2019-2020年高中物理 4.4 光的干涉教案 粵教版選修3-4.doc

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2019-2020年高中物理 4.4 光的干涉教案 粵教版選修3-4 教學(xué)目標(biāo)： 　　1．相干光源的獲得及光波的干涉和衍射的條件，雙縫干涉中為什么能形成明暗相間的條紋及明暗條紋的計(jì)算方法，從而確切地理解光的干涉和衍射現(xiàn)象的形成。 　　2．在新的情景下能夠運(yùn)用波的分析方法解決問題。 3．通過“揚(yáng)氏雙縫干涉”實(shí)驗(yàn)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． 難點(diǎn)、重點(diǎn)： 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”． 教學(xué)過程： （一）引入 光的本性學(xué)說的發(fā)展簡史。 　　從原始的微粒說，到牛頓的微粒說，惠更斯的波動說，進(jìn)而發(fā)展到光的電磁說。又從光電效應(yīng)重新認(rèn)識到光的粒子性，直至統(tǒng)一到光的波粒二象性。應(yīng)結(jié)合每個階段的典型現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)，對這一過程發(fā)展脈絡(luò)有較清晰的了解。 （二）新課教學(xué) 一、光的干涉現(xiàn)象 　?。?）相干光源的獲得。兩列波疊加發(fā)生明顯干涉現(xiàn)象的條件是二者頻率相等，相差恒定。兩個普通光源很難達(dá)到這一要求。通常是把一束光想辦法分成兩部分，讓這兩部分再疊加以達(dá)到干涉效果。楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)裝置正是這樣巧妙地獲得了兩列相干的波源。 　?。?）楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。一束光通過單縫照射到相距非常近的兩個狹縫后，形成頻率相同的兩束光。這兩束光的疊加，在光屏上就產(chǎn)生了干涉條紋。如果用單色光照射狹縫，在屏上得到的是與狹縫平行的明暗相間的等間距條紋。屏上某點(diǎn)到雙縫的距離之差若是入射光波長的整數(shù)倍，則屏上這點(diǎn)出現(xiàn)的是亮條紋；屏上某點(diǎn)到雙縫的距離之差若是入射光半波長的奇數(shù)倍，則屏上這點(diǎn)出現(xiàn)的是暗條紋。由公式可知，條紋寬度與波長λ及雙縫到光屏的距離成正比而與雙縫間距d成反比。在、d一定的情況下，紅光產(chǎn)生的干涉條紋間距最大，紫光產(chǎn)生的干涉條紋間距最小。若用白光進(jìn)行干涉實(shí)驗(yàn)則在屏上得到的是彩色的干涉條紋。 　?。?）薄膜干涉。一束光經(jīng)薄膜前后兩個表面反射后相干疊加而成的干涉現(xiàn)象叫薄膜干涉。應(yīng)用分析光程差與波長關(guān)系的方法也可分析薄膜干涉圖樣的特點(diǎn)。生活和實(shí)驗(yàn)中有各種薄膜干涉現(xiàn)象，如肥皂膜、油膜、空氣隙、牛頓環(huán)、增透膜等。 二、光的干涉的分析 　　讓一束單色光（例如紅光）投到一個有孔的屏上，如圖所示，這個小孔就成了一個“點(diǎn)光源”．光從小孔出來后，就射到第二個屏的兩個小孔上，這兩個小孔離得很近，約為0.1mm，而且與前一個小孔的距離相等，這樣在任何時刻從前一個小孔發(fā)出的光波都會同時傳到這兩個小孔，這兩個小孔就成了兩個振動情況總是相同的波源． 　　　　　　　　　　　　 　　那么，明暗相間的條紋又是怎樣形成的呢？ 　　對照機(jī)械波的情況，如果兩列波在相疊加的區(qū)域傳播的路程差為一個波長的整數(shù)倍時，該區(qū)域的振動就加強(qiáng)，如果兩列波在疊加區(qū)域傳播的路程差為半波長的奇數(shù)倍時，該區(qū)域的振動就減弱． 　　如圖，甲圖中P點(diǎn)在S1S2的中垂線上，所以，兩列波的路程差△s=0．所以，振動被加強(qiáng)，為明條紋． 　　乙圖中，在P點(diǎn)上方的P1點(diǎn)，屏上與狹縫S1、S2的路程差△s=λ又出現(xiàn)明條紋． 　　