高中物理人教版 (新课标)选修33 光的干涉教学设计

这是一份高中物理人教版 (新课标)选修33 光的干涉教学设计，共6页。教案主要包含了教学目的，教学重点，教学难点，课时安排，教学过程，板书设计等内容，欢迎下载使用。

但是，光在传播时，也有一些用微粒说不能解释的现象，如衍射、干涉、偏振等。这些都是波动的典型特征。于是，十七世纪中叶，就已经出现了光是一种波的学说，坚持波动说的典型物理学家是（荷兰）惠更斯。
一方面由于惠更斯的波动说确实存在缺陷（解释直进、在真空中传播有困难），另一方面，由于牛顿在十七~十八世纪形成的泰斗地位——虽然没有足够的理由表明牛顿是微粒说的顽固坚持者（事实上，牛顿本人就在1675年做了牛顿环的实验，并提出了“波具有周期性”的观点）——但微粒说一度占据了上风。甚至在整个十八世纪，波动说没有实质性地得到发展。
到十九世纪，人们对于光的本性研究的手段更先进了，电磁场的理论也逐渐成熟。因此，在60年代，光的电磁波说被推了出来，它的代表物理学家是麦克斯维。由于麦克斯维的电磁波说和惠更斯的以太（弹性）波学说有着本质的区别，在解释各种光学现象时也非常成功，因此，人们一度认为它已经足够完美了。
但是，到十九世纪末，人们发现了光电效应，这使光的电磁波说遇到了空前的困难。在这种背景下，光的能量子说（光子说）应运而生，它的代表物理学家是爱因斯坦。
爱因斯坦提出光子说，并不意味着电磁波说倒退到牛顿的微粒说（因为量子和弹性微粒是两个本质不同的概念）。由于光子说主要是偏重于解释光的能量传递方面的特征，实质上并没有否定光的电磁波学说（基于光的传播方向得出结论）。光究竟是什么？现在的权威性观点是：量子性和波动性都是光的属性之一，只是在某些条件下，某一个属性表现比较抢眼一些；光是波动和粒子运动的矛盾统一体，这就是所谓的波粒二象性。
而本章，我们主要介绍光的波动属性，以及相关的物理史实。
第二十章 光的波动性
我们已经不止一次地听到光是一种电磁波的说法，但要接受这个观点，必须基于物理事实的总结。这是实现本章学习目的的基本手段。而且，本章的实验大多数都是在我们现有的条件下能够做成的，大家在课堂上要注意观察、思考，必要的时候，我们还要自己动手进行分组实验——重复一百年前伟人们的研究历程。
本章可分为四个单元。第一单元：第1、2节，讲光的干涉和衍射；第二单元：第3节，讲光的电磁说，电磁波谱；第三单元：第4节，讲光的偏振，进一步说明光是横波，是电磁波；第四单元：第5节，介绍激光。
本章的知识点在高考考纲中都是A级。在历年的高考试题中，有关本章的内容多以选择或填空题的形式出现。命题几率较高的是光的干涉、衍射，其次是波长、波速和频率的关系，有时还与几何光学中的知识结合起来进行考查。
§20~1 光的干涉
【教学目的】
1、认识光的干涉现象及光产生干涉的条件
2、理解（杨氏）双缝干涉形成的原理，以及条纹的特征
3、知道实现光的干涉的途径并不是唯一的，了解薄膜干涉形成的原理，以及它在工程物理领域的应用
【教学重点】
光产生干涉的条件，干涉条纹的特征
【教学难点】
（杨氏）双缝干涉形成的原理，以及条纹的特征分析
【教具】
（杨氏）双缝干涉仪，酒精灯，食盐，铁丝圈，肥皂水
【课时安排】
2课时
【教学过程】
○、复习&引入
复习提问1：波动只所以有别于粒子运动，其重要特征是什么？
☆学生：能够发生干涉、衍射。
复习提问2：什么是机械波的干涉？发生波的干涉的条件是什么？
