《實(shí)驗(yàn)：用雙縫干涉測量光的波長》學(xué)歷案

《實(shí)驗(yàn)：用雙縫干涉測量光的波長》學(xué)歷案一、學(xué)習(xí)主題用雙縫干涉測量光的波長，探索光的波動性奧秘。二、學(xué)習(xí)目標(biāo)1、知識與技能目標(biāo)理解雙縫干涉的原理，能夠準(zhǔn)確說出產(chǎn)生穩(wěn)定干涉條紋的條件。掌握用雙縫干涉測量光的波長的實(shí)驗(yàn)方法，包括實(shí)驗(yàn)裝置的搭建、調(diào)節(jié)和測量。能根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確計(jì)算出光的波長，并理解實(shí)驗(yàn)誤差的來源及減小誤差的方法。2、過程與方法目標(biāo)通過對雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的操作，培養(yǎng)動手能力和科學(xué)探究能力。學(xué)會分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)知識解決物理問題，提高邏輯思維能力。在實(shí)驗(yàn)過程中，體驗(yàn)科學(xué)探究的步驟：提出問題、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論，培養(yǎng)科學(xué)探究的素養(yǎng)。3、情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)感受光的波動性這一奇妙的物理現(xiàn)象，激發(fā)對物理學(xué)科的興趣和探索自然奧秘的熱情。在實(shí)驗(yàn)小組合作中，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神，學(xué)會與他人交流、分享實(shí)驗(yàn)成果。三、學(xué)習(xí)重難點(diǎn)1、學(xué)習(xí)重點(diǎn)雙縫干涉原理，特別是光程差與干涉條紋間距的關(guān)系。用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)測量光的波長的具體操作過程和數(shù)據(jù)處理。2、學(xué)習(xí)難點(diǎn)理解雙縫干涉產(chǎn)生明暗條紋的條件，尤其是光程差的概念。對實(shí)驗(yàn)誤差的分析和有效減小誤差的方法。四、學(xué)習(xí)過程（一）課前預(yù)習(xí)（20分鐘）1、知識儲備回顧光的干涉現(xiàn)象的基本概念，包括相干光源的條件。可以想象一下，如果兩個(gè)光源發(fā)出的光像兩個(gè)步伐不一致的人走路，那肯定無法產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉現(xiàn)象，只有當(dāng)它們的頻率相同、相位差恒定、振動方向相同的時(shí)候，就像兩個(gè)步伐整齊的人一起走路，才能產(chǎn)生干涉。復(fù)習(xí)波的疊加原理，就像水波相遇時(shí)，有的地方疊加后變得更高（波峰疊加），有的地方變得更低（波谷疊加），光的波也是如此。2、預(yù)習(xí)教材內(nèi)容仔細(xì)閱讀教材中關(guān)于雙縫干涉測量光的波長的部分，圈出不理解的概念和實(shí)驗(yàn)步驟。例如，可能對雙縫間距、光屏到雙縫的距離等概念不太清楚，或者對如何調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置使干涉條紋清晰感到困惑。嘗試自己推導(dǎo)雙縫干涉條紋間距公式。根據(jù)教材中的提示，從光程差的概念出發(fā)，結(jié)合三角形相似等數(shù)學(xué)知識，推導(dǎo)出公式\Deltax=\frac{L}gzi0uao\lambda（這里\Deltax是條紋間距，L是光屏到雙縫的距離，d是雙縫間距，\lambda是光的波長）。如果推導(dǎo)不出來也沒關(guān)系，在課堂上認(rèn)真聽講就好。3、觀看相關(guān)視頻在網(wǎng)上搜索雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的動畫或視頻演示。觀看視頻時(shí)，注意觀察實(shí)驗(yàn)裝置的各個(gè)部件，如光源、單縫、雙縫、光屏等是如何放置的，以及干涉條紋是如何形成的。就像看一場魔術(shù)表演一樣，仔細(xì)觀察每一個(gè)細(xì)節(jié)，這樣在自己做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候就會更加得心應(yīng)手。