顧 琦

（無錫市第一中學(xué)，江蘇 無錫 214000）

設(shè)計思路：從教學(xué)要求上來看，“波的干涉”以定性分析為主，但是學(xué)生不太容易理解和掌握，學(xué)習(xí)后仍然錯誤頻現(xiàn).究其原因，一方面是學(xué)生對波的疊加、波的干涉等現(xiàn)象缺乏生活經(jīng)驗(yàn)和感性認(rèn)識，另一方面是干涉現(xiàn)象形成的動態(tài)過程對抽象思維的要求比較高，不少學(xué)生僅停留在了“記住”的層面上.

針對這兩個方面，筆者在本節(jié)課的設(shè)計中，通過演示實(shí)驗(yàn)和計算機(jī)輔助手段創(chuàng)造條件，讓學(xué)生對現(xiàn)象充分觀察、合理分析；在波的干涉現(xiàn)象中增加鋪墊，重視過程分析，從而使學(xué)生對整個動態(tài)過程有全面的認(rèn)識.

教學(xué)目標(biāo)：讓學(xué)生在充分觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，總結(jié)出波的疊加原理；使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)觀察、對具體質(zhì)點(diǎn)動態(tài)分析等環(huán)節(jié)的活動，理解振動加強(qiáng)（減弱）的本質(zhì)是兩個分運(yùn)動步調(diào)相同（相反）；結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和分析，使學(xué)生順利歸納出干涉現(xiàn)象和干涉條件，并認(rèn)識干涉圖樣.

教學(xué)重點(diǎn)：了解波疊加的矢量性和原理，認(rèn)識干涉現(xiàn)象，知道產(chǎn)生干涉的條件.

教學(xué)難點(diǎn)：理解振動加強(qiáng)（減弱）的特點(diǎn)是分運(yùn)動步調(diào)相同（相反），理解干涉現(xiàn)象的動態(tài)過程.

教具準(zhǔn)備：PPT文件（含視頻、圖片、模擬動畫）、波的模擬裝置（自制）、發(fā)波水槽、攝像機(jī)、信號發(fā)生源（500Hz）、操場上的一對同相安裝的擴(kuò)音器.

教學(xué)流程：如圖1所示.

圖1

教學(xué)過程如下.

1 引入：對生活現(xiàn)象的再觀察

本節(jié)內(nèi)容與生活現(xiàn)象是有直接聯(lián)系的，雨天池塘里的漣漪就包含了波的獨(dú)立傳播原理.

教師：一滴水，一圈漣漪，向我們展示的是波的形成和傳播.（播放視頻：雨天樹枝上的水滴滴入池塘中，形成漣漪，如圖2所示.）

圖2

圖3

教師：兩滴水，兩組漣漪散開、相遇……會發(fā)生什么呢？今天我們的課就從兩列波的相遇開始.（播放視頻：兩個水滴在水槽的不同位置滴入，漣漪交錯，如圖3所示.）

2 波的疊加規(guī)律：觀察、借助現(xiàn)代化手段觀察

通過對兩個漣漪交錯而過的現(xiàn)象觀察，學(xué)生可以得到波獨(dú)立傳播的結(jié)論.

波的疊加規(guī)律是否也能通過較為直觀的手段來展示呢？“波的模擬演示裝置＋實(shí)驗(yàn)視頻慢鏡頭播放＋靜態(tài)畫面半定量分析”，可以很好地給學(xué)生提供充分的觀察.

首先，教師演示“兩個波峰相遇”、“單一波峰與單一波谷相遇”的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察正中間質(zhì)點(diǎn)的振動情況，并請學(xué)生分類歸納什么情況振動加強(qiáng)，什么情況振動減弱.

然后，借助實(shí)驗(yàn)慢鏡頭視頻和添加了網(wǎng)格線的靜態(tài)畫面進(jìn)行討論.

教師：加強(qiáng)到什么程度？減弱到什么程度？我們再來看看剛才實(shí)驗(yàn)的慢鏡頭，以及捕捉到的靜態(tài)畫面，注意畫面上的網(wǎng)格線.你有什么判斷？（播放PPT：兩個波峰相遇、波峰波谷相遇實(shí)驗(yàn)的慢鏡頭視頻及添加輔助線的幀畫面，如圖4－7所示.）

圖4

圖5

圖6

圖7

學(xué)生回答（引導(dǎo)學(xué)生從振幅大小上進(jìn)行半定量研究）.

那么，波的獨(dú)立傳播原理、波的疊加規(guī)律只是兩個孤立的知識點(diǎn)嗎？如果從合運(yùn)動、分運(yùn)動的角度考慮，這兩個知識點(diǎn)也就不是什么新知識了，只是“運(yùn)動合成與分解”的具體應(yīng)用.