☆学生：两列波在叠加后，在空间形成稳定的振动加强和减弱的区域（而且它们彼此间隔）；两列波的频率相等。
我们要确认光具有波动性，就必须拿出光能够干涉或衍射的事实。而根据刚才的物理学史介绍，在波动说已经提出的前提下，整个十八世纪都没有得到发展。是不是观察光的干涉、衍射现象很不容易呢？答案是肯定的。
一、双缝干涉
为什么不容易，这得从两个角度去认识：一是干涉的条件是否容易达成，二是干涉现象形成后，其强弱的分布状况是否方便人们去观察。
在第一个方面，就是一个难题。原来的一般的光源都含有多种颜色（即多种频率）的成分，即便是找到了“完全相同”的光源，但从发光的微观角度看，由于发出的光波具有不连续性（就不能保证相位差恒定），要保证它们能够发生干涉，也是很难的。光学上，把能够发生干涉的光源叫做——
1、相干光源：频率相等、相位差恒定的光源称为相干光源。为了确保这两个条件满足，人们想过很多办法，英国物理学家托马斯·杨是这样做的：将同一光源发出的光用一个只留两个孔（或两个缝）的挡板挡住，那么从这两个空（或两个缝）中射出的光就是相干光源了。
干涉现象形成后，如何方便观察？这个问题复杂一些，让我们将实验完成之后，再做定量分析。
2、双缝干涉
演示：（杨氏）双缝干涉实验
a、学生观察双缝；
b、学生预测实验现象（教师配合草稿板图——机械波干涉分析——类比）；
c、学生观察干涉条纹…
过渡：为了解决干涉现象形成后是否方便观察的问题，下面进入双缝干涉的定量分析——（请同学们注意，我们这里并不仅仅是解释为什么形成干涉条纹——这一点，我们已经能够利用已有的知识去预测了——而是要研究怎样形成方便观察的条纹，这就涉及到一个条纹宽度的计算问题。因此，我们今天对光的干涉的研究比起机械波干涉的研究必须更为深入。）
为了寻求条纹的宽度，我们引进波程差的分析法。
a、定性阐述…
b、定量（板图1）分析
δ= S2P1 － S1P1
≈dsinθ= d·
当δ= 0时（位置： P点），对应第一个最强点（事实上是一条线），此时 x = 0
当δ=λ时（位置：P1点），对应第二个最强“线”，此时 x′=λ
当δ= 2λ时（位置：P2点），对应第三个最强“线”，此时 x″=2λ
……
同学们，最亮条纹之间的间距是多少？
☆学生：条纹间距Δx = x′－ x = x″－ x′= λ。
我们这里没有计算暗纹的位置和间距情况，暗纹的间距又是多少呢？
☆学生：当然和亮纹间距相等。
3、条纹间距 Δx = λ
假设我们手头有两个相干光源（平行的线光源），它们相距1m ，供观察的屏到光源之间的距离为2m ，光的波长是我们前面提到的钠黄光（λ= 5893），那么干涉条纹的间距Δx等于多少？
★师生共同计算：Δx = 1.18×10-6m = 0.00118mm 。
这样一个间距，肉眼观察容易吗？
☆学生：不容易。
那么，同样是钠黄光，杨氏双缝干涉装置的条纹间距有等于多少呢（杨氏双缝间距d = 0.2mm ，屏与双缝距离 l = 1m）？
★学生：Δx = 2.95mm 。
很显然，这个间距观察起来是很“舒服”的，这个数据也和我们实际观察到的间距相符。
刚才我们事实上已经解释了双缝间距的宽窄会影响干涉条纹的间距，在这方面，我们还可以通过实验验证——
演示：相同色光，改变双缝宽度，干涉条纹检举改变
a、学生观察；
b、教材彩图对应。
下面，我们还要解释关于双缝干涉的另外两个事实——
1、不同色光，条纹间距不同。
