到对应的标尺位置（如图11）；对比这两组条纹，不但同学的观点可以得到验证，甚至同学仍能由这个试验得到一个大胆的 估计条纹间距很可能和双缝与光

17、屏的距离成正比（例如图11 中（图 11）80942，40472 ）；注释四（ 2）试验验证：双缝间距对条纹间距的影响；保持其它条件不变，转变双缝间 距，得到两组干涉条纹；与（1）的操作类似，可以很简洁地验证同学的观点（如图12）；同样，同学也能由这个试验得到一个估计条纹间距很可能和双缝间距成反比（例如图（图 12）12 中0.200.25750.8，940.8 ）；为了更加明显地表达条纹间距 和双缝间距的反比例关系，可以在双缝间距为0.20mm 时得到的图像上选取 4 个条纹，在双缝间距为0.25mm 时得到的图像上选取5 个条纹，比较其长度（如图13），如长度相等，就验证了条纹间距和双缝间

18、距的反比（图 13）例关系；（ 3）试验验证：光的波长对条纹间距的影响；保持其它条件不变， 换用不同的激光器， 得到两组干涉条纹；借助标尺对条纹间距进行比较（如图14），验证同学观点的同时， 又能得到一个估计条纹间距很可能和光的波长 成 正 比 （ 例 如 图14中5320.82 75，650920.82 ） ；阶段性结论：影响条纹间距的因素（括号里是依据试验所得到的推测）：（图 14）1 双缝与光屏的距离（x2 双缝间距（xl ）； 1）；d3 光的波长（x）；（三）归纳总结 返回目录 本节课的研讨成果：一双缝干涉的试验现象：1 明暗相间的条纹；2 条纹间距相等；二影响条纹间距的因素（括号里

19、是依据试验所得到的推测）：1 双缝与光屏的距离（x2 双缝间距（xl ）； 1）；d3 光的波长（x）；（四）课后摸索 返回目录 摸索题一： 除了上述三方面的因素，你认为是否仍存在其它影响条纹间距的因素？我们得到了影响条纹间距的三个因素，但并未声明条纹间距只与这三个因素有关；事实上，可能有的同学会在课堂研讨中就会提出有其它因素影响条纹间距；关于这个问题的摸索 绝非余外， 证明一个物理规律与某个因素无关甚至和证明它与某个因素有关同等重要（例如闻名的光速不变原理就是在阐述一个“无关”：真空中的光速与惯性参考系的选取无关）；同时，这也是一个很好的锤炼同学思维严密性的机会，更有助于培育同学实事求是、一

20、丝不苟的科学作风；摸索题二： 能否进一步得到双缝间距与l 、d、 的定量表达式？这个题目的设置有意引导同学进一步摸索关于双缝干涉更深层次的内容，但这个问题的解决方案决不仅限于教材中的公式证明（见教材第53 页）；由于有了前面的探究铺垫，同学很可能会试图依据本课的三个结论（但应留意：三个比例是经过试验不完全归纳得出来的，尚待更严格的证明）进一步归纳总结出定量的表达式；注释五八、教学流程图 返回目录开头设疑引入给出探究课题一：估计双缝干涉的试验现象摸索，发表观点试验观看双缝干涉观看试验现象，表达条纹特点得到课题一的结论给出探究课题二：探究影响条纹间距的因素环绕课题绽开小组争论同学发表观点其他同学是

21、否认可否 对此观点进行争论试验分析影响条纹间距的因素确定此观点的合理性是分析试验现象，总结规律是是否仍有其它观点否是三个因素是否已全部找到否在学问和方法上赐予必要的提示归纳总结支配课后摸索课题，勉励同学做进一步的探究终止注：流程图所用标记的含义：老师活动同学活动媒体运用规律判定九、教学评判设计 返回目录在课堂探究、研讨的过程中，老师应针对同学的表现准时、精确地赐予评判，另外，也可以创建量规， 在课堂探究完成后对同学进行综合性的量化评判；下面是评判量表的设计方案；班级： 分: 姓名： 得评判评价标准项目等级（权重）分自小教我组师学问与技能过程与方法情感态度与价值观知道双缝干涉的试验现象及条纹特点

