光的干涉 公開課教學(xué)設(shè)計(jì)

高中物理選修3-4《光的干涉》教學(xué)設(shè)計(jì)晉江市南僑中學(xué)方志軍高二3班一、教學(xué)目標(biāo)1．知識(shí)與技能

◆會(huì)觀察與描述光的雙縫干涉現(xiàn)象，認(rèn)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．過程與方法

▲通過對(duì)實(shí)驗(yàn)觀察分析，認(rèn)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)理論解釋光的干涉現(xiàn)象?！w驗(yàn)觀察到光的雙縫干涉以支持光的波動(dòng)說的假說上升為理論的方法?！ㄟ^機(jī)械波的干涉向光的干涉遷移，經(jīng)歷知識(shí)同化、抽象建模的物理思維過程。3．情感態(tài)度與價(jià)值觀

●體驗(yàn)探究自然規(guī)律的艱辛與喜悅?！裥蕾p光現(xiàn)象的奇妙和諧?！窳私夤飧缮娆F(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)對(duì)推動(dòng)光學(xué)發(fā)展的意義。二、重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：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(diǎn)：用波動(dòng)理論解釋明暗相間的干涉條紋。三、教具準(zhǔn)備：⑴實(shí)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·楊雙縫干涉實(shí)驗(yàn)原理示意圖，PPT課件、多媒體動(dòng)畫等。四、教學(xué)過程光是一種電磁波，光則要有波的特征現(xiàn)象作實(shí)驗(yàn)支持．干涉是波特有的現(xiàn)象，一切波都能發(fā)生干涉，那光也具有干涉的現(xiàn)象。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(shí)刻干涉的示意圖，S1、S2是振動(dòng)情況總是相同的波源，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：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)和減弱的中間過渡狀態(tài)？

（一般情況下，學(xué)生能順利回答兩點(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)爭議。教師可做如下引導(dǎo)）設(shè)問：點(diǎn)位于什么位置呢？學(xué)生答：略（教師強(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）點(diǎn)是振動(dòng)加強(qiáng)的地方。（屏幕展示“水波干涉”的視頻，通過已有知識(shí)的遷移讓學(xué)生走進(jìn)光的雙縫干涉）強(qiáng)調(diào)要得到穩(wěn)定干涉圖樣需要兩波源的振動(dòng)情況完全相同．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——兩列波的頻率和振動(dòng)方向相同（必要條件）設(shè)問1：教室兩光亮?xí)r會(huì)有的干涉圖樣嗎？二、雙縫干涉實(shí)驗(yàn)1．演示實(shí)驗(yàn)、觀察現(xiàn)象（屏幕顯示托馬斯·楊雙縫干涉實(shí)驗(yàn)原理示意圖，如圖1所示，介紹楊氏實(shí)驗(yàn)）教師強(qiáng)調(diào)以下兩點(diǎn)：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(dòng)情況完全相同．說明楊氏最初的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)叫做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。楊氏實(shí)驗(yàn)成功獲得亮暗相間的干涉圖樣，證明光的確是一種波。（教師采用激光作為光源演示雙縫干涉實(shí)驗(yàn)）教師操作：⑴打開激光器，直接把激光打到后背的墻（光屏）上（易觀察）．要求學(xué)生說出觀察到的現(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)生再觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并引導(dǎo)學(xué)生描述觀察到的現(xiàn)象。學(xué)生活動(dòng)：①在加雙縫前，請(qǐng)一學(xué)生來觀察雙縫，因?yàn)殡p縫間距太小，大約左右，一般很難看出是雙縫，可以讓其他同學(xué)幫助想辦法，如將雙縫屏迎著光去看便可看出。②仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并描述加雙縫前、后在光屏上觀察到的現(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)剛才觀察雙縫的學(xué)生說出，明暗相間的條紋走向與雙縫的方向平行。教師設(shè)問：請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)剛才的觀察，歸納雙縫干涉圖樣的特征。學(xué)生討論后回答：=1\*GB2⑴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。教師設(shè)問：為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的圖樣？怎樣用波動(dòng)理論解釋光的干涉現(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)理論來分析屏上明暗條紋的分布情況：=1\*GB2⑴中央明條紋(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。=2\*GB2⑵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。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。=3\*GB2⑶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。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。教師設(shè)問：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)生思考討論后得出結(jié)論：凡光程差等于波長整數(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，教師課播放多媒體動(dòng)畫(右圖為該動(dòng)畫的截圖，本動(dòng)畫可以逐幀播放，動(dòng)畫每播放一幀，波向前傳播一個(gè)周期，由動(dòng)畫可以清晰看出干涉加強(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。)教師設(shè)問：在上面的分析中，屏上位于P(中央明紋位置)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……教師指出：其實(shí)，我們剛才討論的所謂振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn)，實(shí)際上應(yīng)該是振動(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)實(shí)際上是振動(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逐漸過渡過去的。(這是學(xué)生理解上的難點(diǎn)，此時(shí)教師再用多媒體投影干涉圖樣，讓學(xué)生仔細(xì)觀察，加深體會(huì)。)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(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ))本題在教師的指導(dǎo)下師生共同完成。四、相干光源如果兩個(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。（教室兩光亮?xí)r為什么沒有的干涉圖樣嗎？學(xué)生交流后教師總結(jié)：要產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象必須要有兩個(gè)振動(dòng)情況完全相同的光源，包括頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定。而普通光源發(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，各波列的相位是無規(guī)則變化的，這是由原子發(fā)光的特點(diǎn)決定的。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）。五、影響相鄰兩明紋間的距離大小因素：①波長λ②狹縫之間的距離d③為擋板與屏間的距離l（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(shí)驗(yàn)．光的干涉現(xiàn)象是微粒說無法解釋的，使人們認(rèn)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)，如果同相光就加強(qiáng)，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(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(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。（課堂練習(xí)）1、在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，以白光為光源，在屏上觀察到彩色干涉條紋，若在雙縫中的一縫前放一紅色濾光片（只能透過紅光），另一縫前放一綠色濾光片（只能透過綠光），這時(shí)：（）A、只有紅色和綠色的干涉條紋，其它顏色的雙縫干涉條紋消失．B、紅色和綠色的干涉條紋消失，其它顏色的干涉條紋仍然存在．C、任何顏色的干涉條紋都不存在。D、屏上無任何亮光．2.在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，雙縫到光屏上P點(diǎn)的距離之差△s=μm；若分別用頻率為f1=×1014Hz和頻率為f2=×1014Hz的單色光垂直照射雙縫隙，則P點(diǎn)出現(xiàn)條紋的情況是以下哪種()A.用頻率f1的單色光照射時(shí)，P點(diǎn)出現(xiàn)明條紋B.用頻率f2的單色光照射時(shí)，P點(diǎn)出現(xiàn)明條紋C.用頻率f1的單色光照射時(shí)，P點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋D.用頻率f2的單色光照射時(shí)，P點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋3、用白光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，得到彩色的干涉