教師追問：為什么一個是加，一個是減？

學(xué)生回答（要引導(dǎo)學(xué)生強(qiáng)調(diào)這里的矢量性）.

教師：滿足的是矢量和的關(guān)系，兩個波源分別引起的振動不過是這個質(zhì)點(diǎn)的兩個分運(yùn)動.

教師總結(jié)：兩列波相遇，在相遇前、相遇時、相遇后都具有獨(dú)立性，同時位移疊加滿足矢量和（PPT：小結(jié)文字；板書：獨(dú)立性、矢量和）.

3 波的干涉現(xiàn)象及條件：層層遞進(jìn)的動態(tài)觀察和動態(tài)分析

3.1 一維的觀察和分析

疊加規(guī)律研究到“峰＋峰→加強(qiáng)”、“峰＋谷→減弱”這一特殊瞬間就結(jié)束嗎？是否可以通過實(shí)驗(yàn)手段展示動態(tài)全過程，從而深入到“振動加強(qiáng)的本質(zhì)是分運(yùn)動步調(diào)相同”，“振動減弱的本質(zhì)是分運(yùn)動步調(diào)相反”？

水波的干涉現(xiàn)象出現(xiàn)在整個水面上，要讓學(xué)生一下子全部觀察清楚所有振動加強(qiáng)點(diǎn)、減弱點(diǎn)的動態(tài)全過程是不容易的，但可先選擇兩個波源的一維連線來研究.就從連線正中間質(zhì)點(diǎn)入手，研究清楚疊加特點(diǎn)和振動的全過程，再逐一研究連線上其他振動加強(qiáng)點(diǎn)、減弱點(diǎn).

圖8

教師提問：如果兩側(cè)波源同時向上，同頻率持續(xù)振動呢？你看到了什么？（演示實(shí)驗(yàn)：兩側(cè)同步持續(xù)振動，如圖8所示.時間要長一些，可以重復(fù).）

學(xué)生回答（如果學(xué)生觀察有困難，可以引導(dǎo)學(xué)生逐個點(diǎn)看過去注意每個點(diǎn)的振幅）.

教師總結(jié)：振動加強(qiáng)的質(zhì)點(diǎn)振動始終增強(qiáng)，振動減弱的質(zhì)點(diǎn)振動始終減弱.

教師提問：這樣的現(xiàn)象是怎么產(chǎn)生的呢？例如正中間質(zhì)點(diǎn)的振動.

學(xué)生回答（可以引導(dǎo)學(xué)生從兩個波峰同時到達(dá)開始分析，之后其中一個分運(yùn)動到達(dá)波谷時另一個分運(yùn)動也恰好到達(dá)波谷，從而得出同步的結(jié)論）.

教師提問：那旁邊也有振動加強(qiáng)的點(diǎn)，這里的質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動又是怎樣形成的呢？

學(xué)生回答（引導(dǎo)學(xué)生借鑒正中間質(zhì)點(diǎn)的情況）.

教師總結(jié)：所有振動加強(qiáng)的點(diǎn)都滿足這個規(guī)律：兩個波源在這里引起的振動始終步調(diào)相同.（板書：步調(diào)相同——加強(qiáng)）

教師提問：那么振動減弱、不動的點(diǎn)又是什么情況呢？

學(xué)生回答（可以引導(dǎo)學(xué)生從波峰遇上波谷的特殊時刻開始，再逐步討論：一個分運(yùn)動從波峰向波谷運(yùn)動時，另一個分運(yùn)動一定從波谷向波峰運(yùn)動，步調(diào)是始終相反的）.

教師總結(jié)：不僅這個點(diǎn)，所有振動減弱的點(diǎn)都滿足兩個波源在這里引起的振動始終步調(diào)相反.（板書：步調(diào)相反——減弱）

教師提問：正中間質(zhì)點(diǎn)的兩個分運(yùn)動同步是因?yàn)閮蓚€波源產(chǎn)生的波同時傳到，旁邊振動加強(qiáng)的點(diǎn)兩列波是不能同時到達(dá)的，這里又是如何實(shí)現(xiàn)分運(yùn)動的同步呢？

學(xué)生回答（可以引導(dǎo)學(xué)生注意波的周期性）.

教師總結(jié)：從中心往外，兩個波源到各個加強(qiáng)點(diǎn)的時間差依次滿足一個周期、兩個周期…

教師提問：要讓某個質(zhì)點(diǎn)的兩個分運(yùn)動總是步調(diào)相同，或者步調(diào)相反，波源有什么要求？

學(xué)生回答（可以從波的傳播中“每個質(zhì)點(diǎn)的振動都在模仿波源的振動”，來引導(dǎo)學(xué)生）.

教師總結(jié)：波源頻率相同了，分運(yùn)動才能頻率相同，始終保持步調(diào)相同或者步調(diào)相反.

