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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(guó)內(nèi)以往教材對(duì)光的教學(xué)都是按光學(xué)的兩大分支——利用幾何學(xué)的概念和方法研究光的傳播規(guī)律的幾何光學(xué)和研究光的本性以及光與物質(zhì)相互作用的規(guī)律的物理光學(xué)而分兩章進(jìn)行，兩部分教學(xué)內(nèi)容的處理相對(duì)獨(dú)立．新課標(biāo)下的光學(xué)教材，突出“光的本性”這條主線，將兩部分內(nèi)容整合為一，全章教材內(nèi)容編排靈動(dòng)活躍，貼近光學(xué)研究高新理念與成果，具有時(shí)代氣息． 2．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(tái)．在光折射現(xiàn)象研究中得到折射定律后，教材及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生作深層思考：從實(shí)驗(yàn)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(cè)光可能是一種波？“光線”是否應(yīng)該是光波的波線？為將對(duì)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(duì)光本性認(rèn)識(shí)的進(jìn)程． 3．本節(jié)圍繞波的特征現(xiàn)象之一 ——光的干涉的研究展開(kāi)，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(shí)驗(yàn)及光干涉現(xiàn)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(xué)方法： 不完整的事實(shí)（折射定律與從惠更斯原理得出的結(jié)論形式一致） ↓ 假說(shuō)（光是一種波） ↓ 可檢驗(yàn)的依據(jù)（是波就會(huì)干涉） ↓ 新事實(shí)的檢驗(yàn)（雙縫干涉圖樣） 二、學(xué)情分析 1．學(xué)生大多在生活中沒(méi)有光的干涉現(xiàn)象的體驗(yàn)，但通過(guò)高中物理學(xué)習(xí)，已有水波、聲波等機(jī)械波干涉的經(jīng)驗(yàn)與理論，高二學(xué)生已有一定的自主構(gòu)建新知識(shí)框架的能力，可以從已感知的機(jī)械波干涉現(xiàn)象與規(guī)律延伸至待認(rèn)定的光是波的推想． 2．高二學(xué)生已有一定的物理學(xué)科方法，如觀察實(shí)驗(yàn)，控制實(shí)驗(yàn)，假說(shuō)方法，從現(xiàn)象歸納規(guī)律等，可以實(shí)現(xiàn)教材滲透的方法教育意圖． 三、設(shè)計(jì)思想 基于上述對(duì)教材意圖與受體分析，本節(jié)教學(xué)著重向?qū)W生介紹作為光的波動(dòng)說(shuō)的重要實(shí)驗(yàn)支持——光的干涉現(xiàn)象．教學(xué)安排擬從回眸機(jī)械波的干涉導(dǎo)入，以課堂演示實(shí)驗(yàn)及學(xué)生隨堂實(shí)驗(yàn)為依托，讓學(xué)生“想”——體驗(yàn)邏輯推理的思維過(guò)程、“說(shuō)”——外顯思維活動(dòng)過(guò)程、“看”——理性觀察、“做”——體驗(yàn)科學(xué)探究活動(dòng)、應(yīng)用探究方法、“聽(tīng)”——接受前人總結(jié)知識(shí)，完成教材規(guī)定的教學(xué)要求． 四、教學(xué)目標(biāo) 本課教學(xué)目標(biāo)在以下三個(gè)領(lǐng)域具體為 1．知識(shí)與技能 ◆會(huì)觀察與描述光的雙縫干涉現(xiàn)象，認(rèn)識(shí)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． ◆嘗試獲取相干光源． 2．過(guò)程與方法 ※通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)觀察分析，認(rèn)識(shí)干涉條紋的特征，獲得探究活動(dòng)的體驗(yàn)． ※嘗試運(yùn)用波動(dòng)理論解釋光的干涉現(xiàn)象． ※體驗(yàn)觀察到光的雙縫干涉以支持光的波動(dòng)說(shuō)的假說(shuō)上升為理論的方法． ※通過(guò)機(jī)械波的干涉向光的干涉遷移，經(jīng)歷知識(shí)同化、抽象建模的物理思維過(guò)程． 3．情感態(tài)度與價(jià)值觀 ●體驗(yàn)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(duì)推動(dòng)光學(xué)發(fā)展的意義． 五、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．知道產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象的條件，認(rèn)識(shí)干涉條紋的特征． 難點(diǎn)：用波動(dòng)理論解釋亮暗相間的干涉條紋． 六、教學(xué)策略與手段 從上一節(jié)所設(shè)伏筆“從實(shí)驗(yàn)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(cè)光可能是一種波？”切入，在復(fù)習(xí)水波的干涉現(xiàn)象及產(chǎn)生條件的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生提出用光是否具有干涉現(xiàn)象來(lái)作判斷． 在演示激光干涉圖樣之前，預(yù)期光干涉圖樣，介紹楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)． 對(duì)單色光雙縫干涉亮、暗條紋的成因作定性解釋． 