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2019-2020年高三物理 第二十章 光的波動性 五、激光(第一課時(shí)) ●本節(jié)教材分析 激光問世以來，因其諸多優(yōu)于自然光的特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，激光理論、激光技術(shù)、激光應(yīng)用等各個(gè)方面，都取得了巨大的進(jìn)展.教材對此進(jìn)行初步介紹，有利于學(xué)生全面了解光學(xué)知識，拓寬知識面，開闊眼界. 本節(jié)只要求學(xué)生初步了解激光，側(cè)重強(qiáng)調(diào)激光和自然光的區(qū)別，但沒有給激光下定義，更沒有講述激光的產(chǎn)生機(jī)理.教材沿兩條線索介紹激光：一是從它的相干性，二是它能在很短的時(shí)間和很小的空間集中很大的能量.教學(xué)中也應(yīng)著重講解，還可以結(jié)合最近的科技成果聯(lián)系學(xué)生接觸的實(shí)驗(yàn)做必要的介紹. ●教學(xué)目標(biāo) 一、知識目標(biāo) 1.了解激光和自然光的區(qū)別. 2.通過閱讀，收集整理相關(guān)資料，認(rèn)識激光的特點(diǎn)和應(yīng)用. 二、能力目標(biāo) 1.通過課外閱讀，收集整理有關(guān)激光應(yīng)用的資料，培養(yǎng)加工處理信息的能力. 2.通過對激光的特點(diǎn)及應(yīng)用的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)應(yīng)用物理知識解決實(shí)際問題的能力. 三、德育目標(biāo) 通過對激光應(yīng)用的學(xué)習(xí)，使學(xué)生感受到科學(xué)知識的無究力量，培養(yǎng)熱愛科學(xué)的品質(zhì). ●教學(xué)重點(diǎn) 激光與自然光的區(qū)別以及激光特點(diǎn)和應(yīng)用. ●教學(xué)難點(diǎn) 激光與自然光的區(qū)別. ●教學(xué)方法 1.通過對自然光的分析，提出激光的相干性. 2.通過學(xué)生課前閱讀，初步了解激光的特點(diǎn)及廣泛應(yīng)用. 3.通過收集激光方面的材料，討論交流，進(jìn)一步掌握激光的特點(diǎn)及應(yīng)用知識. 4.通過觀看錄像，進(jìn)一步加深對激光知識的了解. ●教學(xué)用具 激光手電筒、投影儀、三段有關(guān)激光的錄像材料. ●課時(shí)安排 1課時(shí) ●教學(xué)過程 一、引入新課 ［師］課前大家已經(jīng)閱讀了課文，了解了激光是自然界沒有的光，首先我們來看看它與自然光有什么不同. 二、新課教學(xué) （一）自然光和激光 （投影） 自然光（例如白熾燈） 激光 原子發(fā)光方向，時(shí)刻不確定 頻率不一樣 不能發(fā)生干涉 非相干光 頻率一樣 能發(fā)生干涉（雙縫干涉實(shí)驗(yàn)） 人工產(chǎn)生的相干光 都是原子受激發(fā)處于不穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)射出來的 ［師］通過上表的比較，同學(xué)們可以看到，激光的第一個(gè)特點(diǎn)就是它是一種人工相干光.激光還有許多與自然光不同的特點(diǎn)，下面請同學(xué)們將自己閱讀課文整理的表格展示出來. （教師巡視，大部分同學(xué)整理得很好，選出比較全面的一組投影（如表20—2）老師簡單講解） ［師］其實(shí)，激光的應(yīng)用遠(yuǎn)不止這些，而且還在迅速發(fā)展，這方面的介紹很多，下面請大家根據(jù)課前收集的材料，開展課堂交流. （二）激光的應(yīng)用 （分組介紹，同時(shí)教師提煉要點(diǎn)并板書，以調(diào)動學(xué)生的積極性.） 第一組（投影資料）我們組收集整理了激光在相干性方面的特點(diǎn)，激光是相干光.