《光的干涉》參考教案

PAGE1/10第1節(jié)光的干涉【教學目標】（一）知識與技能1、知道光的干涉現(xiàn)象及由此說明光是一種波。知道楊氏雙縫干涉實驗設計的巧妙之處。2、理解何處出現(xiàn)亮條紋，何處出現(xiàn)暗條紋，知道其它條件相同時，不同色光產(chǎn)生干涉條紋間距與波長的關系。（二）過程與方法通過觀察、實驗、并能將觀察到的現(xiàn)象跟以前學過的機械波的干涉進行類比，進行自主學習，培養(yǎng)學生觀察、表達、分析及概括能力。情感態(tài)度與價值觀通過光干涉圖樣的觀察，再次提高學生在學習中體會物理知識之美；另外通過滲透科學家認識事物的科學態(tài)度和巧妙思維方法，滲透辯證唯物主義觀點?！窘虒W重點與難點】重點是光的干涉現(xiàn)象、理解干涉條紋的成因，光的雙縫干涉條紋間距的大小的決定式及其物理意義；難點是光的干涉現(xiàn)象的成因及如何引導學生尋找獲得相干光源的其他方法?！窘虒W過程】（一）引入1、什么是波的干涉？產(chǎn)生干涉的一個必要的條件是什么？2、干涉現(xiàn)象是波特有的現(xiàn)象。光具有波動性嗎？你如何用實驗去驗證？生：若光是一種波，就必然會觀察到光的干涉現(xiàn)象，觀察光的干涉現(xiàn)象可以用屏幕，在屏幕上會得到明暗相間的條紋。因此精心設置實驗，尋找光的干涉現(xiàn)象。演示兩個通有同頻率交流電單絲燈泡(或蠟燭)作為兩個光源，移動屏與它們之間的距離，屏幕上看不到明暗相間的現(xiàn)象。設疑：為什么不能觀察到干涉圖樣？是光沒有波動性，還是沒有滿足相干的條件？引導學生討論得到：兩個獨立熱光源的光波相遇得不到干涉現(xiàn)象，是實驗設計有錯誤，沒有滿足相干條件。在物理學史上曾很長一段時間內(nèi)人們一直認為光不是波，所以沒有波動性，也不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。直到19世紀，英國物理學家托馬斯·揚改進實驗設計，在歷史上第一次得到了相干光源。（二）新課教學一、光的干涉及其應用介紹英國物理學家托馬斯·揚．如何認識光，如何獲得相干光源——展示揚氏實驗掛圖鼓勵學生在認識事物或遇到問題時，學習揚氏的科學態(tài)度，巧妙的思維方法．1、介紹實驗裝置——雙縫干涉儀．說明雙縫很近0.1mm，強調(diào)雙縫S1、S2與單縫S的距離相等。提問：為什么這樣設計？（通過這個問題，讓學生知道如何能獲得相干光源）兩單縫S1、S2處光的振動不僅頻率相同，而且振動情況（相位）總是完全相同．（實驗演示）先用加濾色片后單色光紅光進行演示，然后改用激光源做雙縫干涉實驗，可直接照射雙縫，亮度大可得到更為清晰的明暗相同的圖樣．展示雙縫干涉圖樣，讓學生注意觀察圖樣，回答圖樣的特點：2、光的雙縫干涉圖樣(1)明暗相間的條紋．(2)相鄰亮紋（或暗紋）間距都相等。(3)兩縫S1、S2中垂線與屏幕相交位置是亮條紋——中央亮紋．提出問題：為什么會出現(xiàn)這樣的圖樣？怎樣用波動理論進行解釋．3．運用波動理論進行分析．展示雙縫干涉示意圖樣的彩色掛圖．分析：①說明示意圖是兩列波某一時刻峰谷位置分布圖．②說明兩列波同頻率、振動情況總是相同。在兩列波峰峰、谷谷相遇位置均是加強點；而峰谷相遇位置均是削弱點．小結(jié)：通過以上分析振動加強與削弱點的分布是相互間隔的而且是穩(wěn)定的．結(jié)合干涉掛圖反映在屏幕上：同相加強光能量較強——亮；反相減弱光能量較弱——暗．得到亮暗間隔的干涉圖樣．在雙縫干涉實驗中，被光照射的兩條狹縫S1和S2相當于兩個相干的波源(圖19－8)，兩列相干的光波在狹縫右邊的空間疊加．S1和S2到屏上P點的距離相同，所以兩列波在這點同時出現(xiàn)波峰或波谷，P點的光波得到加強，在這里出現(xiàn)一個亮條紋．在P點上方，例如P1，它距S2比距S1遠一些，兩列波的波峰或波谷不再同時到達P1．