2024-2025學(xué)年高中物理第十三章光3光的干涉教案新人教版選修3-4

PAGE1-光的干涉一、教材分析本節(jié)主要講楊氏雙縫干涉原理和相干光源的概念。重點(diǎn)是雙縫干涉中波的疊加形成的明暗條紋的條件及推斷方法。要把光波的干涉和機(jī)械波的干涉聯(lián)系起來(lái)，引用路程差的概念，應(yīng)用學(xué)生已有的波的疊加的學(xué)問(wèn)，分析光屏上明暗條紋的分布規(guī)律，即與兩個(gè)狹縫的路程差是波長(zhǎng)的整數(shù)倍處出現(xiàn)亮條紋，與兩個(gè)狹縫的路程差是半個(gè)波長(zhǎng)的奇數(shù)倍處出現(xiàn)暗條紋。教材將《光的干涉》支配在學(xué)生可感知的光折射現(xiàn)象探討（第1節(jié)）之后，意在建立有層次的光本性認(rèn)知平臺(tái)．在光折射現(xiàn)象探討中得到折射定律后，教材剛好引導(dǎo)學(xué)生作深層思索：從試驗(yàn)中得出的折射定律與從惠更斯原理得出的結(jié)論形式一樣，是否可以推想光可能是一種波？“光線”是否應(yīng)當(dāng)是光波的波線？為將對(duì)光的認(rèn)知同化至波的圖式中去作了自然的鋪墊，這樣的編排與中學(xué)學(xué)生的認(rèn)知水平相適應(yīng)的，也順乎人類對(duì)光本性相識(shí)的進(jìn)程。二、教學(xué)目標(biāo)1．學(xué)問(wèn)與技能

◆會(huì)視察與描述光的雙縫干涉現(xiàn)象，相識(shí)單色光雙縫干涉條紋的特征?！糁绬紊怆p縫干涉亮、暗條紋形成的原理。◆知道產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象的條件。2．過(guò)程與方法

▲通過(guò)對(duì)試驗(yàn)視察分析，相識(shí)干涉條紋的特征，獲得探究活動(dòng)的體驗(yàn)?！鴩L試運(yùn)用波動(dòng)理論說(shuō)明光的干涉現(xiàn)象?！w驗(yàn)視察到光的雙縫干涉以支持光的波動(dòng)說(shuō)的假說(shuō)上升為理論的方法?！ㄟ^(guò)機(jī)械波的干涉向光的干涉遷移，經(jīng)驗(yàn)學(xué)問(wèn)同化、抽象建模的物理思維過(guò)程。3．情感看法與價(jià)值觀

●體驗(yàn)探究自然規(guī)律的艱辛與喜悅?！裼^賞光現(xiàn)象的奇異和諧?！窳私夤飧缮娆F(xiàn)象的發(fā)覺(jué)對(duì)推動(dòng)光學(xué)發(fā)展的意義。三、重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：1．視察與描述光的雙縫干涉現(xiàn)象。2．雙縫干涉中波的疊加形成的明暗條紋的條件及推斷方法。難點(diǎn)：用波動(dòng)理論說(shuō)明明暗相間的干涉條紋。四、教具打算：⑴試驗(yàn)裝置：激光器，雙縫干涉演示儀⑵多媒體課件：水波干涉的視頻，托馬斯·楊雙縫干涉試驗(yàn)原理示意圖，PPT課件、多媒體動(dòng)畫(huà)等。五、教學(xué)過(guò)程在光的折射一課中，從試驗(yàn)中得出的折射定律與從惠更斯原理得出的結(jié)論形式一樣，是否可以推想光可能是一種波？學(xué)生思索與溝通后得到：假如光是一種波，則要有波的特征現(xiàn)象作試驗(yàn)支持．干涉是波特有的現(xiàn)象，一切波都能發(fā)生干涉，因此可以用光是否具有干涉現(xiàn)象來(lái)推斷光是不是一種波。復(fù)習(xí)提問(wèn)：（課件展示下列問(wèn)題及右圖）右圖是兩列水波某時(shí)刻干涉的示意圖，S1、S2是振動(dòng)狀況總是相同的波源，實(shí)線代表波峰，虛線代表波谷，直線是S1S2的中垂線，在此時(shí)刻介質(zhì)中點(diǎn)為兩波谷疊加，點(diǎn)為波峰與波谷疊加，點(diǎn)為兩波峰疊加，點(diǎn)是處于某種中間狀態(tài)的疊加。問(wèn)：中哪些是出現(xiàn)振動(dòng)加強(qiáng)的地方，哪些是出現(xiàn)振動(dòng)減弱d地方，哪些是出現(xiàn)振動(dòng)加強(qiáng)和減弱的中間過(guò)渡狀態(tài)？

