高二物理選修34第十三章：第3節(jié)：光的干涉

1、.第十三章 光 光具有波粒二象性。光電效應現(xiàn)象說明波有粒子性；光的干預、衍射和偏振現(xiàn)象說明光具有波動性，光波是橫波。麥克斯韋電磁場理論說明光是一種電磁波，赫茲用實驗證實了光確實是一種電磁波。激光是一種人造光源，具有很多特性，在科學研究和工農(nóng)業(yè)消費中有廣泛的應用。3 光的干預教學目的一、知識目的1.通過實驗觀察，讓學生認識光的衍射現(xiàn)象，知道發(fā)生明顯的光的衍射現(xiàn)象的條件，從而對光的波動性有進一步的認識.2.通常學習知道“幾何光學中所說的光沿直線傳播是一種近似規(guī)律.二、才能目的1.通過討論和對單縫衍射裝置的觀察，理解衍射條件的設計思想.2.在認真觀察課堂演示實驗和課外自己動手觀察衍射現(xiàn)象的根底上，培

2、養(yǎng)學生比較推理才能和抽象思維才能.三、德育目的通過“泊松亮斑等科學小故事的學習，培養(yǎng)學生堅決的自信心、踏實勤奮的工作態(tài)度和科學研究品德.教學重點單縫衍射實驗和圓孔衍射實驗的觀察以及產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件.教學難點衍射條紋成因的初步說明.教學方法1.通過機械波衍射現(xiàn)象類比推理，提出光的衍射實驗觀察設想.2.通過觀察分析實驗，歸納出產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件以及衍射是光的波動性的表現(xiàn).3.通過比照認識衍射條紋的特點及變化，加深對衍射圖象的理解.教學用具JGQ型氦氖激光器25臺，衍射單縫可調(diào)縫寬度，光屏、光柵衍射小圓孔板，兩支鉛筆學生自備，日光燈教室內(nèi)一般都有，直徑5 mm的自行車軸承用小鋼珠，被磁化的

3、鋼針吸小鋼珠用，投影儀本節(jié)課在光學實驗室進展.課時安排：1課時 1.實驗：雙縫干預1裝置：雙縫、激光器、光屏2現(xiàn)象：屏上形成亮暗相間的條紋；條紋之間的間隔 相等，亮度一樣實際上由于衍射而不同。這就是光的干預現(xiàn)象，今天我們來學習第一節(jié)：光的干預。第1課時：雙縫干預新課教學：一、雙縫干預1.什么是雙縫干預：平行的單色光照射到相距很近的雙狹縫上，在狹縫后的光屏上出現(xiàn)亮暗相間條紋的現(xiàn)象叫做雙縫干預現(xiàn)象。問題：在什么樣的條件下才能在屏幕上形成亮暗相間的條紋呢？根據(jù)波的疊加原理，可知：在同一種介質(zhì)中傳播的兩列波，當兩個波源的頻率一樣，振動狀態(tài)完全一樣或有恒定的相位差時，就會出現(xiàn)干預現(xiàn)象。2.形成光波干預的

4、條件1兩個光源的頻率一樣；2兩個光源的振動狀態(tài)完全一樣或有恒定的相位差。如下圖的雙縫干預裝置中，滿足上述條件嗎？為什么？分析：一束激光被分成兩束相當于兩個波源，激光束的顏色沒有發(fā)生變化，說明兩個波源的頻率一定一樣；兩條狹縫間隔 光源的間隔 相等，所以兩個狹縫處波的振動狀態(tài)一樣。由此可見，通過雙縫形成的兩個波源就是相干光源。問題：為什么在光屏上會形成亮暗相間的條紋呢？如圖，根據(jù)機械波的干預理論可知，亮條紋出現(xiàn)的位置一定是波峰與波峰，或者波谷與波谷相遇的位置。我們可以肯定的說，P點就是亮條紋出現(xiàn)的位置，圖中P點距S1、S2間隔 相等，路程差：r=S1P-S2P=0應出現(xiàn)亮紋，中央亮條紋。不管波處于