如果路程差d正好是半個波長，也就是說，時間差正好是半個周期，那么當一列波的波峰到達P1時，另一列波正好在這里出現(xiàn)波谷，兩列波疊加的結(jié)果是互相削弱，于是在這里出現(xiàn)暗條紋．對于更遠一些的點，例如P2，來自兩個狹縫的光波的路程差d更大．如果路程差正好等于波長λ，那么兩列光波的波峰或波谷又是同時到達這點，它們又在這里互相加強，這里再次出現(xiàn)亮條紋．小結(jié)：(1)每當路程差等于λ/2、3λ/2、5λ/2……時，兩列光波就得到削弱，屏幕上出現(xiàn)暗條紋．(2)每當路程差等于0、λ、2λ、3λ……時，兩列光波就得到加強，屏幕上出現(xiàn)亮條紋．思考與討論：在不改變雙縫到屏的距離L的情況下，改變?nèi)肷涔饣蚋淖冸p縫距離d，得到的光的干涉圖樣如圖，試猜想，條紋間距會哪些因素有關？學生猜想。4、干涉條紋間距與哪些因素有關．理論推導：由于兩縫間距d遠小于縫到屏的距離L，所以能夠認為三角形S1S2M是直角三角形。根據(jù)三角函數(shù)關系，有r2-r1=dsinθ另一方面θ很小，tanθ=sinθx=Ltanθ=Lsinθ消去sinθ，有r2-r1=d根據(jù)前面所學的知識，當兩列波的路程差為波長的整數(shù)倍，即d＝kλ（k=0、1、2……）時，才會出現(xiàn)亮條紋，也就是說，亮條紋中心位置為x=kλ亮條紋間距△x=λ師：因此在入射光不變（即λ不變），L不變時，d越小，亮紋間距越大。強調(diào)，由亮條紋間距△x=λ公式也可測定入射光的波長。二、科學探究測定光的波長實驗原理：利用雙縫干涉實驗，測量L、d、Δx，應用公式△x=λ可測單色光的波長．實驗器材：雙縫干涉儀、米尺、測量頭。實驗步驟：（1）如圖所示，把直徑約10cm、長約1m的遮光筒水平放在光具座上，微的一端裝有雙縫，另一端裝有毛玻璃屏；（2）取下雙縫，打開光源，調(diào)節(jié)光源的高度，使它發(fā)出的束光能夠沿著遮光筒的軸線把屏照亮；（3）放好單縫和雙縫，單縫和雙縫間距離約為5cm～10cm，使縫相互平行，中心大致僅次于遮光筒的軸線上，這時在屏上就會看到白光的雙縫干涉圖樣；（4）在單縫和光源間放上濾光片，觀察單色光的雙縫干涉圖樣；（5）分別改變?yōu)V光片和雙縫，觀察干涉圖樣的變化；（6）已知雙縫間的距離d，測出雙縫到屏的距離L，用測量頭測出相鄰兩條亮（暗）紋間的距離△x，由計算單色光的波長。為了減小誤差，可測出n條亮（暗）間的距離A，則；（7）換用不同顏色的濾光片，觀察干涉條紋間距的變化，并求出相應色光的波長。注意事項：（1）單縫雙縫應相互平行，其中心應位于遮光筒的軸線上，雙縫到屏的距離應相等；（2）測雙縫到屏的距離L可用米尺測多次，取平均值；（3）測條紋間距△x時，用測量頭則出n條亮（暗）間的距離A，求出相鄰的兩條明（暗）紋間的距離。例題1、在“用雙縫干涉測光的波長”的實驗中，測量頭如圖所示，調(diào)節(jié)分劃板的位置，使分劃板中心刻線對齊某亮條紋的中心，此時螺旋測微器的讀數(shù)為1.130mm。轉(zhuǎn)動手輪，使分劃線向一側(cè)移動，到另一條亮條紋的中心位置，由螺旋測微器再讀出一讀數(shù)，若實驗測得4條亮條紋中心間的距離△x=0.960mm，已知雙縫間距d=1.5mm，雙縫到屏的距離L=1.00m，則對應的光波波長為=480mm。例題2、在利用雙縫干涉測定光波波長實驗時，首先調(diào)節(jié)光源、濾光片、單縫和雙縫的中心均位于遮光筒的中心軸線上，若經(jīng)粗調(diào)后透過測量頭上的目鏡觀察，看不到明暗相同的條紋，只看到一片亮區(qū)，造成這種情況的最可能的原因是單縫和雙縫不平行。用直尺量得雙縫到屏的距離為80.00cm，由雙縫上的標識獲知雙縫間距為0.200mm，光波波長為6.00×10--7m。若調(diào)至屏上出現(xiàn)了干涉圖樣后，用測量頭上的螺旋測微器去測量，轉(zhuǎn)動手輪，移動分劃板使分劃板中心刻線與某條明紋中心對齊時，如圖所示，此時螺旋測微器的讀數(shù)為0.900mm，此明條紋的序號定為1，其右側(cè)的明紋序號依次為第2、第3……條明紋，從第1條明紋中心至第第6條明紋中心的距離為12mm。