2. 学生实验：用双缝干涉测量光的波长优质课教案内容

《实验:用双缝干涉测量光的波长》教学设计

北京市首都师范大学附属丽泽中学 谷春生

【设计理念】

基于我国对“核心素养”的界定，高中物理教学应注重让学生领悟物理学科的思想方法，体验探究的过程，感受物理学的美妙，增强实践意识，养成良好习惯，培养创新能力等。因此该节课设计了一系列物理探究实验，鼓励学生大胆质疑，积极参与课堂讨论。因为敢质疑、勇提问、勤思考的学生才会对物理的学习产生浓厚的兴趣。探究中注重思维的启迪，避免急切给出问题的结果，引导学生针对物理问题展开质疑，再根据学生的质疑展开教学。课堂上创设在自主学习过程中不断解决自己疑问的过程，潜移默化般提升学生的核心素养。

本节课主要利用光的干涉现象测量光的波长。通过本实验，我们可以更进一步地了解光波产生稳定的干涉现象的条件，观察白光及单色光的干涉图样，并测定单色光的波长。学生在实验中，通过了解每个实验元件的作用，学会科学设计实验仪器和实验方案的思维方法；同时培养学生的实践能力、自学能力，培养学生的科学态度，让学生体验探究科学的艰辛与喜悦。

【教材分析】

《用双缝干涉测量光的波长》利用《光的干涉》的理论知识进行实验与应用，在实际生活应用中有重要意义。托马斯•杨所探究出来的“杨氏双缝干涉实验”是物理学史中一个非常重要的起到划时代意义的物理实验。从知识的前后联系来看，这节课的内容有利于学生对光是一种波作进一步认识；从理论推导的过程来看，有利于强化学生对光的理解；从思维方式上分析，有利于学生进一步建立光是一种波的观念，为今后学习光的其他性质打下基础，起到了承上启下的作用。

【学情分析】

1.学生的兴趣：具有强烈的好奇心。

2.学生的知识基础：已经学过机械波的干涉、光的干涉的知识。

3.学生的认识特点：对生活中的水波等现象有所接触，但对光的波动性半信半疑，对于划时代实验——杨氏双缝干涉实验产生的原因与规律也半信半疑。

【教学目标】

物理观念

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1.从波动的角度理解光的本性，理解波长是光的属性的一个量度。

2.从波动说出发成功地解释杨氏双缝干涉测量波长原理。

科学思维

1.设计实验定性验证相邻两条亮纹中心间距的公式。

2.通过科学推理解释未出现清晰的干涉条纹的原因。

科学探究

1.通过理论探究推导双缝干涉测量波长公式。

2.通过利用双缝干涉测量单色光的波长的实验，知道测量光波长的具体方法。

3.更进一步理解光产生干涉的条件及探究干涉条纹的间距与哪些因素有关。

科学态度与责任

1.体会在科学探究中必须重视理论的指导作用和实验的检验作用。

2.欣赏光的干涉现象的奇妙与和谐，了解杨氏双缝干涉的发现对推动光学发展的划时代物理意义。

3.体会用宏观量测量微观量的方法，对学生进行物理方法的教育。

4.通过本节课，培养学生的科学研究态度，体验探索科学的艰辛与喜悦。

【教学重点】

双缝干涉测量光的波长的实验原理及实验操作。

【教学难点】

x、L、d、λ的准确测量。

【教学方法】

本节课采用实验探究式、启发式、理论推导式、探究讨论式组织教学。在教学中渗透问题探究式学习，充分体现以学生为主体的新课程教学理念。

【教学器材】

双缝干涉仪、光具座、光源、凸透镜、遮光板、学生电源、导线、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头、刻度尺、多媒体等。

