教科版选修3-4第二章第5节《波的干涉》教学设计

教科版选修3-4 第二章 机械波
第5节 波的干涉
一、教学背景分析
波的干涉是波的一种特殊的叠加现象，波的叠所遵循的波的独立传播原理和波的叠加原理，是认识波的干涉现象的基础。通过两列绳波相遇，引入波的叠加，并通过分析得出波的独立传播原理与波的叠加原理。利用波的叠加原理分析了一维情况下，频率相同的两列波相向传播时，各个质点的振动情况，为后面波的干涉现象分析做好铺垫。
波的干涉从实验现象引入，引导学生分析形成稳定的干涉图样的原因，并通过分析进一步认识干涉的特点，加深学生对知识的理解。对于波的干涉的必要条件条件，也以问题的形式，引导学生思考讨论得到结论。并通过学生探究讨论，引导学生寻找振动加强区和减弱区各点到两波源的距离特点，得出振动加强区和减弱区的质点所满足的规律。
二、教学设计思路
鉴于本节课内容比较抽象，学生在生活中缺乏相关知识的体验和积累，对于本节课的教学，在课堂利用了演示实验、视频、图片、课件模拟等多种手段，尽可能使学生形象、直观地理解波的叠加和干涉现象。引导学生观察实验现象，并通过一系列问题，层层引导，引发学生思考，运用讲授与问题引导相结合的教学模式，使学生能够运用所学知识，分析现象并寻找其中的物理规律，让学生体会到能够用自己的知识和思考，寻找到实验现象的原因总结出其中的物理规律，学以致用，体会到学习和思考的成就感。
三、教学目标
（一）知识与技能
1.知道波的叠加原理；
2.知道什么是波的干涉现象和干涉图样，知道干涉现象的特点；
3.知道波的干涉现象是特殊条件下的叠加现象；知道两列频率相同的波才能发生干涉现象；
4.知道干涉现象是波特有的现象。
（二）过程与方法
１.通过观察波的独立前进，波的叠加和水波的干涉现象，认识波的干涉条件及干涉现象的特征；
２. 培养学生的探究能力和发现规律的能力。
（三）情感态度与价值观
通过波的叠加原理和波的独立传播原理的学习，使学生认识到事物之间的普遍联系。
四、教学重点
波的叠加原理、波的干涉现象和发生波的干涉的条件；
五、教学难点
对稳定的波的干涉图样的理解；波的干涉中加强点和减弱点的位移和振幅的区别。
六、教学方法
讲授法、分析法、归纳法、实验法
七、教学工具
水波槽；实物投影仪；音频信号发生器；两个扬声器；信号接收器；示波器；多媒体课件
八、教学过程
【导入新课】
在实际现象中，常常会有几列波同时在一种介质中传播。当介质中有两列或是多列波存在时：介质质点的振动又如何？相遇之后波的传播方向会受到影响吗？
【新课教学】
（一）波的叠加
【视频】取一根长绳，两位同学在这根水平长绳的两端分别向上抖动一下，学生观察描述现象。
课件模拟情景再现绳波相遇前、相遇及相遇后的波形，展示波的叠加现象。
提问：①若是是两个凹下去的波包相遇呢？
②若是一个凸起的波包与一个凹下去的波包相遇会如何？
学生分析，并通过课件进行模拟。
通过分析，总结得到：
１. 波的独立传播原理
两列波相遇后，每列波都像相遇前一样，保持各自原来的状态继续传播，就像没有相遇一样。这是波的独立传播原理。
２. 波的叠加原理
在重叠的区域里，质点同时参与两列波引起的振动，其振动位移等于这两列波分别引起的位移的矢量和。这叫做波的叠加原理。
在两列波叠加的区域内，质点同时参与两列波引起的运动，而其实际的运动是两个分运动的合成，与之前学过的运动的合成一致。
应用：分析相向传播同频率的连续波相遇时质点的振动。
结合课件分析。
结论：有的质点振动振幅变大，振动被加强，有的质点振幅减小，振动被减弱。而且，在频率相同的情况下，振动加强与减弱的点所在位置是固定的。
（二）波的干涉
实验观察1：两列频率相同的水面波相遇时，在重叠区域内会发生什么现象？
