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高中物理《光的干涉》教學(xué)設(shè)計 大衢中學(xué)孫炳海 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(diǎn)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(jī)械波的干涉聯(lián)系起來，引用路程差的概念，應(yīng)用學(xué)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(shù)倍處出現(xiàn)亮條紋，與兩個狹縫的路程差是半個波長的奇數(shù)倍處出現(xiàn)暗條紋。 教材將《光的干涉》安排在學(xué)生可感知的光折射現(xiàn)象研究（第1 節(jié)）之后，意在建立有層次的光本性認(rèn)知平臺．在光折射現(xiàn)象研究中得到折射定律后，教材及時引導(dǎo)學(xué)生作深層思考：從實(shí)驗中得出的折射定律與從惠更斯原理得出的結(jié)論形式一致，是否可以推測光可能是一種波？“光線”是否應(yīng)該是光波的波線？為將對光的認(rèn)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(xué)生的認(rèn)知水平相適應(yīng)的，也順乎人類對光本性認(rèn)識的進(jìn)程。 二、教學(xué)目標(biāo) 1．知識與技能 ◆會觀察與描述光的雙縫干涉現(xiàn)象，認(rèn)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(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象的條件。 2．過程與方法 ▲通過對實(shí)驗觀察分析，認(rèn)識干涉條紋的特征，獲得探究活動的體驗。 ▲嘗試運(yùn)用波動理論解釋光的干涉現(xiàn)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(jī)械波的干涉向光的干涉遷移，經(jīng)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(xiàn)象的奇妙和諧。 　 ●了解光干涉現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)對推動光學(xué)發(fā)展的意義。 三、重點(diǎn)難點(diǎn) 重點(diǎn)：1．觀察與描述光的雙縫干涉現(xiàn)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(diǎn)：用波動理論解釋明暗相間的干涉條紋。 四、教具準(zhǔn)備： ⑴實(shí)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(shí)驗原理示意圖， PPT課件、多媒體動畫等。 五、教學(xué)過程 在光的折射一課中，從實(shí)驗中得出的折射定律與從惠更斯原理得出的結(jié)論形式一致，是否可以推測光可能是一種波？ 學(xué)生思考與交流后得到：如果光是一種波，則要有波的特征現(xiàn)象作實(shí)驗支持．干涉是波特有的現(xiàn)象，一切波都能發(fā)生干涉，因此可以用光是否具有干涉現(xiàn)象來判斷光是不是 一種波。 復(fù)習(xí)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(shí)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(zhì)中點(diǎn)為兩波谷疊加，點(diǎn)為波峰與波谷疊加，點(diǎn)為兩波峰疊加，點(diǎn)是處于某種中間狀態(tài)的疊加。問：中哪些是出現(xiàn)振動加強(qiáng)的地方，哪些是出現(xiàn)振動減弱d 地方，哪些是出現(xiàn)振動加強(qiáng)和減弱的中間過渡狀態(tài)？ （一般情況下，學(xué)生能順利回答兩點(diǎn)是振動加強(qiáng)的點(diǎn)，點(diǎn)是振動減弱的點(diǎn)，對于點(diǎn)可能會出現(xiàn)爭議。教師可做如下引導(dǎo)） 設(shè)問：點(diǎn)位于什么位置呢？ 學(xué)生答：略 （教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析）既然S1S2到點(diǎn)的路程差為零，根據(jù)波動理論，兩波源在點(diǎn)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(diǎn)處的疊加，激起點(diǎn)的振動的振幅（教師強(qiáng)調(diào)是振幅最大，而非位移最大，即使是振動加強(qiáng)的點(diǎn)，也有位移為零的時候）仍為最大，故點(diǎn)還是振動加強(qiáng)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(xué)生走進(jìn)光的雙縫干涉） 讓學(xué)生觀察并描述穩(wěn)定水波干涉現(xiàn)象的特征：即出現(xiàn)振動總是加強(qiáng)和振動總是減弱的區(qū)域，且加強(qiáng)區(qū)和減弱區(qū)互相間隔的現(xiàn)象；指出干涉現(xiàn)象是兩列波在空間相遇疊加的結(jié)果；強(qiáng)調(diào)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(xiàn)象之一 ——干涉 現(xiàn)象——振動加強(qiáng)與減弱的區(qū)域確定 條件——兩列波的頻率相同（必要條件） 設(shè)問1：預(yù)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(xiàn)象是明暗相間的條紋．（從機(jī)械波遷移至光波） 設(shè)問2：日常生活中為什么不易看到光的干涉現(xiàn)象？ 學(xué)生交流后教師總結(jié)：要產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)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(diǎn)決定的。因此，兩個獨(dú)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(shè)問3：如何通過實(shí)驗控制而獲得光的干涉現(xiàn)象？ 學(xué)生交流后教師歸納：實(shí)驗控制的關(guān)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(yīng)可得到預(yù)期的現(xiàn)象。