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2019-2020年高中物理 13.2《光的干涉》教案 新人教版選修3-4 一、教材分析 1．國內以往教材對光的教學都是按光學的兩大分支——利用幾何學的概念和方法研究光的傳播規(guī)律的幾何光學和研究光的本性以及光與物質相互作用的規(guī)律的物理光學而分兩章進行，兩部分教學內容的處理相對獨立．新課標下的光學教材，突出“光的本性”這條主線，將兩部分內容整合為一，全章教材內容編排靈動活躍，貼近光學研究高新理念與成果，具有時代氣息． 2．教材將《光的干涉》安排在學生可感知的光折射現象研究（第1 節(jié)）之后，意在建立有層次的光本性認知平臺．在光折射現象研究中得到折射定律后，教材及時引導學生作深層思考：從實驗中得出的折射定律與從惠更斯原理得出的結論形式一致，是否可以推測光可能是一種波？“光線”是否應該是光波的波線？為將對光的認知同化至波的圖式中去作了自然的鋪墊，這樣的編排與高中學生的認知水平相適應的，也順乎人類對光本性認識的進程． 3．本節(jié)圍繞波的特征現象之一 ——光的干涉的研究展開，以完成“光是一種波”的推理與同化．教材著力于展示典型的光干涉實驗及光干涉現象，分析光干涉圖樣的規(guī)律及發(fā)生光干涉的條件．教材貫穿了如下的科學方法： 不完整的事實（折射定律與從惠更斯原理得出的結論形式一致） ↓ 假說（光是一種波） ↓ 可檢驗的依據（是波就會干涉） ↓ 新事實的檢驗（雙縫干涉圖樣） 二、學情分析 1．學生大多在生活中沒有光的干涉現象的體驗，但通過高中物理學習，已有水波、聲波等機械波干涉的經驗與理論，高二學生已有一定的自主構建新知識框架的能力，可以從已感知的機械波干涉現象與規(guī)律延伸至待認定的光是波的推想． 2．高二學生已有一定的物理學科方法，如觀察實驗，控制實驗，假說方法，從現象歸納規(guī)律等，可以實現教材滲透的方法教育意圖． 三、設計思想 基于上述對教材意圖與受體分析，本節(jié)教學著重向學生介紹作為光的波動說的重要實驗支持——光的干涉現象．教學安排擬從回眸機械波的干涉導入，以課堂演示實驗及學生隨堂實驗為依托，讓學生“想”——體驗邏輯推理的思維過程、“說”——外顯思維活動過程、“看”——理性觀察、“做”——體驗科學探究活動、應用探究方法、“聽”——接受前人總結知識，完成教材規(guī)定的教學要求． 四、教學目標 本課教學目標在以下三個領域具體為 1．知識與技能 ◆會觀察與描述光的雙縫干涉現象，認識單色光雙縫干涉條紋的特征． ◆知道單色光雙縫干涉亮、暗條紋形成的原理． ◆知道產生光的干涉現象的條件． ◆嘗試獲取相干光源． 2．過程與方法 ※通過對實驗觀察分析，認識干涉條紋的特征，獲得探究活動的體驗． ※嘗試運用波動理論解釋光的干涉現象． ※體驗觀察到光的雙縫干涉以支持光的波動說的假說上升為理論的方法． ※通過機械波的干涉向光的干涉遷移，經歷知識同化、抽象建模的物理思維過程． 3．情感態(tài)度與價值觀 ●體驗探究自然規(guī)律的艱辛與喜悅． ●欣賞光現象的奇妙和諧． 　　　　　　　　　　 ●了解光干涉現象的發(fā)現對推動光學發(fā)展的意義． 五、重點難點 重點：1．觀察與描述光的雙縫干涉現象． 2．知道產生光的干涉現象的條件，認識干涉條紋的特征． 難點：用波動理論解釋亮暗相間的干涉條紋． 六、教學策略與手段 從上一節(jié)所設伏筆“從實驗中得出的折射定律與從惠更斯原理得出的結論形式一致，是否可以推測光可能是一種波？”切入，在復習水波的干涉現象及產生條件的基礎上，引導學生提出用光是否具有干涉現象來作判斷． 在演示激光干涉圖樣之前，預期光干涉圖樣，介紹楊氏雙縫干涉實驗． 對單色光雙縫干涉亮、暗條紋的成因作定性解釋． 在學生活動《做一做》中，讓學生用自制的雙縫觀察激光的干涉圖樣，通過雙縫觀看白熾燈燈絲出現彩色的干涉條紋作為學生的探究活動． 