三、薄膜干涉及其應用光的干涉在技術有重要的應用。例如，在磨制各種鏡面或其他精密部件時，對加工的表面的形狀可用干涉法檢查。如果被檢查的表面是一個平面，可以在它的上面放一個透明的標準樣板，并在一端墊一個薄片，使樣板的標準平面和被檢查的平面間形成一個楔形的空所薄層，用單色光照射，入射光在空氣層的上、下表面反射出兩列光波，于是從反射光中就會看到干涉條紋，根據(jù)干涉條紋就可以判斷表面的情況?，F(xiàn)代光學裝置，如攝影機和電影放映機的鏡頭等，都是由許多光學元件組成的。進入這些裝置的光，在每個元件的表面都要受到反射，結(jié)果只有入射光的10——20%通過裝置，所成的像既暗又不清晰。怎樣消除表面反射造成的后果呢？可以在透鏡的表面涂一層薄膜（一般用氟化鎂）。當薄膜的厚度是入射光在薄膜中波長的1/4時，在薄膜的兩個面上反射的光，路程差恰好等于半個波長，因而互相抵消。這就大大減少了光的反射損失，增強了透射光的強度。這種薄膜叫增透膜。入射光一般都是白光，增透膜不可能使所有波長的反向波都互相抵消，因此，在確定膜厚度時，應使光譜中間部分的綠色光，即人的視覺最敏感的光，在垂直入射時完全抵消。這時，光譜邊緣部分的紅光和紫光并沒有顯著削弱，所以有增透膜的光學鏡頭呈淡紫色。【強化訓練】1、兩只相同的燈泡發(fā)出的光束相遇()發(fā)生干涉現(xiàn)象？（填“能”或“不能”）分析與解答：只有兩列相干光相遇，才會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象一般光源發(fā)出的光．是大量原子躍遷時產(chǎn)生的，由不連續(xù)的波列組成，即使頻率相同，各波列振動的情況也是無規(guī)則地變化的，因此兩個獨立光源發(fā)出的光不是相干光，不會發(fā)生干涉現(xiàn)象2、在雙縫干涉實驗中，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用只能透過紅光），另一縫前放一綠色濾光片（只能透過綠光），這時（）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，但屏上仍有亮光；D、屏上無任何亮光．分析解答：在雙縫干涉實驗中，白光通過單縫成為線光源，從單縫時出的光通過雙縫分成兩束光，它們在光屏上形成彩色的干涉條紋，現(xiàn)在兩個縫前分別放上紅色和綠色濾光片，紅光和綠光的頻率不同，不是相干光，所以屏上沒有干涉條紋，只有亮光，選擇項C正確3、用白光（復色光源）做揚氏雙縫干涉實驗，將會在屏上觀察什么現(xiàn)象？（雙縫S1、S2連線的中垂線與屏相交的中央位置是白色亮紋，而兩側(cè)是彩色條紋，然后展示掛圖以便讓學生對圖樣有深刻印象．思考討論：為什么會是這樣的干涉圖樣？）(由于白光內(nèi)各種單色光的干涉條紋間距不同，各種色光的干涉條紋在屏上疊加，屏上就會出現(xiàn)彩色條紋)．4、利用雙縫干涉測定光的波長實驗中，取雙縫間距d=0.5mm,雙縫光屏間距離L=0.5m,用某種單色光照射雙縫得到干涉圖象如圖，分劃板在圖中A、B位置時游標卡尺讀數(shù)如圖，則單色光的波長為。(6.43×10－7m)5、如果把楊氏雙縫干涉實驗，從空氣中移動到某種透明的液體中做實驗，則條紋的間距（

）A、增大

B、減小

C、不變

D、缺少條件，無法判斷6、用紅光做雙縫干涉實驗，在屏幕上觀察到干涉條紋，在其它條件不變的情況下，改用紫光做實驗，則干涉條紋間距將變

，如果改用白光做實驗，在屏幕上將出現(xiàn)

色條紋．7.某同學按實驗裝置安裝好儀器后，觀察光的干涉現(xiàn)象獲得成功.若他在此基礎上對儀器的安裝做如下改動，仍能使實驗成功的是（）ACA.將遮光筒內(nèi)的光屏，向靠近雙縫的方向移動少許，其他不動B.將濾光片移至單縫和雙