新課改背景下楊氏雙縫干涉深度教學探討

戴 瑞 李金環 王慶勇 劉 重

（1.東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024；2.東北師范大學附屬中學明珠校區，吉林 長春 130118）

若不涉及光的發射和吸收等與物質相互作用的微觀機制，光學在傳統上分為兩部分：幾何光學和物理光學.幾何光學主要討論的是光在透明介質中的傳播以及光學儀器成像等問題；物理光學主要討論的是光的干涉、光的衍射和光的偏振等問題，屬于光的電磁理論.楊氏雙縫干涉是最早、最基本、最重要的雙光束干涉，其基本思想是后續學習薄膜干涉、邁克爾遜干涉儀、光的衍射的基礎，所以對楊氏雙縫干涉進行深度教學非常重要.

1 挖掘學史中的“思政元素”，滲透培養學生質疑、批判、創新、包容等科學精神

許多專家和學者對“課程思政”進行了詮釋，“課程思政”核心內涵是“育人”，是知識傳授與人文精神、科學精神培養的有機融合.人文精神是人類獨有、區別自然界的自我關懷，肯定理想，培養人格，追求尊嚴、價值與自由，能夠正確化解人與自然、人與社會之間困境的精神文化狀況.［1］科學精神是人類在認識和改造世界過程中以理性精神追求真理所表現出的態度和規范，是質疑、實證、創新、自由、平等、包容等科學態度和精神氣質凝結在人的意識和行為層面的精神面貌.［2］挖掘學史中的“思政元素”可以有效地實現“課程思政”育人作用.“光的電磁理論確立”學史簡介及其中的“思政元素”分析如表1所示.

表1 “光的電磁理論確立”學史簡介及“思政元素”分析

以這段學史簡介作為楊氏雙縫干涉教學導入，可以實現深度教學：一是可以讓學生對光的電磁理論的確立有一個全面的認識，體會科學家們質疑、批判、創新、包容的科學精神，鼓勵學生要傳承這種科學精神；二是讓學生了解一個理論的誕生是在科學家們不斷地質疑、批判和創新的過程中建立起來的，體會科學發展的前進與曲折性、事物的辯證性（提出假說→實驗證明→實驗發現→提出（新的）假說→理論研究→實驗證明），如圖1所示；三是讓學生了解楊氏干涉實驗在物理學史中的地位和作用，引發學生對楊氏、楊氏干涉實驗的好奇，進而過渡到楊氏雙縫干涉的學習.

圖1 光的電磁理論確立過程

2 設計“非常規”光的干涉實驗，培養學生主動學習意識、科學探究能力、創新意識

新版普通高中物理教科書中提到：光的干涉實驗最早是英國物理學家托馬斯·楊在1801年成功完成的.托馬斯·楊的時代沒有激光，他用日光照亮一條狹縫，通過這條狹縫的光再通過雙縫，發生干涉.這是歷史上著名的楊氏雙縫干涉實驗，它有力地證明了光是一種波.［3］但這不是楊氏干涉實驗最早的提法，在《藝術中的物理學》中對楊氏干涉實驗是這樣描述的：楊（Thomas Young）在1801年做了一個著名的實驗，在這個實驗中，他用一面鏡子反射太陽光，經過一塊紅色濾光鏡過濾后，光束穿過一個針孔，投射到一間暗室中，在這里，用一張厚約1 mm的撲克牌，把它像圖2所示那樣放進光束中，將光束分成兩束，兩束光發生相長干涉和相消干涉，生成干涉圖樣，如圖2所示.［4］

圖2 證明光的波動本性的楊氏實驗

《藝術中的物理學》對楊氏干涉實驗的描述，可以讓學生真真切切地“看到”由一束光獲得兩束相干光、發生光的干涉的條件：① 濾光鏡的作用，獲得單色光（兩束光頻率相同）；② 針孔的作用，獲得一束非常窄的光束，滿足兩束光的初相位差不隨時間變化；③ 撲克牌的作用，把一束光分成了兩束光，這兩束光的振動方向接近平行；④ 可見光的波長范圍約是390—760 nm，所以只有用針孔、撲克牌薄厚這樣量級的障礙物才有可能觀察到光的干涉現象.

《藝術中的物理學》對楊氏干涉實驗的描述，還可以讓學生真真切切地“看到”物理學的“美”：用最簡單的儀器和設備（反射鏡、濾光鏡、針孔、撲克牌），發現了最根本、最單純的科學概念（光的干涉）.培養學生欣賞物理學的“美”，并鼓勵學生向著這個方向努力.

