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2019-2020年高中物理 《波的干涉與衍射》教案 滬科版選修3-4 一、教學(xué)目標 1 知識和技能： （1）知道波的疊加原理 （2）知道波的干涉是特殊情況下波的疊加現(xiàn)象，知道干涉圖樣 （3）知道干涉的必要條件 （4）提高實驗觀察能力和正確表述實驗現(xiàn)象的能力 2 過程和方法： 熟悉和適應(yīng)課堂教學(xué)中運用現(xiàn)代信息技術(shù)和環(huán)境 3 情感、態(tài)度、價值觀： 培養(yǎng)合作與分享的學(xué)習(xí)習(xí)慣 二、教學(xué)設(shè)計思路和流程 “波的干涉”是高中物理教學(xué)的重要內(nèi)容，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點。本節(jié)課力圖貫徹“以學(xué)生發(fā)展為本”的教學(xué)理念，在課堂教學(xué)模式上有所突破，同時根據(jù)學(xué)生的認知過程而致力于教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計，使學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識，提高基本能力。 首先注意創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情景，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，形成良好的學(xué)習(xí)動機。在整節(jié)課上安排了多個演示和學(xué)生實驗，把對干涉現(xiàn)象的理解建立在堅實的實驗觀察基礎(chǔ)之上。在教學(xué)手段方面則充分運用現(xiàn)代信息技術(shù)的平臺，以多媒體動畫課件復(fù)現(xiàn)“轉(zhuǎn)瞬即逝”的物理過程，提高觀察和思維訓(xùn)練的效果。同時，設(shè)計一定量的學(xué)生活動與合作學(xué)習(xí)，使學(xué)生在體驗和探究的基礎(chǔ)上得出結(jié)論。為了解決課堂教學(xué)中的個別化教學(xué)難題，嘗試使用“提示卡”。 三、教學(xué)準備： 自制聲波駐波演示器、長約兩米的透明水槽、改進的發(fā)波水槽6套、計算機一臺、攝像機、投影儀等。 四、教學(xué)過程 （一）引入新課（直接切入課題） 上節(jié)課我們研究了波的衍射現(xiàn)象，知道波可以繞過障礙物繼續(xù)傳播，這是波特有的一種現(xiàn)象，今天我們來研究波特有的另一種現(xiàn)象——《波的干涉》。 （二）新課教學(xué) 一、波的疊加 演示聲音駐波實驗，激發(fā)學(xué)生興趣。 約2米長的有機玻璃管中平鋪一些染色泡沫粒子，一頭用平滑的蓋子封閉，另一頭接揚聲器，當揚聲器發(fā)出一列約160 Hz聲波，管中粒子排列成一個一個扇面，波腹處扇面高，波節(jié)處扇面小。把蓋子拿掉，現(xiàn)象消失，蓋子裝上，現(xiàn)象出現(xiàn)。 教師說明：揚聲器發(fā)出的一列波與平滑的蓋子反射的波在管中相遇形成了這樣的現(xiàn)象。 提出問題：在日常生活中是否見過兩列波相遇的情況？ 學(xué)生舉例。 1、波的獨立傳播性 播放雨滴落在水面的錄像，要求學(xué)生邊看邊想：兩列水波相遇后，是否與小球相碰一樣，會改變原來的運動狀態(tài)？ 學(xué)生通過觀察，發(fā)現(xiàn)水波相遇后繼續(xù)一圈一圈的向外傳播，此時教師指出兩列波相遇，跟小球相碰不一樣！小球相碰后運動狀態(tài)會改變，而兩列波相遇，它們能彼此穿過，穿過后波的形狀和傳播的情形都不變，保持各自的運動狀態(tài)繼續(xù)傳播，彼此都不受影響，這種現(xiàn)象表明波具有獨立傳播性。 在了解波具有獨立傳播性后，請學(xué)生聯(lián)系生活舉例說明波具有獨立傳播的性質(zhì)。 2 波的疊加性 在大水槽中演示波的疊加現(xiàn)象。演示時分四個步驟：第一次演示如何在水槽是造波，即搖動刮板；第二次演示如何產(chǎn)生單個脈沖波，即一個來回迅速抖動刮板；第三次，第四次請兩位同學(xué)在兩邊同時產(chǎn)生單個脈沖波的疊加，但兩次觀察的側(cè)重點不同，一次注意峰峰相遇，另一次注意谷谷相遇。 