【课时安排】 1课时

【教学流程图】

创设情境小问题 探究问题小实验 理论分析 学生分组实验探究

师生共同理论探究 师生启迪升华 实际应用 演示实验探究 第

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课堂小结

【新课教学】

一、引入新课

师：在上新课之前请大家思考一个问题：大千世界信息纷繁多样，这些信息您是怎样感知到的呢？

生：看的、听的、闻的、吃的、尝的……

师：科学家研究发现：人们获得的信息90％来源于眼睛看到的光。正是由于这个光，给我们一个纷繁复杂而多彩的世界，到底光是什么呢？

生：光是电磁波。

师：这种波我们该怎样去研究它呢？今天我们要通过实验探究来研究一下光波的知识，首先研究一下光波的波长。（板书课题）

师：（点击PPT）纷繁复杂的世界，多彩多姿的。回顾我们所熟悉的水波，

水波我们是怎样感知到它的波长的呢？波浪起伏，大家看这相邻的波峰之间的距离，就是水波的波长；绳波我们是怎样感知到它的波长的呢？当抖动绳波的时候，我们瞬态给固化，这样我们也找到了波长（如图1所示）。

师启发：光波我们该怎样找波长呢？回忆在最近的学习中有没有关于光波波长的一个公式呢？先思考，我给大家来一个实验探究，如图2所示。

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图1

[创新实验设计] 演示探究操作：先用绿色激光器照射双缝片，我们可以看到教室墙壁上的绿色光点；再用红色激光器照射相同双缝片，我们可以看到教室墙壁上的红色光点。

师启发：刚才的两个探究实验，操作起来手抖动，观察起来干涉图样抖动，模糊不清，测试很不方便，也无法精准测试，效果不太好，于是物理学家采取了一种改进的方刚学过的关于光大家回答得很表达。

师启发：你想想光是一种波，在现实生活中能直接测量它的波长吗？刚才用到的是激光，激光是一种比较好的相干光源，它产生了双缝干涉。但在这个过程中我们观察到墙上干涉图样在抖动，双缝片也在抖动，手也在抖动，你们想能进行简单的直接测量吗？无法进行！于是物理学家采取了科学的处理方案。让我们回顾物理学史，看看物理学家是怎么探究它们的。

师启发：在物理学史中有一个非常重要的起到划时代意义的物理实验，那就是托马斯•杨所探究出来的“杨氏双缝干涉实验”，我们来共同看一下：在他那个时代没有我们现在非常好的相干光源——激光器产生的，而有这种一个狭缝从平第

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案。回顾最近波长的公式，好，就是这个

行光束中取出来一束线状光源，经过这个狭缝，再到这两个狭缝，从一狭缝到两狭缝的光程相等，于是根据惠更斯原理，我们就得到了两个相干的光源，最后在光屏上马上大家探究将会发现一种神奇的现象，产生了双缝干涉，明暗相间的条纹。

