透視“光的干涉”本質(zhì)一節(jié)新授課

姚芳 王姍姍 張婷玉

隨著物理微觀尺度的發(fā)展，經(jīng)典物理已經(jīng)不能滿足當(dāng)代物理技術(shù)的發(fā)展，微觀物理成為近代物理發(fā)展的主力軍.光的干涉是波動(dòng)力學(xué)的重要組成部分，是“光的本性”一章的重點(diǎn)、難點(diǎn)，更是學(xué)生第一次正式建立微觀的物理體系的開端，在高中整個(gè)物理教學(xué)中具有舉足輕重的作用.由于光的波動(dòng)性的極度抽象特征，僅通過(guò)生硬的實(shí)驗(yàn)觀察、數(shù)學(xué)推理大多學(xué)生很難理解光的干涉的知識(shí)內(nèi)涵.有鑒于此，生態(tài)化的視角提出了透視實(shí)驗(yàn)本質(zhì)的教學(xué)設(shè)計(jì)，以期對(duì)“光的干涉”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)有所裨益.

1 問題的提出

人教版教材“光的干涉”實(shí)驗(yàn)安排在明暗條紋分布規(guī)律之后，實(shí)驗(yàn)之前學(xué)生已學(xué)習(xí)了光程差、相干波等基本概念.傳統(tǒng)光的干涉實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師慣于借助數(shù)學(xué)方式推導(dǎo)，得出干涉實(shí)驗(yàn)測(cè)波長(zhǎng)公式，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)的具體操作訓(xùn)練學(xué)生動(dòng)手操作能力，加深物理規(guī)律的理解.然而真正的教學(xué)實(shí)施中并未產(chǎn)生預(yù)期的效果，一方面雙縫干涉測(cè)波長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)原理推導(dǎo)中，以習(xí)題的形式向?qū)W生展示，禁錮了學(xué)生的思維，未經(jīng)歷整個(gè)探究過(guò)程學(xué)生很難體會(huì)到數(shù)據(jù)處理時(shí)的雙重近似，不注重光的干涉實(shí)驗(yàn)教學(xué)的生態(tài)化，導(dǎo)致教學(xué)外部效度不高等缺陷.另一方面，波長(zhǎng)測(cè)量公式講解后，教材試圖僅通過(guò)選用實(shí)驗(yàn)觀察的方式加深學(xué)生對(duì)光的干涉測(cè)波長(zhǎng)的認(rèn)識(shí)，并未指出“干涉”實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，學(xué)生在做題過(guò)程中僅靠機(jī)械式記憶來(lái)解決問題，往往缺乏對(duì)問題的實(shí)質(zhì)性的理解.沒有相關(guān)的物理意義做支撐，公式蒼白缺乏厚重感，學(xué)生只能憑借機(jī)械式記憶，解題過(guò)程中干涉公式用錯(cuò)不在少數(shù).

2 溯本求源透視實(shí)驗(yàn)本質(zhì)

無(wú)論是部分教師還是學(xué)生，之所以對(duì)波長(zhǎng)求解的定量推導(dǎo)的雙重近似產(chǎn)生疑問，關(guān)鍵原因在于未曾深入分析認(rèn)知干涉原理.針對(duì)以上教學(xué)中出現(xiàn)的問題，我們以原始物理問題為問題的起始點(diǎn)，希冀憑借原始物理問題，透視光的干涉實(shí)驗(yàn)本質(zhì).

2.1 原始物理問題理論推導(dǎo)

學(xué)生通過(guò)上節(jié)課的學(xué)習(xí)，定性掌握了干涉規(guī)律即：兩縫發(fā)出的波到屏的路程差是半波長(zhǎng)偶數(shù)倍時(shí)，屏上出現(xiàn)疊加加強(qiáng)區(qū)，光能量較強(qiáng)，屏幕出現(xiàn)亮條紋.此時(shí)教師應(yīng)向?qū)W生提出這樣的問題：如何利用光的雙縫干涉，測(cè)量單色光的波長(zhǎng)？定量推出一個(gè)表達(dá)式 .光的干涉規(guī)律的探究激發(fā)了學(xué)生求知的欲望，原始物理問題的提出促進(jìn)學(xué)生意義學(xué)習(xí)的進(jìn)一步升華.這是一道典型的原始物理問題，由于沒有提供任何數(shù)據(jù)，學(xué)生要想解決此原始物理問題，需要在理解物理本質(zhì)基礎(chǔ)上，在自主建立恰當(dāng)?shù)哪Ｐ?，設(shè)置數(shù)據(jù)給予解答，具有很強(qiáng)的生態(tài)性.