演示1：把一根金属棒固定在一个振片上，当振片振动时。观察水波向外传播。
两个相邻亮条纹之间距离是一个波长，两个相邻暗条纹之间也是一个波长，亮条纹与暗条纹之间是半波长。
演示2：把两根金属棒固定在同一个振动片上，当振动片振动时，两根金属棒周期性地触动水面，形成两个波源，由于这两列水波由同一个振片带动，所以两波源的频率和振动步调相同。观察在两列水波在重叠的区域里出现的现象。
学生描述观察到的现象。
现象：在振动的水面上，出现了一条条从两个波源中间伸展出来的相对平静的区域和振动剧烈的区域，这两种区域在水面上的位置是固定的，而且相互隔开。
１．定义：频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开，这种现象叫做波的干涉。
2、特点
问题：干涉现象是如何形成的呢？
为了便于分析问题， 用波的示意图，即一组同心圆。实线代表波峰，虚线表示波谷。那么两相邻实线之间距离是一个波长，两相邻虚线之间的距离是一个波长，虚线与实线距离为半个波长。
从图中可看出：对于a点，在此时刻是两列波的波峰和波峰相遇，经过半个周期，就变成波谷和波谷相遇。a点是振动加强点。
此时b点是两列波的波峰和波谷相遇，经过半个周期，就变成波谷和波峰相遇。如果两列波的振幅相同，质点振动的振幅就等于零，水面保持平静，b点是振动减弱点。
描出振动加强区和振动减弱区。
与实验现象进行比较。
通过上面的分析，总结干涉特点： 振动加强区域和振动减弱区域相互间隔开来，且加强、减弱区域是稳定的，即加强的区域始终是加强的，减弱的区域始终是减弱的，不随时间而变。这就形成了稳定的波的干涉。
问题：振动加强的含义是什么？振动加强的质点是否一直处于最高处？是否有位移为零的时刻？
学生分析回答。
教师总结：振动加强（或减弱）区域是指质点的振幅大（小），而不是指振动的位移大（小），因为位移是在时刻变化的。
3、探究加强区和减弱区的分布规律
问题：哪些位置的质点振动会加强？哪些位置的质点振动会减弱？
学生分析。
教师总结结论：
（1）介质中的某一点，如果到两个波源的距离差是半波长的偶数倍，则该点振动始终加强：
（2）介质中的某一点，如果到两个波源的距离差是半波长的奇数倍，则该点振动始终减弱：
4、干涉的必要条件
问题：如果两列波的频率不同，是否会发生干涉现象？
学生分析，课件模拟。
分析总结：干涉的必要条件：两列波的频率必须相同
5. 一切波都能发生干涉，干涉是波特有的现象。
实验观察2：两列相同的声波在空气中相遇时，在重叠区域内是否会发生干涉现象？
演示：用音频信号发生器产生一定频率的信号，通过两个相同的扬声器发出两列相同的声波，将两扬声器固定在一个直杆上，请大家听一听相对波源不同位置声音大小是否有变化。
并用示波器显示不同位置，声音的波形，让学生观察振幅的变化情况。
学生解释现象
总结不只水波、声波这些机械波有干涉现象，我们以后将学习的光波也同样会发生干涉现象。一切波都能发生干涉，干涉也是波特有的现象。
【课堂小结】
今天你学到了什么？
学生回答。
教师总结：通过学习，我们认识了波的传播具有独立性，相遇时要矢量合成，波的这一特性体现了事物的普遍联系。
课后思考
如果刚才水波干涉中两波源的振动步调刚好相反，其他情况不变，是否能够产生干涉？会有什么不同？
【板书设计】
　　　　　　　　　　§2.5　波的干涉
一、波的叠加
１. 波的独立传播原理：
几列波相遇后能够保持各自的运动状态继续传播，就像没有与其他波相遇一样。
２. 波的叠加原理
在波的重叠区域里，介质的质点同时参与这几列波所产生的振动，质点的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的矢量和。
二、波的干涉
