2019-2020年高三物理 第二十章 光的波动性 一、光的干涉(第一课时).doc

2019-2020年高三物理 第二十章 光的波动性 一、光的干涉(第一课时)本节教材分析光的干涉属于近代物理知识，本节的一些观点和方法是学生进一步探究光的本性的基础，是本章的重点内容之一.在学生已有的机械波的叠加和干涉的知识基础上分析了光波的干涉图象的形成过程.在此基础上，探索了薄膜干涉现象以及应用，理论联系实际，注重学生探究能力的培养，提高了学生分析应用物理知识的能力.教材考虑到学生的知识基础和接受水平，教材提出相干光的概念，介绍但没有推导相邻两条亮纹（或暗纹）的间距公式，降低了教材难度，教学中应结合学生的水平灵活把握，有条件的可适当引伸拓展.教学目标一、知识目标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.掌握明条纹（或暗条纹）间距的计算公式及推导过程.4.知道不同色光的频率不同，掌握波长、波速、频率的关系.5.通过实验初步认识薄膜干涉现象，了解其应用.二、能力目标1.通过了解杨氏把一个点光源发出的一束光分成两束，理解相干光源的设计思想.2.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.3.在认真观察实验事实的基础上，加强抽象思维能力的培养.三、德育目标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1.亮纹（或暗纹）位置的确定.2.亮纹（或暗纹）间距公式的推导.教学方法通过机械波干涉现象的复习，过渡到光波的叠加，进而提出问题，引发思考，在实验观察的基础上通过探究现象成因，总结规律，完成本节课的教学目标，最后通过对薄膜干涉成因的分析达到拓展应用，提高能力的目的.教学用具JGQ型氦氖激光器一台，双缝干涉仪25台，多媒体电脑及投影装置，多媒体课件（图2012013静态图片及Flash动画），酒精灯一盏，金属圈一个，大烧杯一个，适量肥皂液（或洗衣粉液），少量食盐，牛顿环，凸透镜（为取得理想实验效果，本节课在光学实验室进行）.课时安排1课时教学过程一、引入新课复习机械波的干涉复习提问，诱导猜想多媒体投影静态图片 201图201师大家对这幅图还有印象吗？生有，波的干涉示意图.投影问题师请大家回忆思考下列问题图201中，S1、S2是两个振动情况总是相同的波源，实线表示波峰，虚线表示波谷，a、b、c、d、e中哪些点振动加强？哪些点振动减弱？学生回答结果不出所料，大部分同学能答出a、c两点振动加强，d、e两点振动减弱，而对于b点则出现了争议.一种认为b点是振动加强点，另一种则认为b点是由加强到减弱的过渡状态.师b点振动加强和减弱由什么来决定呢？只有弄清这一点才能解决两派同学的争端.（有学生低语，“路程差”）师好！刚才这位同学说到了关键，那么就请你来分析一下b点与S1、S2两点的路程差.生由图可以看出OO是S1、S2连线的中垂线，所以b到S1、S2的路程差为零.师那么b点应为振动（学生一起回答）：加强点.（教师总结机械波干涉的规律，突出强调两列波的振动情况总是完全相同.）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”.投影图202图202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.板书光的干涉二、新课教学（一）双缝干涉实验动手实验，观察描述介绍图202杨氏实验装置（出于时间和观察效果考虑，不在课堂上做这一实验）介绍侧重于单孔的作用，是获得来自同一光源的一束光波，双孔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”.因为两孔相距0.08 mm左右，很近，且与单孔屏上的孔距离相等，所以单孔的光会同时到达这两个孔，这两个孔将同一列光一分为二，因而两个小孔成了“两个振动情况完全相同的新波源，它们在屏上叠加，就会出现明暗相间的条纹”.用氦氖激光器演示双缝干涉实验指导学生用双缝干涉仪观察光的干涉现象.（从安全和节约时间考虑，实验装置在课前按课本P101图实2调好，教师介绍装置做法后学生进行实验）指出用狭缝代替小孔可使干涉图样清晰明亮.（学生实验认真有序，效果良好）师请同学们把观察到的现象与我们课本第1页彩图2的图样进行比照，看哪位同学能表达出干涉条纹的特征.（学生表达出以下几种情况：等距，明暗差不多；亮纹与亮纹宽度以及暗纹与暗纹宽度相同，但明纹与暗纹宽度不一定相同.）（二）干涉条纹的成因比较推理，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？