5、哪種初態(tài)，P點的振動總是波峰與波峰相遇或波谷與波谷相遇，振幅A總為A1、A2之和，即P點總是振動加強點，應出現(xiàn)亮紋。假如P1點也出現(xiàn)亮條紋，那么P1點距S1、S2間隔 應滿足什么條件呢？r1=|S1P1-S2P1|=2×r2=|S1P2-S2P2|=2r3=|S1P3-S2P3|=3rn=|S1Pn-S2Pn|=n它們對應產(chǎn)生第2、3、4條明條紋，還有明條紋的地方嗎？在P點下方，與P1、P2等關于P對稱的點也應是明條紋。1形成亮條紋的條件：r=2n· n=0，1，2時，出現(xiàn)亮條紋。暗條紋出現(xiàn)的位置：根據(jù)波的疊加原理：在Q1點是波峰與波谷相遇，振動步調(diào)剛好相反。Q1點位置與兩

6、波源路程差：r =|S1Q1-S2Q1|=r=|S1Q2-S2Q2|=,處，在P1P2、P2P3、等明紋之間有第2條暗紋Q2、第3條暗紋Q3，哪位同學能用上面的方法寫個通式，歸納一下。2形成暗條紋的條件：r=2n+1 ,n=0、1、2時，出現(xiàn)暗紋。問題：條紋之間的間隔 與哪些因素有關呢？3. 條紋間距與哪些因素有關 1實驗：改變兩縫間距、改變縫屏之間的間隔 、改變光波的波長現(xiàn)象：兩縫間距變小，條紋間距變大；縫屏間距變大，條紋間距變大；光波波長變大，條紋間距變大。結論：干預條紋之間的間隔 與兩縫之間的間隔 、縫屏之間的間隔 、光波的波長有關系。有什么樣的定量關系呢？下面我們就來定量研究這個問題。

7、2條紋間距與波長、雙縫間距、縫屏之距之間的定量關系推導：設兩縫S1、S2間間隔 為d，它們所在平面到屏面的間隔 為l，且，O是S1S2的中垂線與屏的交點，O到S1、S2間隔 相等。由圖可知：S1P=r1，r12=l2+x-2r22=l2+x+2r22-r12=r2-r1r2+r1=2dx由于，且，所以r1+r22l，這樣就好辦了，r2-r1=r=xr=2n· n=0、1、2時，出現(xiàn)亮紋，即·x=2n·時出現(xiàn)亮紋，或?qū)懗蓌=第n條和第n-1條亮紋間間隔 x為多少呢？x=xn-xn-1=n-n-1，也就是x=·根據(jù)前面的實驗結果及推導大家能判斷紅光和紫光哪一

8、個波長長嗎？提出問題：大家能猜一猜用白光干預會出現(xiàn)什么現(xiàn)象嗎？4.白光雙縫干預現(xiàn)象：彩色條紋；中央為白條紋；中央條紋兩側彩色條紋對稱排列；每條彩紋中紅光總在外邊緣，紫光在內(nèi)緣。現(xiàn)象解釋：不同色光波長不同，條紋寬度不同，紅光條紋最寬；紫光條紋最窄，所以出現(xiàn)上面現(xiàn)象。大家還記得機械波波長、波速、頻率三者之間的關系嗎？v=f，光波也有這樣的關系，不過各種色光在真空中的波速是一樣的，我們用c表示，那么有：c=f，請大家比較一下七種色光的頻率關系。紅光頻率最小，紫光頻率最大。第2課時：薄膜干預復習提問：1. 形成干預亮條紋和暗條紋的條件是什么？2. 干預條紋之間的間隔 與哪些因素有關？有什么關系？引入：

9、實驗：把圓環(huán)豎直地插入肥皂溶液中，漸漸向上提起形成薄膜，豎直放好，注意觀察在肥皂膜外表出現(xiàn)的現(xiàn)象。現(xiàn)象：觀察到肥皂膜上呈現(xiàn)明暗相間的干預條紋。提出問題：為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？本節(jié)課我們就來學習一種新的干預現(xiàn)象薄膜干預。二、薄膜干預原因分析：1肥皂膜的形狀考慮：能反射光的外表有幾個？這些面反射回來的光有沒有光程差？在什么條件下，肥皂膜的外表會形成亮條紋？在什么條件下，在肥皂膜的外表會形成暗條紋呢？2形成薄膜干預條紋的原因1當肥皂膜的厚度，正好等于波長的整數(shù)倍時，經(jīng)肥皂膜前后兩個外表反射的兩列光波疊加后，在肥皂膜的外表形成亮條紋。，2當肥皂膜的厚度，正好等于半波長的奇數(shù)倍時，經(jīng)肥皂膜前后兩個外表

