高中物理《光的干涉》教學(xué)設(shè)計.doc

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高中物理《光的干涉》教學(xué)設(shè)計 大衢中學(xué)孫炳海 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判斷方法。要把光波的干涉和機(jī)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。 教材將《光的干涉》安排在學(xué)生可感知的光折射現(xiàn)象研究（第1 節(jié)）之后，意在建立有層次的光本性認(rèn)知平臺．在光折射現(xiàn)象研究中得到折射定律后，教材及時引導(dǎo)學(xué)生作深層思考：從實(shí)驗(yàn)中得出的折射定律與從惠更斯原理得出的結(jié)論形式一致，是否可以推測光可能是一種波？“光線”是否應(yīng)該是光波的波線？為將對光的認(rèn)知同化至波的圖式中去作了自然的鋪墊，這樣的編排與高中學(xué)生的認(rèn)知水平相適應(yīng)的，也順乎人類對光本性認(rèn)識的進(jìn)程。 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(shí)驗(yàn)觀察分析，認(rèn)識干涉條紋的特征，獲得探究活動的體驗(yàn)。 ▲嘗試運(yùn)用波動理論解釋光的干涉現(xiàn)象。 ▲體驗(yàn)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(jī)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(yàn)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(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)：用波動理論解釋明暗相間的干涉條紋。 四、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、多媒體動畫等。 五、教學(xué)過程 在光的折射一課中，從實(shí)驗(yàn)中得出的折射定律與從惠更斯原理得出的結(jié)論形式一致，是否可以推測光可能是一種波？ 學(xué)生思考與交流后得到：如果光是一種波，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，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(shí)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(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)振動加強(qiáng)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(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)是振動加強(qiáng)的點(diǎn)，點(diǎn)是振動減弱的點(diǎn)，對于點(diǎn)可能會出現(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 （教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析）既然S1S2到點(diǎn)的路程差為零，根據(jù)波動理論，兩波源在點(diǎn)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(diǎn)處的疊加，激起點(diǎn)的振動的振幅（教師強(qiáng)調(diào)是振幅最大，而非位移最大，即使是振動加強(qiáng)的點(diǎn)，也有位移為零的時候）仍為最大，故點(diǎn)還是振動加強(qiáng)的地方。 （屏幕展示“水波干涉”的視頻，通過已有知識的遷移讓學(xué)生走進(jìn)光的雙縫干涉） 讓學(xué)生觀察并描述穩(wěn)定水波干涉現(xiàn)象的特征：即出現(xiàn)振動總是加強(qiáng)和振動總是減弱的區(qū)域，且加強(qiáng)區(qū)和減弱區(qū)互相間隔的現(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)定干涉圖樣需要兩波源的振動情況完全相同． 一、波的特征現(xiàn)象之一 ——干涉 現(xiàn)象——振動加強(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(jī)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？ 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3：如何通過實(shí)驗(yàn)控制而獲得光的干涉現(xiàn)象？ 學(xué)生交流后教師歸納：實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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?yàn)樗O(shè)計的巧妙，雙縫干涉實(shí)驗(yàn)被評為十大美麗物理實(shí)驗(yàn)之一（排第五名，多媒體投影如右圖）。 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：①在加雙縫前，請一學(xué)生來觀察雙縫，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：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。 教師設(shè)問：為什么會出現(xiàn)這樣的圖樣？怎樣用波動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，用波動理論來分析屏上明暗條紋的分布情況： ⑴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，他們在P0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的距離大一個波長。所以當(dāng)S1的波峰(或波谷)到達(dá)P1點(diǎn)時，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，他們在P1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的距離大半個波長。所以當(dāng)S1的波峰(或波谷)到達(dá)Q1點(diǎn)時，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，他們在Q1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(qiáng)的位置每一時刻都是加強(qiáng)的，而減弱的位置每一時刻都是減弱的。) 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加強(qiáng)點(diǎn)，實(shí)際上應(yīng)該是振動最強(qiáng)的點(diǎn)，該點(diǎn)振幅最大(等于兩列波的振幅之和)，而振動減弱的點(diǎn)實(shí)際上是振動最弱的點(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。) 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(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(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。 五、作業(yè)設(shè)計 1．認(rèn)真閱讀課本，預(yù)習(xí)第3節(jié)：用雙縫干涉測量光的波長。 S1 S2 OＯOＯ EＯOＯ MＯOＯ 圖2 2．例舉生活中見過的光的干涉現(xiàn)象。 3．探討： 以下是兩個關(guān)于光的干涉的實(shí)驗(yàn)，試分析在這些實(shí)驗(yàn)設(shè)計中，是如何獲得相干光源的，并作圖求出干涉區(qū)域： 洛埃鏡實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)示意如圖2所示，S1為狹縫光源，其一部分光直射到光屏，另一部分幾乎與鏡面平行地射向鏡面，然后反射光到達(dá)屏上。 S M1 M2 C 圖3 菲涅耳雙面鏡實(shí)驗(yàn) 菲涅爾雙鏡是兩個交角很小的平面鏡，如圖3所示，從狹縫S發(fā)出的光，經(jīng)平面鏡M1和M2發(fā)生反射。