高中物理选修：振动、波的叠加与电磁波传播特点解读

波动是一种常见而重要的运动形式。自20世纪初以来，随着电磁波的广泛应用和对微观世界的深入研究，与波相关的物理学内容的重要性日益突出。在这个模块中，学生将首先通过机械波的学习认识波动的一般规律，进而学习电磁波和光。

电磁场和光现象的深入研究使物理学的探索进入了高速运动的领域，发现了不同于日常生活经验的规律，诞生了相对论。在本模块中，学生将初步接触相对论的知识，从而拓展视野，激发进一步探索科学奥秘的兴趣。

本模块是继续学习物理学和其他科学技术的基础，也是了解现代科学技术的基础。

本模块划分为以下四个二级主题：

·机械振动与机械波

·电磁振荡与电磁波

·光

·相对论

（一）机械振动与机械波

1.通过观察和分析，理解简谐运动的特征，能用公式和图像描述简谐运动的特征。

可以通过观察弹簧振子的运动，分析回复力与位移的关系，并用F＝－kx来表示，进而得到简谐运动的一般概念。应该认识到简谐运动是一种变加速运动并能用图像描述运动的位移与时间的关系，能从图像找出振动的周期和振幅。

学生应能分析弹簧振子在不同位置的速度大小、速度方向、加速度大小、加速度方向，以及动能和弹性势能间的转化。

学生应通过观察定性了解振动的相位及相位差的概念。

2.通过实验，探究单摆的周期与摆长的关系。

学生应能通过实验收集单摆的周期和摆长关系的数据，尝试用不同曲线拟合实验曲线，得出周期与摆长的二次方根成正比的关系。有条件时应该练习用计算机处理实验数据。

3.知道单摆的周期与摆长、重力加速度的关系。会用单摆测定重力加速度。

学生只需知道通过摆长、重力加速度计算周期的公式，不要求推导这个公式。

“用单摆测定重力加速度”是一个学生实验。

4.通过实验，认识受迫振动的特点。了解产生共振的条件及其在技术上的应用。

通过演示和各种实例认识受迫振动的特点，例如受迫振动的频率等于驱动力的频率，与振动物体的固有频率无关等。“共振现象的产生条件”指无阻尼情况下的共振条件。

例：初步了解管乐器和弦乐器的工作原理。

5.通过观察，认识波是振动传播的形式和能量传播的形式。能区别横波和纵波。能用图像描述横波。理解波速、波长和频率（周期）的关系。

可以通过水波槽中浮子的运动及其他实例，认识波是振动的传播形式，不是媒质粒子的宏观运动。波是能量传播的形式也可以通过这个实验和其他实例来说明。

可以用横波、纵波发生演示器来演示它们的发生过程。也可让学生站成一行，依次起立和下蹲来演示横波。

要注意波的图像与振动图像的区别。不要求用图像描述纵波。

知道波长、波速的含义，知道波的周期和频率由波源决定，而波速与介质的性质有关。能在具体情景中应用波速、频率（周期）、波长三者的关系。

知道横波图像与振动图像的差别，会在波的图像上找出波长、振幅。

6.了解惠更斯原理，能用来分析波的反射和折射。

惠更斯原理提供了一种判断波的传播方向的形象化手段，对惠更斯原理的要求是“了解”，即最低的要求。为了学习惠更斯原理，要知道波阵面和波线的概念。可以把波的反射、折射、衍射的分析，作为惠更斯原理的应用来处理。

7.通过实验，认识波的干涉现象、衍射现象。

可以通过水波槽的实验认识波的干涉现象和衍射现象。应该认识到干涉和衍射是波所特有的两个现象。

波的叠加是干涉现象的基础，《标准》中例4就是这个意思。应该能用波的叠加解释干涉花样的形成，知道只有两列波的频率相同时它们才能发生干涉。

声波是除了水波之外可以用来演示干涉和衍射的另一种波。

例：用声波的衍射解释“隔墙有耳”的现象。

例：操场上两个扬声器播放同样的声音，在操场上行走时，感到有的地点声音大，有的地点声音小。这个现象可以用声波的干涉来解释。

8.通过实验感受多普勒效应，解释多普勒效应产生的原因，列举多普勒效应的应用实例。

可以用图示解释多普勒效应。

例：转动一端系哨子的绳子，可以听到音调在变化。响着车铃的自行车驶过我们身边时也能听到音调的变化。

例：交通警察利用超声波的多普勒效应测量公路上的车速。

（二）电磁振荡与电磁波

1.初步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想以及在物理学发展史上的意义。

关于麦克斯韦电磁场理论的基本思想，学生要知道，“变化的磁场可以激发电场”，这是一个假设，但比较容易想到，可以从电磁感应现象引申而来；还要知道，“变化的电场也能激发磁场”，这也是一个假设，是从电与磁应该“对称”的思想出发做出的。在这些假设的基础上，麦克斯韦建立了完整的电磁理论，但理论的正确与否（主要是假设的正确与否）要靠实验事实来判定。麦克斯韦的理论预言，在一定条件下电场与磁场的相互激发，电磁场能够以波的形式传播。后来的实验的确证实了这个理论。

学生要通过这部分内容的学习，体会科学探究中的猜想与假设和运用数学工具进行的推理论证对物理学发展的意义。在这部分内容的学习中，学生应该感受物理学的和谐之美与简单之美。

2.了解电磁波的产生，通过电磁波体会电磁场的物质性。(www.xing528.com)