可用來進(jìn)行光的干涉、衍射等實(shí)驗(yàn)（科學(xué)實(shí)驗(yàn)），由于原子的發(fā)光不是無限制持續(xù)的，每一次發(fā)光與下一次發(fā)光總有一個(gè)時(shí)間間隔，只有同一光源在同一發(fā)光時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)出的光，在空間某點(diǎn)相遇時(shí)才會發(fā)生干涉，所以原子發(fā)光的平均時(shí)間間隔稱為相干時(shí)間，在相干時(shí)間內(nèi)光的行程稱為相干長度，激光的相干長度可達(dá)幾十千米，相干性較好. 第二組（投影資料）我們組整理的信息中，激光的另一特點(diǎn)是激光的亮度特高，近年研制出的強(qiáng)激光的亮度要比太陽亮100億倍以上.激光器發(fā)出的激光是集中在沿傳播方向的一個(gè)極小的發(fā)射角內(nèi)，亮度就會比同功率的光源高幾億倍，在極短時(shí)間內(nèi)會輻射出巨大的能量，聚集在一點(diǎn)時(shí)可產(chǎn)生幾百萬甚至上千萬度的高溫. 第三組除了前面兩組介紹的兩個(gè)特點(diǎn)外，還有一個(gè)特點(diǎn)就是激光的單色性好，自然界找不到頻率“純凈”的光，各種頻率的光總是混雜在一起的.但由于激光器中光學(xué)諧振腔的干涉作用，只有那些滿足諧振腔共振條件的頻率才能形成激光輸出，不滿足共振條件的頻率，都在諧振腔內(nèi)干涉相消了，因此激光的頻率單一，單色性非常好，拿氦氖氣體激光器來說，它產(chǎn)生的光波長范圍不到一百億分之一微米，完全可以視為單一而沒有偏差的波長，是極純的單色光. 第四組我們組收集的資料中，除了前面三組講的，還有一點(diǎn)，激光的方向性好，一般的手電筒或探照燈聚光雖然很好，看上去它們射出的光束是筆直的，但在一兩公里后，光線就發(fā)散成很大一片，亮度明顯減弱.而激光射到這個(gè)距離上基本沒有發(fā)散，激光是方向最一致、最集中的光. ［師］前面幾組同學(xué)從激光的特點(diǎn)角度閱讀收集了很多資料，都比較好，雖然其中有些材料我們不能完全弄懂，但以后我們還有很多學(xué)習(xí)機(jī)會，到時(shí)可以更進(jìn)一步理解.下面我們再來交流激光應(yīng)用方面的資料. 第五組（閱讀） 激光具有很高的能量，所以它是精密機(jī)械加工特別是微電子工業(yè)加工不可缺少的工具，用激光對金屬打孔、切割、焊接、淬火，激光代替機(jī)械刀具和刻刀直接加工大型和微型元件，具有普通機(jī)械加工不可比擬的特點(diǎn).利用它可以在堅(jiān)硬的材料上打直徑0.1 mm到幾微米的小孔.激光鉆孔不受加工材料的硬度和脆性的限制，而且鉆孔速度異常快，可以幾千分之一秒甚至幾百萬分之一秒內(nèi)鉆出表面十分整齊光潔的小孔，激光快速自動成型技術(shù)，可以控制激光束將材料逐層“燒結(jié)”而形成實(shí)體零件或模具、模型.它可快速制成精密復(fù)雜或不規(guī)則圖案的機(jī)械零件.我國已經(jīng)研制成功激光迅速自動成型機(jī)，標(biāo)志著我國已經(jīng)掌握了這項(xiàng)新技術(shù)，并迅速進(jìn)入國產(chǎn)化、商品化階段. 第六組（閱讀） 激光在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上也有廣泛應(yīng)用，用激光照射農(nóng)作物種子，可誘發(fā)遺傳變異，縮短種子發(fā)芽時(shí)間，育出的秧苗生長比較快，長勢好，粗壯且均勻整齊，改善了農(nóng)作物生長性能，提高產(chǎn)量.把激光技術(shù)引入果樹裁培，能改良水果品質(zhì)，提高水果產(chǎn)量.用激光照射牲畜家禽魚類，能促進(jìn)生長發(fā)育等. 激光在臨床醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，“激光刀”能有效地局部加熱凝固血管，出血少.而且“刀”不與組織接觸，不用消毒，激光刀很鋒利，切割軟組織和硬組織都一樣快捷，還可應(yīng)用激光對穴位照射，給穴位輸入能量，無痛、滅菌、快速、安全. 第七組（閱讀） 激光在信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域有著重要應(yīng)用.