1801年英國的托馬斯楊想出了一個巧妙的辦法，把一個點(diǎn)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?shù)挠^察到了光的干涉現(xiàn)象。因為他設(shè)計的巧妙，雙縫干涉實(shí)驗被評為十大美麗物理實(shí)驗之一（排第五名，多媒體投影如右圖）。 二、雙縫干涉實(shí)驗 1．演示實(shí)驗、觀察現(xiàn)象 （屏幕顯示托馬斯楊雙縫干涉實(shí)驗原理示意圖，如圖1所示，介紹楊氏實(shí)驗） 教師強(qiáng)調(diào)以下兩點(diǎn)：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(shí)驗所用的不是狹縫，而是小孔，后來，他發(fā)現(xiàn)改用狹縫后干涉圖樣更加明亮，于是后人把他的實(shí)驗叫做雙縫干涉實(shí)驗。楊氏實(shí)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(shí)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(xué)生說出觀察到的現(xiàn)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(xué)生再觀察實(shí)驗現(xiàn)象，并引導(dǎo)學(xué)生描述觀察到的現(xiàn)象。 學(xué)生活動：①在加雙縫前，請一學(xué)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(xué)幫助想辦法，如將雙縫屏迎著光去看便可看出。 ②仔細(xì)觀察實(shí)驗現(xiàn)象，并描述加雙縫前、后在光屏上觀察到的現(xiàn)象：光到達(dá)屏上的范圍比不加雙縫時大了；屏上出現(xiàn)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(xué)生說出，明暗相間的條紋走向與雙縫的方向平行。 教師設(shè)問：請同學(xué)們根據(jù)剛才的觀察，歸納雙縫干涉圖樣的特征。 學(xué)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(dá)的范圍比“直線傳播”的大。 教師設(shè)問：為什么會出現(xiàn)這樣的圖樣？怎樣用波動理論解釋光的干涉現(xiàn)象。 三、比較推理、分析現(xiàn)象 我們可以仿照機(jī)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(diǎn)距離相同，所以這兩列波的波峰或波谷同時到達(dá)P0點(diǎn)，在這一點(diǎn)，兩列波的波峰與波峰疊加，波谷與波谷疊加，他們在P0點(diǎn)相互加強(qiáng)，因此這里出現(xiàn)明條紋。 ⑵第一亮條紋 S1、S2到P1點(diǎn)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(dāng)S1的波峰(或波谷)到達(dá)P1點(diǎn)時，S2的波峰(或波谷)也到達(dá)P1點(diǎn)。在這一點(diǎn)，兩列波的波峰與波峰疊加，波谷與波谷疊加，他們在P1點(diǎn)相互加強(qiáng)，因此這里也出現(xiàn)明條紋。 ⑶第一暗條紋 S1、S2到Q1點(diǎn)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(dāng)S1的波峰(或波谷)到達(dá)Q1點(diǎn)時，S2的波谷 (或波峰)也到達(dá)Q1點(diǎn)。在這一點(diǎn)，兩列波的波峰與波谷疊加，他們在Q1點(diǎn)相互減弱，因此這里出現(xiàn)暗條紋。 教師設(shè)問：同學(xué)們能否自己歸納一下屏上出現(xiàn)明條紋或者暗條紋的一般條件呢？ 學(xué)生思考討論后得出結(jié)論：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(dá)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(qiáng)的位置每一時刻都是加強(qiáng)的，而減弱的位置每一時刻都是減弱的。) 教師設(shè)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(diǎn)是明紋還是暗紋呢？ 學(xué)生茫然…… 教師指出：其實(shí)，我們剛才討論的所謂振動加強(qiáng)點(diǎn)，實(shí)際上應(yīng)該是振動最強(qiáng)的點(diǎn)，該點(diǎn)振幅最大(等于兩列波的振幅之和)，而振動減弱的點(diǎn)實(shí)際上是振動最弱的點(diǎn)，該點(diǎn)振幅最小(等于兩列波的振幅之差)。像這樣的點(diǎn)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(xué)生理解上的難點(diǎn)，此時教師再用多媒體投影干涉圖樣，讓學(xué)生仔細(xì)觀察，加深體會。) 思考題：試著推導(dǎo)出明條紋(暗條紋)中心位置的表達(dá)式。(為下一節(jié)的實(shí)驗打下基礎(chǔ)) 本題在教師的指導(dǎo)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(chǎn)生干涉，這樣的兩個光源叫做相干光源。 （全課總結(jié)、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(shí)驗．光的干涉現(xiàn)象是微粒說無法解釋的，使人們認(rèn)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(qiáng)，如果反相光就減弱，于是產(chǎn)生亮暗條紋，其特征是在中央亮紋兩側(cè)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(qiáng)，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(dá)該處的能量比較集中。 五、作業(yè)設(shè)計 1．認(rèn)真閱讀課本，預(yù)習(xí)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(xiàn)象。 3．探討： 以下是兩個關(guān)于光的干涉的實(shí)驗，試分析在這些實(shí)驗設(shè)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(shí)驗 實(shí)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(dá)屏上。 S M1 M2 C 圖3 菲涅耳雙面鏡實(shí)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(jīng)平面鏡M1和M2發(fā)生反射。