2019-2020年高中物理 《光學光的干涉》教案 滬科版選修3-4.doc
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2019-2020年高中物理 《光學光的干涉》教案 滬科版選修3-4 一、教學目標 1.認識光的干涉現象及產生光干涉的條件. 2.理解光的干涉條紋形成原理,認識干涉條紋的特征. 3.通過觀察實驗,培養(yǎng)學生對物理現象的觀察、表述、概括能力. 4.通過“揚氏雙縫干涉”實驗的學習,滲透科學家認識事物科學的物理思維方法. 二、重點、難點分析 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,怎么會出現時間上是穩(wěn)定的,空間上存在著加強區(qū)和減弱區(qū)并且互相間隔,如何理解“加強”和“減弱”. 3.培養(yǎng)學生觀察、表述、分析能力. 三、教具 1.演示水波干涉現象:頻率可調的兩個波源,發(fā)波水槽,投影幻燈,屏幕. 2.演示光的干涉現象:直絲白熾燈泡;單縫;雙縫;紅、綠、藍、紫濾色片;光的干涉演示儀;激光干涉演示儀. 3.干涉圖樣示意掛圖. 四、主要教學過程 (一)引入 由機械波的干涉現象引入:首先演示“水波干涉現象”,并向學生提出問題. (1)這是什么現象? (2)是否任何兩列波在傳播空間相遇都會產生這樣的現象? 讓學生回答,讓學生描述穩(wěn)定干涉現象的特征,指出干涉現象是兩列波在空間相遇疊加的一種情景;一切波都能發(fā)生干涉現象,干涉現象是波特有的現象.要得到穩(wěn)定干涉現象需是相干波源. (二)教學過程設計 1.光的干涉現象——揚氏干涉實驗. (1)提出問題:光是否具有波動性?如果有則會有光的干涉現象,觀察光的干涉現象可以用屏幕,在屏幕上會得到什么現象呢? 演示 兩個通有同頻率交流電單絲燈泡(或蠟燭)作為兩個光源,移動屏與它們之間的距離,屏幕上看不到明暗相間的現象. 實驗結果表明:兩個獨立熱光源的光波相遇得不到干涉現象.說明光的復雜性.認識事物不是一帆風順的.實驗的不成功是光無波動性?還是實驗設計有錯誤,沒有滿足相干條件? (2)揚氏實驗. ①介紹英國物理學家托馬斯揚.如何認識光,如何獲得相干光源——展示揚氏實驗掛圖鼓勵學生在認識事物或遇到問題時,學習揚氏的科學態(tài)度,巧妙的思維方法. ②介紹實驗裝置——雙縫干涉儀. 說明雙縫很近0.1mm,強調雙縫S1、S2與單縫S的距離相等,所以兩單縫S1、S2處光的振動不僅頻率相同,而且總是同相. ③演示: 先用加濾色片后單色光紅光進行演示,然后改用激光源做雙縫干涉實驗,并使雙縫與屏幕的距離加大,這樣在屏幕上得到條紋間距離大,更為清晰的明暗相同的圖樣. 展示雙縫干涉圖樣,讓學生注意觀察圖樣,回答圖樣的特點:(1)明暗相間.(2)亮紋間等距,暗紋間等距.(3)兩縫S1、S2中垂線與屏幕相交位置是亮條紋——中央亮紋. 提出問題:為什么會出現這樣的圖樣?怎樣用波動理論進行解釋. 2.運用波動理論進行分析. (1)演示兩列頻率相同、振動方向相同兩列波在一直線上疊加的情景. 用做好的幻燈片用投影幻燈進行演示;或用編制好的軟件在電腦上進行演示. 注意分析兩列波傳播經同一位置時此點的振動情況. ①仍在某一平衡位置附近往復振動,位移隨時間而改變. ②兩列波同相振幅變大,說明此點振動加強了;兩列波反相振幅減小,說明此點振動減弱了. 強調波形圖是各個質點在同一時刻位移的包絡線,演示波在傳播時,波峰波谷的移動情況. (2)演示一列波由近及遠波峰、波谷示意圖,演示兩列頻率相同,同相波由近及遠波峰、波谷的示意圖. 波峰、波谷行進位置. ②幻燈片數量準備多一些,波峰、波谷向前推進速度要慢,若用電腦波行進的速度要慢且可暫停. ③最后形成書上雙縫干涉示意圖樣,展示彩色掛圖. 