投影图203图203图203中，P点距S1、S2距离相等，路程差r=S1P-S2P=0应出现亮纹，（中央明纹）演示动画图203中S1、S2发出的正弦波形在P点相遇叠加，P点振动加强（图204）图204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，图205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，P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.图205师那么其他点情况如何呢？投影图206图206P1点应出现什么样的条纹？生亮纹.师为什么？生因为路程差为，是半波长的2倍.板书r1=|S1P1-S2P1|=2师我们可以从图上动画看一下，演示图207在这里大家看到，屏上P1点的上方还可以找到r2=|S1P2-S2P2|=2的P2点，r3=|S1P3-S2P3|=3的P3点，rn=|S1Pn-S2Pn|=n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？图207生在P点下方，与P1、P2等关于P对称的点也应是明条纹.师好.我们可以总结为：r=2nn=0、1、2时，出现明纹.板书投影图208那么S1、S2发出的光在Q1点叠加又该如何呢？图208图208演示动画209我们先来看一下，动画显示，在Q1点振动减弱.图209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P、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P、P1间，它与两波源路程差|S1Q1-S2Q1|=.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r=|S1Q2-S2Q2|=,处，在P1P2、P2P3、等明纹之间有第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.生当r=(2n+1) ,n=0、1、2时，出现暗纹.教师板书投影图2010图2010师综合前面分析，我们可以画出右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.师看来大家掌握得不错，下面我们可以讨论一些更复杂的问题.（三）条纹间距与波长的关系深入观察 量化分析指导学生分别用红色、紫色滤色片遮住双缝，观察线状白炽灯的干涉条纹（课本P101图实2），比较两种色光干涉条纹宽度，与课本第1页彩图2对照，得出结论：红光干涉条纹间距大于紫光干涉条纹间距.（注意其他条件相同，进行实验）师我们知道，不同色光的波长是不同的，那么干涉条纹间距的关系也就反映了不同色光的波长关系，干涉条纹间距和波长之间又有怎样的关系呢？同学们发挥数学方面的聪明才智，我们一起来寻找它们之间量的关系.（板书）投影图2011及下列说明图2011设两缝S1、S2间距离为d,它们所在平面到屏面的距离为l，且ld,O是S1S2的中垂线与屏的交点，O到S1、S2距离相等.推导：（教师板演，学生表达）由图可知S1P=r1师r1与x间关系如何？生r12=l2+(x-)2师r2呢？生r22=l2+(x+)2师路程差|r1-r2|呢？（大部分学生沉默，因为两根式之差不能进行深入运算）师我们可不可以试试平方差？r22-r12=(r2-r1)(r2+r1)=2dx由于ld,且lx,所以r1+r22l，这样就好办了,r2-r1=r=x师请大家别忘了我们的任务是寻找x与的关系.r与波长有联系吗？生有.师好，当r=2nn=0、1、2时，出现亮纹.即x=2n时出现亮纹，或写成x=第n条和第（n-1）条亮纹间距离x为多少呢？生x=xn-xn-1=n-(n-1)师也就是x=我们成功了！大家能用语言表述一下条纹间距与波长的关系吗？生成正比.师对，不过大家别忘了这里l、d要一定.暗纹间距大家说怎么算？生一样.师结果如何？生一样.师根据前面的实验结果及推导大家能判断红光和紫光哪一个波长长吗？生能.红光.师大家能猜一猜用白光干涉会出现什么现象吗？生（默然）师好，不清楚，我们不妨实验一下.引导学生观察白光干涉（抽去滤色片，直接观察）师哪位同学能为大家归纳一下观察到的现象.生 （1）彩色条纹（师提示明暗相间）（2）中央为白条纹（3）中央条纹两侧彩色条纹对称排列（4）每条彩纹中红光总在外边缘，紫光在内缘.师归纳得很全面，大家能解释吗？（学生积极讨论，气氛热烈，从讨论中基本能掌握了原因）生不同色光波长不同，条纹宽度不同，红光条纹最宽；紫光条纹最窄，所以出现上面现象.师解释得好.大家还记得机械波波长、波速、频率三者之间的关系吗？生记得.v=f.师对，光波也有这样的关系，不过各种色光在真空中的波速是相同的，我们用c表示，那么有：板书c=f师请大家比较一下七种色光的频率关系.生红光频率最小，紫光频率最大.师对，大家看P27的表.