黑龍江省哈爾濱市木蘭高級中學(xué)高中物理光的干涉02教案

1、高中物理 光的干涉02教案光究竟是什么？這個問題困繞了科學(xué)家們很長的時間。從光的直線傳播、反射定律看，光很象是一種彈性良好的粒子流（用慣性、動量守恒解釋）。而且，從光的折射方面考察，它和粒子之間似乎也有某種共性（譬如，網(wǎng)球往水中的折射，也會滿足一個入射角和折射角的正弦之比為恒量的規(guī)律），因此，十七世紀(jì)，人們提出光是實物粒子流（粒子足夠小、彈性足夠好），持這種觀點的代表是牛頓。但是，光在傳播時，也有一些用微粒說不能解釋的現(xiàn)象，如衍射、干涉、偏振等。這些都是波動的典型特征。于是，十七世紀(jì)中葉，就已經(jīng)出現(xiàn)了光是一種波的學(xué)說，堅持波動說的典型物理學(xué)家是（荷蘭）惠更斯。一方面由于惠更斯的波動說確實存在缺

2、陷（解釋直進、在真空中傳播有困難），另一方面，由于牛頓在十七十八世紀(jì)形成的泰斗地位雖然沒有足夠的理由表明牛頓是微粒說的頑固堅持者（事實上，牛頓本人就在1675年做了牛頓環(huán)的實驗，并提出了“波具有周期性”的觀點）但微粒說一度占據(jù)了上風(fēng)。甚至在整個十八世紀(jì)，波動說沒有實質(zhì)性地得到發(fā)展。到十九世紀(jì)，人們對于光的本性研究的手段更先進了，電磁場的理論也逐漸成熟。因此，在60年代，光的電磁波說被推了出來，它的代表物理學(xué)家是麥克斯維。由于麥克斯維的電磁波說和惠更斯的以太（彈性）波學(xué)說有著本質(zhì)的區(qū)別，在解釋各種光學(xué)現(xiàn)象時也非常成功，因此，人們一度認(rèn)為它已經(jīng)足夠完美了。但是，到十九世紀(jì)末，人們發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，這

3、使光的電磁波說遇到了空前的困難。在這種背景下，光的能量子說（光子說）應(yīng)運而生，它的代表物理學(xué)家是愛因斯坦。愛因斯坦提出光子說，并不意味著電磁波說倒退到牛頓的微粒說（因為量子和彈性微粒是兩個本質(zhì)不同的概念）。由于光子說主要是偏重于解釋光的能量傳遞方面的特征，實質(zhì)上并沒有否定光的電磁波學(xué)說（基于光的傳播方向得出結(jié)論）。光究竟是什么？現(xiàn)在的權(quán)威性觀點是：量子性和波動性都是光的屬性之一，只是在某些條件下，某一個屬性表現(xiàn)比較搶眼一些；光是波動和粒子運動的矛盾統(tǒng)一體，這就是所謂的波粒二象性。而本章，我們主要介紹光的波動屬性，以及相關(guān)的物理史實。第二十章 光的波動性我們已經(jīng)不止一次地聽到光是一種電磁波的說法

4、，但要接受這個觀點，必須基于物理事實的總結(jié)。這是實現(xiàn)本章學(xué)習(xí)目的的基本手段。而且，本章的實驗大多數(shù)都是在我們現(xiàn)有的條件下能夠做成的，大家在課堂上要注意觀察、思考，必要的時候，我們還要自己動手進行分組實驗重復(fù)一百年前偉人們的研究歷程。本章可分為四個單元。第一單元：第1、2節(jié)，講光的干涉和衍射；第二單元：第3節(jié)，講光的電磁說，電磁波譜；第三單元：第4節(jié)，講光的偏振，進一步說明光是橫波，是電磁波；第四單元：第5節(jié)，介紹激光。本章的知識點在高考考綱中都是a級。在歷年的高考試題中，有關(guān)本章的內(nèi)容多以選擇或填空題的形式出現(xiàn)。命題幾率較高的是光的干涉、衍射，其次是波長、波速和頻率的關(guān)系，有時還與幾何光學(xué)中的