還可以討論：加強(qiáng)點(diǎn)、減弱點(diǎn)的分布特點(diǎn)，以及波源步調(diào)相同和步調(diào)相反的兩種現(xiàn)象.

3.2 二維的觀察和分析

二維水波的干涉圖樣是否也可以動態(tài)展示呢？利用燈光在水面上的反射，直接用攝像頭在屏幕上輸出發(fā)波水槽中的干涉現(xiàn)象，可以明顯看到有閃爍的區(qū)域（振動加強(qiáng)），也有始終不變的區(qū)域（振動減弱）.

教師：剛才我們就兩列波在一維上相遇進(jìn)行了詳細(xì)的討論.如果現(xiàn)在波源產(chǎn)生的波不只在一直線上傳播，而是可以沿平面?zhèn)鞑ラ_去，又會有什么現(xiàn)象呢？我們借助攝像機(jī)來看看水面上兩個振子同步振動的現(xiàn)象.［演示實(shí)驗(yàn)：波的干涉，如圖9（a）所示.］

圖9

教師：我們可以發(fā)現(xiàn)水面上有的地方一直在閃爍，有的地方始終是暗的，由此可以判斷有些地方振動是加強(qiáng)的，有些地方振動是減弱的.

接下來，教師在黑板上完成板畫：將干涉畫面的投影投到黑板上，直接在畫面上標(biāo)點(diǎn)、連線，如圖9（b）所示.

然后，引導(dǎo)學(xué)生觀察加強(qiáng)區(qū)和減弱區(qū)的分布特點(diǎn)；并借鑒一維的討論方法，和學(xué)生一起討論“中間直線上的某個點(diǎn)”、“其他加強(qiáng)線上的點(diǎn)”、“減弱線上的點(diǎn)”加強(qiáng)或減弱的形成，得到“加強(qiáng)的地方還是分運(yùn)動步調(diào)相同，減弱的點(diǎn)還是分運(yùn)動步調(diào)相反”的結(jié)論.如有條件還可以討論加強(qiáng)點(diǎn)、減弱點(diǎn)到波源的路程差.

“中間直線上的某個點(diǎn)”、“其他加強(qiáng)線上的點(diǎn)”、“減弱線上的點(diǎn)”的動態(tài)形成過程還可以借助模擬動畫幫助學(xué)生理解.

接著，再借鑒一維的研究方法讓學(xué)生分析水波干涉現(xiàn)象的產(chǎn)生條件：波源頻率相同.同樣也可以討論波源步調(diào)相同和步調(diào)相反的兩種現(xiàn)象.

至此，就可以在一維、二維研究的基礎(chǔ)上，請學(xué)生歸納“什么是干涉現(xiàn)象”以及“干涉的條件”.

3.3 三維上的拓展和體驗(yàn)

有了一維、二維的研究，就可以拓展到三維.“聲的干涉”的討論研究可以檢驗(yàn)和強(qiáng)化學(xué)生對波的干涉現(xiàn)象以及干涉條件的認(rèn)識.

請學(xué)生設(shè)計研究聲的干涉現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)方案、推測可能的分布特點(diǎn)，并利用模擬動畫幫助學(xué)生理解，如圖10所示；并讓學(xué)生到操場上體驗(yàn)聲的干涉現(xiàn)象：聲在操場空間里強(qiáng)弱相間分布（信號發(fā)生器給一對同相喇叭輸出500Hz信號）.

圖10

教學(xué)后記：

（1）以往教學(xué)中關(guān)于疊加規(guī)律常采用的“峰＋峰→加強(qiáng)”、“峰＋谷→減弱”的表達(dá)方式，常使學(xué)生只注意到了某一瞬間而沒有真正理解運(yùn)動全過程中的特點(diǎn).因此本節(jié)課采用了“步調(diào)相同→加強(qiáng)”、“步調(diào)相反→減弱”的分析方法，通過對整個動態(tài)過程的分析，使學(xué)生對質(zhì)點(diǎn)的全部運(yùn)動過程有了清楚的理解，從而從源頭上消除錯誤概念的形成.

（2）發(fā)波水槽和攝像機(jī)結(jié)合使用，畫面很好，比頻閃光源做成的水波干涉裝置（新）現(xiàn)象更明顯，投影在黑板得到干涉圖樣進(jìn)行分析很方便.但是要注意光源的角度.

（3）模擬實(shí)驗(yàn)裝置的使用，完整地呈現(xiàn)了整個動態(tài)過程，為學(xué)生對空間各點(diǎn)的動態(tài)分析提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，能使學(xué)生更好地理解干涉現(xiàn)象及其條件的物理意義.

（4）用戶外實(shí)驗(yàn)完成了從“一維”、“二維”到“三維”的思維遞進(jìn)，并使學(xué)生在完成從“具體到抽象”的思維過程后，再次實(shí)現(xiàn)從“抽象到具體”的思維提升.