（一般狀況下，學(xué)生能順當(dāng)回答兩點(diǎn)是振動(dòng)加強(qiáng)的點(diǎn)，點(diǎn)是振動(dòng)減弱的點(diǎn)，對(duì)于點(diǎn)可能會(huì)出現(xiàn)爭(zhēng)議。老師可做如下引導(dǎo)）設(shè)問(wèn)：點(diǎn)位于什么位置呢？學(xué)生答：略（老師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析）既然S1S2到點(diǎn)的路程差為零，依據(jù)波動(dòng)理論，兩波源在點(diǎn)處激起的振動(dòng)總是一樣的，雖然該時(shí)刻是中間狀態(tài)的疊加，但兩列波在點(diǎn)處的疊加，激起點(diǎn)的振動(dòng)的振幅（老師強(qiáng)調(diào)是振幅最大，而非位移最大，即使是振動(dòng)加強(qiáng)的點(diǎn)，也有位移為零的時(shí)候）仍為最大，故點(diǎn)還是振動(dòng)加強(qiáng)的地方。（屏幕展示“水波干涉”的視頻，通過(guò)已有學(xué)問(wèn)的遷移讓學(xué)生走進(jìn)光的雙縫干涉）讓學(xué)生視察并描述穩(wěn)定水波干涉現(xiàn)象的特征：即出現(xiàn)振動(dòng)總是加強(qiáng)和振動(dòng)總是減弱的區(qū)域，且加強(qiáng)區(qū)和減弱區(qū)相互間隔的現(xiàn)象；指出干涉現(xiàn)象是兩列波在空間相遇疊加的結(jié)果；強(qiáng)調(diào)要得到穩(wěn)定干涉圖樣須要兩波源的振動(dòng)狀況完全相同．一、波的特征現(xiàn)象之一——干涉現(xiàn)象——振動(dòng)加強(qiáng)與減弱的區(qū)域確定條件——兩列波的頻率相同（必要條件）設(shè)問(wèn)1：預(yù)期的光（例如紅光）的干涉圖樣是怎樣的？要求回答：?jiǎn)紊獾母缮娆F(xiàn)象是明暗相間的條紋．（從機(jī)械波遷移至光波）設(shè)問(wèn)2：日常生活中為什么不易看到光的干涉現(xiàn)象？學(xué)生溝通后老師總結(jié)：要產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象必須要有兩個(gè)振動(dòng)狀況完全相同的光源，包括頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定。而一般光源發(fā)出的光，是大量原子躍遷時(shí)發(fā)出的，由不連續(xù)的波列組成，各波列的相位是無(wú)規(guī)則改變的，這是由原子發(fā)光的特點(diǎn)確定的。因此，兩個(gè)獨(dú)立的光源發(fā)出的光，即使是頻率相同的單色光也不能保持恒定的相位差。設(shè)問(wèn)3：如何通過(guò)試驗(yàn)限制而獲得光的干涉現(xiàn)象？學(xué)生溝通后老師歸納：試驗(yàn)限制的關(guān)鍵在獲得振動(dòng)狀況完全相同的光源，讓兩個(gè)完全相同的“相干光源”發(fā)出的光在同一空間疊加，用屏在疊加區(qū)域接收，應(yīng)可得到預(yù)期的現(xiàn)象。