通過觀察實驗歸納得出：峰峰相遇，新的波峰變高了；谷谷相遇，新的波谷變低了。 提問并請學(xué)生猜想：如果恰好一邊是波峰傳過來，另一邊是波谷傳過來，它們相遇會怎么樣？ 播放繩波疊加動畫，分兩次演示分析：第一次整個過程演示一遍，在學(xué)生頭腦中建立整體概念；第二次慢鏡頭演示并定格，從定量的角度，結(jié)合運動合成的知識研究相遇區(qū)域中各質(zhì)點的運動。 結(jié)論：幾列波相遇，重疊的區(qū)域介質(zhì)的質(zhì)點是同時參與這幾列波引起的振動，質(zhì)點的位移等于這幾列波單獨傳播時引起的位移的矢量和。峰峰相遇、谷谷相遇，引起質(zhì)點的振動都是相長的；峰、谷相遇引起質(zhì)點的振動是相消的。 二、波的干涉 1 通過實驗觀察分析波的疊加中的一種特殊現(xiàn)象，即兩列相同波的疊加。 （1）介紹實驗裝置：在同一振片上引出兩個振源，因此就可以在水面上形成兩列頻率相同的水波。 （2）學(xué)生分組實驗：適當調(diào)節(jié)頻率旋鈕，觀察方形水槽中兩列相同水波相遇的重疊區(qū)域出現(xiàn)的圖樣，并與教師提供的雨滴形成的疊加圖樣的錄像相比較，找出相同及不同之處，特別是找出不同的特征；觀察后小組內(nèi)部交流，準備用語言描述水槽中圖樣的特征。 （3）教師指導(dǎo)觀察：觀察水槽的角度應(yīng)適當傾斜一點，借助反射光線，可以有最佳的觀察角度；對于個別小組的特殊問題，用“提示卡”幫助解決。 （4）教師與學(xué)生共同探討如何描述疊加區(qū)域圖樣的特征：條紋（位置固定，間隔分布） 2、借助于三維動畫進行研究：為什么兩列相同的波相遇疊加會形成這樣特殊的疊加圖樣？ 觀察：（1）整體觀察疊加后的波形，（2）剖面觀察疊加區(qū)域里質(zhì)點的運動，從而加深對實驗現(xiàn)象的理解。 為了討論這些區(qū)域質(zhì)點是如何運動的，因此在邊上找?guī)讉€有代表性的質(zhì)點進行分析。 （1）觀察這些點的運動，學(xué)生發(fā)現(xiàn)有些點上下振動而且振動幅度加大，而另一些點卻幾乎不動。 提問：兩個振源傳過來的波都要引起這一點（不振動點）的振動，為什么這一點的振幅幾乎為零呢？而另一些點振動幅度卻很大呢？ （2）學(xué)生小組討論，代表發(fā)言： 分析：幾乎不振動的點：當s1產(chǎn)生的一列波傳到這點的是波峰，則s2產(chǎn)生的一列波傳到這點的一定恰好是波谷，振動相消；過了半個周期，s1產(chǎn)生的一列波傳到這點的是波谷，s2產(chǎn)生的一列波傳到這點的一定是波峰，所以這點的振動始終是減弱的。 再分析：振動幅度很大的點：當s1產(chǎn)生的一列波傳到這點的是波峰，則s2產(chǎn)生的一列波傳到這點的也應(yīng)該恰好是波峰，這時位移最大；半個周期后，s1產(chǎn)生的一列波傳到這點的是波谷，則s2產(chǎn)生的一列波傳到這點的一定恰好也是波谷，這時位移也是最大，所以這點的振動始終加強。振幅是兩列波的振幅之和。 （3）提問：振動加強的點位移有沒有為零的時刻？ 學(xué)生回答，教師概括：振動加強點它的位移在不斷地隨時間變化。 3、利用平面動畫來尋找振動加強的點和振動減弱的點的分布規(guī)律及振動加強區(qū)域和振動減弱區(qū)域的分布。 振源s1、s2同時產(chǎn)生頻率相同的兩列波，實線表示波峰，虛線表示波谷，形成一幅動態(tài)的平面疊加圖樣。 （1）選擇某一時刻的疊加圖樣。如果某一時刻該點的振動是加強的，那么它的振動始終是加強的，如果某一時刻該點的振動是減弱的，那么它的振動始終是減弱的。 （2）分析討論圖示A、B兩點的振動情況，發(fā)現(xiàn)實線與實線相交的A點，即波峰與波峰相遇的點，是振動加強的點；實線與虛線相交的B點，是振動減弱的點。 （3）學(xué)生分組活動：通過小組討論，在提供的圖紙上（上面已印好某一時刻兩列頻率相同的波相遇疊加的圖樣）用紅色的實心圓點標出振動加強的點，用藍色的實心圓點標出振動減弱的點。教師邊指導(dǎo)邊介紹好的分工協(xié)作方法，兩個同學(xué)負責描出振動加強的點，兩個同學(xué)負責描出振動減弱的點，速度很快，提高各小組的效率。 （4）把白紙反而的投影片薄膜用回型針固定在白紙的正面上，并在薄膜上用紅色的線把加強的點連成加強的區(qū)域，用藍色的線把減弱的點連成減弱的區(qū)域。 