根據《藝術中的物理學》對楊氏干涉實驗的描述，考慮教室實際環境，設計“非常規”光的干涉演示實驗：用氦氖激光器代替“太陽光＋濾光鏡＋針孔”，把一張普通的撲克牌沿著激光傳播方向放入光束中，并沿著與光傳播方向垂直的方向進行微調，直到在觀察屏上看到明暗相間的干涉圖樣，如圖3所示.

圖3 “非常規”光的干涉演示實驗

“百聞不如一見，百看不如一干.”在實際教學過程中，可以用小功率的紅色激光筆替代激光器，把這個演示實驗改為學生自主探究性實驗——“探究光的干涉發生條件”，讓學生以小組合作形式完成（提醒學生在使用激光筆時注意安全，避免激光直射或反射入人眼），在做的過程中“體會”科學家的創新思維，培養學生主動學習意識、創新意識、科學探究能力，實現深度教學.① 逢年過節時，大家會玩撲克牌娛樂一下，而借助于一張小小的撲克牌可以完成一個著名的物理實驗是超乎學生想象的，讓學生感受到物理就在身邊，能夠非常有效地激發學生的學習興趣.在此基礎上，提出問題，調動學生的學習內驅力，引導學生主動交流、討論、分析用“激光筆＋撲克牌”是如何獲得兩束相干光的？建立光的干涉核心概念（當兩束光的相位相同，兩束光的振動“步調”相同，合振動加強，為相長干涉；當兩束光的相位相反，兩束光的振動“步調”相反，合振動減弱，為相消干涉）.實現從“以教為主”轉變為“以學為主”.② 學生對針孔的大小、撲克牌的厚度在視覺上、感覺上有認知.在學生后續學習楊氏雙縫干涉時，可以通過類比感知雙縫的縫寬、間距的大小，而不是只是通過一些數字“看出”雙縫的大小，在“數量級”與“實物”之間建立起近似聯系，使數量級“可視化”，這一點非常重要.③ 這個“類經典”實驗符合“壇壇罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”的傳統實驗理念，又符合“從生活走向物理，從物理走向社會”的新課程理念.［5］在實驗過程中學生更加深刻地體會到了楊氏干涉實驗的“美”、楊氏在這個實驗上的創新之處.

3 建構“雙縫干涉”模型，培養學生物理科學思維

上述自主探究實驗是一個定性分析過程，為了實現定量測量要構建“雙縫干涉”模型.利用圖2幫助學生過渡到楊氏雙孔干涉實驗的學習、分析雙孔干涉原理，再過渡到楊氏雙縫干涉實驗、分析各物理量之間的關系，建構“雙縫干涉”模型，實現深度教學，滲透學生物理科學思維的培養.① 如圖4（a）所示，針孔的作用可以用一個小孔S替代（遮光板上有一個小孔），撲克牌的作用可以用兩個小孔S1、S2替代（遮光板上有兩個小孔），小孔S、S1、S2足夠小、S1和S2離得很近，，兩塊遮光板平行放置；② 雙孔干涉原理可以借用圖4（b）進行分析，S1、S2可以認為是兩個次波的波源，它們來源于波源S，且始終位于波源S的同一波面上，所以S1、S2發出的次波頻率相同、相位差不變（恒等于0）、振動方向近似平行，滿足兩束光干涉條件；③ 為了提高干涉條紋可見度和觀察范圍，用3個互相平行的狹縫S、S1、S2代替3個小孔，此時的干涉圖樣為等寬等間距的明暗相間的直條紋.條紋位置、條紋間距、波長與雙縫間距、雙縫到觀察屏距離、光的傳播介質有關，詳細討論見筆者已發表的另一篇文章“基于光的干涉概念框架分析楊氏雙縫干涉圖樣的變化”.［6］這就是著名的楊氏雙縫模型.

圖4 雙縫干涉實驗

用雙縫干涉測量光的波長是很重要的學生分組實驗：波長（很短）反映的是光波空間周期性，直接觀察不到，而條紋間距反映的是干涉場中光強分布的周期性（含有波長信息），所以可以通過測量條紋間距測光的波長（楊氏首次測量了7種顏色光的波長），這是一種轉化放大的測量方法.

4 結語

文中詳細探討了如何利用學史、“非常規”光的干涉實驗建構“雙縫干涉”模型，調動學生學習的內驅力、進行深度教學.實現了課程思政育人功能、培養了學生的自主探究能力、物理科學思維、創新意識、質疑、批判等科學精神，符合新課程改革背景下的教學理念.