1801年英國(guó)的托馬斯·楊想出了一個(gè)奇妙的方法，把一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的一束光分成兩束，從而找到了“兩個(gè)振動(dòng)狀況總是相同的波源”，得償所愿的視察到了光的干涉現(xiàn)象。因?yàn)樗O(shè)計(jì)的奇妙，雙縫干涉試驗(yàn)被評(píng)為十大漂亮物理試驗(yàn)之一（排第五名，多媒體投影如右圖）。二、雙縫干涉試驗(yàn)1．演示試驗(yàn)、視察現(xiàn)象（屏幕顯示托馬斯·楊雙縫干涉試驗(yàn)原理示意圖，如圖1所示，介紹楊氏試驗(yàn)）老師強(qiáng)調(diào)以下兩點(diǎn)：?jiǎn)慰p的作用是獲得單一頻率的光源；雙縫屏上的兩條狹縫離的很近，到前一條狹縫的距離相等，所以兩條狹縫處光的振動(dòng)狀況完全相同．說(shuō)明楊氏最初的試驗(yàn)所用的不是狹縫，而是小孔，后來(lái)，他發(fā)覺(jué)改用狹縫后干涉圖樣更加光明，于是后人把他的試驗(yàn)叫做雙縫干涉試驗(yàn)。楊氏試驗(yàn)勝利獲得亮暗相間的干涉圖樣，證明光的確是一種波。（老師采納激光作為光源演示雙縫干涉試驗(yàn)）老師操作：⑴打開(kāi)激光器，干脆把激光打到后背的墻（光屏）上（易視察）．要求學(xué)生說(shuō)出視察到的現(xiàn)象——激光沿直線傳播，打到墻上是一個(gè)亮斑。⑵在激光器前加一雙縫，讓學(xué)生再視察試驗(yàn)現(xiàn)象，并引導(dǎo)學(xué)生描述視察到的現(xiàn)象。學(xué)生活動(dòng)：①在加雙縫前，請(qǐng)一學(xué)生來(lái)視察雙縫，因?yàn)殡p縫間距太小，大約0.1mm左右，一般很難看出是雙縫，可以讓其他同學(xué)幫助想方法，如將雙縫屏迎著光去看便可看出。②細(xì)致視察試驗(yàn)現(xiàn)象，并描述加雙縫前、后在光屏上視察到的現(xiàn)象：光到達(dá)屏上的范圍比不加雙縫時(shí)大了；屏上出現(xiàn)了明（紅）暗相間的條紋；條紋間距相等；還可以請(qǐng)剛才視察雙縫的學(xué)生說(shuō)出，明暗相間的條紋走向與雙縫的方向平行。老師設(shè)問(wèn)：請(qǐng)同學(xué)們依據(jù)剛才的視察，歸納雙縫干涉圖樣的特征。學(xué)生探討后回答：⑴亮暗相間的條紋；⑵條紋間距相等；⑶光到達(dá)的范圍比“直線傳播”的大。老師設(shè)問(wèn)：為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的圖樣？怎樣用波動(dòng)理論說(shuō)明光的干涉現(xiàn)象。三、比較推理、分析現(xiàn)象我們可以仿照機(jī)械波的干涉，用波動(dòng)理論來(lái)分析屏上明暗條紋的分布狀況：⑴中心明條紋(課件投影右圖)S1、S2到P0點(diǎn)距離相同，所以這兩列波的波峰或波谷同時(shí)到達(dá)P0點(diǎn)，在這一點(diǎn)，兩列波的波峰與波峰疊加，波谷與波谷疊加，他們?cè)赑0點(diǎn)相互加強(qiáng)，因此這里出現(xiàn)明條紋。⑵第一亮條紋S1、S2到P1點(diǎn)距離不相同，S2到P1的距離比S2到P1的距離大一個(gè)波長(zhǎng)。所以當(dāng)S1的波峰(或波谷)到達(dá)P1點(diǎn)時(shí)，S2的波峰(或波谷)也到達(dá)P1點(diǎn)。在這一點(diǎn)，兩列波的波峰與波峰疊加，波谷與波谷疊加，他們?cè)赑1點(diǎn)相互加強(qiáng)，因此這里也出現(xiàn)明條紋。