交流：教師從小組完成的圖樣中選擇兩幅，請同學(xué)再一次觀察水面重疊區(qū)域的圖樣相對于振源是如何分布的，然后判斷哪一組的圖樣正確。 小結(jié)：從平面圖中可更清晰地看到，頻率相同的兩列波疊加，會使某些區(qū)域的振動加強，某些區(qū)域的振動減弱，振動加強的區(qū)域始終加強，振動減弱的區(qū)域振動始終減弱，而且振動加強的區(qū)域和振動減弱的區(qū)域相互隔開。這種現(xiàn)象我們稱為波的干涉，所形成的圖樣稱為干涉圖樣。干涉現(xiàn)象跟衍射現(xiàn)象一樣也只是波才具有的，所以是波的特有現(xiàn)象。 4 產(chǎn)生干涉的一個必要條件 通過雨滴錄像比較得出結(jié)論：當頻率相同的兩列波疊加，會出現(xiàn)穩(wěn)定的干涉圖樣；如果兩列波的頻率不同，就看不到穩(wěn)定的圖樣。 教師說明：平時遇到波相遇的現(xiàn)象很多，但很少看至干涉現(xiàn)象，就是因為產(chǎn)生干涉需要滿足一定條件，其中一個必要條件就是：兩列波的頻率必須相同。 思考題： 在干涉現(xiàn)象中，下列說法正確的是 （ ） （A）振動激烈的區(qū)域的質(zhì)點位移始終最大， （B）振動激烈的區(qū)域的質(zhì)點位移變化最大， （C）振動激烈的區(qū)域的質(zhì)點始終處于波峰， （D）振動激烈的區(qū)域的質(zhì)點振幅始終最大。 （三）課堂小結(jié)： 1 知識小結(jié) （1）波的疊加現(xiàn)象 （2）波的干涉——波的特有現(xiàn)象 必要條件：頻率必須相同 干涉圖樣 解釋駐波實驗：開始上課的那個有趣實驗就是兩列聲波的干涉現(xiàn)象，空氣中的聲波是縱波，兩列相同的縱波也會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。設(shè)計和建設(shè)大禮堂，應(yīng)該加強干涉現(xiàn)象，還是要消除干涉現(xiàn)象？人們是怎么做到這一點的？這個問題留給課后大家去觀察思考。 2 方法和能力小結(jié)：本堂課，我們是通過什么方法來研究的、應(yīng)當培養(yǎng)什么樣的能力？ 3 情感目標的小結(jié)：本堂課在學(xué)習(xí)知識的同時，應(yīng)樹立什么樣的情感精神和學(xué)習(xí)習(xí)慣？這對同學(xué)們將來終身學(xué)習(xí)都很有用的。 五、課后反思與點評： 本節(jié)課充分注重了實驗：一開始聲音駐波實驗，就激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，大水槽中波的疊加現(xiàn)象演示，使學(xué)生觀察到了兩列波疊加的現(xiàn)象，水面波的干涉讓學(xué)生分組實驗，注重培養(yǎng)了學(xué)生的觀察能力和動手能力。 本課時也充分利用了多種媒體：有播放雨滴落在水面的錄像，讓學(xué)生親眼看到波的獨立傳播性；有繩波疊加動畫，形象地看到了兩列波疊加時各質(zhì)點的位移情況；有水面波干涉的三維動畫。解決了本課時的難點。 本課時也充分注意以學(xué)生發(fā)展為本的思想：不斷地讓學(xué)生主動參與，自己動手做實驗，不斷地進行觀察分析現(xiàn)象，經(jīng)常開展討論，歸納結(jié)論，特別是讓學(xué)生畫出加強點的連線和減弱點的連線時，學(xué)生自已探究并與實驗現(xiàn)象對照，然后得出正確結(jié)果。在課堂教學(xué)過程中，教師充分發(fā)揮了引導(dǎo)和組織作用。 六、附錄 （一）實驗說明 1 聲波的駐波實驗中有機玻璃管與嗽叭的接口處密封性要好，管子的一頭要做成有一段向上彎曲，這是為了防止粒子振動到嗽叭的接口處；嗽叭的功率60 W—100 W，同時有機玻璃管和管內(nèi)的泡沫粒子要去掉靜電；如果管子長約2米，信號發(fā)生器發(fā)出的正弦聲波的頻率在80 Hz左右，形成一個波腹；頻率在160 Hz左右，就會形成兩個波腹，一般最多形成四個波腹。 2 大水槽演示波的疊加實驗中水槽是用20 mm厚透明有機玻璃板制成，水槽長2 m、寬20 cm、高50 cm，兩頭的刮板下端固定，加入水的高度在40 cm左右效果最好，水太少疊加效果不明顯。 （二）教學(xué)說明 部分學(xué)生在紙上描出的加強區(qū)域和減弱區(qū)域是錯誤的，如果時間充裕，不僅可以通過實驗說明，還可用理論說明。振動減弱的區(qū)域的所有點都是振動減弱的。