师：在双缝干涉现象中，明暗条纹出现的位置有何规律？

生：当屏上某点到两个狭缝的路程差n=0、1、2…时，出现明

条纹；当二、进行新课

（一）实验原理

n=0、1、2…时，出现暗条纹。

师：那么条纹间距与波长之间的关系该怎样推导呢？下面我们来推导一下。

师：［点击鼠标用背投显示下图及下列说明］

设两缝S1、S2间距离为d，它们所在平面到屏面的距离为l，且l >>d，O是S1S2的中垂线与屏的交点，O到S1、S2距离相等。

推导：（教师板演，学生表达）

由图可知S1P=r1

师：r1与x间关系如何？

d生：r12=l 2+（x-）2

2师：r2呢？

d生：r22=l 2+（x+）2

2师：光程差|r1-r2|呢？（部分学生沉默，因为两根式之差不能进行深入运算）

师：我们可不可以试试平方差？

r22-r12 =（r2-r1）（r2+r1）= 2d x

dx

l师：请大家别忘了我们的任务是寻找Δx与λ的关系。Δr与波长有联系吗？

由于l >>d，且l >>x，所以r1+r2 ≈ 2l，这样就好办了，r2-r1=Δr =第

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生：有。

，n = 0、1、2…时，出现亮纹。

2dnl即•

x = 2n •时出现亮纹，或写成x =

dl2第n条和第（n -1）条（相邻）亮纹间距离Δx为多少呢？

师：好，当Δr = 2n •生：Δx = xn - xn-1

l=［n-（n-1）］

dl师：也就是Δx =·λ

d我们成功了！大家能用语言表述一下条纹间距与波长的关系吗？

生：成正比。

师：对，不过大家别忘了这里l、d要一定。暗纹间距大家说怎么算？

生：一样。

师：结果如何？

生：一样。

师：有了相邻两个亮条纹间距公式Δx=测量光的波长了。即

l·λ，我们就可以用双缝干涉实验来dlxd（二）实验目的



dxl1、观察双缝干涉图样（单色光、白光）

2、测量单色光的波长

（三）实验器材

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教师分别介绍实验仪器及关于仪器的相关说明。

然后播放正规的实验操作视频：

（四）实验仪器安装与操作步骤

指导学生认真观赏视频，准备随后进行操作。

[重要调节指导]：

等高调节：首先将遮光筒平行的架在光具座上，在遮光筒的双缝座端约（35~45）cm处装上灯泡并点亮，在遮光筒的另一端约50cm处，从遮光筒中观察光源，调整遮光筒和光源，使光源位于遮光筒两端口同心圆的圆心处，如上图中图所示，说明已成功完成光源与遮光筒轴心的等高调节。然后依次在光具座上插入凸透镜、遮光板，把它们移至紧贴遮光筒处，调节它们的圆心与遮光筒轴心重合即可，如上图右图所示。

师：好！大家看到了规范的操作视频，下面我再做一下强调说明：

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最后师生总结：

（五）实验步骤及注意事项

1、先将光源、遮光筒依次放于光具座上，调整光源的中心与遮光筒的轴线等高。

2、将凸透镜、遮光板安装在光具座上，使光源、凸透镜、遮光板中心位于遮光筒的轴线上。

3、注意使双缝竖直向下与单缝相互平行，在遮光筒另一端安装测量头，调整分划板位置，使分划板中心刻线位于光屏中央。

4、安装仪器的顺序：光源、遮光筒、凸透镜、遮光板、双缝、单缝、测量头。

5、若出现在光屏上的光很弱，由于不共轴所致。

6、干涉条纹不清晰，与单缝和双缝是否平行有很大关系。

7、测量出n条亮条纹间距a 8、看说明书，得出d和L [说明]：实验过程中教师要注意指导：

（1）双缝干涉仪是比较精密的实验仪器，实验前教师要指导学生轻拿轻放，不第

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要随便拆分遮光筒，测量头等元件，学生若有探索的兴趣应在教师指导下进行。

（2）滤光片、单缝、双缝、目镜等会粘附灰尘，要指导学生用擦镜纸轻轻擦拭，不用其他物品擦拭或口吹气除尘。

（3）安装时，要求学生注意调节光源、透镜、遮光板、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的中心轴线上，并使单缝、双缝平行且竖直，引导学生分析理由。

（4）光源使用线状长丝灯泡，调节时使之与单缝平行且靠近。

（5）实验中会出现像屏上的光很弱的情况。主要是灯丝、单缝、双缝、测量头与遮光筒不共轴线所致；干涉条纹的清晰与否与单缝和双缝是否平行有很大关系。因此以上两步骤要求应在学生实验中引导他们分析，培养分析问题的能力。

（6）实验过程中学生还会遇到各种类似“故障”，教师要鼓励他们分析查找原因。

[重要调节指导]：

光源、凸透镜、单缝中心的共轴调节——两次成像法

当光源、遮光筒、凸透镜、遮光板、单缝、双缝、测量头等都安装好后，确保光源与单缝的间距大于透镜4倍焦距。点亮灯泡，调节凸透镜和遮光板，使灯泡第一次在单缝中心成一放大而清晰的像；然后右移凸透镜和遮光板，使灯泡第二次在单缝中心成一缩小而清晰的像，如果两像都能精准找到，说明光源、凸透镜、单缝中心已完成精准共轴调节，如下图。