⑶第一暗條紋S1、S2到Q1點(diǎn)距離不相同，S2到Q1的距離比S2到Q1的距離大半個(gè)波長(zhǎng)。所以當(dāng)S1的波峰(或波谷)到達(dá)Q1點(diǎn)時(shí)，S2的波谷(或波峰)也到達(dá)Q1點(diǎn)。在這一點(diǎn)，兩列波的波峰與波谷疊加，他們?cè)赒1點(diǎn)相互減弱，因此這里出現(xiàn)暗條紋。老師設(shè)問(wèn)：同學(xué)們能否自己歸納一下屏上出現(xiàn)明條紋或者暗條紋的一般條件呢？學(xué)生思索探討后得出結(jié)論：凡光程差等于波長(zhǎng)整數(shù)倍的位置，產(chǎn)生亮條紋；凡光程差等于半波奇數(shù)倍的位置，產(chǎn)生暗條紋。即產(chǎn)生亮暗條紋條件表達(dá)式：亮紋：光程差暗紋：光程差為了鞏固理解干涉的穩(wěn)定性，老師課播放多媒體動(dòng)畫(huà)(右圖為該動(dòng)畫(huà)的截圖，本動(dòng)畫(huà)可以逐幀播放，動(dòng)畫(huà)每播放一幀，波向前傳播一個(gè)周期，由動(dòng)畫(huà)可以清楚看出干涉加強(qiáng)的位置每一時(shí)刻都是加強(qiáng)的，而減弱的位置每一時(shí)刻都是減弱的。)老師設(shè)問(wèn)：在上面的分析中，屏上位于P(中心明紋位置)和Q1(第一暗紋位置)之間的某一點(diǎn)是明紋還是暗紋呢？學(xué)生茫然……老師指出：其實(shí)，我們剛才探討的所謂振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn)，事實(shí)上應(yīng)當(dāng)是振動(dòng)最強(qiáng)的點(diǎn)，該點(diǎn)振幅最大(等于兩列波的振幅之和)，而振動(dòng)減弱的點(diǎn)事實(shí)上是振動(dòng)最弱的點(diǎn)，該點(diǎn)振幅最小(等于兩列波的振幅之差)。像這樣的點(diǎn)我們稱為明條紋中心位置或暗條紋中心位置。大家從干涉圖樣上可以看出明條紋到暗條紋是漸漸過(guò)渡過(guò)去的。(這是學(xué)生理解上的難點(diǎn)，此時(shí)老師再用多媒體投影干涉圖樣，讓學(xué)生細(xì)致視察，加深體會(huì)。)思索題：試著推導(dǎo)出明條紋(暗條紋)中心位置的表達(dá)式。(為下一節(jié)的試驗(yàn)打下基礎(chǔ))本題在老師的指導(dǎo)下師生共同完成。四、相干光源假如兩個(gè)光源發(fā)出的光能夠產(chǎn)生干涉，這樣的兩個(gè)光源叫做相干光源。（全課總結(jié)、提升）1．托馬斯·楊在歷史上第一次解決了相干光源問(wèn)題，勝利做出了光的干涉試驗(yàn)．光的干涉現(xiàn)象是微粒說(shuō)無(wú)法說(shuō)明的，使人們相識(shí)到光具有波動(dòng)性。2．兩個(gè)相干光源發(fā)出的光在屏上某處疊加時(shí)，假如同相光就加強(qiáng)，假如反相光就減弱，于是產(chǎn)生亮暗條紋，其特征是在中心亮紋兩側(cè)對(duì)稱地分布著亮暗相間的各級(jí)干涉條紋，且相鄰亮紋和相鄰暗紋的間距相等。3．亮暗相間條紋反映光的能量在空間分布狀況。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(méi)有能量傳到該處；亮條紋處的光能量比較強(qiáng)，光能量增加，也不是光的干涉可以產(chǎn)生能量，而是按波的傳播規(guī)律，到達(dá)該處的能量比較集中。五、作業(yè)設(shè)計(jì)1．細(xì)致閱讀課本，預(yù)習(xí)第3節(jié)：用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)。S1S2