王敏 高長(zhǎng)賢 魏江兵 陳志偉

摘 要：對(duì)雙相干點(diǎn)光源空間干涉的問(wèn)題進(jìn)行分析時(shí)，在常見(jiàn)的高中甚至是大學(xué)普通物理光學(xué)教科書(shū)中，一般是在傍軸近似條件下得到平面截面處的干涉圖樣，卻并沒(méi)有給出不同平面截面上干涉圖樣的形狀及條紋間距隨坐標(biāo)軸的變化而變化的具體形式。這給中學(xué)的干涉教學(xué)造成誤區(qū)，在此則給出了中學(xué)教師對(duì)于干涉問(wèn)題的教學(xué)探討。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)光源；空間干涉；教學(xué)啟示

中圖分類(lèi)號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002-2589（2014）27-0231-02

引言

雙相干點(diǎn)光源在全空間的干涉曲面和空間任意平面的交線即實(shí)驗(yàn)光屏上所觀察到的干涉條紋，所以光屏上干涉條紋是光源全空間干涉的局部，而雙相干點(diǎn)光源干涉實(shí)際上卻具有全空間性。

一、光的干涉教學(xué)啟示

光的干涉作為中學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容，學(xué)生深刻理解光的干涉是學(xué)好光學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)，又因雙相干點(diǎn)光源空間干涉的曲面方程為旋轉(zhuǎn)雙葉雙曲面[1]，而中學(xué)學(xué)習(xí)的干涉一般為某一平面上的干涉，一般教師的實(shí)驗(yàn)演示是取一線光源，放在講臺(tái)上，使學(xué)生坐在自己的座位上就能看見(jiàn)。發(fā)給每位學(xué)生雙縫和一塊濾光片。讓學(xué)生通過(guò)手持的雙縫直接觀察光源，只要使縫平行于線光源，就會(huì)看到清晰的彩色干涉條紋，如果在雙縫前放置濾光片，就會(huì)看到相應(yīng)的單色光的干涉圖樣，但是教師如果不講授清楚容易對(duì)學(xué)生造成誤解，認(rèn)為干涉只能發(fā)生在特定的平面，而且一定是直條紋的干涉圖樣。所以中學(xué)教師在授課時(shí)有必要向?qū)W生說(shuō)明全空間的干涉性，課本上講解的只是在x或y平面上觀察到的。教師可以做一個(gè)全空間干涉的教具，向?qū)W生演示各個(gè)平面不同的干涉條紋，有直條紋，橢圓條紋，圓條紋，雙曲條紋，這樣將有助于學(xué)生的學(xué)習(xí)與理解。

二、實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的意義

（一）物理實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的地位

物理實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，它既是物理教學(xué)的重要基礎(chǔ)，又是物理教學(xué)的重要內(nèi)容、方法和手段。

1.實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的作用主要是為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)良好的物理環(huán)境，使學(xué)生能在實(shí)驗(yàn)操作中自主地獲得學(xué)習(xí)物理的知識(shí)與能力；同時(shí)，通過(guò)學(xué)生的觀察操作，使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)的基本方法，獲得良好的動(dòng)手能力和實(shí)踐能力。因此，實(shí)驗(yàn)必須成為中學(xué)物理教學(xué)的基礎(chǔ)。

2.實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要內(nèi)容。（1）物理實(shí)驗(yàn)本身就是物理學(xué)中的重要內(nèi)容。物理學(xué)的三種因素：實(shí)驗(yàn)、物理思想和數(shù)學(xué)?？梢?jiàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容就其本身來(lái)說(shuō)就是學(xué)生必須學(xué)，教師必須教的重要內(nèi)容。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分。實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)在概念、規(guī)律的學(xué)習(xí)中必不可少的基礎(chǔ)。沒(méi)有實(shí)驗(yàn)，物理教學(xué)就不能把一堆枯燥難懂的材料變成生動(dòng)的、豐富的物理知識(shí)，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

