高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册3 光的干涉精品教案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册3 光的干涉精品教案，共8页。教案主要包含了教学目标，教学重点，教学难点，教学过程，课堂练习等内容，欢迎下载使用。




【教学目标】


1．通过实验观察认识光的干涉现象，知道从光的干涉现象说明光是一种波。


2．掌握光的双缝干涉现象是如何产生的，何处出现亮条纹，何处出现暗条纹。


3．通过杨氏双缝干涉实验，体会把一个点光源发出的一束光分成两束，得到相干光源的设计思想。


4．通过根据波动理论分析单色光双缝干涉，培养学生比较推理，探究知识的能力。


5．通过对光的本性的初步认识，建立辩证唯物主义的世界观。


【教学重点】


双缝干涉图象的形成实验及分析。


【教学难点】


亮纹（或暗纹）位置的确定。


【教学过程】


一、复习提问、新课导入


1．展示肥皂泡上的彩色条纹





提问：这是什么原因形成的呢？


2．复习机械波的干涉


师：大家对这幅图还有印象吗？





生：有，波的干涉。


师：请大家回忆思考下面的问题：


1．干涉必要条件：


两列波的频率相同。


2．干涉现象：


有的地方振动加强，有的地方振动减弱；且振动加强的地方与振动减弱的地方相间隔出现。


3．振动加强点的位置：PS1-PS2=nλ（n=0，1，2，3，…）


4．振动减弱点的位置：PS1-PS2=（2n+1）λ2（n=0，1，2，3，…）


一切波都能发生干涉和衍射现象。干涉和衍射是波特有的现象。


提问：我们知道光是一种电磁波，那么光能否发生干涉现象呢？


师：光的波动理论认为，光具有波动性。那么如果两列振动情况总是相同的光叠加，也应该出现振动加强和振动减弱的区域，并且出现振动加强和振动减弱的区域互相间隔的现象。那么这种干涉是一个什么图样呢？大家猜猜。


生：应是明暗相间的图样。


师：猜想合理。那么有同学看到过这一现象吗？


（学生一片沉默，表示没有人看到过）


师：看来大家没有见过。是什么原因呢？


［生1］可能是日常生活中找不到两个振动情况总相同的光源。


［生2］可能是我们看见了但不知道是光的干涉现象。


师：两位同学分析得非常好，也许是没有干涉的条件，也许是相逢未必曾相识。大家看他们俩谁分析得对呢？


生：我觉得生1说的不成立，这样的光源很多，像我们教室里的日光灯，我觉得它们完全相同。


师：好。我们可以现场来试试。


（先打开一盏日光灯，再打开另一盏对称位置的日光灯）


师：请大家认真找一找，墙上、地上、天花板上，有没有出现明暗相间的干涉现象？


（大家积极寻找，没有发现，思维活跃，议论纷纷）


师：看来两个看似相同的日光灯或白炽灯光源并不是“振动情况总相同的光源”。


师：1801年，英国物理学家托马斯•杨想出了一个巧妙的办法，把一个点光源分成两束，从而找到了“两个振动情况总是相同的光源”，成功地观察到了干涉条纹，为光的波动说提供了有力的证据，推动了人们对光的本性的认识。下面我们就来重做这一著名的双缝干涉实验。





二、新课教学


（一）光的双缝干涉





［动手实验，观察描述］


介绍杨氏实验装置


师：用激光光学演示仪演示双缝干涉实验。


用激光器发出的红色光（平行光）垂直照射双缝，将干涉图样投影到教室的墙上，引导学生注意观察现象。


现象：可以看到，墙壁上出现明暗相间的干涉条纹。


师：（介绍）狭缝S1和S2相距很近，双缝的作用是将同一束光波分成两束“振动情况总是相同的光束”。这样就得到了频率相同的两列光波，它们在屏上叠加，就会出现明暗相间的条纹。


结论：实验证明，光的确是一种波。


提问：为什么有的地方亮一些有些地方暗一些？


猜想：振动加强的地方出现亮条纹，振动减弱的地方出现暗条纹。


［比较推理，探究分析］


师：通过实验，我们现在知道，光具有波动性。现在我们是不是可以根据机械波的干涉理论来认真探究一下实验中的明暗条纹是如何形成的呢？





图中，P0点距S1、S2距离相等，路程差Δ=S1P0-S2P0=0应出现亮纹，中央明纹。


图中，S1、S2发出的正弦波形在P点相遇叠加，P点振动加强。（如图）





鉴于上述动画的表述角度和效果，教师在此基础上再播放动画，如下图所示振动情况示意图，使学生进一步明确。不管波处于哪种初态，P0点的振动总是波峰与波峰相遇或波谷与波谷相遇，振幅A总为A1、A2之和，即P点总是振动加强点，应出现亮纹。