（教师介绍波长，频率范围，强调单位，引导学生阅读讨论表右侧的红字）（四）薄膜干涉拓展应用提高能力师大家通过前面的学习，现在我们来探究另一个问题，是不是只有两个双缝射出的相干光才能发生干涉呢？生不一定，关键要看路程差.师好，我们再来看一个干涉的实验：薄膜干涉板书教师演示：点燃酒精灯，在火焰中洒些氯化钠，使火焰发生黄光.把圆环竖直地插入肥皂溶液中，慢慢向上提起形成薄膜，竖直放好，将大烧杯罩住圆环，减小蒸发，以延长演示时间，便于全体观察.将酒精灯移到膜前，调整好位置，在酒精灯同侧观察到肥皂膜上呈现明暗相间的干涉条纹.师怎样解释这一现象呢？请大家思考下面几个问题：投影图2012及以下问题图2012肥皂膜有几个面可以反射灯焰的光？这些面反射回来的光有没有路程差，如有，它们有什么特点？这些反射光是不是相干光？生1膜前后两表面均可反射光.生2因为肥皂膜厚度不同，所以不同位置处的反射光路程差不同，有的地方可能是半波长的奇数倍，有的地方可能是半波长的偶数倍.生3两表面的反射光线来源于同一光线，振动情况一定相同，是相干光.师三位同学回答得非常好，大家能弄清薄膜干涉的原因吗？生能.师好，请大家把自己的想法与课本P27最后一段的分析比较一下.（学生阅读、理解.教师准备演示牛顿环实验）师大家分析得很好，我再加一个实验，奖励大家.（演示牛顿环实验，直接投影在白色墙上，墙上出现了牛顿环反射光干涉形成的一组明暗相间的同心圆，将屏移到环的另一侧，这里可将装置调整，同样可以观察到与反射干涉条纹互补的一组同心明暗相间的圆环）师感兴趣的同学课后抽时间自己来实验，深入研究它，同学们也能给我找点例子吗？（学生讨论，思考）生水面上的油膜好像也能反射光线，形成明暗相间的条纹.师好，同学们课后去认真观察一下，看来干涉现象在我们生活中是见过的，我们真是“视而不见”，“相逢未必曾相识”，生活中有许多现象，看似很普通寻常，却常常蕴含着很深的科学道理，同学们要多观察、多思考、多探究.师课本P28给大家介绍了一个干涉现象在技术上的应用实例，我们一起来看看.投影图2013引导学生分析图2013师有兴趣的同学可以在我们所掌握的知识基础上进行更进一步的探究.我这里为大家提供两个课题，大家可以到图书馆或上网查阅相关资料，然后确立课题进行研究.1.照相机、摄像机的镜头大多是淡紫色的，为什么？2.全息照相是怎么回事？三、小结归纳总结，撷取精华多媒体投影四、布置作业1.课本P28.1，2，32.探究性学习：从两个课题中选择一个或自选相关课题进行探究.五、板书设计光的干涉一、双缝干涉实验现象：明暗相间的彩色条纹条纹特征：清晰、等间距、明暗相间分析：r=2nn=0、1、2、3明纹r=(2n+1) n=0、1、2、3暗纹条纹间距与波长的关系：（板演内容擦去）x=结论：光具有波动性c=f实验：薄膜干涉应用：检查平面平整程度六、本节优化训练设计1.在做杨氏双缝干涉实验时，把其中一缝挡住，则A.干涉条纹与原来一样，只是亮度减半B.在屏上出现一条与缝一样宽的亮条纹C.屏上模糊一片D.出现和原来不一样的明暗相间条纹，但不是干涉条纹2.在做双缝干涉实验时，用普通的白光做光源，若在双缝处把一缝用红色玻璃挡住，另一缝用绿色玻璃挡住，则屏上会出现A.红色干涉条纹B.绿色干涉条纹C.红绿相间的干涉条纹D.无干涉条纹，但有亮光3.图2014是用干涉法检查某块厚玻璃板的上表面是否平整的装置，检查中所观察到的干涉条纹是由下列哪两个表面的反射光叠加而成的图2014A.a的上表面，b的下表面B.a的上表面，b的上表面C.a的下表面，b的上表面D.a的下表面，b的下表面4.在杨氏双缝干涉实验中，保持双缝到屏的距离不变，调节双缝间距离，当距离增大时，干涉条纹距离将变_，当距离减小时，干涉条纹间距将变_.5.用单色光做双缝干涉实验时，测得双缝间距离为0.4 mm,双缝到屏的距离为1 m，干涉条纹间距为1.5 mm，求所用光波的波长.6.用波长为4000埃的光做双缝干涉实验，A点到狭缝S1、S2的路程差为1.810-6 m，则A点是出现明条纹还是暗条纹？7.光纤通信是70年代以后发展起来的新兴技术，世界上许多国家都在积极研究和发展这种技术.发射导弹时，可在导弹后面连一根细如蛛丝的光纤，就像放风筝一样，这种纤细的光纤在导弹和发射装置之间，起着双向传输信号的作用，光纤制导的下行光信号是镓铝砷激光器发出的在纤芯中波长为0.85 m的单色光.而上行光信号是铟镓砷磷发光二极管发射的在纤芯中波长为1.06 m的单色光，这样操纵系统通过这根光纤向导弹发出控制指令，导弹就如同长“眼睛”一样盯住目标.根据以上信息，回答下列问题：（1）在光纤制导中，上行光信号在真空中波长是多少？（2）为什么上行光信号和下行光信号要采用两种不同频率的光？（已知光纤纤芯的折射率为1.47）参考答案：1.D 2.D 3.C 4.小，大5.610-8 m 6.暗条纹7.（1）157 m,（2）如果上行光信号和下行光信号频率相同，会发生干涉现象.相互间产生干扰.