（二）課堂學(xué)習(xí)（80分鐘）1、導(dǎo)入（5分鐘）老師展示一些光的干涉現(xiàn)象的圖片，比如肥皂泡表面的彩色條紋、油膜上的彩色花紋等。然后提問學(xué)生：“同學(xué)們，你們想知道這些美麗的條紋是怎么形成的嗎？今天我們就通過一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)——用雙縫干涉測量光的波長來探索其中的奧秘?！边@樣可以激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣。2、原理講解（15分鐘）老師結(jié)合黑板上的示意圖講解雙縫干涉的原理。首先，解釋什么是相干光，就像我們前面說的，相干光就像步伐整齊的士兵，頻率相同、相位差恒定、振動方向相同。然后，重點(diǎn)講解光程差的概念，光程差就是兩束光走過的路程之差。當(dāng)光程差是波長的整數(shù)倍時(shí)，就會產(chǎn)生明條紋；當(dāng)光程差是半波長的奇數(shù)倍時(shí)，就會產(chǎn)生暗條紋?？梢杂煤唵蔚臄?shù)學(xué)式子表示為：\delta=r_{2}-r_{1}=k\lambda（明條紋，k=0,1,2,\cdots），\delta=r_{2}-r_{1}=(2k+1)\frac{\lambda}{2}（暗條紋，k=0,1,2,\cdots）。這里\delta是光程差，r_{1}和r_{2}是兩束光的路程。接著，推導(dǎo)雙縫干涉條紋間距公式。根據(jù)幾何關(guān)系，在雙縫到光屏的距離L遠(yuǎn)大于雙縫間距d的情況下，\frac{\Deltax}{L}=\frac{\lambda}xki5b91，所以\Deltax=\frac{L}kyslesq\lambda。老師在推導(dǎo)過程中，要讓學(xué)生跟上思路，鼓勵(lì)學(xué)生提問。3、實(shí)驗(yàn)演示（20分鐘）老師在講臺上進(jìn)行雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的演示。首先，介紹實(shí)驗(yàn)裝置的各個(gè)部件，包括光源（如激光光源）、單縫、雙縫、光屏、測量工具（如卡尺、米尺等）。然后，按照以下步驟進(jìn)行演示操作：調(diào)節(jié)光源，使光線能夠均勻地照射到單縫上。這就像調(diào)整手電筒的角度，讓光準(zhǔn)確地照到需要的地方。調(diào)節(jié)單縫和雙縫的平行度，可以通過微調(diào)旋鈕來實(shí)現(xiàn)。如果單縫和雙縫不平行，就像兩條歪歪扭扭的軌道，光的干涉條紋就無法正常形成。慢慢調(diào)節(jié)光屏的位置，直到在光屏上看到清晰的干涉條紋。這時(shí)候的光屏就像一個(gè)舞臺，干涉條紋就是在這個(gè)舞臺上表演的演員。在演示過程中，老師邊操作邊強(qiáng)調(diào)一些注意事項(xiàng)，比如要避免周圍環(huán)境的光線干擾，因?yàn)槠渌饩€就像不請自來的搗亂者，會影響我們觀察干涉條紋；還有在測量條紋間距和雙縫間距等數(shù)據(jù)時(shí)，要準(zhǔn)確讀數(shù)，就像我們稱東西時(shí)要精確讀數(shù)一樣。4、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)（30分鐘）將學(xué)生分成小組，每組3~5人。每個(gè)小組一套實(shí)驗(yàn)裝置，開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，按照以下步驟進(jìn)行操作：首先，按照老師演示的方法調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置，使光屏上出現(xiàn)清晰的干涉條紋。這個(gè)過程可能需要一些耐心，就像調(diào)整一個(gè)精密的儀器一樣。然后，用卡尺測量雙縫間距d，用米尺測量光屏到雙縫的距離L。測量的時(shí)候要多測量幾次，取平均值，這樣可以減小誤差。接著，選擇一組清晰的干涉條紋，測量相鄰明條紋或暗條紋的間距\Deltax。同樣，也要多測量幾組條紋間距，然后取平均值。在實(shí)驗(yàn)過程中，小組成員要分工合作，比如有的同學(xué)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)裝置，有的同學(xué)負(fù)責(zé)測量數(shù)據(jù)，有的同學(xué)負(fù)責(zé)記錄數(shù)據(jù)等。這樣可以提高實(shí)驗(yàn)效率，也能培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神。老師在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中，巡視各個(gè)小組，及時(shí)解決學(xué)生遇到的問題。