5、知識結(jié)合起來進行考查。§201 光的干涉【教學(xué)目的】1、認(rèn)識光的干涉現(xiàn)象及光產(chǎn)生干涉的條件2、理解（楊氏）雙縫干涉形成的原理，以及條紋的特征3、知道實現(xiàn)光的干涉的途徑并不是唯一的，了解薄膜干涉形成的原理，以及它在工程物理領(lǐng)域的應(yīng)用【教學(xué)重點】光產(chǎn)生干涉的條件，干涉條紋的特征【教學(xué)難點】（楊氏）雙縫干涉形成的原理，以及條紋的特征分析【教具】（楊氏）雙縫干涉儀，酒精燈，食鹽，鐵絲圈，肥皂水【課時安排】2課時【教學(xué)過程】、復(fù)習(xí)&引入復(fù)習(xí)提問1：波動只所以有別于粒子運動，其重要特征是什么？學(xué)生：能夠發(fā)生干涉、衍射。復(fù)習(xí)提問2：什么是機械波的干涉？發(fā)生波的干涉的條件是什么？學(xué)生：兩列波

6、在疊加后，在空間形成穩(wěn)定的振動加強和減弱的區(qū)域（而且它們彼此間隔）；兩列波的頻率相等。我們要確認(rèn)光具有波動性，就必須拿出光能夠干涉或衍射的事實。而根據(jù)剛才的物理學(xué)史介紹，在波動說已經(jīng)提出的前提下，整個十八世紀(jì)都沒有得到發(fā)展。是不是觀察光的干涉、衍射現(xiàn)象很不容易呢？答案是肯定的。一、雙縫干涉為什么不容易，這得從兩個角度去認(rèn)識：一是干涉的條件是否容易達(dá)成，二是干涉現(xiàn)象形成后，其強弱的分布狀況是否方便人們?nèi)ビ^察。在第一個方面，就是一個難題。原來的一般的光源都含有多種顏色（即多種頻率）的成分，即便是找到了“完全相同”的光源，但從發(fā)光的微觀角度看，由于發(fā)出的光波具有不連續(xù)性（就不能保證相位差恒定），要保

7、證它們能夠發(fā)生干涉，也是很難的。光學(xué)上，把能夠發(fā)生干涉的光源叫做1、相干光源：頻率相等、相位差恒定的光源稱為相干光源。為了確保這兩個條件滿足，人們想過很多辦法，英國物理學(xué)家托馬斯·楊是這樣做的：將同一光源發(fā)出的光用一個只留兩個孔（或兩個縫）的擋板擋住，那么從這兩個空（或兩個縫）中射出的光就是相干光源了。干涉現(xiàn)象形成后，如何方便觀察？這個問題復(fù)雜一些，讓我們將實驗完成之后，再做定量分析。2、雙縫干涉演示：（楊氏）雙縫干涉實驗a、學(xué)生觀察雙縫；b、學(xué)生預(yù)測實驗現(xiàn)象（教師配合草稿板圖機械波干涉分析類比）；c、學(xué)生觀察干涉條紋過渡：為了解決干涉現(xiàn)象形成后是否方便觀察的問題，下面進入雙縫干涉的

8、定量分析（請同學(xué)們注意，我們這里并不僅僅是解釋為什么形成干涉條紋這一點，我們已經(jīng)能夠利用已有的知識去預(yù)測了而是要研究怎樣形成方便觀察的條紋，這就涉及到一個條紋寬度的計算問題。因此，我們今天對光的干涉的研究比起機械波干涉的研究必須更為深入。）為了尋求條紋的寬度，我們引進波程差的分析法。a、定性闡述b、定量（板圖1）分析= s2p1 s1p1dsin= d·當(dāng)= 0時（位置：p點），對應(yīng)第一個最強點（事實上是一條線），此時 x = 0當(dāng)=時（位置：p1點），對應(yīng)第二個最強“線”，此時 x=當(dāng)= 2時（位置：p2點），對應(yīng)第三個最強“線”，此時 x=2同學(xué)們，最亮條紋之間的間距是多少？學(xué)生

9、：條紋間距x = x x = x x= 。我們這里沒有計算暗紋的位置和間距情況，暗紋的間距又是多少呢？學(xué)生：當(dāng)然和亮紋間距相等。3、條紋間距 x = 假設(shè)我們手頭有兩個相干光源（平行的線光源），它們相距1m ，供觀察的屏到光源之間的距離為2m ，光的波長是我們前面提到的鈉黃光（= 5893），那么干涉條紋的間距x等于多少？師生共同計算：x = 1.18×10-6m = 0.00118mm 。這樣一個間距，肉眼觀察容易嗎？學(xué)生：不容易。那么，同樣是鈉黃光，楊氏雙縫干涉裝置的條紋間距有等于多少呢（楊氏雙縫間距d = 0.2mm ，屏與雙縫距離 l = 1m）？學(xué)生：x = 2.95mm