作業(yè)設計：思考生活中所見過的光的干涉現象，力求使物理課堂學習貼近學生生活，盡量做到“從生活走向物理，從物理走向社會”． 接受性學習與探究性學習穿插，完成本課目標． 七、課前準備 1．為了更好的展開教學內容，上節(jié)課后作業(yè)預埋一道背景為機械波的干涉的習題． 2．教師在課前要做好充分的準備，對教材的內容進行深刻的分析，做好上課時需要的相關課件．做好實驗是本堂課的關鍵，教師在課前要先做好演示實驗． 3．為了使實驗現象明顯，本節(jié)課要在有暗室條件的教室里上． 4．教學用具：⑴實驗裝置 演示光的干涉現象：激光器，雙縫；20組學生電源、白熾燈，若干經過曝光的黑色攝影膠片、玻璃板，40只剃須刀，20把直尺． ⑵多媒體課件 水波干涉的視頻，托馬斯楊雙縫干涉實驗原理示意圖，分析出現亮暗相間條紋條件的PPT動畫等． 八、教學過程 全課圍繞光的雙縫干涉實驗展開教學活動． （動畫顯示課題后，教師引入） 在光的折射一課中，從實驗中得出的折射定律與從惠更斯原理得出的結論形式一致，是否可以推測光可能是一種波？ 學生思考與交流后得到：如果光是一種波，則要有波的特征現象作實驗支持．干涉是波特有的現象，一切波都能發(fā)生干涉，因此可以用光是否具有干涉現象來判斷光是不是 一種波． （屏幕展示“水波干涉”的視頻，通過已有知識的遷移讓學生走進光的雙縫干涉） 讓學生觀察并描述穩(wěn)定水波干涉現象的特征：即出現振動總是加強和振動總是減弱的區(qū)域，且加強區(qū)和減弱區(qū)互相間隔的現象；指出干涉現象是兩列波在空間相遇疊加的結果；強調要得到穩(wěn)定干涉圖樣需要兩波源的振動情況完全相同． （板書） 一、波的特征現象之一 ——干涉 現象——振動加強與減弱的區(qū)域確定 發(fā)生穩(wěn)定干涉的條件——兩列波的頻率相同 設問1： ⑴預期的光（例如紅光）的干涉圖樣是怎樣的？ 要求回答： 單色光的干涉現象是亮暗相間的條紋．（從機械波遷移至光波） 設問2： ⑵日常生活中為什么不易看到光的干涉現象？如何通過實驗控制而獲得光的干涉現象？ 學生交流后教師歸總：要產生光的干涉現象必須要有兩個振動情況完全相同的光源，實驗控制的關鍵在獲取振動情況完全相同的光源，讓兩個完全相同的“相干光源”發(fā)出的光在同一空間疊加，用屏在疊加區(qū)域接收，應可得到預期的現象． 圖1 S2 S S1 單色光 單縫屏 雙縫屏 光屏 （板書） 二、雙縫干涉實驗 1．物理學家這樣做——托馬斯楊雙縫干涉實驗 （屏幕切換顯示托馬斯楊雙縫干涉實驗原理示意圖，如圖1所示，介紹楊氏實驗） 教師強調以下兩點：單縫的作用是獲取單一頻率的光源；雙縫屏上的兩條狹縫離的很近，到前一條狹縫的距離相等，所以兩條狹縫處光的振動情況完全相同．說明楊氏最初的實驗所用的不是狹縫，而是小孔，后來，他發(fā)現改用狹縫后干涉圖樣更加明亮，于是后人把他的實驗叫做雙縫干涉實驗．楊氏實驗成功獲得亮暗相間的干涉圖樣，證明光的確是一種波． （板書） 2．雙縫干涉演示實驗 （教師采用激光作為光源演示雙縫干涉實驗） 教師操作：⑴打開激光器，直接把激光打到后背的墻（光屏）上（易觀察）．要求學生說出觀察到的現象——激光沿直線傳播，打到墻上是一個亮斑． ⑵在激光器前加一雙縫，讓學生再觀察實驗現象，并引導學生描述觀察到的現象． 學生活動：①在加雙縫前，請一學生來觀察雙縫，因為雙縫間距太小，大約0.1mm左右，一般很難看出是雙縫，可以讓其他同學幫助想辦法，如將雙縫屏迎著光去看便可看出． ②仔細觀察實驗現象，并描述加雙縫前、后在光屏上觀察到的現象：光到達屏上的范圍比不加雙縫時大了；屏上出現了亮（紅）暗相間的條紋；條紋間距相等；還可以請剛才觀察雙縫的學生說出，亮暗相間的條紋走向與雙縫的方向平行． （板書） 雙縫干涉圖樣的特征 1 亮暗相間的條紋； ⑵ 條紋間距相等； ⑶ 光到達的范圍比“直線傳播”的大． 