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2019-2020年高中物理 《光學(xué)光的干涉》教案 滬科版選修3-4 一、教學(xué)目標(biāo) 1．認(rèn)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(rèn)識干涉條紋的特征． 3．通過觀察實驗，培養(yǎng)學(xué)生對物理現(xiàn)象的觀察、表述、概括能力． 4．通過“揚(yáng)氏雙縫干涉”實驗的學(xué)習(xí)，滲透科學(xué)家認(rèn)識事物科學(xué)的物理思維方法． 二、重點(diǎn)、難點(diǎn)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(qiáng)區(qū)和減弱區(qū)并且互相間隔，如何理解“加強(qiáng)”和“減弱”． 3．培養(yǎng)學(xué)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(lán)、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. 四、主要教學(xué)過程 (一)引入 由機(jī)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(xué)生回答，讓學(xué)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(xué)過程設(shè)計 1．光的干涉現(xiàn)象——揚(yáng)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(dú)立熱光源的光波相遇得不到干涉現(xiàn)象．說明光的復(fù)雜性．認(rèn)識事物不是一帆風(fēng)順的．實驗的不成功是光無波動性？還是實驗設(shè)計有錯誤，沒有滿足相干條件？ (2)揚(yáng)氏實驗． ①介紹英國物理學(xué)家托馬斯揚(yáng)．如何認(rèn)識光，如何獲得相干光源——展示揚(yáng)氏實驗掛圖鼓勵學(xué)生在認(rèn)識事物或遇到問題時，學(xué)習(xí)揚(yáng)氏的科學(xué)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(qiáng)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(jìn)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(xué)生注意觀察圖樣，回答圖樣的特點(diǎn)：(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(jìn)行解釋． 2．運(yùn)用波動理論進(jìn)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(jìn)行演示；或用編制好的軟件在電腦上進(jìn)行演示． 注意分析兩列波傳播經(jīng)同一位置時此點(diǎn)的振動情況． ①仍在某一平衡位置附近往復(fù)振動，位移隨時間而改變． ②兩列波同相振幅變大，說明此點(diǎn)振動加強(qiáng)了；兩列波反相振幅減小，說明此點(diǎn)振動減弱了． 強(qiáng)調(diào)波形圖是各個質(zhì)點(diǎn)在同一時刻位移的包絡(luò)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(yuǎn)波峰、波谷示意圖，演示兩列頻率相同，同相波由近及遠(yuǎn)波峰、波谷的示意圖． 波峰、波谷行進(jìn)位置． ②幻燈片數(shù)量準(zhǔn)備多一些，波峰、波谷向前推進(jìn)速度要慢，若用電腦波行進(jìn)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(qiáng)點(diǎn)；而峰谷相遇位置均是消弱點(diǎn)． ③先分析S1S2連線中垂線上的點(diǎn)：首先讓學(xué)生注意中垂線上的某一點(diǎn)，演示讓波行進(jìn)起來結(jié)果峰谷依次通過此點(diǎn)——說明此點(diǎn)振動在峰→平衡位置→谷→平衡位置→峰之間往復(fù)振動是加強(qiáng)點(diǎn)．然后再讓學(xué)生看兩列波的相遇峰、谷依次通過該直線上的所有點(diǎn)——說明此直線上的點(diǎn)均是加強(qiáng)點(diǎn)． ④再分析S1S2中垂線兩側(cè)對稱位置上的點(diǎn)，即兩列波峰谷相遇點(diǎn)，首先注意某一點(diǎn)，演示讓波行進(jìn)起來總是峰谷同時通過此點(diǎn)——說明兩列波通過此點(diǎn)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(diǎn)的移動情況——為消弱區(qū)域． ⑤其次再分析遠(yuǎn)離中垂線上的點(diǎn)又是加強(qiáng)區(qū)域…… 小結(jié)：通過以上分析振動加強(qiáng)與消弱點(diǎn)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(qiáng)光能量較強(qiáng)——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(qiáng)區(qū)域，虛線a1、a′1；a3、a′3…為減弱區(qū)域． ①實線a0上各點(diǎn)，S1、S2發(fā)出光波到達(dá)線上某點(diǎn)的光程差δ=0． 實線a2(a′2)上各點(diǎn)，S1、S2發(fā)出光波到達(dá)線上某點(diǎn)的光程差δ2=λ． 實線a4(a′4)上各點(diǎn)，S1、S2發(fā)出光波到達(dá)線上某點(diǎn)的光程差δ4=2λ． 即在實線a0、a2(a′2)、a4(a′4)…上各點(diǎn)光程差各為0、λ、2λ…，即為波長的整數(shù)倍．屏上出現(xiàn)亮紋． …，即為半波長的奇數(shù)倍，屏上出現(xiàn)暗紋． 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(dá)式： 亮紋 光程差δ=kλ(k=0，1，2…)． *(4)若學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)好，接受能力強(qiáng)可推導(dǎo)屏上亮暗紋的位置公式，否則不進(jìn)行此內(nèi)容． 3．干涉條紋間距與哪些因素有關(guān)． 教師重做雙縫干涉實驗，讓學(xué)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(jìn)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(jìn)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)Δx= (2)利用雙縫干涉實驗，測量L、d、Δx可測單色光的波長． 4．用復(fù)色光源做揚(yáng)氏雙縫干涉實驗． 讓學(xué)生猜測干涉圖樣，然后教師做演示，讓學(xué)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(xué)生對圖樣有深刻印象． (三)課堂小結(jié) 1．托馬斯揚(yáng)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(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…)． 復(fù)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(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．