（3）實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的重要保證。教師的示范和學(xué)生自己的動(dòng)手這一系列的操作，可以使學(xué)生從中學(xué)到實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)、基本技能和基本方法，發(fā)展其能力，培養(yǎng)其良好的實(shí)驗(yàn)素質(zhì)。

3.實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要方法。實(shí)驗(yàn)不僅是物理學(xué)研究的重要方法，也是教師教物理、學(xué)生學(xué)物理的重要方法。通過(guò)試驗(yàn)可以使學(xué)生透徹系統(tǒng)地掌握科學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)及原理，有力激發(fā)學(xué)生的求知欲和探索欲。讓學(xué)生更好地掌握知識(shí)，形成物理學(xué)習(xí)能力，從而也使教學(xué)過(guò)程變得簡(jiǎn)單，直觀，達(dá)到事半功倍的效果。

（二）物理實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的作用

物理實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中又具有十分重要的作用，具體表現(xiàn)為：

1.培養(yǎng)學(xué)生的興趣和激發(fā)學(xué)生的求知欲，創(chuàng)設(shè)良好的學(xué)習(xí)氛圍。中學(xué)生具有好奇、好動(dòng)的天性。物理教學(xué)中各種新奇的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象必然會(huì)激發(fā)他們強(qiáng)烈的興趣。讓學(xué)生多動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，不僅可以滿足學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作的內(nèi)心愿望，而且可以讓學(xué)生不斷體會(huì)和嘗到“發(fā)現(xiàn)”和“克服困難、解決問(wèn)題、獲得成功”后的喜悅，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的動(dòng)力和信心。

同時(shí)許多物理概念和規(guī)律都是從大量的具體生活事例中概括出來(lái)的。教學(xué)中感性知識(shí)的形成是物理知識(shí)和概念學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。而感性生活既可以來(lái)自于學(xué)生的生活又可以來(lái)自于學(xué)生的課堂實(shí)驗(yàn)。而與生活事例相比，實(shí)驗(yàn)具有典型性、重復(fù)性、趣味性、定性和定量研究的全面性的特性，更利于學(xué)生從中總結(jié)特點(diǎn)。歸納知識(shí)，形成全面的知識(shí)體系。

2.訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)方法。實(shí)驗(yàn)是對(duì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)造意識(shí)訓(xùn)練和科學(xué)方法訓(xùn)練的有效途徑。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中經(jīng)常要用到實(shí)驗(yàn)歸納法、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證法、真實(shí)實(shí)驗(yàn)與理想實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法、追溯機(jī)遇的方法。如伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)以及在測(cè)定有限次平均速度的基礎(chǔ)上，推論到位移趨于零時(shí)平均速度的極限，從而建立即時(shí)速度的概念和倫琴在偶然機(jī)會(huì)中發(fā)現(xiàn)X射線。這些方法不僅可以讓學(xué)生更快地學(xué)會(huì)知識(shí)，更可以發(fā)展學(xué)生的想象力和邏輯推理能力。

3.培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)素質(zhì)。通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)我們可以培養(yǎng)學(xué)生在態(tài)度上實(shí)事求是，在工作上嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真，在意志上堅(jiān)韌不拔等優(yōu)良的科學(xué)實(shí)驗(yàn)與探究品質(zhì)，使學(xué)生形成良好的科學(xué)素養(yǎng)，為學(xué)生未來(lái)的發(fā)展奠定良好的內(nèi)在基礎(chǔ)[2]。

三、楊氏雙縫干涉教學(xué)