22、优秀良好一般较差评价评价评价15129615129620151052015105151296151296知道影响条纹间距的因素熟识假说、掌握变量等科学思想与方法并能运用它们完成探究活动知道将假说上升为理论的途径爱好深厚，积极参加探究活动，勇于发表观点与小组成员间协作默契，彼此协作开心，互帮互助自我点评：小组点评：老师点评：十、板书设计 返回目录§ 13.2.2双缝干涉一、试验现象1明暗相间的条纹2条纹间距相等二、影响条纹间距的因素1双缝到光屏的距离（2双缝间距（xl ）1x）d3光的波长（x）十一、注释和说明 返回目录注释一 关于双缝干涉演示仪的设计： 由于激光光束较细，因此干涉后形

23、成的图像是一系列亮斑（如图15）；为了得到条纹，我通过透镜对激光进行了扩束处理（这个改造被置于激光器 内部），这样即得到了如图16 所示的干涉条纹；我所用的绿色激光器功率为50mw ，扩束后成效很好，但红色激光器功率只有5mw ，光束扩得太大时亮度稍显不够，为兼顾试验的清楚度，对红色激光只做了较小幅度的扩束（如图17）；在初步设计中， 曾考虑用摄像头从如图18 所示的位置对条纹进行摄录，但由于实行这样的拍照方式时摄像头必需有一个仰角（否就摄像头会遮挡光 线），条纹的像会有较明显的变形，故最终改为用摄像头从光屏背面拍照，这样镜头完全与光屏垂直， 从而防止了图像失真；本试验所用的光屏是用复印 纸粘

24、制而成的，实践说明，用这样的光屏观看到的 条纹比用毛玻璃屏观看的清楚得多； 返回 （图 15）（图 16）（图 17）摄像头双缝激光器光屏光具座（图 18）注释二 关于标尺的设计：标尺设计成如图19 所示的形式是不合适的；这样的设计虽然简洁紧凑，但很简洁给同学造成不必要的示意；当同学看到表头的时候，马上意识到条 纹间距肯定和l 、d、 这三个物理量有关，与其它因素无关，从而完全限制了同学的思维；另外，看 到这样的表格，很可能有的同学会认为既然老师都 已经设计好了，那么只要循着老师的思路做就可以 了，从而对同学的探究积极性造成了不良的影响； 因此，宁可做得稍为复杂一点，我们仍是要把各组 标尺分开

25、来设计； 返回 注释三 关于“条纹宽度” 、“条纹间距” 、“n个条纹”的说明：（图 19）事实上， 明暗条纹并没有清楚的界限（如图 4），以上这些都只是通俗的说法；所谓“条纹宽度”、“条纹间距” 指的是某一明条纹的中心线到相邻明条纹的中心线的距离（或某一暗 条纹的中心线到相邻暗条纹的中心线的距离），“n 个条纹” 的计数是从第1 条明条纹的中心 线到第 n+1 条明条纹的中心线（或从第1 条暗条纹的中心线到第n+1 条暗条纹的中心线） ；为简洁起见， ，本文仍实行上述通俗的表达方式； 返回 注释四 关于试验结论的表达：“双缝与光屏距离越远，条纹间距越大” 这个观点经过理论分析和试验验证，在课

26、堂上可以被接受（但严格来讲，只进行一次试验验证也是不够的），但“条纹间距和双缝与光屏 的距离成正比” 这个说法却仅仅是通过一次试验所得到的估计，既没有大量事实作为证据也 没有严格的理论分析，因此不应直接作为结论给出，而要用估计性的语气来表达，在书写板书的时候应以括号对其进行标记；后面的两个比例关系也应当做与此类似的处理；科学工作者必需具备严谨求实、一丝不苟的态度，不能在证据不充分的情形下轻率地下结论；作为老师，更应当时刻留意对同学进行这方面科学作风的培育；另外， 在本课的设计中， 并没有方案通过更多的试验验证或理论分析把这三个估计进展为定论，这一方面是出于课堂效率的考虑，更重要的是为了留给同学