在學(xué)生活動(dòng)《做一做》中，讓學(xué)生用自制的雙縫觀察激光的干涉圖樣，通過(guò)雙縫觀看白熾燈燈絲出現(xiàn)彩色的干涉條紋作為學(xué)生的探究活動(dòng)． 作業(yè)設(shè)計(jì)：思考生活中所見(jiàn)過(guò)的光的干涉現(xiàn)象，力求使物理課堂學(xué)習(xí)貼近學(xué)生生活，盡量做到“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”． 接受性學(xué)習(xí)與探究性學(xué)習(xí)穿插，完成本課目標(biāo)． 七、課前準(zhǔn)備 1．為了更好的展開(kāi)教學(xué)內(nèi)容，上節(jié)課后作業(yè)預(yù)埋一道背景為機(jī)械波的干涉的習(xí)題． 2．教師在課前要做好充分的準(zhǔn)備，對(duì)教材的內(nèi)容進(jìn)行深刻的分析，做好上課時(shí)需要的相關(guān)課件．做好實(shí)驗(yàn)是本堂課的關(guān)鍵，教師在課前要先做好演示實(shí)驗(yàn)． 3．為了使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，本節(jié)課要在有暗室條件的教室里上． 4．教學(xué)用具：⑴實(shí)驗(yàn)裝置 演示光的干涉現(xiàn)象：激光器，雙縫；20組學(xué)生電源、白熾燈，若干經(jīng)過(guò)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(shí)驗(yàn)原理示意圖，分析出現(xiàn)亮暗相間條紋條件的PPT動(dòng)畫等． 八、教學(xué)過(guò)程 全課圍繞光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)展開(kāi)教學(xué)活動(dòng)． （動(dòng)畫顯示課題后，教師引入） 在光的折射一課中，從實(shí)驗(yàn)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(cè)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(yàn)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(lái)判斷光是不是 一種波． （屏幕展示“水波干涉”的視頻，通過(guò)已有知識(shí)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(dòng)總是加強(qiáng)和振動(dòng)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(dòng)情況完全相同． （板書） 一、波的特征現(xiàn)象之一 ——干涉 現(xiàn)象——振動(dòng)加強(qiáng)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(shè)問(wèn)1： ⑴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)象是亮暗相間的條紋．（從機(jī)械波遷移至光波） 設(shè)問(wèn)2： ⑵日常生活中為什么不易看到光的干涉現(xiàn)象？如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)控制而獲得光的干涉現(xiàn)象？ 學(xué)生交流后教師歸總：要產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象必須要有兩個(gè)振動(dòng)情況完全相同的光源，實(shí)驗(yàn)控制的關(guān)鍵在獲取振動(dòng)情況完全相同的光源，讓兩個(gè)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． 圖1 S2 S S1 單色光 單縫屏 雙縫屏 光屏 （板書） 二、雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 1．物理學(xué)家這樣做——托馬斯楊雙縫干涉實(shí)驗(yàn) （屏幕切換顯示托馬斯楊雙縫干涉實(shí)驗(yàn)原理示意圖，如圖1所示，介紹楊氏實(shí)驗(yàn)） 教師強(qiáng)調(diào)以下兩點(diǎn)：?jiǎn)慰p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(dòng)情況完全相同．說(shuō)明楊氏最初的實(shí)驗(yàn)所用的不是狹縫，而是小孔，后來(lái)，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(yàn)叫做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)．楊氏實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn) （教師采用激光作為光源演示雙縫干涉實(shí)驗(yàn)） 教師操作：⑴打開(kāi)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(shuō)出觀察到的現(xiàn)象——激光沿直線傳播，打到墻上是一個(gè)亮斑． ⑵在激光器前加一雙縫，讓學(xué)生再觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并引導(dǎo)學(xué)生描述觀察到的現(xiàn)象． 學(xué)生活動(dòng)：①在加雙縫前，請(qǐng)一學(xué)生來(lái)觀察雙縫，因?yàn)殡p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(yàn)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(shí)大了；屏上出現(xiàn)了亮（紅）暗相間的條紋；條紋間距相等；還可以請(qǐng)剛才觀察雙縫的學(xué)生說(shuō)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(dá)的范圍比“直線傳播”的大． 