分析: ①說明示意圖是兩列波某一時刻峰谷位置分布圖. ②說明兩列波同頻率、初相相同,在兩列波峰峰、谷谷相遇位置均是加強點;而峰谷相遇位置均是消弱點. ③先分析S1S2連線中垂線上的點:首先讓學生注意中垂線上的某一點,演示讓波行進起來結果峰谷依次通過此點——說明此點振動在峰→平衡位置→谷→平衡位置→峰之間往復振動是加強點.然后再讓學生看兩列波的相遇峰、谷依次通過該直線上的所有點——說明此直線上的點均是加強點. ④再分析S1S2中垂線兩側對稱位置上的點,即兩列波峰谷相遇點,首先注意某一點,演示讓波行進起來總是峰谷同時通過此點——說明兩列波通過此點總是振動方向相反,是被消弱的;然后再看兩列波峰谷交叉點的移動情況——為消弱區(qū)域. ⑤其次再分析遠離中垂線上的點又是加強區(qū)域…… 小結:通過以上分析振動加強與消弱點的分布是相互間隔的而且是穩(wěn)定的.結合干涉掛圖反映在屏幕上:同相加強光能量較強——亮;反相減弱光能量較弱——暗.得到亮暗間隔的干涉圖樣. (3)屏幕上出現亮紋、暗紋的條件. 在示意圖中,S1和S2為一對相干光源,兩組半徑相同的同心圓表示S1和S2兩相干光源向外傳播的兩列波.實線表示波峰,虛線表示波谷.實線a0、a2、a′2,a4、a′4…為加強區(qū)域,虛線a1、a′1;a3、a′3…為減弱區(qū)域. ①實線a0上各點,S1、S2發(fā)出光波到達線上某點的光程差δ=0. 實線a2(a′2)上各點,S1、S2發(fā)出光波到達線上某點的光程差δ2=λ. 實線a4(a′4)上各點,S1、S2發(fā)出光波到達線上某點的光程差δ4=2λ. 即在實線a0、a2(a′2)、a4(a′4)…上各點光程差各為0、λ、2λ…,即為波長的整數倍.屏上出現亮紋. …,即為半波長的奇數倍,屏上出現暗紋. 總結規(guī)律:凡光程差等于波長整數倍的位置,產生亮條紋;凡光程差等于半波奇數倍的位置,產生暗條紋,即產生亮暗條紋條件表達式: 亮紋 光程差δ=kλ(k=0,1,2…). *(4)若學生數學基礎好,接受能力強可推導屏上亮暗紋的位置公式,否則不進行此內容. 3.干涉條紋間距與哪些因素有關. 教師重做雙縫干涉實驗,讓學生注意實驗現象,并定性尋找規(guī)律. ①改變屏與縫之間的距離L——波長λ不變時L越大,亮紋間距(暗紋間距)越大. ②屏與縫之間距離L不變,用不同的單色光進行實驗——波長長的亮紋間距(暗紋間距)大,并展示彩色掛圖. ③L、λ不變,用雙縫距離d不同配件進行實驗——d小的亮紋間距(暗紋間距)大. 小結:(1)實驗可證明(或用上述亮暗紋的位置公式得亮紋間距)Δx= (2)利用雙縫干涉實驗,測量L、d、Δx可測單色光的波長. 4.用復色光源做揚氏雙縫干涉實驗. 讓學生猜測干涉圖樣,然后教師做演示,讓學生注意觀察屏上圖樣特征:雙縫S1、S2連線的中垂線與屏相交的中央位置是白色亮縫,而兩側是彩色條紋,然后展示掛圖以便讓學生對圖樣有深刻印象. (三)課堂小結 1.托馬斯揚在歷史上第一次解決了相干光源問題,成功做出了光的干涉實驗.光的干涉現象微粒說無法解釋,而波動說可做出完善解釋,使人們認識到光具有波動性. 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,如果反相光就減弱,于是產生明暗條紋,其特征是在中央明紋兩側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. 單色光:亮紋 光程差 δ=kλ(k=0,1,2…). 復色光則出現彩色條紋. 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.表明兩列光波疊加彼此相互抵消.這并不是光能量損耗了或變成其它形式能量,而是按波的傳播規(guī)律,沒有能量傳到該處;亮條紋處的光能量比較強,光能量增加也不是光的干涉可以產生能量,而是按波的傳播規(guī)律,到達該處的能量比較集中.- 配套講稿:
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