高中物理第1节 光的干涉

高中物理第1节 光的干涉

第1节 光的干涉 ‎ 一、教学目标 ‎1．认识光的干涉现象及产生光干涉的条件．‎ ‎2．理解光的干涉条纹形成原理，认识干涉条纹的特征．‎ ‎3．通过观察实验，培养学生对物理现象的观察、表述、概括能力．‎ ‎4．通过“扬氏双缝干涉”实验的学习，渗透科学家认识事物科学的物理思维方法．‎ 二、重点、难点分析 ‎1．波的干涉条件，相干光源．‎ ‎2．如何用波动说来说明明暗相间的干涉条纹，怎么会出现时间上是稳定的，空间上存在着加强区和减弱区并且互相间隔，如何理解“加强”和“减弱”．‎ ‎3．培养学生观察、表述、分析能力．‎ 三、教具 ‎1．演示水波干涉现象：频率可调的两个波源，发波水槽，投影幻灯，屏幕．‎ ‎2．演示光的干涉现象：直丝白炽灯泡；单缝；双缝；红、绿、蓝、紫滤色片；光的干涉演示仪；激光干涉演示仪．‎ ‎3．干涉图样示意挂图，为分析干涉所做的幻灯片；或电脑及干涉现象示意的动画软件．‎ 四、主要教学过程 ‎（一）引入 由机械波的干涉现象引入：首先演示“水波干涉现象”，并向学生提出问题．‎ ‎（1）这是什么现象？‎ ‎（2）是否任何两列波在传播空间相遇都会产生这样的现象？‎ 让学生回答，让学生描述稳定干涉现象的特征，指出干涉现象是两列波在空间相遇叠加的一种情景；一切波都能发生干涉现象，干涉现象是波特有的现象．要得到稳定干涉现象需是相干波源．‎ ‎（二）教学过程设计 ‎1．光的干涉现象——扬氏干涉实验．‎ ‎（1）提出问题：光是否具有波动性？如果有则会有光的干涉现象，观察光的干涉现象可以用屏幕，在屏幕上会得到什么现象呢？‎ 演示两个通有同频率交流电单丝灯泡（或蜡烛）作为两个光源，移动屏与它们之间的距离，屏幕上看不到明暗相间的现象．‎ 实验结果表明：两个独立热光源的光波相遇得不到干涉现象．说明光的复杂性．认识事物不是一帆风顺的．实验的不成功是光无波动性？还是实验设计有错误，没有满足相干条件？‎ ‎（2）杨氏实验．‎ ‎①介绍英国物理学家托马斯·杨．如何认识光，如何获得相干光源——展示杨氏实验挂图鼓励学生在认识事物或遇到问题时，学习杨氏的科学态度，巧妙的思维方法．‎ ‎②介绍实验装置——双缝干涉仪．‎ 说明双缝很近0．1mm，强调双缝S1、S2与单缝S的距离相等，所以两单缝S1、S2处光的振动不仅频率相同，而且总是同相．‎ ‎③演示：‎ 先用加滤色片后单色光红光进行演示，然后改用激光源做双缝干涉实验，并使双缝与屏幕的距离加大，这样在屏幕上得到条纹间距离大，更为清晰的明暗相同的图样．‎ 展示双缝干涉图样，让学生注意观察图样，回答图样的特点：（1）明暗相间．（2）亮纹间等距，暗纹间等距．（3）两缝S1、S2中垂线与屏幕相交位置是亮条纹——中央亮纹．‎ 提出问题：为什么会出现这样的图样？怎样用波动理论进行解释．‎ ‎2．运用波动理论进行分析．‎ ‎（1）演示两列频率相同、振动方向相同两列波在一直线上叠加的情景．‎ 用做好的幻灯片用投影幻灯进行演示；或用编制好的软件在电脑上进行演示．‎ 注意分析两列波传播经同一位置时此点的振动情况．‎ ‎①仍在某一平衡位置附近往复振动，位移随时间而改变．‎ ‎②两列波同相振幅变大，说明此点振动加强了；两列波反相振幅减小，说明此点振动减弱了．‎ 强调波形图是各个质点在同一时刻位移的包络线，演示波在传播时，波峰波谷的移动情况．‎ ‎（2）演示一列波由近及远波峰、波谷示意图，演示两列频率相同，同相波由近及远波峰、波谷的示意图．‎ 操作：‎ 波谷行进的位置；然后再演示两列波S1、S2独立传播每隔 ‎②幻灯片数量准备多一些，波峰、波谷向前推进速度要慢，若用电脑波行进的速度要慢且可暂停．‎ ‎③最后形成书上双缝干涉示意图样，展示彩色挂图．‎ 分析：‎ ‎①说明示意图是两列波某一时刻峰谷位置分布图．‎ ‎②说明两列波同频率、初相相同，在两列波峰峰、谷谷相遇位置均是加强点；而峰谷相遇位置均是消弱点．