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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(biāo) 1 知識(shí)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(shí)驗(yàn)觀察能力和正確表述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力 2 過(guò)程和方法： 熟悉和適應(yīng)課堂教學(xué)中運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)和環(huán)境 3 情感、態(tài)度、價(jià)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(jì)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(diǎn)。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(shí)根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程而致力于教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，使學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)，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(dòng)機(jī)。在整節(jié)課上安排了多個(gè)演示和學(xué)生實(shí)驗(yàn)，把對(duì)干涉現(xiàn)象的理解建立在堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)觀察基礎(chǔ)之上。在教學(xué)手段方面則充分運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)的平臺(tái)，以多媒體動(dòng)畫(huà)課件復(fù)現(xiàn)“轉(zhuǎn)瞬即逝”的物理過(guò)程，提高觀察和思維訓(xùn)練的效果。同時(shí)，設(shè)計(jì)一定量的學(xué)生活動(dòng)與合作學(xué)習(xí)，使學(xué)生在體驗(yàn)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(gè)別化教學(xué)難題，嘗試使用“提示卡”。 三、教學(xué)準(zhǔn)備： 自制聲波駐波演示器、長(zhǎng)約兩米的透明水槽、改進(jìn)的發(fā)波水槽6套、計(jì)算機(jī)一臺(tái)、攝像機(jī)、投影儀等。 四、教學(xué)過(guò)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(guò)障礙物繼續(xù)傳播，這是波特有的一種現(xiàn)象，今天我們來(lái)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(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生興趣。 約2米長(zhǎng)的有機(jī)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(yáng)聲器，當(dāng)揚(yáng)聲器發(fā)出一列約160 Hz聲波，管中粒子排列成一個(gè)一個(gè)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(shuō)明：揚(yáng)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(wèn)題：在日常生活中是否見(jiàn)過(guò)兩列波相遇的情況？ 學(xué)生舉例。 1、波的獨(dú)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(huì)改變?cè)瓉?lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)？ 學(xué)生通過(guò)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(shí)教師指出兩列波相遇，跟小球相碰不一樣！小球相碰后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)改變，而兩列波相遇，它們能彼此穿過(guò)，穿過(guò)后波的形狀和傳播的情形都不變，保持各自的運(yùn)動(dòng)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(dú)立傳播性。 在了解波具有獨(dú)立傳播性后，請(qǐng)學(xué)生聯(lián)系生活舉例說(shuō)明波具有獨(dú)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(shí)分四個(gè)步驟：第一次演示如何在水槽是造波，即搖動(dòng)刮板；第二次演示如何產(chǎn)生單個(gè)脈沖波，即一個(gè)來(lái)回迅速抖動(dòng)刮板；第三次，第四次請(qǐng)兩位同學(xué)在兩邊同時(shí)產(chǎn)生單個(gè)脈沖波的疊加，但兩次觀察的側(cè)重點(diǎn)不同，一次注意峰峰相遇，另一次注意谷谷相遇。 通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)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(wèn)并請(qǐng)學(xué)生猜想：如果恰好一邊是波峰傳過(guò)來(lái)，另一邊是波谷傳過(guò)來(lái)，它們相遇會(huì)怎么樣？ 播放繩波疊加動(dòng)畫(huà)，分兩次演示分析：第一次整個(gè)過(guò)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(yùn)動(dòng)合成的知識(shí)研究相遇區(qū)域中各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。 