教師設問：為什么會出現這樣的圖樣？怎樣用波動理論解釋光的干涉現象． 圖2 強 強 弱 弱 波谷 波峰 波源 波源 強 （板書） 三、研究雙縫干涉圖樣的成因 （屏幕顯示用波面描述相干波疊加的原理圖，如圖2所示） 教師講解要點：⑴說明示意圖是兩列波某一時刻峰谷位置分布圖． ⑵說明兩列波的振動情況完全相同，在兩列波峰峰、谷谷相遇位置均是加強點；而峰谷相遇位置均是減弱點． ⑶先分析S1、S2連線中垂線上的點，這些點到兩波源的路程差為0，是加強點，并說明此直線上的點均是加強點． ⑷再分析S1、S2連線中垂線兩側最靠近中垂線對稱位置上的點，即兩列波峰谷相遇點，這些點到兩波源的路程差為，為減弱區(qū)域． ⑸再分析遠離中垂線上的點，又是加強區(qū)域……． 小結：通過以上分析可知：振動加強區(qū)與減弱區(qū)的分布是相互間隔的，而且是穩(wěn)定的．結合干涉圖樣分析：疊加加強區(qū)，光能量較強——亮；疊加減弱區(qū)，光能量較弱——暗．于是得到亮暗相間的干涉圖樣． （板書） 1. 當屏上某點到雙縫S1、S2的路程差是光波波長的整數倍時，即，在這些地方出現亮條紋； 2. 當屏上某點到雙縫S1、S2的路程差是光波半波長的奇數倍時，即，在這些地方出現暗條紋． 學生活動：用自制的器材來觀察雙縫干涉現象．取經過曝光的黑色攝影膠片，放在玻璃板上．把兩只剃須刀片并攏，以刀刃的前端沿直尺在膠片上一次劃出兩道細縫，縫間距離要小于0.1mm．這樣就做成了雙縫．學生做好雙縫后，教師請若干學生把做好的雙縫放到激光器前，讓其他同學用白紙在自己座位上就近接收干涉圖樣．描述各圖樣及教師演示的實驗現象有何異同． 教師引導學生總結：干涉條紋的間距與雙縫的間距有關，干涉條紋的間距與雙縫至屏的距離有關． 學生活動：通過自制的雙縫觀看相距0.5m左右的白熾燈的燈絲，描述觀察到的實驗現象？思考為什么會出現彩色的干涉條紋？ 干涉現象是波的特征現象，雙縫干涉實驗的成功說明光的確是一種波．雙縫干涉實驗最重要的控制是獲得兩個完全相同的光源！教室里的兩盞白熾燈不是完全相同的兩個光源，所以發(fā)出的光不會發(fā)生干涉；我們剛才的實驗中，通過雙縫獲得了可以產生干涉圖樣的光源． （板書） 四、相干光源 如果兩個光源發(fā)出的光能夠產生干涉，這樣的兩個光源叫做相干光源． （全課總結、提升） 1．托馬斯楊在歷史上第一次解決了相干光源問題，成功做出了光的干涉實驗．光的干涉現象是微粒說無法解釋的，使人們認識到光具有波動性． 2．兩個相干光源發(fā)出的光在屏上某處疊加時，如果同相光就加強，如果反相光就減弱，于是產生亮暗條紋，其特征是在中央亮紋兩側對稱地分布著亮暗相間的各級干涉條紋，且相鄰亮紋和相鄰暗紋的間距相等． 3．亮暗相間條紋反映光的能量在空間分布情況．暗條紋處光能量幾乎是零，表明兩列光波疊加彼此相互抵消，這并不是光能量損耗了或變成其它形式能量，而是按波的傳播規(guī)律，沒有能量傳到該處；亮條紋處的光能量比較強，光能量增加，也不是光的干涉可以產生能量，而是按波的傳播規(guī)律，到達該處的能量比較集中． 九、作業(yè)設計 1．認真閱讀課本，預習第3節(jié)：用雙縫干涉測量光的波長． 2．例舉生活中見過的光的干涉現象． 3．探討： ⑴在用自制的雙縫觀看白熾燈絲時，為什么會看到燈絲兩側細密地分布著彩色的干涉條紋？ ⑵以下是兩個關于光的干涉的實驗，試分析在這些實驗設計中，是如何獲得相干光源的，并作圖求出干涉區(qū)域： S1 S2 OＯOＯ EＯOＯ MＯOＯ 圖3 洛埃鏡實驗 實驗示意如圖3所示，S1為狹縫光源，其一部分光直射到光屏，另一部分幾乎與鏡面平行地射向鏡面，然后反射光到達屏上． S M1 M2 C 圖4 菲涅耳雙面鏡實驗 菲涅爾雙鏡是兩個交角很小的平面鏡，如圖4所示，從狹縫S發(fā)出的光，經平面鏡M1和M2發(fā)生反射．