教師向?qū)W生說(shuō)明光具有全空間的干涉性后，就要向?qū)W生介紹楊氏雙縫干涉了。這一課是人教版普通高中物理選修3-4第十三章的重點(diǎn)章節(jié)，本節(jié)課是一堂典型的探究式課堂教學(xué)，教學(xué)中應(yīng)體現(xiàn)新課程學(xué)習(xí)的理念。教學(xué)中一般要設(shè)置多個(gè)探究點(diǎn)，學(xué)生在自主學(xué)習(xí)，合作學(xué)習(xí)，探究學(xué)習(xí)的過(guò)程中不僅掌握了知識(shí)，更重要的是學(xué)會(huì)了研究問(wèn)題的方法。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中興趣盎然，積極主動(dòng)地參與到教學(xué)中，從而培養(yǎng)了學(xué)習(xí)物理的興趣。在實(shí)際教學(xué)中教師可以通過(guò)六個(gè)方面的探究式教學(xué)，可以較好地完成了教學(xué)目標(biāo)。

（一）學(xué)情分析重實(shí)際

第一，學(xué)生的興趣。學(xué)生具有強(qiáng)烈的好奇心和求知欲，對(duì)觀察演示實(shí)驗(yàn)及動(dòng)手操作具有極大的興趣。

第二，學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)。學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)光學(xué)的一些基本知識(shí)以及機(jī)械波的干涉的相關(guān)知識(shí)。學(xué)生在生活中缺乏對(duì)光的干涉現(xiàn)象的直觀經(jīng)驗(yàn)，但是具有對(duì)水波、聲波等機(jī)械波干涉的經(jīng)驗(yàn)與理論。學(xué)生對(duì)于“光程差”不易理解，但對(duì)“光的傳播路程”和相位差有一定的理解。

第三，學(xué)生在以往的學(xué)習(xí)中已有一定的自主構(gòu)建新知識(shí)框架的能力，可以從已感知的機(jī)械波干涉現(xiàn)象與規(guī)律延伸至待認(rèn)定的光是波的推想。且學(xué)生已有一定的物理學(xué)科方法，如觀察與分析實(shí)驗(yàn)，假說(shuō)方法，從現(xiàn)象中歸納規(guī)律等。引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，找出其解決方法，以理解光的干涉的條件是比較適合進(jìn)行探究式教學(xué)的探索的。

（二）引課有創(chuàng)意

首先用具有感染力的語(yǔ)言邀請(qǐng)學(xué)生表演他們兒時(shí)玩過(guò)的游戲：吹泡泡，通過(guò)吹泡泡引領(lǐng)學(xué)生觀察泡泡上光的變化。這樣引入新課，能使學(xué)生產(chǎn)生一種親切感，愿意積極參與，并且興趣盎然；接下來(lái)用圖片展示：幾種常見(jiàn)的光的干涉現(xiàn)象，讓學(xué)生覺(jué)得光的干涉現(xiàn)象離我們生活很近，生活中處處有光的干涉，有關(guān)于物理的各種有趣現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生深入了解生活的習(xí)慣，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)探究學(xué)習(xí)物理的熱情和積極性。

（三）教學(xué)設(shè)計(jì)有新意

“授人以魚(yú)，供一飯之需；授人以漁，則終身受用?！苯谭ǖ膶?shí)質(zhì)是學(xué)法，教學(xué)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)是學(xué)生學(xué)習(xí)方法的設(shè)計(jì)。教學(xué)過(guò)程中學(xué)生的認(rèn)知體驗(yàn)、情感體驗(yàn)以及道德體驗(yàn)決定著教學(xué)的最終結(jié)果。教無(wú)定法，學(xué)無(wú)定式，因此在備課時(shí)要對(duì)教材進(jìn)行重新整合。教材的安排是這樣的：先演示楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，之后再講決定條紋間距的條件。但是介于普通光源的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)只能在暗室內(nèi)做，且只能排隊(duì)一個(gè)個(gè)地觀察，無(wú)法在課堂現(xiàn)場(chǎng)演示；因此要把教材中的教師演示實(shí)驗(yàn)變成了學(xué)生分組探究實(shí)驗(yàn)，這樣既可以使學(xué)生親身體驗(yàn)到光的干涉現(xiàn)象，又可以節(jié)省課堂教學(xué)時(shí)間，同時(shí)使課堂教學(xué)效果大大增強(qiáng)，達(dá)到事半功倍的目的。而且學(xué)生的探究實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單易行，不受教室光線強(qiáng)弱限制，能使每位學(xué)生在自己座位上切實(shí)看到光的干涉圖樣。盡管這些均勻排布的干涉條紋的強(qiáng)度受到單縫衍射圖樣的調(diào)制，但其衍射中央條紋中的干涉圖樣對(duì)本節(jié)教學(xué)的演示就足以說(shuō)明問(wèn)題了。因此，本環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)完全體現(xiàn)了教學(xué)方式和方法的創(chuàng)新點(diǎn)。