比如，如果某個(gè)小組的干涉條紋不清晰，老師可以幫助他們檢查裝置是否調(diào)節(jié)正確；如果學(xué)生在測量數(shù)據(jù)時(shí)遇到困難，老師可以給予指導(dǎo)。5、數(shù)據(jù)分析與結(jié)論（10分鐘）每個(gè)小組根據(jù)測量的數(shù)據(jù)，利用公式\lambda=\frac{d\Deltax}{L}計(jì)算出光的波長。然后，各小組將計(jì)算結(jié)果寫在黑板上。大家一起分析不同小組結(jié)果的差異，討論產(chǎn)生誤差的原因?？赡艿恼`差原因有：測量條紋間距和雙縫間距時(shí)的讀數(shù)誤差、實(shí)驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性不夠、周圍環(huán)境光線的干擾等。最后，老師總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，以及在實(shí)驗(yàn)過程中大家的表現(xiàn)和存在的問題。（三）課后鞏固（60分鐘）1、作業(yè)布置（30分鐘）書面作業(yè)：推導(dǎo)雙縫干涉條紋間距公式，要求詳細(xì)寫出推導(dǎo)過程，包括用到的幾何關(guān)系和物理原理。這就像是對課堂知識的一次復(fù)習(xí)和鞏固，讓學(xué)生更加深入地理解公式的來龍去脈。已知雙縫間距d=0.2mm，光屏到雙縫的距離L=1m，相鄰明條紋間距\Deltax=3mm，計(jì)算光的波長。這里是對公式的直接應(yīng)用，學(xué)生需要準(zhǔn)確代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。拓展作業(yè)：思考如果用不同顏色的光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，干涉條紋會有什么不同？這是一個(gè)開放性的問題，需要學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識，結(jié)合光的頻率、波長等概念進(jìn)行思考。查閱資料，了解雙縫干涉實(shí)驗(yàn)在科學(xué)研究和實(shí)際生活中的應(yīng)用。例如，在光學(xué)儀器的制造、材料的檢測等方面的應(yīng)用。這可以拓寬學(xué)生的知識面，讓學(xué)生了解物理知識的實(shí)用性。2、復(fù)習(xí)與總結(jié)（30分鐘）學(xué)生自己回顧本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容，包括雙縫干涉的原理、實(shí)驗(yàn)操作過程、數(shù)據(jù)處理方法以及誤差分析等?？梢酝ㄟ^畫思維導(dǎo)圖的方式來總結(jié)，把各個(gè)知識點(diǎn)之間的關(guān)系用圖形表示出來，這樣可以使知識更加系統(tǒng)化。然后，與同學(xué)互相交流學(xué)習(xí)心得，分享在實(shí)驗(yàn)過程中的收獲和遇到的問題。比如，有的同學(xué)可能在調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置方面有獨(dú)特的經(jīng)驗(yàn)，有的同學(xué)可能對誤差分析有更深入的理解，通過交流可以互相學(xué)習(xí)，共同提高。五、學(xué)習(xí)評價(jià)1、課堂表現(xiàn)評價(jià)（30分）參與度（10分）：積極參與課堂討論、回答問題的情況。如果總是主動舉手發(fā)言，提出有建設(shè)性的問題或者回答準(zhǔn)確，就可以得到810分；如果只是偶爾參與，得到47分；如果幾乎不參與，只能得到13分。團(tuán)隊(duì)合作（10分）：在小組實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)。如果與小組成員分工明確、合作默契，積極承擔(dān)自己的任務(wù)，幫助其他成員，就可以得到810分；如果能參與合作但存在一些小問題，得到47分；如果在小組中不配合，只能得到13分。實(shí)驗(yàn)操作（10分）：在實(shí)驗(yàn)演示和分組實(shí)驗(yàn)中的操作規(guī)范程度。如果操作熟練、準(zhǔn)確，能夠按照要求完成實(shí)驗(yàn)步驟，并且注意到實(shí)驗(yàn)中的各種細(xì)節(jié)，就可以得到810分；如果操作基本正確但存在一些小失誤，得到47分；如果操作不規(guī)范，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確或者實(shí)驗(yàn)無法順利進(jìn)行，只能得到13分。