光波不同于機(jī)械波，光的波動(dòng)性很難直接用眼睛觀察到，學(xué)生前概念中并不認(rèn)同光是一種波，而雙縫干涉實(shí)驗(yàn)恰恰改變了這一弊端.波長(zhǎng)是一個(gè)微小量，直接用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器很難測(cè)量出其長(zhǎng)度值，通過(guò)光的干涉實(shí)驗(yàn)不僅展示其波動(dòng)性，更將光波波長(zhǎng)這一微小量放大，我們達(dá)到測(cè)量光的波長(zhǎng)的目的.

3 教學(xué)啟示

通過(guò)以上兩個(gè)過(guò)程，將生態(tài)化的光的干涉情景全面地呈現(xiàn)給學(xué)生，繼而，提出凸顯物理知識(shí)結(jié)構(gòu)，彰顯光的干涉的物理學(xué)本質(zhì)，適合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平的教學(xué)設(shè)計(jì)，歸結(jié)上述教學(xué)設(shè)計(jì)，我們總結(jié)以下兩點(diǎn)啟示.

3.1 完美詮釋光的干涉教學(xué)的生態(tài)化

物理教學(xué)中強(qiáng)調(diào)在真實(shí)、自然的情境中研究物理規(guī)律，這種真實(shí)情景既不局限于嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推演也不局限于習(xí)題集，而是將原滋原味的物理情景展現(xiàn)給學(xué)生.傳統(tǒng)教師進(jìn)行光的干涉物理知識(shí)的建立時(shí)，未能充分捕捉學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，面對(duì)龐雜的物理系統(tǒng)，學(xué)生很難將光的干涉知識(shí)內(nèi)化.我們知道，波長(zhǎng)是一個(gè)微小量，光的干涉的過(guò)程是微觀機(jī)制的變化過(guò)程，學(xué)生很難對(duì)抽象干涉有感性的認(rèn)識(shí)，干涉現(xiàn)象中，通過(guò)引入光的干涉測(cè)波長(zhǎng)的原始物理問題提出，給學(xué)生創(chuàng)造了一個(gè)真實(shí)鮮活的物理情景，學(xué)生相互討論，進(jìn)行求解，在此過(guò)程中經(jīng)歷物理問題的抽象、賦值、將整個(gè)數(shù)學(xué)過(guò)程進(jìn)行抽象近似，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，完美詮釋了物理教學(xué)的生態(tài)化，保證物理教學(xué)較高的外在效度及較高的應(yīng)用價(jià)值.

3.2 深刻把握光的干涉實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)

我們知道，人們對(duì)物理問題的認(rèn)識(shí)總是在觀察、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再經(jīng)過(guò)一系列的科學(xué)抽象，從現(xiàn)象深入到本質(zhì)，從感性上升到理性，最后形成物理理論.很多光的干涉的實(shí)驗(yàn)僅停留在演示實(shí)驗(yàn)階段，只起到了直觀教學(xué)的作用.然而真實(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不僅應(yīng)該向?qū)W生講清楚整個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理，更應(yīng)該向?qū)W生講清楚為什么要做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，以及這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有什么樣的好處.光的干涉實(shí)驗(yàn)不僅要從視覺現(xiàn)象上給學(xué)生以直觀的感受，還要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給與解釋，通過(guò)明暗相間條紋的實(shí)驗(yàn)觀察，干涉條紋形成的微觀機(jī)制被著意放大，降低了學(xué)生空間思維的難度，培養(yǎng)了學(xué)生的空間想象能力，使光的干涉機(jī)制與干涉條紋規(guī)律得以恰到好處地鏈接，達(dá)到微觀機(jī)制到宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的完美過(guò)渡，精致關(guān)照了學(xué)生思維內(nèi)化的過(guò)程.學(xué)生通過(guò)把握物理內(nèi)涵，繼而深刻理解光的干涉實(shí)驗(yàn)的本質(zhì).