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（六）学生分组实验探究：

（七）实验结论

ad(n1)l

学生实验探究成果（下图是精美实验结果照片或请观赏录像课视频）

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拓展思考：

1.为什么不直接测量△x，而要测量n条条纹的间距? 启发学生回答：因为是为了增加求单个条纹间距的准确性，如果直接测量单个条纹间距误差比较大，而这样通过累积的方法测量可以减少实验的相对误差。

2.在通过测量头的目镜测量读数时，发现分划线与干涉亮条纹不平行，该怎么办？

启发学生回答：当分划线与干涉亮条纹不平行时，保持双缝干涉仪前端不动，调节测量头，使测量头分划板整体绕着遮光筒中心轴线顺时针或逆时针缓慢旋转，这样调节可以使分划线与明暗相间的条纹平行，然后再用螺丝紧固测量头，最后可成功完成实验测量。

【布置作业】

举例说明生活中还有哪些现象应用了双缝干涉的知识?

【课堂小结】

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【板书设计】

【教学反思】

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通过本节学习，我们掌握了干涉条纹的间距与光的波长之间的定量关系，即lΔx=·λ，并利用上式测量了光的波长。该实验为我们提供了一种用宏观量测量微d观量的方法。通过“小组合作”的学习方式，以问题解决为主线，科学探究为方法，过程体验为收获，培养核心素养为指向，基本达到了预期的效果。

本实验是高中物理中光学部分最重要的一个实验，也是高中物理中最具有物理味道的一个实验。通过神奇又简单的狭缝使白光变得色彩斑斓，五光十色，难怪当年托马斯•杨第一次观察到这种现象后欣喜若狂。本实验的实验原理是通过相邻亮（或暗）条纹中心间距的表达式测定单色光的波长，推导表达式是本节课的重难点，在推导过程中用到了近似，若是完整证明需要涉及高等数学。亮纹出现的条件是光程差为半波长的偶数倍，这也是学生学习过程中的一个难点，在教学过程中通过教师讲解帮助学生理解。在实验中教材没有使用激光器作为光源，而是采用普通的白炽灯，在学生实验中需要说明凸透镜、滤光片、单缝、双缝、毛玻璃片、遮光仪器的作用分别是什么，其中单缝的作用是难点，单缝的作用是得到一束振动情况相同的线状光源，由于单缝到双缝的距离相等、完全对称，根据惠更斯原理，可以认为双缝对应的两个子波源来自于同一个波面，是两个相干光源。在测定单色光波长的实验中，许多学生往往得不到清晰的干涉图样，本节课我采用两次成像法，指导学生调节，收到了较好的效果。

通过本节课实验探究，学生已经观察到了两个小狭缝产生的相干光源的神奇的干涉图样，并认识到了出现亮条纹和暗条纹的位置特点，体会到了干涉现象对光的波动本质的有力证明。光的干涉现象在生活中较难出现，可以通过引课实验，采用激光作为光源观察激光的干涉图样以形成粗略认识，顿时可以激发起学生强烈的探究欲望。在学习本节课之前学生已经学习了螺旋测微器和游标卡尺的读数，并有一定的实验误差分析基础。

该实验作为光学中的重点实验，本人在指导学生探究的过程中首先让学生观赏了规范操作视频，仔细强调了实验的注意事项，但由于学生在光学实验中的实际操作技能较弱，比如要进一步强调拨杆的作用，如何调动拨杆使单缝与双缝平行？如何进一步把握调节技巧使学生尽快得到清晰的干涉图样？如何尽快地排除实验故障？在教学过程中可适当做一些引导以提高实验的成功率，这些是本人今后努力改进的方向。

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