丙圖中，在P1點(diǎn)的上方還可以找到△s=2λ的P2點(diǎn)，在該點(diǎn)上方還能找到路程差為3λ、4λ…的點(diǎn)，在這些地方振動均被加強(qiáng)．同樣，在P點(diǎn)的下方也能找到路程差為λ、2λ、3λ…的點(diǎn)． 　　　　　　　　　　　　　　　　 　　如圖，在甲圖中，在P與P1之間一定有一個Q1點(diǎn)，S1、S2點(diǎn)到該點(diǎn)的路程差為λ/2，該點(diǎn)為振動減弱的點(diǎn)，同理，我們無論在P點(diǎn)的上方還是在P點(diǎn)的下方均能找到路程差為半波長的奇數(shù)倍的點(diǎn)，這些點(diǎn)均為暗條紋，這樣就形成了明暗相間的條紋． 　　　　　　　　　　　　　　　 　　白光的干涉條紋，為什么中間條紋為白色，而中央亮條紋的邊緣出現(xiàn)了色彩？ 　　這是因?yàn)榘坠馐怯刹煌伾膯紊鈴?fù)合而成的，而不同色光的波長不同，在狹縫間的距離和狹縫與屏的距離不變的條件下，光波的波長越長，各條紋之間的距離越大，條紋間距與光波的波長成正比．各色光在雙縫的中垂線上均為亮條紋，故各色光重合，為白色．各色光產(chǎn)生的條紋寬度不同，所以，中央亮條紋的邊緣處出現(xiàn)了彩色條紋． 　　剛才你提到在狹縫間的距離和狹縫與屏的距離不變的條件下，如果我假設(shè)其它條件不變，將像屏稍微向雙縫屏移動或遠(yuǎn)離雙縫屏移動，像屏上的條紋是不是就模糊不清了呢？ 　　我想像屏上仍有清晰的干涉條紋，因?yàn)槿钥梢栽谙衿辽险业絻闪胁ǖ穆烦滩顬?、λ、2λ、3λ…nλ的點(diǎn)，也仍可找到兩列波的路程差為λ/2、3λ/2…（2n—1）λ/2的點(diǎn)． 　　下面對薄膜干涉再提幾個問題，第一，薄膜干涉是由哪兩列波疊加而產(chǎn)生的？ 　　當(dāng)光照射到薄膜上時，光從薄膜的前后（或上下）兩個表面反射回來，形成兩列波，由于它們是從同一光源發(fā)出的，這兩列波的波長和振動情況相同，為兩列相干光波． 　　將肥皂膜豎直放在點(diǎn)燃的灑有鈉鹽的酒精燈附近，這時你看到的干涉條紋是什么樣的？為什么形成這樣的條紋？ 　　我們看到的干涉條紋基本上是水平的明暗相間的黃色條紋．呈現(xiàn)黃色是因?yàn)榫凭珶艋鹧嬷蟹湃肓蒜c鹽，呈基本水平的條紋是因?yàn)?，肥皂膜豎直放置，由于重力的作用肥皂膜形成了上薄下厚的楔形，在薄膜的某些地方，前后表面反射光出來恰好是波峰與波峰疊加或波谷與波谷疊加，使光的振動加強(qiáng)，形成黃色的亮條紋；在另外一些地方，兩列反射光恰好是波峰與波谷疊加，使光的振動相抵消，形成暗條紋．由于楔形表面的同一厚度基本在一水平線上，所以，我們看到的干涉條紋基本是水平的． 　　薄膜干涉在技術(shù)上有哪些應(yīng)用？ 　?。?）利用光的干涉可以檢驗(yàn)光學(xué)玻璃表面是否平整。 　　（2）現(xiàn)代光學(xué)儀器的鏡頭往往鍍一層透明的氟化鎂表面。 　　為什么要在鏡頭上涂一層氟化鎂薄膜呢？它怎么起到增加透射光的作用呢？ 　　現(xiàn)代光學(xué)裝置，如攝像機(jī)、電影放映機(jī)的鏡頭，都是由多個透鏡或棱鏡組成的，進(jìn)入這些裝置的光，在每個鏡面上都有10％～20％的光被反射，如果一個裝置中有5個透鏡或棱鏡，那么將會有50％的光被反射，若在鏡的表面涂上一層增透膜，就可大大減少了光的反射，增強(qiáng)光的透射強(qiáng)度，提高成像質(zhì)量． 　　氟化鎂薄膜應(yīng)鍍多厚？為什么？鍍了膜的光學(xué)器件與未鍍膜的光學(xué)器件在外表上有什么區(qū)別？為什么？ 　　氟化鎂薄膜的厚度應(yīng)為光在氟化鎂中波長的1/4，兩個表面的反射光的路程差為半波長的奇數(shù)倍時，兩列反射光相互抵消．所以，膜厚為光在氟化鎂中波長的1/4，是最薄的膜． 　　鍍了膜的光學(xué)器件與未鍍膜的光學(xué)器件在外表上是有區(qū)別的．鍍膜的光學(xué)器件呈淡紫色，因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下，入射光為白光，增透膜只能使一定波長的光反射時相互抵消，不可能使白光中所有波長的光反射時抵消．在選增透膜時，一般是使對人眼靈敏的綠光在垂直入射時相互抵消，這時光譜邊緣部分的紅光和紫光并沒有相互抵消，因此涂有增透膜的光學(xué)器件呈淡紫色． 三、光的衍射現(xiàn)象 　　光偏離直線傳播方向而繞到障礙物陰影里去的現(xiàn)象叫光的衍射。