知道电场与磁场在一定条件下的相互激发就产生电磁波。知道赫兹实验证实了电磁波的存在，确立了麦克斯韦的电磁场理论。

通过电磁波具有能量的事实体会电磁场的物质性。电磁场的物质性还要通过电磁波的动量来证明，这要放到下一个模块中学习。

例：微波炉能加热食物，说明电磁波具有能量。

3.了解电磁波的发射、传播和接收。

对电磁波的发射、传播和接收的要求也是比较低的“了解”层次。关于发射，着眼点在于“按一定规律迅速变化的电流在空间激发了变化的磁场，按一定规律变化的磁场又在空间激发了电场……”。至于迅速变化的电流是怎样产生的，可以学习LC振荡电路，也可以不涉及这个问题。

不同波长的电磁波的传播特点是很有用的常识，应该了解。

电磁波的接收重在其物理过程，即变化的电磁场在天线中激发了电流。至于无线电广播的模式，以及调谐、检波等知识，标准没有要求，学生可做常识性了解。

4.通过实例认识电磁波谱，知道光是电磁波。

认识电磁波谱中各个频段的名称、产生、主要特征、应用实例。通过电磁波体会自然界的统一性和多样性。

定性地知道可见光的频率与颜色的关系。

5.了解电磁波的应用和在科技、经济、社会发展中的作用。

可以通过阅读、调研或上网，完成一篇电磁波应用的小论文或完成一项小制作。

（三）光

1.通过实验，理解光的折射定律。

光的折射定律是“理解”的要求，即较高的要求，学生要知道折射角与折射率的关系，也要知道折射角与光速的关系。标准要求在实验中学习折射定律，但对做什么实验，是探究性实验还是验证性实验，并没有限制。

2.测定材料的折射率

在高中物理课程中，折射率的概念不是附属于折射定律的，它从一个角度反映了物质本身的属性，具有独立的地位。“测定材料的折射率”作为一个三级主题单独列出，有这方面的意思。对于测定折射率所用的方法，标准没有限制。

“材料的折射率”指绝对折射率。

3.认识光的全反射现象。初步了解光导纤维的工作原理和光纤在生产、生活中的应用。认识光纤技术对社会生活的重大影响。

《标准》中例1的含义是，最好通过实验认识光的全反射现象；例2则表示这段内容的学习应该密切联系生活实际，应该体会光纤技术对社会生活的重大影响。

光导纤维是电磁波的波导管的一种，用全反射来说明只是一种粗略的解释，所以标准对光纤原理的定位是“初步了解”，不要过分强调。

4.观察光的干涉、衍射和偏振现象，知道产生干涉、衍射现象的条件。用双缝干涉实验测定光的波长。

光的干涉、衍射和偏振是有趣的现象，日常生活中也可见到，但它们的原理并不是显而易见的。在处理这部分内容时，一要重视实验和自然现象，一定让学生进行观察；二是要说明产生现象的道理。

关于产生稳定的干涉花样的条件，要注意两列波的频率必须是相同的；关于衍射的条件，要注意波长与障碍物大小的关系。这样才能解释为什么光的干涉、衍射现象不易看到。

要会用光程差和波长的关系表示干涉条纹的位置，并能在实验中用此条件测定单色光的波长。

光的偏振现象表明光波是横波，要通过实验认识光的偏振。

5.了解激光的产生、特性和应用。用激光观察全息照相。

了解激光是单色性好、平行度高、亮度高的相干光，了解其产生的机理和在生活、生产中的应用。重点在激光的特性和应用，关于激光的产生，学生有所了解就可以了，不做过高要求。

如果没有条件直接观察全息照相，可以用录像片代替。学生可以讨论防伪商标产生立体图像的原理。

活动建议中，“拍摄激光照射针尖时的衍射照片”可用氦氖激光照射大头针尖，使影投射到感光胶片上，用纸板控制曝光时间。胶片的感光度要低一些，所成的像要放大后观察。

（四）相对论

1.知道狭义相对论的实验基础、基本原理和主要结论。

学生要了解，在19世纪末，一些实验向人们提示，在涉及电磁波时，原来的时空观与事实发生了矛盾，狭义相对论是在这样的条件下产生的。学生要在逻辑关系上了解，从相对论的基本原理出发，会得到与日常经验不同的结论。这里应该注意渗透科学价值观和科学方法的教育。

主要结论可以包括同时的相对性、时间间隔的相对性、长度的相对性、速度相加的法则、质量与能量的关系等。作为示例，应该有一两个结论是从基本原理出发，经过逻辑得出的，其他结论只要弄清含义就可以了。

学生应该知道相对论主要结论的实验验证，从中体会，科学理论的建立不仅在于它是从实验经过理论分析得来的，还在于它后来的结论与新的事实相符。

2.了解经典时空观与相对论时空观的主要区别。体会相对论的建立对人类认识世界的影响。

初步了解时间和空间不能脱离物质单独存在、时间和空间与物质的运动状态有关。

在这部分内容的学习中，要特别重视科学价值观和科学方法。

3.初步了解广义相对论的几个主要观点以及主要观测证据。

初步了解广义相对论原理和等效原理，初步了解引力场对时间间隔和长度的影响，初步了解与广义相对论相关的天文观测事实。

4.关注宇宙学研究的新进展。

《标准》对宇宙学本身没有规定学习目标，这里主要是态度方面的要求。可以通过阅读书刊和上网收集资料、同学间交流等形式来关注宇宙学研究的进展。

目前关于宇宙学的科普影片、录像比较多，学生应该看一看。