在光纖通信中，激光作為信息高速傳輸?shù)妮d體作通信載波.它還是信息高速處理的載體，光學(xué)計(jì)算機(jī)有著普通計(jì)算機(jī)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，這種計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度高，傳輸信息量大，激光應(yīng)用在信息存儲領(lǐng)域，使大容量、高密度信息存儲成為可能，像課本上介紹的DVD實(shí)際上是一種存儲數(shù)據(jù)的磁性媒體，它可以雙層雙面使用，運(yùn)行時(shí)間高達(dá)484 min，儲存量是VCD的幾十倍甚至數(shù)十倍，可多達(dá)17GB. 第八組（閱讀） 目前，激光已成為重要的戰(zhàn)略武器，在國防軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如激光測距、激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)、激光模擬等技術(shù)的應(yīng)用.激光武器包括激光致盲武器、激光干擾武器、激光防空武器等，這些武器對現(xiàn)代戰(zhàn)爭產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響.激光制導(dǎo)炸彈能快速準(zhǔn)確無誤地?fù)糁心繕?biāo). 用激光點(diǎn)燃核燃料是目前各國科學(xué)家競相研究的重大課題，預(yù)計(jì)在xx年左右能夠用激光實(shí)現(xiàn)核聚變，能源危機(jī)問題有望得到根本解決. ［師］同學(xué)們課前做了很多準(zhǔn)備，閱讀了大量相關(guān)資料，一定很有收獲.我也給大家收集了部分與激光相關(guān)的錄像資料，請大家看一看. （師生共同觀看錄像） 三、小結(jié) 四、布置作業(yè) 練習(xí)四、1 五、板書設(shè)計(jì) （一）自然光與相干光 自然光 原子發(fā)光方向，產(chǎn)生時(shí)刻都不確定 頻率不一樣 不能發(fā)生干涉是非相干光 激光 頻率一樣 能發(fā)生干涉 是人工相干光 （二）激光的應(yīng)用 （三）交流總結(jié)（根據(jù)學(xué)生表述，提煉板書內(nèi)容） 特點(diǎn) 應(yīng)用（略） 六、本節(jié)優(yōu)化訓(xùn)練設(shè)計(jì) 1.下列說法正確的是 A.自然光經(jīng)濾色片過濾后形成的單色光就是激光 B.激光在自然界中不存在，只有用人工的辦法產(chǎn)生 C.激光能像無線電波那樣進(jìn)行調(diào)制，用以傳遞信息 D.激光雷達(dá)不僅可以測距離，還可以測目標(biāo)的速度 2.一般認(rèn)為激光器發(fā)出的是頻率為ν的“單色光”，實(shí)際上它的頻率并不是真正單一的，激光頻率為ν是指它的中心頻率，它所包含的頻率范圍是Δν(也稱頻譜寬度），如圖20—26，讓單色光照射到薄膜表面a，一部分光從前表面反射回來（這部分光稱為甲光），另一部分光折射進(jìn)入薄膜，經(jīng)表面b反射后再從表面a折射出（這部分光稱乙光），當(dāng)甲、乙兩部分光相遇疊加而發(fā)生干涉，稱為薄膜干涉.乙光與甲光相比，要在薄膜中多傳播一小段時(shí)間Δt，理論和實(shí)踐都證明，能觀察到明顯穩(wěn)定干涉現(xiàn)象的條件是：Δt的最大值Δtm與Δν的乘積近似等于1，即只有滿足ΔtmΔν≈1時(shí)才會觀察到明顯穩(wěn)定的干涉現(xiàn)象. 圖20—26 已知某紅寶石激光器發(fā)出的激光頻率ν=4.321014 Hz,它的頻率寬度Δν=8.0 109 Hz，讓這束激光由空氣斜射到折射率為n=的液膜表面，入射時(shí)與液膜表面成45角，如圖所示， （1）求從O點(diǎn)射入薄膜中的光的傳播速率. (2)估算在如圖所示的情景下，能觀察到明顯穩(wěn)定干涉現(xiàn)象的液膜的最大厚度dm. 參考答案：1.BCD 2.2.12108 m/s;1.1510-2 m