結(jié)論：幾列波相遇，重疊的區(qū)域介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)是同時(shí)參與這幾列波引起的振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)的位移等于這幾列波單獨(dú)傳播時(shí)引起的位移的矢量和。峰峰相遇、谷谷相遇，引起質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)都是相長(zhǎng)的；峰、谷相遇引起質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)是相消的。 二、波的干涉 1 通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置：在同一振片上引出兩個(gè)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(shí)驗(yàn)：適當(dāng)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(zhǔn)備用語(yǔ)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(dāng)傾斜一點(diǎn)，借助反射光線，可以有最佳的觀察角度；對(duì)于個(gè)別小組的特殊問(wèn)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(dòng)畫(huà)進(jìn)行研究：為什么兩列相同的波相遇疊加會(huì)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(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，從而加深對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理解。 為了討論這些區(qū)域質(zhì)點(diǎn)是如何運(yùn)動(dòng)的，因此在邊上找?guī)讉€(gè)有代表性的質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行分析。 （1）觀察這些點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)有些點(diǎn)上下振動(dòng)而且振動(dòng)幅度加大，而另一些點(diǎn)卻幾乎不動(dòng)。 提問(wèn)：兩個(gè)振源傳過(guò)來(lái)的波都要引起這一點(diǎn)（不振動(dòng)點(diǎn)）的振動(dòng)，為什么這一點(diǎn)的振幅幾乎為零呢？而另一些點(diǎn)振動(dòng)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(dòng)的點(diǎn)：當(dāng)s1產(chǎn)生的一列波傳到這點(diǎn)的是波峰，則s2產(chǎn)生的一列波傳到這點(diǎn)的一定恰好是波谷，振動(dòng)相消；過(guò)了半個(gè)周期，s1產(chǎn)生的一列波傳到這點(diǎn)的是波谷，s2產(chǎn)生的一列波傳到這點(diǎn)的一定是波峰，所以這點(diǎn)的振動(dòng)始終是減弱的。 再分析：振動(dòng)幅度很大的點(diǎn)：當(dāng)s1產(chǎn)生的一列波傳到這點(diǎn)的是波峰，則s2產(chǎn)生的一列波傳到這點(diǎn)的也應(yīng)該恰好是波峰，這時(shí)位移最大；半個(gè)周期后，s1產(chǎn)生的一列波傳到這點(diǎn)的是波谷，則s2產(chǎn)生的一列波傳到這點(diǎn)的一定恰好也是波谷，這時(shí)位移也是最大，所以這點(diǎn)的振動(dòng)始終加強(qiáng)。振幅是兩列波的振幅之和。 （3）提問(wèn)：振動(dòng)加強(qiáng)的點(diǎn)位移有沒(méi)有為零的時(shí)刻？ 學(xué)生回答，教師概括：振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn)它的位移在不斷地隨時(shí)間變化。 3、利用平面動(dòng)畫(huà)來(lái)尋找振動(dòng)加強(qiáng)的點(diǎn)和振動(dòng)減弱的點(diǎn)的分布規(guī)律及振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)域和振動(dòng)減弱區(qū)域的分布。 振源s1、s2同時(shí)產(chǎn)生頻率相同的兩列波，實(shí)線表示波峰，虛線表示波谷，形成一幅動(dòng)態(tài)的平面疊加圖樣。 （1）選擇某一時(shí)刻的疊加圖樣。如果某一時(shí)刻該點(diǎn)的振動(dòng)是加強(qiáng)的，那么它的振動(dòng)始終是加強(qiáng)的，如果某一時(shí)刻該點(diǎn)的振動(dòng)是減弱的，那么它的振動(dòng)始終是減弱的。 （2）分析討論圖示A、B兩點(diǎn)的振動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)實(shí)線與實(shí)線相交的A點(diǎn)，即波峰與波峰相遇的點(diǎn)，是振動(dòng)加強(qiáng)的點(diǎn)；實(shí)線與虛線相交的B點(diǎn)，是振動(dòng)減弱的點(diǎn)。 （3）學(xué)生分組活動(dòng)：通過(guò)小組討論，在提供的圖紙上（上面已印好某一時(shí)刻兩列頻率相同的波相遇疊加的圖樣）用紅色的實(shí)心圓點(diǎn)標(biāo)出振動(dòng)加強(qiáng)的點(diǎn)，用藍(lán)色的實(shí)心圓點(diǎn)標(biāo)出振動(dòng)減弱的點(diǎn)。