‎ ‎③先分析S1S2连线中垂线上的点：首先让学生注意中垂线上的某一点，演示让波行进起来结果峰谷依次通过此点——说明此点振动在峰→平衡位置→谷→平衡位置→峰之间往复振动是加强点．然后再让学生看两列波的相遇峰、谷依次通过该直线上的所有点——说明此直线上的点均是加强点．‎ ‎④再分析S1S2中垂线两侧对称位置上的点，即两列波峰谷相遇点，首先注意某一点，演示让波行进起来总是峰谷同时通过此点——说明两列波通过此点总是振动方向相反，是被消弱的；然后再看两列波峰谷交叉点的移动情况——为消弱区域．‎ ‎⑤其次再分析远离中垂线上的点又是加强区域……‎ 小结：通过以上分析振动加强与消弱点的分布是相互间隔的而且是稳定的．结合干涉挂图反映在屏幕上：同相加强光能量较强——亮；反相减弱光能量较弱——暗．得到亮暗间隔的干涉图样．‎ ‎（3）屏幕上出现亮纹、暗纹的条件．‎ 在示意图中，S1和S2为一对相干光源，两组半径相同的同心圆表示S1和S2两相干光源向外传播的两列波．实线表示波峰，虚线表示波谷．实线a0、a2、a＇2，a4、a＇4…为加强区域，虚线a1、a＇1；a3、a＇3…为减弱区域．‎ ‎①实线a0上各点，S1、S2发出光波到达线上某点的光程差δ=0．‎ 实线a2（a＇2）上各点，S1、S2发出光波到达线上某点的光程差δ2=λ．‎ 实线a4（a＇4）上各点，S1、S2发出光波到达线上某点的光程差δ4=2λ．‎ 即在实线a0、a2（a＇2）、a4（a＇4）…上各点光程差各为0、λ、2λ…，即为波长的整数倍．屏上出现亮纹．‎ ‎②虚线a1（a＇1）上各点，S1、S2发出光波到达线上某点的光程 虚线a3（a＇3）上各点，S1、S2发出光波到达该线上某点的光程 ‎……‎ 即在虚线上a1（a＇1），a3（a＇3）…上各点的光程差各为 总结规律：凡光程差等于波长整数倍的位置，产生亮条纹；凡光程差等于半波奇数倍的位置，产生暗条纹，即产生亮暗条纹条件表达式：‎ 亮纹光程差δ=kλ（k=0，1，2…）．‎ ‎（4）若学生数学基础好，接受能力强可推导屏上亮暗纹的位置公式，否则不进行此内容．‎ ‎3．干涉条纹间距与哪些因素有关．‎ 教师重做双缝干涉实验，让学生注意实验现象，并定性寻找规律．‎ ‎①改变屏与缝之间的距离L——波长λ不变时L越大，亮纹间距（暗纹间距）越大．‎ ‎②屏与缝之间距离L不变，用不同的单色光进行实验——波长长的亮纹间距（暗纹间距）大，并展示彩色挂图．‎ ‎③L、λ不变，用双缝距离d不同配件进行实验——d小的亮纹间距（暗纹间距）大．‎ 小结：（1）实验可证明（或用上述亮暗纹的位置公式得亮纹间距）‎ ‎（2）利用双缝干涉实验，测量L、d、△x可测单色光的波长．‎ ‎4．用复色光源做扬氏双缝干涉实验．‎ 让学生猜测干涉图样，然后教师做演示，让学生注意观察屏上图样特征：双缝S1、S2连线的中垂线与屏相交的中央位置是白色亮缝，而两侧是彩色条纹，然后展示挂图以便让学生对图样有深刻印象．‎ ‎（三）课堂小结 ‎1．托马斯·扬在历史上第一次解决了相干光源问题，成功做出了光的干涉实验．光的干涉现象微粒说无法解释，而波动说可做出完善解释，使人们认识到光具有波动性．‎ ‎2．两个相干光源发出的光在屏上某处叠加时如果同相，光就加强，如果反相光就减弱，于是产生明暗条纹，其特征是在中央明纹两侧对称地分布着明暗相间的各级干涉条纹，且相邻明纹和相邻暗条纹的间隔相等．‎ 单色光：亮纹 光程差 δ=kλ（k=0，1，2…）．‎ 复色光则出现彩色条纹3．明暗相间条纹反映光的能量在空间分布情况，暗条纹处光能量几乎是零．表明两列光波叠加彼此相互抵消．这并不是光能量损耗了或变成其它形式能量，而是按波的传播规律，没有能量传到该处；亮条纹处的光能量比较强，光能量增加也不是光的干涉可以产生能量，而是按波的传播规律，到达该处的能量比较集中．‎