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2019-2020年高中物理 第四章4.4《光的干涉》教案 粵教版選修3-4 一、教學目標 1．認識光的干涉現(xiàn)象及產(chǎn)生光干涉的條件． 2．理解光的干涉條紋形成原理，認識干涉條紋的特征． 3．通過觀察實驗，培養(yǎng)學生對物理現(xiàn)象的觀察、表述、概括能力． 4．通過“揚氏雙縫干涉”實驗的學習，滲透科學家認識事物科學的物理思維方法． 二、重點、難點分析 1．波的干涉條件，相干光源． 2．如何用波動說來說明明暗相間的干涉條紋，怎么會出現(xiàn)時間上是穩(wěn)定的，空間上存在著加強區(qū)和減弱區(qū)并且互相間隔，如何理解“加強”和“減弱”． 3．培養(yǎng)學生觀察、表述、分析能力． 三、教具 1．演示水波干涉現(xiàn)象：頻率可調(diào)的兩個波源，發(fā)波水槽，投影幻燈，屏幕． 2．演示光的干涉現(xiàn)象：直絲白熾燈泡；單縫；雙縫；紅、綠、藍、紫濾色片；光的干涉演示儀；激光干涉演示儀． 3．干涉圖樣示意掛圖，為分析干涉所做的幻燈片；或電腦及干涉現(xiàn)象示意的動畫軟件． 四、主要教學過程 （一）引入 由機械波的干涉現(xiàn)象引入：首先演示“水波干涉現(xiàn)象”，并向?qū)W生提出問題． （1）這是什么現(xiàn)象？ （2）是否任何兩列波在傳播空間相遇都會產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象？ 讓學生回答，讓學生描述穩(wěn)定干涉現(xiàn)象的特征，指出干涉現(xiàn)象是兩列波在空間相遇疊加的一種情景；一切波都能發(fā)生干涉現(xiàn)象，干涉現(xiàn)象是波特有的現(xiàn)象．要得到穩(wěn)定干涉現(xiàn)象需是相干波源． （二）教學過程設計 1．光的干涉現(xiàn)象——揚氏干涉實驗． （1）提出問題：光是否具有波動性？如果有則會有光的干涉現(xiàn)象，觀察光的干涉現(xiàn)象可以用屏幕，在屏幕上會得到什么現(xiàn)象呢？ 演示兩個通有同頻率交流電單絲燈泡（或蠟燭）作為兩個光源，移動屏與它們之間的距離，屏幕上看不到明暗相間的現(xiàn)象． 實驗結(jié)果表明：兩個獨立熱光源的光波相遇得不到干涉現(xiàn)象．說明光的復雜性．認識事物不是一帆風順的．實驗的不成功是光無波動性？還是實驗設計有錯誤，沒有滿足相干條件？ （2）楊氏實驗． ①介紹英國物理學家托馬斯楊．如何認識光，如何獲得相干光源——展示楊氏實驗掛圖鼓勵學生在認識事物或遇到問題時，學習楊氏的科學態(tài)度，巧妙的思維方法． ②介紹實驗裝置——雙縫干涉儀． 說明雙縫很近0．1mm，強調(diào)雙縫S1、S2與單縫S的距離相等，所以兩單縫S1、S2處光的振動不僅頻率相同，而且總是同相． ③演示： 先用加濾色片后單色光紅光進行演示，然后改用激光源做雙縫干涉實驗，并使雙縫與屏幕的距離加大，這樣在屏幕上得到條紋間距離大，更為清晰的明暗相同的圖樣． 展示雙縫干涉圖樣，讓學生注意觀察圖樣，回答圖樣的特點：（1）明暗相間．（2）亮紋間等距，暗紋間等距．（3）兩縫S1、S2中垂線與屏幕相交位置是亮條紋——中央亮紋． 提出問題：為什么會出現(xiàn)這樣的圖樣？怎樣用波動理論進行解釋． 2．運用波動理論進行分析． （1）演示兩列頻率相同、振動方向相同兩列波在一直線上疊加的情景． 用做好的幻燈片用投影幻燈進行演示；或用編制好的軟件在電腦上進行演示． 注意分析兩列波傳播經(jīng)同一位置時此點的振動情況． ①仍在某一平衡位置附近往復振動，位移隨時間而改變． ②兩列波同相振幅變大，說明此點振動加強了；兩列波反相振幅減小，說明此點振動減弱了． 強調(diào)波形圖是各個質(zhì)點在同一時刻位移的包絡線，演示波在傳播時，波峰波谷的移動情況． （2）演示一列波由近及遠波峰、波谷示意圖，演示兩列頻率相同，同相波由近及遠波峰、波谷的示意圖． 操作：①先演示一列波傳播時，每隔傳播距離為波峰 波谷行進的位置；然后再演示兩列波S1、S2獨立傳播每隔，傳播距離為波峰，波谷行進位置。 ②幻燈片數(shù)量準備多一些，波峰、波谷向前推進速度要慢，若用電腦波行進的速度要慢且可暫停． ③最后形成書上雙縫干涉示意圖樣，展示彩色掛圖． 