10、反射的兩列光波疊加后，在肥皂膜的外表形成暗條紋。，提出問題：什么薄膜干預？3什么是薄膜干預同一列光波照射到薄膜上，經(jīng)薄膜前、后或上、下，或內(nèi)外兩個外表反射的兩列光波在薄膜外表發(fā)生疊加，形成亮暗相間條紋的干預現(xiàn)象，叫做薄膜干預。轉折：日常生活中，大家觀察到過薄膜干預現(xiàn)象嗎？水面上的油膜面呈現(xiàn)出彩色條紋就是薄膜干預現(xiàn)象。為什么呢？油膜上下兩個外表反射光，形成兩列光波，兩列光波在油膜的外表發(fā)生疊加形成明暗相間的條紋。觀察：牛頓環(huán)，發(fā)現(xiàn)亮暗相間的彩色圓環(huán)，這是薄膜干預現(xiàn)象嗎？試分析原因。提出問題：照相機、攝像機的鏡頭大多是淡紫色的，為什么？4薄膜干預的應用1增透膜：增透膜的厚度等于入射光波波長的，經(jīng)膜

11、的前后兩面反射的光疊加后互相抵消，增強了透光性。我們還可以利用薄膜干預檢查精細零件外表是否平整。2檢查精細零件的外表是否平整小結通過本節(jié)課的學習，我們掌握了以下知識：雙縫干預實驗現(xiàn)象：明暗相間的彩色條紋條紋特征：明晰、等間距、明暗相間亮條紋與暗條紋出現(xiàn)的條件：r=2n·n=0、1、2、3明紋；r=2n+1 n=0、1、2、3暗紋條紋間距與波長的關系：x=結論：光具有波動性，c=f實驗：薄膜干預應用：檢查平面平整程度本節(jié)優(yōu)化訓練設計：1.在做楊氏雙縫干預實驗時，把其中一縫擋住，那么 A.干預條紋與原來一樣，只是亮度減半 B.在屏上出現(xiàn)一條與縫一樣寬的亮條紋C.屏上模糊一片 D.出現(xiàn)和原

12、來不一樣的明暗相間條紋，但不是干預條紋2.在做雙縫干預實驗時，用普通的白光做光源，假設在雙縫處把一縫用紅色玻璃擋住，另一縫用綠色玻璃擋住，那么屏上會出現(xiàn) A.紅色干預條紋 B.綠色干預條紋 C.紅綠相間的干預條紋 D.無干預條紋，但有亮光3.圖2014是用干預法檢查某塊厚玻璃板的上外表是否平整的裝置，檢查中所觀察到的干預條紋是由以下哪兩個外表的反射光疊加而成的 A.a的上外表，b的下外表B.a的上外表，b的上外表C.a的下外表，b的上外表 D.a的下外表，b的下外表4.在楊氏雙縫干預實驗中，保持雙縫到屏的間隔 不變，調(diào)節(jié)雙縫間間隔 ，當間隔 增大時，干預條紋間隔 將變_，當間隔 減小時，干預條

13、紋間距將變_。5.用單色光做雙縫干預實驗時，測得雙縫間間隔 為0.4 mm，雙縫到屏的間隔 為1 m，干預條紋間距為1.5 mm，求所用光波的波長。6.用波長為4000埃的光做雙縫干預實驗，A點到狹縫S1、S2的路程差為1.8×10-6 m，那么A點是出現(xiàn)明條紋還是暗條紋？7.光纖通信是70年代以后開展起來的新興技術，世界上許多國家都在積極研究和開展這種技術.發(fā)射導彈時，可在導彈后面連一根細如蛛絲的光纖，就像放風箏一樣，這種纖細的光纖在導彈和發(fā)射裝置之間，起著雙向傳輸信號的作用，光纖制導的下行光信號是鎵鋁砷激光器發(fā)出的在纖芯中波長為0.85 m的單色光.而上行光信號是銦鎵砷磷發(fā)光二極管發(fā)射的在纖芯中波長為1.06 m的單色光，這樣操縱系統(tǒng)通過這根光纖向?qū)棸l(fā)出控制