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2019-2020年高中物理《光的干涉》教學設計 新人教版選修3-4 一、教材分析 本節(jié)主要講楊氏雙縫干涉原理和相干光源的概念。重點是雙縫干涉中波的疊加形成的明暗條紋的條件及判斷方法。要把光波的干涉和機械波的干涉聯系起來，引用路程差的概念，應用學生已有的波的疊加的知識，分析光屏上明暗條紋的分布規(guī)律，即與兩個狹縫的路程差是波長的整數倍處出現亮條紋，與兩個狹縫的路程差是半個波長的奇數倍處出現暗條紋。 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。 二、教學目標 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。 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。 三、重點難點 重點：1．觀察與描述光的雙縫干涉現象。 2．雙縫干涉中波的疊加形成的明暗條紋的條件及判斷方法。 難點：用波動理論解釋明暗相間的干涉條紋。 四、教具準備： ⑴實驗裝置：激光器，雙縫干涉演示儀 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， PPT課件、多媒體動畫等。 五、教學過程 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。 復習提問： （課件展示下列問題及右圖） 右圖是兩列水波某時刻干涉的示意圖，S1、S2是振動情況總是相同的波源，實線代表波峰，虛線代表波谷，直線是S1S2的中垂線，在此時刻介質中點為兩波谷疊加，點為波峰與波谷疊加，點為兩波峰疊加，點是處于某種中間狀態(tài)的疊加。問：中哪些是出現振動加強的地方，哪些是出現振動減弱d 地方，哪些是出現振動加強和減弱的中間過渡狀態(tài)？ （一般情況下，學生能順利回答兩點是振動加強的點，點是振動減弱的點，對于點可能會出現爭議。教師可做如下引導） 設問：點位于什么位置呢？ 學生答：略 （教師進一步引導學生分析）既然S1S2到點的路程差為零，根據波動理論，兩波源在點處激起的振動總是一致的，雖然該時刻是中間狀態(tài)的疊加，但兩列波在點處的疊加，激起點的振動的振幅（教師強調是振幅最大，而非位移最大，即使是振動加強的點，也有位移為零的時候）仍為最大，故點還是振動加強的地方。 （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． 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 條件——兩列波的頻率相同（必要條件） 設問1：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明暗相間的條紋．（從機械波遷移至光波） 設問2：日常生活中為什么不易看到光的干涉現象？ 學生交流后教師總結：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，包括頻率相同、振動方向相同、相位差恒定。而普通光源發(fā)出的光，是大量原子躍遷時發(fā)出的，由不連續(xù)的波列組成，各波列的相位是無規(guī)則變化的，這是由原子發(fā)光的特點決定的。因此，兩個獨立的光源發(fā)出的光，即使是頻率相同的單色光也不能保持恒定的相位差。 設問3：如何通過實驗控制而獲得光的干涉現象？ 學生交流后教師歸納：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。1801年英國的托馬斯楊想出了一個巧妙的辦法，把一個點光源發(fā)出的一束光分成兩束，從而找到了“兩個振動情況總是相同的波源”，如愿以償的觀察到了光的干涉現象。因為他設計的巧妙，雙縫干涉實驗被評為十大美麗物理實驗之一（排第五名，多媒體投影如右圖）。 二、雙縫干涉實驗 1．演示實驗、觀察現象 （屏幕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。 （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；屏上出現了明（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，明暗相間的條紋走向與雙縫的方向平行。 教師設問：請同學們根據剛才的觀察，歸納雙縫干涉圖樣的特征。 學生討論后回答：⑴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。 三、比較推理、分析現象 我們可以仿照機械波的干涉，用波動理論來分析屏上明暗條紋的分布情況： ⑴中央明條紋 (課件投影右圖) S1、S2到P0點距離相同，所以這兩列波的波峰或波谷同時到達P0點，在這一點，兩列波的波峰與波峰疊加，波谷與波谷疊加，他們在P0點相互加強，因此這里出現明條紋。 ⑵第一亮條紋 S1、S2到P1點距離不相同，S2到P1的距離比S2到P1的距離大一個波長。所以當S1的波峰(或波谷)到達P1點時，S2的波峰(或波谷)也到達P1點。在這一點，兩列波的波峰與波峰疊加，波谷與波谷疊加，他們在P1點相互加強，因此這里也出現明條紋。 ⑶第一暗條紋 S1、S2到Q1點距離不相同，S2到Q1的距離比S2到Q1的距離大半個波長。所以當S1的波峰(或波谷)到達Q1點時，S2的波谷 (或波峰)也到達Q1點。在這一點，兩列波的波峰與波谷疊加，他們在Q1點相互減弱，因此這里出現暗條紋。 教師設問：同學們能否自己歸納一下屏上出現明條紋或者暗條紋的一般條件呢？ 學生思考討論后得出結論：凡光程差等于波長整數倍的位置，產生亮條紋；凡光程差等于半波奇數倍的位置，產生暗條紋。即產生亮暗條紋條件表達式： 亮紋：光程差 暗紋：光程差 為了鞏固理解干涉的穩(wěn)定性，教師課播放多媒體動畫(右圖為該動畫的截圖，本動畫可以逐幀播放，動畫每播放一幀，波向前傳播一個周期，由動畫可以清晰看出干涉加強的位置每一時刻都是加強的，而減弱的位置每一時刻都是減弱的。) 教師設問：在上面的分析中，屏上位于P(中央明紋位置)和Q1(第一暗紋位置)之間的某一點是明紋還是暗紋呢？ 學生茫然…… 教師指出：其實，我們剛才討論的所謂振動加強點，實際上應該是振動最強的點，該點振幅最大(等于兩列波的振幅之和)，而振動減弱的點實際上是振動最弱的點，該點振幅最小(等于兩列波的振幅之差)。像這樣的點我們稱為明條紋中心位置或暗條紋中心位置。大家從干涉圖樣上可以看出明條紋到暗條紋是逐漸過渡過去的。(這是學生理解上的難點，此時教師再用多媒體投影干涉圖樣，讓學生仔細觀察，加深體會。) 思考題：試著推導出明條紋(暗條紋)中心位置的表達式。(為下一節(jié)的實驗打下基礎) 本題在教師的指導下師生共同完成。 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。 五、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。 S1 S2 OＯOＯ EＯOＯ MＯOＯ 圖2 2．例舉生活中見過的光的干涉現象。 3．探討： 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： 洛埃鏡實驗 實驗示意如圖2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3 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3所示，從狹縫S發(fā)出的光，經平面鏡M1和M2發(fā)生反射。