分析： ①說明示意圖是兩列波某一時刻峰谷位置分布圖． ②說明兩列波同頻率、初相相同，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消弱點． ③先分析S1S2連線中垂線上的點：首先讓學生注意中垂線上的某一點，演示讓波行進起來結(jié)果峰谷依次通過此點——說明此點振動在峰→平衡位置→谷→平衡位置→峰之間往復振動是加強點．然后再讓學生看兩列波的相遇峰、谷依次通過該直線上的所有點——說明此直線上的點均是加強點． ④再分析S1S2中垂線兩側(cè)對稱位置上的點，即兩列波峰谷相遇點，首先注意某一點，演示讓波行進起來總是峰谷同時通過此點——說明兩列波通過此點總是振動方向相反，是被消弱的；然后再看兩列波峰谷交叉點的移動情況——為消弱區(qū)域． ⑤其次再分析遠離中垂線上的點又是加強區(qū)域…… 小結(jié)：通過以上分析振動加強與消弱點的分布是相互間隔的而且是穩(wěn)定的．結(jié)合干涉掛圖反映在屏幕上：同相加強光能量較強——亮；反相減弱光能量較弱——暗．得到亮暗間隔的干涉圖樣． （3）屏幕上出現(xiàn)亮紋、暗紋的條件． 在示意圖中，S1和S2為一對相干光源，兩組半徑相同的同心圓表示S1和S2兩相干光源向外傳播的兩列波．實線表示波峰，虛線表示波谷．實線a0、a2、a＇2，a4、a＇4…為加強區(qū)域，虛線a1、a＇1；a3、a＇3…為減弱區(qū)域． ①實線a0上各點，S1、S2發(fā)出光波到達線上某點的光程差δ=0． 實線a2（a＇2）上各點，S1、S2發(fā)出光波到達線上某點的光程差δ2=λ． 實線a4（a＇4）上各點，S1、S2發(fā)出光波到達線上某點的光程差δ4=2λ． 即在實線a0、a2（a＇2）、a4（a＇4）…上各點光程差各為0、λ、2λ…，即為波長的整數(shù)倍．屏上出現(xiàn)亮紋． ②虛線a1（a＇1）上各點，S1、S2發(fā)出光波到達線上某點的光程 虛線a3（a＇3）上各點，S1、S2發(fā)出光波到達該線上某點的光程 …… 即在虛線上a1（a＇1），a3（a＇3）…上各點的光程差各為 總結(jié)規(guī)律：凡光程差等于波長整數(shù)倍的位置，產(chǎn)生亮條紋；凡光程差等于半波奇數(shù)倍的位置，產(chǎn)生暗條紋，即產(chǎn)生亮暗條紋條件表達式： 亮紋光程差δ=kλ（k=0，1，2…）． （4）若學生數(shù)學基礎好，接受能力強可推導屏上亮暗紋的位置公式，否則不進行此內(nèi)容． 3．干涉條紋間距與哪些因素有關． 教師重做雙縫干涉實驗，讓學生注意實驗現(xiàn)象，并定性尋找規(guī)律． ①改變屏與縫之間的距離L——波長λ不變時L越大，亮紋間距（暗紋間距）越大． ②屏與縫之間距離L不變，用不同的單色光進行實驗——波長長的亮紋間距（暗紋間距）大，并展示彩色掛圖． ③L、λ不變，用雙縫距離d不同配件進行實驗——d小的亮紋間距（暗紋間距）大． 小結(jié)：（1）實驗可證明（或用上述亮暗紋的位置公式得亮紋間距） （2）利用雙縫干涉實驗，測量L、d、△x可測單色光的波長． 4．用復色光源做揚氏雙縫干涉實驗． 讓學生猜測干涉圖樣，然后教師做演示，讓學生注意觀察屏上圖樣特征：雙縫S1、S2連線的中垂線與屏相交的中央位置是白色亮縫，而兩側(cè)是彩色條紋，然后展示掛圖以便讓學生對圖樣有深刻印象． （三）課堂小結(jié) 1．托馬斯揚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(xiàn)象微粒說無法解釋，而波動說可做出完善解釋，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(chǎn)生明暗條紋，其特征是在中央明紋兩側(cè)對稱地分布著明暗相間的各級干涉條紋，且相鄰明紋和相鄰暗條紋的間隔相等． 單色光：亮紋 光程差 δ=kλ（k=0，1，2…）． 暗紋 光程差 對同一裝置條紋寬度 復色光則出現(xiàn)彩色條紋． 3．明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(chǎn)生能量，而是按波的傳播規(guī)律，到達該處的能量比較集中．