要產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象，障礙物或小孔的尺寸要足夠?。ㄒ话銘?yīng)不大于波長的百倍）。 　　光照射到一個狹縫上產(chǎn)生的衍射叫單縫衍射。單色光（或白光）的衍射條紋是明暗相間（或彩色）的與狹縫平行的條紋。條紋特點(diǎn)是中央條紋寬且亮，兩側(cè)條紋暗且窄。注意它與雙縫干涉條紋的區(qū)別。條紋寬度隨縫寬變窄及波長變長而加大。 　　用小圓屏進(jìn)行衍射實(shí)驗(yàn)，衍射圖樣是在圓盤的陰影中心出現(xiàn)泊松亮斑。而用小圓孔進(jìn)行衍射實(shí)驗(yàn)，衍射圖樣是一系列同心圓環(huán)，圓環(huán)中央明暗不定。了解一些實(shí)際生活中光的衍射現(xiàn)象及其應(yīng)用（如光柵等）。 四、雙縫干涉條紋與單縫衍射條紋有什么區(qū)別？ 　　光波發(fā)生干涉現(xiàn)象時產(chǎn)生干涉條紋，光波發(fā)生衍射現(xiàn)象時產(chǎn)生衍射條紋，那么，干涉和衍射本質(zhì)上有什么相同和不同之處嗎？雙縫干涉條紋與單縫衍射條紋有什么區(qū)別呢？ 　　干涉和衍射本質(zhì)上都是光波的疊加，都證明了光的波動性，但兩者有所不同．首先干涉是兩列相干光源發(fā)出的兩列光波的疊加；衍射是許多束光的疊加．穩(wěn)定的干涉現(xiàn)象必須是兩列相干波源，而衍射的發(fā)生無須此條件，只是，當(dāng)障礙物或孔與光的波長差不多或還要小的時候，衍射才明顯．干涉和衍射的圖樣也不同，以雙縫干涉和單縫衍射的條紋為例，干涉圖樣由等間距排列的明暗相間的條紋（或彩色條紋）組成，衍射圖樣是由不等距的明暗相間（中央亮條紋最寬）的條紋或光環(huán)（中央為亮斑）組成． 例題解析 　　1、用單色光照射雙縫，在屏上觀察到明暗交替的條紋，若要使條紋間距變大，應(yīng)（ ） 　　A. 改用頻率較大的單色光 　　B. 改用波長較長的單色光 　　C. 減小雙縫至屏的距離 　　D. 增大雙縫之間的距離 　　分析與解答：雙縫干涉的條紋間距可表示為L/d,也就是與雙縫到屏的距離L成正比，與照射雙縫的光波波長成正比，與雙縫間距d成反比。據(jù)此不難得出正確選項(xiàng)為B。 　　說明：利用干涉現(xiàn)象中條紋間距與波長的關(guān)系可以通過測量條紋間距（用累計(jì)法測多組條紋的間距后求平均值）來求得波長。即/L。 　　2、在平靜的水面上有一層厚度均勻的透明油膜，能否觀察到干涉條紋？ 　　分析與解答：光照到厚度均勻的透明油膜時，從油膜上下兩個表面反射回來的兩列光波的光程差處處相等，要么都互相加強(qiáng)（亮），要么互相減弱（暗）， 不會出現(xiàn)明暗相間的干涉條紋。 　　說明：我們看到的明暗相間的干涉條紋（或花紋），是薄膜厚度變化造成的，有的地方滿足加強(qiáng)的條件，有的地方滿足減弱的條件。增透膜的厚度是均勻的，因此它可以使某種色光在膜的上下表面反射回來后，處處都互相減弱，而增加該色光的透射光能。 　　3、某同學(xué)以線狀白熾燈為光源，利用游標(biāo)卡尺兩腳間形成的狹縫觀察光的衍射現(xiàn)象后，總結(jié)出以下幾點(diǎn)： 　　A. 若狹縫與燈絲平行，則衍射條紋與狹縫平行 　　B. 若狹縫與燈絲垂直，則衍射條紋與狹縫垂直 　　C. 衍射條紋的疏密程度與狹縫的寬度有關(guān) 　　D. 衍射條紋的間距與光的波長有關(guān) 　　以上幾點(diǎn)中，你認(rèn)為正確的是________。 　　分析與解答：單縫衍射的條紋特點(diǎn)是條紋與狹縫平行，條紋的間距隨縫寬的減小而增大（縫寬也不能太小，否則光能太弱觀察不到衍射現(xiàn)象），隨波長的增大而增大。據(jù)此可得答案為A、C、D。 　　說明：衍射現(xiàn)象的理論分析比較復(fù)雜，學(xué)習(xí)時不必仔細(xì)推導(dǎo)，而應(yīng)把重點(diǎn)放在各種衍射現(xiàn)象及其變化規(guī)律上。 小結(jié)： 1．托馬斯揚(yáng)上第一次解決了相干光源問題，成功做出了光的干涉實(shí)驗(yàn)，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．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。