（四）探究有層次

考慮到探究的難度和學(xué)生的實(shí)際決定讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行師生共同探究。首先教師要通過(guò)讓學(xué)生觀察水波和聲波的干涉視頻，要求學(xué)生類(lèi)比兩種干涉現(xiàn)象對(duì)單色光的干涉展開(kāi)合理猜想，調(diào)動(dòng)學(xué)生驗(yàn)證猜想的積極性。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)這一環(huán)節(jié)中學(xué)生自主設(shè)計(jì)的困難很大，所以引導(dǎo)的比較多，當(dāng)遇到困難時(shí)，不要直接告訴學(xué)生結(jié)論，而是通過(guò)啟發(fā)學(xué)生觀察水波的干涉裝置繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生想辦法克服困難。探究過(guò)程中應(yīng)留給學(xué)生充分的觀察、思考、設(shè)計(jì)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的空間，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中充滿質(zhì)疑和探究意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究的能力。體會(huì)“楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)”所蘊(yùn)含的巧妙的方法，并通過(guò)小組討論和合作完成實(shí)驗(yàn)和探究過(guò)程。

（五）課件有實(shí)效

光的干涉一課中的理論分析的部分特別適合用課件來(lái)展示。所以教師應(yīng)充分利用了物理課件，實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與教學(xué)內(nèi)容恰當(dāng)有效的整合，而且有效地突出了重點(diǎn)，巧妙地突破了難點(diǎn)。

首先，課件具有互動(dòng)性強(qiáng)、仿真度高的特性，可以模擬一些不易實(shí)際操作或無(wú)法操作的實(shí)驗(yàn)。實(shí)際教學(xué)中，面對(duì)各種條件的限制，教師在進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)往往只能“紙上談兵”，這就失去了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的預(yù)期目的和意義。而教學(xué)中的課件正好就彌補(bǔ)了教學(xué)中的不足，教師可以從網(wǎng)上下載或制作互動(dòng)性強(qiáng)、仿真度高的課件。上課時(shí)，讓學(xué)生在電腦上分組或單獨(dú)通過(guò)對(duì)課件的操作，這樣就達(dá)到了和實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)一樣的教學(xué)和學(xué)習(xí)效果。

其次，課件可以展示不易操作和不易觀察的演示實(shí)驗(yàn)。本教學(xué)中，雖然對(duì)學(xué)生進(jìn)行了分組教學(xué)，但光的干涉現(xiàn)象難以長(zhǎng)時(shí)間保存，學(xué)生也難以同時(shí)看到一樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而我們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)資源，下載實(shí)驗(yàn)的操作實(shí)錄，做成內(nèi)容充實(shí)、互動(dòng)性強(qiáng)的演示實(shí)驗(yàn)課件在課堂上展示給學(xué)生同樣也可以順利完成教學(xué)任務(wù)。

最后，利用課件重現(xiàn)和重作實(shí)驗(yàn)，為實(shí)驗(yàn)的綜合學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。互動(dòng)性強(qiáng)，仿真性高的模擬分組實(shí)驗(yàn)課件和演示實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)課件，使學(xué)生能既快速又方便地熟悉和掌握演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象和分組實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和方法，對(duì)進(jìn)一步深層次、高難度的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)和分析提供了扎實(shí)的基礎(chǔ)。為老師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生自主的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，提供了極大的方便。

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