教師設(shè)問(wèn)：為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的圖樣？怎樣用波動(dòng)理論解釋光的干涉現(xiàn)象． 圖2 強(qiáng) 強(qiáng) 弱 弱 波谷 波峰 波源 波源 強(qiáng) （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(diǎn)：⑴說(shuō)明示意圖是兩列波某一時(shí)刻峰谷位置分布圖． ⑵說(shuō)明兩列波的振動(dòng)情況完全相同，在兩列波峰峰、谷谷相遇位置均是加強(qiáng)點(diǎn)；而峰谷相遇位置均是減弱點(diǎn)． ⑶先分析S1、S2連線中垂線上的點(diǎn)，這些點(diǎn)到兩波源的路程差為0，是加強(qiáng)點(diǎn)，并說(shuō)明此直線上的點(diǎn)均是加強(qiáng)點(diǎn)． ⑷再分析S1、S2連線中垂線兩側(cè)最靠近中垂線對(duì)稱位置上的點(diǎn)，即兩列波峰谷相遇點(diǎn)，這些點(diǎn)到兩波源的路程差為，為減弱區(qū)域． ⑸再分析遠(yuǎn)離中垂線上的點(diǎn)，又是加強(qiáng)區(qū)域……． 小結(jié)：通過(guò)以上分析可知：振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)與減弱區(qū)的分布是相互間隔的，而且是穩(wěn)定的．結(jié)合干涉圖樣分析：疊加加強(qiáng)區(qū)，光能量較強(qiáng)——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(dāng)屏上某點(diǎn)到雙縫S1、S2的路程差是光波波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，即，在這些地方出現(xiàn)亮條紋； 2. 當(dāng)屏上某點(diǎn)到雙縫S1、S2的路程差是光波半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，即，在這些地方出現(xiàn)暗條紋． 學(xué)生活動(dòng)：用自制的器材來(lái)觀察雙縫干涉現(xiàn)象．取經(jīng)過(guò)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(xì)縫，縫間距離要小于0.1mm．這樣就做成了雙縫．學(xué)生做好雙縫后，教師請(qǐng)若干學(xué)生把做好的雙縫放到激光器前，讓其他同學(xué)用白紙?jiān)谧约鹤簧暇徒邮崭缮鎴D樣．描述各圖樣及教師演示的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有何異同． 教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)：干涉條紋的間距與雙縫的間距有關(guān)，干涉條紋的間距與雙縫至屏的距離有關(guān)． 學(xué)生活動(dòng)：通過(guò)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？思考為什么會(huì)出現(xiàn)彩色的干涉條紋？ 干涉現(xiàn)象是波的特征現(xiàn)象，雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的成功說(shuō)明光的確是一種波．雙縫干涉實(shí)驗(yàn)最重要的控制是獲得兩個(gè)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(gè)光源，所以發(fā)出的光不會(huì)發(fā)生干涉；我們剛才的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)雙縫獲得了可以產(chǎn)生干涉圖樣的光源． （板書） 四、相干光源 如果兩個(gè)光源發(fā)出的光能夠產(chǎn)生干涉，這樣的兩個(gè)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(wèn)題，成功做出了光的干涉實(shí)驗(yàn)．光的干涉現(xiàn)象是微粒說(shuō)無(wú)法解釋的，使人們認(rèn)識(shí)到光具有波動(dòng)性． 2．兩個(gè)相干光源發(fā)出的光在屏上某處疊加時(shí)，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(duì)稱地分布著亮暗相間的各級(jí)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(méi)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． 九、作業(yè)設(shè)計(jì) 1．認(rèn)真閱讀課本，預(yù)習(xí)第3節(jié)：用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)． 2．例舉生活中見(jiàn)過(guò)的光的干涉現(xiàn)象． 3．探討： ⑴在用自制的雙縫觀看白熾燈絲時(shí)，為什么會(huì)看到燈絲兩側(cè)細(xì)密地分布著彩色的干涉條紋？ ⑵以下是兩個(gè)關(guān)于光的干涉的實(shí)驗(yàn)，試分析在這些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)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(dá)屏上． S M1 M2 C 圖4 菲涅耳雙面鏡實(shí)驗(yàn) 菲涅爾雙鏡是兩個(gè)交角很小的平面鏡，如圖4所示，從狹縫S發(fā)出的光，經(jīng)平面鏡M1和M2發(fā)生反射．