教師邊指導(dǎo)邊介紹好的分工協(xié)作方法，兩個(gè)同學(xué)負(fù)責(zé)描出振動(dòng)加強(qiáng)的點(diǎn)，兩個(gè)同學(xué)負(fù)責(zé)描出振動(dòng)減弱的點(diǎn)，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(qiáng)的點(diǎn)連成加強(qiáng)的區(qū)域，用藍(lán)色的線把減弱的點(diǎn)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(qǐng)同學(xué)再一次觀察水面重疊區(qū)域的圖樣相對(duì)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(huì)使某些區(qū)域的振動(dòng)加強(qiáng)，某些區(qū)域的振動(dòng)減弱，振動(dòng)加強(qiáng)的區(qū)域始終加強(qiáng)，振動(dòng)減弱的區(qū)域振動(dòng)始終減弱，而且振動(dòng)加強(qiáng)的區(qū)域和振動(dòng)減弱的區(qū)域相互隔開(kāi)。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(gè)必要條件 通過(guò)雨滴錄像比較得出結(jié)論：當(dāng)頻率相同的兩列波疊加，會(huì)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(shuō)明：平時(shí)遇到波相遇的現(xiàn)象很多，但很少看至干涉現(xiàn)象，就是因?yàn)楫a(chǎn)生干涉需要滿足一定條件，其中一個(gè)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(shuō)法正確的是 （ ） （A）振動(dòng)激烈的區(qū)域的質(zhì)點(diǎn)位移始終最大， （B）振動(dòng)激烈的區(qū)域的質(zhì)點(diǎn)位移變化最大， （C）振動(dòng)激烈的區(qū)域的質(zhì)點(diǎn)始終處于波峰， （D）振動(dòng)激烈的區(qū)域的質(zhì)點(diǎn)振幅始終最大。 （三）課堂小結(jié)： 1 知識(shí)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(shí)驗(yàn)：開(kāi)始上課的那個(gè)有趣實(shí)驗(yàn)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(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。設(shè)計(jì)和建設(shè)大禮堂，應(yīng)該加強(qiáng)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(diǎn)的？這個(gè)問(wèn)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(guò)什么方法來(lái)研究的、應(yīng)當(dāng)培養(yǎng)什么樣的能力？ 3 情感目標(biāo)的小結(jié)：本堂課在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)，應(yīng)樹(shù)立什么樣的情感精神和學(xué)習(xí)習(xí)慣？這對(duì)同學(xué)們將來(lái)終身學(xué)習(xí)都很有用的。 五、課后反思與點(diǎn)評(píng)： 本節(jié)課充分注重了實(shí)驗(yàn)：一開(kāi)始聲音駐波實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)，注重培養(yǎng)了學(xué)生的觀察能力和動(dòng)手能力。 本課時(shí)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(dú)立傳播性；有繩波疊加動(dòng)畫(huà)，形象地看到了兩列波疊加時(shí)各質(zhì)點(diǎn)的位移情況；有水面波干涉的三維動(dòng)畫(huà)。解決了本課時(shí)的難點(diǎn)。 本課時(shí)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(dòng)參與，自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，不斷地進(jìn)行觀察分析現(xiàn)象，經(jīng)常開(kāi)展討論，歸納結(jié)論，特別是讓學(xué)生畫(huà)出加強(qiáng)點(diǎn)的連線和減弱點(diǎn)的連線時(shí)，學(xué)生自已探究并與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)照，然后得出正確結(jié)果。在課堂教學(xué)過(guò)程中，教師充分發(fā)揮了引導(dǎo)和組織作用。 六、附錄 （一）實(shí)驗(yàn)說(shuō)明 1 聲波的駐波實(shí)驗(yàn)中有機(jī)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(dòng)到嗽叭的接口處；嗽叭的功率60 W—100 W，同時(shí)有機(jī)玻璃管和管內(nèi)的泡沫粒子要去掉靜電；如果管子長(zhǎng)約2米，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的正弦聲波的頻率在80 Hz左右，形成一個(gè)波腹；頻率在160 Hz左右，就會(huì)形成兩個(gè)波腹，一般最多形成四個(gè)波腹。 2 大水槽演示波的疊加實(shí)驗(yàn)中水槽是用20 mm厚透明有機(jī)玻璃板制成，水槽長(zhǎng)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(shuō)明 部分學(xué)生在紙上描出的加強(qiáng)區(qū)域和減弱區(qū)域是錯(cuò)誤的，如果時(shí)間充裕，不僅可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，還可用理論說(shuō)明。振動(dòng)減弱的區(qū)域的所有點(diǎn)都是振動(dòng)減弱的。