《光的干涉》教學(xué)內(nèi)容

1、光的干涉教學(xué)設(shè)計 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。重點是雙縫干涉中波的疊加形成的明暗條紋的條件及判斷方法。要把光波的干涉和機械波的干涉聯(lián)系起來，引用路程差的概念，應(yīng)用學(xué)生已有的波的疊加的知識，分析光屏上明暗條紋的分布規(guī)律，即與兩個狹縫的路程差是波長的整數(shù)倍處出現(xiàn)亮條紋，與兩個狹縫的路程差是半個波長的奇數(shù)倍處出現(xiàn)暗條紋。二、教學(xué)目標(biāo)1知識與技能 會觀察與描述光的雙縫干涉現(xiàn)象，認(rèn)識單色光雙縫干涉條紋的特征。 知道單色光雙縫干涉亮、暗條紋形成的原理。 知道產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象的條件。 2過程與方法 通過對實驗觀察分析，認(rèn)識干涉條紋的特征，獲得探究活動的體驗。 嘗試運用波動理論解釋

2、光的干涉現(xiàn)象。 體驗觀察到光的雙縫干涉以支持光的波動說的假說上升為理論的方法。通過機械波的干涉向光的干涉遷移，經(jīng)歷知識同化、抽象建模的物理思維過程。3情感態(tài)度與價值觀 體驗探究自然規(guī)律的艱辛與喜悅。 欣賞光現(xiàn)象的奇妙和諧。 了解光干涉現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)對推動光學(xué)發(fā)展的意義。三、重點難點重點：1觀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判斷方法。難點：用波動理論解釋明暗相間的干涉條紋。四、教具準(zhǔn)備：實驗裝置：激光器，雙縫干涉演示儀多媒體課件：水波干涉的視頻，托馬斯·楊雙縫干涉實驗原理示意圖， PPT課件、多媒體動畫等。五、教學(xué)過程如果光是一種波，則要有波的特征現(xiàn)象

3、作實驗支持。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)象來判斷光是不是一種波。復(fù)習(xí)提問：（課件展示下列問題及右圖）右圖是兩列水波某時刻干涉的示意圖，S1、S2是振動情況總是相同的波源，實線代表波峰，虛線代表波谷，直線是S1S2的中垂線，在此時刻介質(zhì)中點為兩波谷疊加，點為波峰與波谷疊加，點為兩波峰疊加，點是處于某種中間狀態(tài)的疊加。問：中哪些是出現(xiàn)振動加強的地方，哪些是出現(xiàn)振動減弱d 地方，哪些是出現(xiàn)振動加強和減弱的中間過渡狀態(tài)？（一般情況下，學(xué)生能順利回答兩點是振動加強的點，點是振動減弱的點，對于點可能會出現(xiàn)爭議。教師可做如下引導(dǎo)） 既然S1S2到點的路程差為零，根據(jù)波動

4、理論，兩波源在點處激起的振動總是一致的，雖然該時刻是中間狀態(tài)的疊加，但兩列波在點處的疊加，激起點的振動的振幅（教師強調(diào)是振幅最大，而非位移最大，即使是振動加強的點，也有位移為零的時候）仍為最大，故點還是振動加強的地方。一、波的特征現(xiàn)象之一 干涉現(xiàn)象振動加強與減弱的區(qū)域確定條件兩列波的頻率相同（必要條件）設(shè)問1：預(yù)期的光（例如紅光）的干涉圖樣是怎樣的？ 要求回答：單色光的干涉現(xiàn)象是明暗相間的條紋（從機械波遷移至光波）設(shè)問2：日常生活中為什么不易看到光的干涉現(xiàn)象？ 要產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象必須要有兩個振動情況完全相同的光源，包括頻率相同、振動方向相同、相位差恒定。而普通光源發(fā)出的光，是大量原子躍遷時發(fā)出

5、的，由不連續(xù)的波列組成，各波列的相位是無規(guī)則變化的，這是由原子發(fā)光的特點決定的。因此，兩個獨立的光源發(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3：如何通過實驗控制而獲得光的干涉現(xiàn)象？實驗控制的關(guān)鍵在獲取振動情況完全相同的光源，讓兩個完全相同的“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年英國的托馬斯·楊想出了一個巧妙的辦法，把一個點光源發(fā)出的一束光分成兩束，從而找到了“兩個振動情況總是相同的波源”，如愿以償?shù)挠^察到了光的干涉現(xiàn)象。因為他設(shè)計的巧妙，雙縫干涉實驗被評為十大美麗物理實驗之一 二、雙縫干涉實驗1演示實驗、觀察現(xiàn)象 強

6、調(diào)以下兩點：單縫的作用是獲取單一頻率的光源；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情況完全相同說明楊氏最初的實驗所用的不是狹縫，而是小孔，后來，他發(fā)現(xiàn)改用狹縫后干涉圖樣更加明亮，于是后人把他的實驗叫做雙縫干涉實驗。楊氏實驗成功獲得亮暗相間的干涉圖樣，證明光的確是一種波。歸納雙縫干涉圖樣的特征。亮暗相間的條紋； 條紋間距相等； 光到達(dá)的范圍比“直線傳播”的大。三、比較推理、分析現(xiàn)象我們可以仿照機械波的干涉，用波動理論來分析屏上明暗條紋的分布情況：中央明條紋 (課件投影右圖)S1、S2到P0點距離相同，所以這兩列波的波峰或波谷同時到達(dá)P0點，在這一點，兩列波的波

7、峰與波峰疊加，波谷與波谷疊加，他們在P0點相互加強，因此這里出現(xiàn)明條紋。第一亮條紋S1、S2到P1點距離不相同，S2到P1的距離比S2到P1的距離大一個波長。所以當(dāng)S1的波峰(或波谷)到達(dá)P1點時，S2的波峰(或波谷)也到達(dá)P1點。在這一點，兩列波的波峰與波峰疊加，波谷與波谷疊加，他們在P1點相互加強，因此這里也出現(xiàn)明條紋。第一暗條紋S1、S2到Q1點距離不相同，S2到Q1的距離比S2到Q1的距離大半個波長。所以當(dāng)S1的波峰(或波谷)到達(dá)Q1點時，S2的波谷 (或波峰)也到達(dá)Q1點。在這一點，兩列波的波峰與波谷疊加，他們在Q1點相互減弱，因此這里出現(xiàn)暗條紋。凡光程差等于波長整數(shù)倍的位置，產(chǎn)生亮

8、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， 播放多媒體動畫(右圖為該動畫的截圖，本動畫可以逐幀播放，動畫每播放一幀，波向前傳播一個周期，由動畫可以清晰看出干涉加強的位置每一時刻都是加強的，而減弱的位置每一時刻都是減弱的。) 其實，我們剛才討論的所謂振動加強點，實際上應(yīng)該是振動最強的點，該點振幅最大(等于兩列波的振幅之和)，而振動減弱的點實際上是振動最弱的點，該點振幅最小(等于兩列波的振幅之差)。像這樣的點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逐漸過渡過去的。(這是學(xué)生理解上的難點 。)思考題：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)的實驗打下基礎(chǔ))四、相干光源如果兩個光源發(fā)出的光能夠產(chǎn)生干涉，這樣的兩個光源叫做相干光源。（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題，成功做出了光的干涉實驗光的干涉現(xiàn)象是微粒說無法解釋的，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，如果反相光就減弱，于是產(chǎn)生亮暗條紋，其特征是在中央亮紋兩側(cè)對稱地分布著亮暗相間的各級干涉條紋，且相鄰亮紋和相鄰暗紋的間距相等。3亮暗