2、作業(yè)評價(jià)（30分）書面作業(yè)（20分）：按照作業(yè)的完成質(zhì)量和準(zhǔn)確性進(jìn)行評分。如果推導(dǎo)公式過程完整、準(zhǔn)確，計(jì)算結(jié)果正確，就可以得到1620分；如果推導(dǎo)過程存在一些小錯(cuò)誤，計(jì)算結(jié)果基本正確，得到1215分；如果推導(dǎo)過程錯(cuò)誤較多，計(jì)算結(jié)果也錯(cuò)誤，只能得到111分。拓展作業(yè)（10分）：根據(jù)學(xué)生對拓展問題的思考深度和資料查閱的情況進(jìn)行評分。如果對問題有深入的思考，能夠提出合理的觀點(diǎn)，并且查閱的資料豐富、準(zhǔn)確，就可以得到810分；如果思考較淺，資料查閱較少，得到47分；如果沒有認(rèn)真對待拓展作業(yè)，只能得到13分。3、實(shí)驗(yàn)報(bào)告評價(jià)（40分）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?分）：明確闡述實(shí)驗(yàn)?zāi)康模硎銮逦鷾?zhǔn)確得45分，表述模糊得13分。實(shí)驗(yàn)原理（10分）：準(zhǔn)確敘述雙縫干涉原理，包括公式推導(dǎo)、條紋形成條件等。如果原理闡述準(zhǔn)確、詳細(xì)，得810分；如果存在部分錯(cuò)誤或遺漏，得47分；如果原理闡述錯(cuò)誤較多，得13分。實(shí)驗(yàn)步驟（10分）：詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)步驟，包括實(shí)驗(yàn)裝置的調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)的測量等。如果步驟記錄詳細(xì)、準(zhǔn)確，得810分；如果存在一些小錯(cuò)誤或遺漏，得47分；如果步驟記錄混亂、錯(cuò)誤較多，得13分。數(shù)據(jù)記錄與處理（10分）：準(zhǔn)確記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括雙縫間距、光屏到雙縫的距離、條紋間距等，并且正確計(jì)算光的波長。如果數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確，計(jì)算無誤，得810分；如果數(shù)據(jù)記錄存在小錯(cuò)誤，計(jì)算結(jié)果基本正確，得47分；如果數(shù)據(jù)記錄錯(cuò)誤較多，計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤，得13分。誤差分析（5分）：能夠合理分析實(shí)驗(yàn)誤差的來源，如讀數(shù)誤差、環(huán)境干擾等。如果分析合理、全面，得45分；如果分析部分正確，得23分；如果分析不合理或沒有分析，得1分。六、答案1、書面作業(yè)答案雙縫干涉條紋間距公式推導(dǎo)：設(shè)雙縫間距為d，光屏到雙縫的距離為L，光的波長為\lambda，雙縫到光屏上某點(diǎn)的距離分別為r_{1}和r_{2}，光程差\delta=r_{2}-r_{1}。根據(jù)幾何關(guān)系，當(dāng)\theta很小時(shí)，\sin\theta\approx\tan\theta，其中\(zhòng)sin\theta=\frac{\delta}uym9kve，\tan\theta=\frac{\Deltax}{L}，所以\frac{\delta}otm04ct=\frac{\Deltax}{L}。當(dāng)產(chǎn)生明條紋時(shí)，\delta=k\lambda（k=0,1,2,\cdots），代入上式可得\Deltax=\frac{L}x0xvoc9\lambda。已知d=0.2mm=0.2\times10^{-3}m，L=1m，\Deltax=3mm=3\times10^{-3}m，根據(jù)\lambda=\frac{d\Deltax}{L}，則\lambda=\frac{0.2\times10^{-3}\times3\times10^{-3}}{1}m=6\times10^{-7}m。2、拓展作業(yè)答案不同顏色的光頻率不同，根據(jù)c=\lambdaf（c是光速，\lambda是波長，f是頻率），不同顏色的光波長不同。在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，條紋間距\Deltax=\frac{L}bxq0efe\lambda，所以不同顏色的光做實(shí)驗(yàn)時(shí)，干涉條紋間距不同。例如，紅光波長