10、。很顯然，這個間距觀察起來是很“舒服”的，這個數(shù)據(jù)也和我們實際觀察到的間距相符。剛才我們事實上已經(jīng)解釋了雙縫間距的寬窄會影響干涉條紋的間距，在這方面，我們還可以通過實驗驗證演示：相同色光，改變雙縫寬度，干涉條紋檢舉改變a、學(xué)生觀察；b、教材彩圖對應(yīng)。下面，我們還要解釋關(guān)于雙縫干涉的另外兩個事實1、不同色光，條紋間距不同。a、介紹光的顏色和波長的一般對應(yīng)規(guī)律（參照教材表格）；b、學(xué)生解釋“事實”；c、演示：不同色光的條紋間距不同d、參照教材彩圖2、復(fù)色光會形成彩色條紋a、原理介紹b、演示：復(fù)色光形成彩色條紋，學(xué)生觀察。過渡：從剛才的研究，我們可以得出這樣的結(jié)論：只要有相干光源，光的干涉就能夠產(chǎn)生

11、，但要觀察到明顯的干涉現(xiàn)象，則需要強弱（明暗）分布的距離適當(dāng)這就需要相干光源的波程差比較微妙（和波長的數(shù)量級差別不大）。能夠滿足以上條件的裝置是不是只有楊氏的雙縫？答案必然是否定的。事實上，在十九世紀(jì)，探索光的波動性的物理學(xué)家很多，卓有成效的也絕不是只有托馬斯·楊一人。在物理學(xué)史上，比較有影響的干涉實驗就有：菲涅耳雙面鏡（雙棱鏡）實驗、洛埃單鏡實驗、法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具干涉實驗、邁克爾遜干涉實驗、平行平板干涉實驗、楔形平板干涉實驗等等。他們有些和楊氏實驗的原理類似，有些則則差別較大。為了強化對干涉的印象，我們這里再介紹一個二、薄膜干涉演示：鈉黃光在肥皂薄膜上的干涉。學(xué)生：觀察實驗現(xiàn)象。在

12、這里，我們也看到了明暗相間的規(guī)則條紋，它的形成是不是和楊氏干涉條紋一樣呢？首先，光源同不同？學(xué)生：不同。為什么還需要一個肥皂薄膜？這里我們做一個分析a、楔性薄膜介紹；b、板圖2定量分析= 2h若在p處，= ，則p處為亮紋，h = 若在p1處，= 2，則p1處為亮紋，h1 =若在p2處，= 3，則p2處為亮紋，h2 =啟發(fā)：同學(xué)們，如果知道薄膜傾角，我們是否可以求出薄膜表面亮紋之間的寬度？師生共同計算：相臨亮紋處的厚度差 h = 設(shè)亮紋間距為y ，由于很小，tg ，所以亮紋間距（即條紋間距）y = 應(yīng)用：請同學(xué)們計算一下，在剛才的鈉黃光薄膜干涉中，要求條紋的間距為3mm（這樣觀察起來不至于太吃力

13、），則薄膜傾角約為多少？學(xué)生：計算得出結(jié)果tg= 0.982×10-4 ，= 0.00562°。很顯然，要造就這樣一個微妙的夾角（而且基本恒定），是不容易的。啟發(fā)：下面請同學(xué)們思考一個問題，如果薄膜因某種原因形成了一個“橫?！保ㄈ鐖D3甲所示）的狀況，干涉條紋將是什么狀況？學(xué)生：思考、交流教師導(dǎo)引分析如圖3乙和丙所示（1區(qū)傾角增大，2區(qū)傾角減?。﹩l(fā)：如果是局部凸起，條紋狀況有怎樣？學(xué)生：思考、嘗試事實上，這個原理已經(jīng)被用于工程技術(shù)中的高精度的平面檢測中，相關(guān)的細(xì)節(jié)請大家參看教材內(nèi)容學(xué)生：閱讀教材薄膜干涉的應(yīng)用除了平面檢測，還有增透膜，有興趣的同學(xué)可以在課外閱讀一些相關(guān)的介紹。三、小結(jié)光的干涉實驗的成功是光具有波動性的鐵的證明。本節(jié)課，我們比較細(xì)致地討論了光的干涉的規(guī)律。從相關(guān)的結(jié)果我們可以體會到，要做成效果顯著的光的干涉實驗是不容易的，在某種程度上講，這也是光的波動說在十八世紀(jì)沒有得到發(fā)展的原因。我們通過學(xué)習(xí)本節(jié)，