27、足够的摸索与探究空间，同学是有足够的才能把这三个“可能”变成“肯定”的； 返回 注释五 关于双缝间距与l、d、 间定量表达式的试验探究法：在其它条件不变的情形下，xl ，x1 ，x，而x 又与其它因素无关， d故可设xk l，其中 k 是常数；dk 的值可以通过试验来确定，步骤如下：（1）组装仪器，调整光具共轴（为了较精确地调整共轴，可以借助激光器）（2）在光屏上对准主光轴的位置邻近画一条线段，测出其长度s；（3）调整摄像头的位置使线段成像清楚，在大屏幕上测出这条线段的像的长度s；（4）打开激光器，测出第1 个明条纹中心到第n 个明条纹中心的距离x；（5）读出光屏与双缝的距离l 、双缝间距d、

28、光的波长 ；（6）依据 ksxsn1d求出 k 的值；l（7）调整参数，重复试验，考察各次求出的k 值是否特别接近；（ 8 ）如各次所得k 值特别接近，就求出其平均值作为试验结论，否就应分析lxk的正确性以及试验设计的合理性；d留意：第（ 3）步操作之后不得再移动光屏和摄像头；我做了这个试验，下面是我的一次试验数据：s（ cm）s（ cm）x（ cm）nl（ cm）d（ mm） （nm）1.00126.8110.25800.20532据此求得k=1.02；调整参数重复试验，最终得出结论：k=1；l故x 返回 d十二、教学后记 返回目录虽然在教学设计中尽量考虑到课堂上可能发生的各种情形，但实际的

29、教学过程总是敏捷多变的；在这堂课的授课中，显现了如下几个变化：1同学在说明双缝与光屏的距离对条纹间距的影响时，提出了更简洁的方案同学采纳的理论分析方法与第5 页“同学可能做出的第一种说明”类似，但同学并未画出“波峰”和“波谷” ，而是直接应用了“加强区和减弱区能分别连成一系列双曲线”这一结 论，从而使论证更加简洁；其论证过程如下：如图 20 所示， s1 和 s2 是双缝，假设干涉所形成的加强区能够连成如下列图的几条双曲 线（示意图） ，就明显相对位置而言，光屏放在位置时条纹间距更大；故双缝到光屏的距离越远，条纹间距越大；s1s2（图 20）这一方法不但简洁地论证了双缝与光屏的距离对条纹间距的

30、影响，同时也给了其他同学以及老师一个重要的提示（详见第14 页“课后摸索题的变化”）；2同学直接提出了“条纹间距与光的波长成正比”同学实行的论证思路与第5 页“同学可能做出的其次种说明”类似，但同学在2的特别情形下做了一个不完全的论证，最终得到“条纹间距与光的波长成正比”的推断；论证过程如下：b如图 21 所示， b 是与 a 相邻的明条纹，就s2 bs1 bs1如光的波长变为1（2），就as2 bs1 bs22明显此时 b 是与 a 相邻的暗条纹；由于明、暗条纹是等间距分布的，所以此时ab的距离等于半个条纹间距；（图 21）可见， 光的波长变成原先的二倍，条纹间距也变为原先的二倍，故条纹间距

31、与光的波长成正比；虽然这是一个不完全的论证，但同学至此已经明确给出了“条纹间距与光的波长成正比”这一估计；针对这一情形，实行与前述教学方案不同的方式来验证这个观点：已知一只激光器发出的绿光波长是532nm，假设这一正比例关系成立，能否通过试验推算出另一只激光器发出的红光的波长？当然， 利用双缝干涉分析仪完成这个测量是很简洁的（如图 22；课堂研讨中所得的试验结论没有储存，此图是课后重新做这个试验得到的）；虽然试验过程比较简洁，但同学对这个测量过程的热忱是很高的只要知道了一种光的波长，我们就可以利用这套仪器测出其它任何一种光的波长， 这的确是一件令同学兴奋的事情；这一验证方式既防止了连续重复相像的操作给同学造成的疲惫，又（图 22）进一步激发了同学对干涉现象的深厚爱好，同时也能够很好地培育同学思维的敏捷性，勉励同学从不同的角度去摸索问题；当然， 有的同学会考虑：假如一种光的波长也不知道，我们能不能用这套仪器测出来光的波长呢？回答当然是确定的，不过具体的方案就要留给同学自己去设计了（想方法测出成像系统的放大率是关键）；3课后摸索题的变化在布置课后探究课题时，没有提及“摸索题二” ，增加了一个问题： “为什么干涉条纹是等间距的？”之所以这样支配，是出于如下两方