师：那么其他点情况如何呢？





P1点应出现什么样的条纹？


生：亮纹。


师：为什么？


生：因为路程差为λ，是半波长的2倍。


师：我们可以从图上动画看一下，［演示下图］





在这里大家看到，屏上P1点的上方还可以找到Δ2=|S1P2-S2P2|=2λ的P2点，Δ3=|S1P3-S2P3|=3λ的P3点，Δn=|S1Pn-S2Pn|=nλ的Pn点，它们对应产生第2、3、4 …条明条纹，还有明条纹的地方吗？


生：在P点下方，与P1、P2等关于P0对称的点也应是明条纹。


师：好。我们可以总结为：Δ=2n•λ2，n=0，1，2…时，出现明纹。


［投影下图］那么S1、S2发出的光在Q1点叠加又该如何呢？





我们先来看一下，动画显示，在Q1点振动减弱。





师：在Q1点是波峰与波峰相遇还是波峰与波谷相遇？两振动步调如何？


生：是波峰与波谷相遇，振动步调刚好相反｡


（教师启发学生进一步分析这点合振幅情况，以及Q1点与P0､P1的相对位置。）


师：哪位同学能总结一下Q1点的特征？


生：Q1点位置在P0､P1间，它与两波源路程差|S1Q1-S2Q1|=λ2。该点出现暗纹。


师：非常好！大家看像Q1这样的点还有吗？


生：有｡


（全体学生此时已能一起总结出Q2、Q3…等的位置）


[教师总结]Δ=|S1Q2-S2Q2|=32λ，52λ…处，在P1P2、P2P3…明纹之间有第2条暗纹Q2、第3条暗纹Q3…


师：哪位同学能用上面的方法写个通式，归纳一下？


师：综合前面分析，我们可以画出上面图示的双缝干涉结果。


同时介绍一下相干光源，强调干涉条件。


若ΔS=2nλ2=kλ （n，k=0，1，2，…），则??点的振动加强（明条纹）


若ΔS=（2n+1）λ2 （n=0，1，2，…），则??点的振动减弱（暗条纹）


（二）干涉条纹和光的波长之间的关系


思考与讨论：光的双缝干涉条纹特征，如条纹间距、宽度等，能反映出光的波长、频率等信息吗？





由于d≪l，运用几何知识，得出∆r=r2-r1=dsinθ


而x=ltanθ≈lsinθ


得：∆r=dxl


而形成亮纹的条件：∆r=±kλ k=0，1，2…


则亮纹到中心的距离：x=±kldλ k=0，1，2…


则相邻两个亮条纹间距为：Δx=ldλ


动画演示不同波长的光的干涉图样：








（三）薄膜干涉


回到上课开始提出的问题：肥皂泡上的彩色条纹是怎样形成的呢？


教师演示肥皂膜薄膜干涉实验并讲解原理。





拓展：既然肥皂泡上的条纹是光的干涉引起的？实验中的光是纯色的，为什么我们看到的肥皂泡上的光是彩色的呢？


留给学生课下思考，教师不做解答。


薄膜干涉在技术上有很多应用。例如，可以在光学元件的表面镀一层特定厚度的薄膜，增加光的透射或者反射，还可以利用薄膜干涉的原理对镜面或其他精密的光学平面的平滑度进行检测。


【课堂练习】


1．用波长为0.4μm的光做双缝干涉实验时，A点到狭缝S1、S2的路程差为1.8×10-6m，则A点是出现明条纹还是暗条纹？


答案：暗条纹


2．关于杨氏实验，下列论述中正确的是（ ）


A．实验证明，光的确是一种波


B．双缝的作用是获得两个振动情况总是相同的相干光源


C．在光屏上距离两个小孔的路程差等于半波长的整数倍处出现暗条纹


D．在光屏上距离两个小孔的路程差等于波长的整数倍处出现亮条纹


答案：AB


3．对于光波和声波，正确的说法是（ ）


A．它们都能在真空中传播B．它们都能产生反射和折射


C．它们都能产生干涉D．声波能产生干涉而光波不能


答案：BC


4．两个独立的点光源S1和S2都发出同频率的红色光，照亮一个原是白色的光屏，则光屏上呈现的情况是（ ）


A．明暗相间的干涉条纹B．一片红光


C．仍是呈白色的 D．黑色


解析：两个点光源发出的光虽然同频率，但“振动情况”并不总是完全相同，故不能产生干涉，屏上没有干涉条纹，只有红光。


答案：B


5．在真空中，黄光波长为6×10-7m，紫光波长为4×10-7m。现有一束频率为5×1014Hz的单色光，它在n=1.5的玻璃中的波长是多少？它在玻璃中是什么颜色？


解析：先根据λ0=cf0计算出单色光在真空中的波长λ0，再根据光进入另一介质时频率不变，由n=cv=λ0λ，求出光在玻璃中的波长λ。


λ0=cf0=3×1085×1014m=6×10-7m，可见该单色光是黄光。


又由n=λ0λ得λ=λ0n=4×107m。由于光的颜色是由光的频率决定的，而在玻璃中光的频率未变化，故光的颜色依然是黄光。


答案：4×10-7m 黄色