a、介绍光的颜色和波长的一般对应规律（参照教材表格）；
b、学生解释“事实”；
c、演示：不同色光的条纹间距不同…
d、参照教材彩图…
2、复色光会形成彩色条纹
a、原理介绍…
b、演示：复色光形成彩色条纹，学生观察。
过渡：从刚才的研究，我们可以得出这样的结论：只要有相干光源，光的干涉就能够产生，但要观察到明显的干涉现象，则需要强弱（明暗）分布的距离适当——这就需要相干光源的波程差比较微妙（和波长的数量级差别不大）。
能够满足以上条件的装置是不是只有杨氏的双缝？答案必然是否定的。
事实上，在十九世纪，探索光的波动性的物理学家很多，卓有成效的也绝不是只有托马斯·杨一人。在物理学史上，比较有影响的干涉实验就有：菲涅耳双面镜（双棱镜）实验、洛埃单镜实验、法布里—珀罗标准具干涉实验、迈克尔逊干涉实验、平行平板干涉实验、楔形平板干涉实验等等。他们有些和杨氏实验的原理类似，有些则则差别较大。
为了强化对干涉的印象，我们这里再介绍一个——
二、薄膜干涉
演示：钠黄光在肥皂薄膜上的干涉。
☆学生：观察实验现象。
在这里，我们也看到了明暗相间的规则条纹，它的形成是不是和杨氏干涉条纹一样呢？首先，光源同不同？
☆学生：不同。
为什么还需要一个肥皂薄膜？这里我们做一个分析——
a、楔性薄膜介绍；
b、板图2定量分析
δ= 2h
若在P处，δ= λ，则P处为亮纹，h =
若在P1处，δ= 2λ，则P1处为亮纹，h1 =λ
若在P2处，δ= 3λ，则P2处为亮纹，h2 =λ
……
启发：同学们，如果知道薄膜倾角α，我们是否可以求出薄膜表面亮纹之间的宽度？
★师生共同计算：相临亮纹处的厚度差 Δh =
设亮纹间距为Δy ，由于α很小，tgα≈ ，所以——
亮纹间距（即条纹间距）Δy =
应用：请同学们计算一下，在刚才的钠黄光薄膜干涉中，要求条纹的间距为3mm（这样观察起来不至于太吃力），则薄膜倾角约为多少？
☆学生：计算→得出结果tgα= 0.982×10-4 ，α= 0.00562°。
很显然，要造就这样一个微妙的夹角（而且基本恒定），是不容易的。
启发：下面请同学们思考一个问题，如果薄膜因某种原因形成了一个“横梗”（如图3甲所示）的状况，干涉条纹将是什么状况？
★学生：思考、交流…
教师导引分析如图3乙和丙所示（1区倾角增大，2区倾角减小）…
启发：如果是局部凸起，条纹状况有怎样？
☆学生：思考、尝试…
事实上，这个原理已经被用于工程技术中的高精度的平面检测中，相关的细节请大家参看教材内容
☆学生：阅读教材…
薄膜干涉的应用除了平面检测，还有增透膜，有兴趣的同学可以在课外阅读一些相关的介绍。
三、小结
光的干涉实验的成功是光具有波动性的铁的证明。本节课，我们比较细致地讨论了光的干涉的规律。从相关的结果我们可以体会到，要做成效果显著的光的干涉实验是不容易的，在某种程度上讲，这也是光的波动说在十八世纪没有得到发展的原因。
我们通过学习本节，需要弄清楚的是，光的干涉的条件是什么，形成显著的干涉在技术上有一些什么要求，双缝干涉和薄膜干涉的共同点和不同点在什么地方。学了光的干涉，我们还要能够解释一些基本自然现象，课后有这样的习题，大家要认真思考。
四、作业布置
阅读临时教材；
“教材”P18第（1）（2）（3）题，上作业本；
《高中物理可是同步训练》P18“基础知识训练”部分、“能力技巧训练”部分，做在书上
【板书设计】
注意“教学过程”的带框字符，即是板书计划。
【教后感】