1. 定义：频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，而且振动加强和振动减弱的区域相互隔开的现象。
2. 特点：（1）振动加强区和振动减弱区是相互隔开的；
（2）振动加强的区域振动始终加强，振动减弱的区域振 动始终减弱；
注意：振动加强（或减弱）区域是指质点的振幅大（小），而不是指振动的位移大（小），因为位移是在时刻变化的。
3. 干涉图样分布规律：
振动加强
振动减弱
4. 干涉的必要条件：两列波的频率必须相同
5. 一切波都能发生干涉，干涉是波特有的现象。
九、教学设计流程图
十、教学反思
本节课的内容比较抽象，学生理解难度较大。在教学过程中，每部分新知识的引入，都从实验现象引入，增加学生的感性认识；从实际现象开始分析，通过分析总结，找到满足的物理规律，完成从感性认识到理性认识的提升。
从绳波实验导入新课，引导学生分析两列波的相遇，从中学生能够很容易总结出波的独立传播原理和波的叠加原理。之后，应用波的叠加原理分析同频率的两列波相向传播叠加时各个质点的振动情况，既是对新知识的应用和巩固，也为下面分析波的干涉做了铺垫，降低了后面理解的难度。
从水面波的干涉现象开始，引入波的干涉现象。通过对于实际现象的观察，总结特点，探寻现象背后的物理原因，符合对于新事物的认识和研究的规律。对于干涉原因的分析，实际上是前面刚刚学习的波的叠加知识的应用，由于前面的铺垫，学生理解的难度被降低。
声音的干涉实验，增加了学生对于干涉的认识，通过示波器，学生可以更清楚观察到不同的位置声音的强弱变化。
不足之处：本节课知识容量过大，可根据学生课堂反映情况适当进行调整课堂节奏；对于波的干涉的分布规律的探究，可以尝试用多媒体教学，让学生去通过任意加强点（或减弱点）去探究所满足的规律。
十一、专家点评
（原北京教育学院 张维善教授 北京教育学院丰台分院 吴勤智）
“波的干涉”是高中物理教学的重要内容，也是学生学习的难点。鉴于本节课内容比较抽象，学生在生活中缺乏相关知识的体验和积累，在教学模式上大胆突破，勇于创新。采用多种教学手段，尽可能使学生形象、直观地理解波的叠加原理和干涉现象。引导学生观察实验现象，并通过一系列问题，层层引导，学生的思维得到了激发，让学生体会到能够用自己的知识和思维，寻找到实验现象的原因并探究出其中的物理规律，学以致用，真正体会到学习的成就感，取得了很好的教学效果。主要亮点有以下几点：
1.三维教学目标准确定位。孙老师在这节课教学设计中，准确把握了三维教学目标，特别是科学探究的方法与情感态度价值观的渗透，在教学设计与教学实践中充分体现。
2.体现科学探究，落实三维目标。
以实验事实为基础（录像视频），借助课件引导学生进行理论探究，既有可靠的事实，又有清晰的模型，并辅之以具体数据分析，使学生找到了波干涉的规律和条件，培养了学生的观察能力和归纳能力，保证了本节教学目标的顺利完成。
3.教学方式多样化，多种教学手段的综合并用，凸显每种手段的不可替代性。在处理波的独立传播原理和波的叠加原理的教学中，孙老师从学生易于理解和分析的绳波视频实验开始，然后采用课件模拟“转瞬即逝”的波的叠加过程，由于课件选取得当，教师操作熟练，给学生以很强的视觉冲击，使学生产生了浓厚的学习兴趣，营造了良好的学习氛围，激发了学生对问题的关注程度。
4.体现新旧知识的联系，让学生感受物理现象的普遍联系。
在教师的引领下，通过分析，将波的叠加归结到运动的合成与分解，既找到了新知识与学生原有知识的联系，让学生利用对旧有知识的熟知，降低新知识学习的难度。同时让学生感受物理现象的普遍联系。
5.通过声波干涉现象的演示，以及光波干涉的介绍，让学生体会干涉现象是一切波所特有的。
总之，这是一节体现新课程理念，体现高中物理教学基本特征的优秀案例。