2024-2025學年高中物理第十三章光3光的干涉教案新人教版選修3-4

PAGE1-光的干涉一、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推斷方法。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，應用學生已有的波的疊加的學問，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》支配在學生可感知的光折射現(xiàn)象探討（第1節(jié)）之后，意在建立有層次的光本性認知平臺．在光折射現(xiàn)象探討中得到折射定律后，教材剛好引導學生作深層思索：從試驗中得出的折射定律與從惠更斯原理得出的結(jié)論形式一樣，是否可以推想光可能是一種波？“光線”是否應當是光波的波線？為將對光的認知同化至波的圖式中去作了自然的鋪墊，這樣的編排與中學學生的認知水平相適應的，也順乎人類對光本性相識的進程。二、教學目標1．學問與技能

◆會視察與描述光的雙縫干涉現(xiàn)象，相識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?！糁喇a(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象的條件。2．過程與方法

▲通過對試驗視察分析，相識干涉條紋的特征，獲得探究活動的體驗?！鴩L試運用波動理論說明光的干涉現(xiàn)象。▲體驗視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?！ㄟ^機械波的干涉向光的干涉遷移，經(jīng)驗學問同化、抽象建模的物理思維過程。3．情感看法與價值觀

●體驗探究自然規(guī)律的艱辛與喜悅。●觀賞光現(xiàn)象的奇異和諧。●了解光干涉現(xiàn)象的發(fā)覺對推動光學發(fā)展的意義。三、重點難點重點：1．視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推斷方法。難點：用波動理論說明明暗相間的干涉條紋。四、教具打算：⑴試驗裝置：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·楊雙縫干涉試驗原理示意圖，PPT課件、多媒體動畫等。五、教學過程在光的折射一課中，從試驗中得出的折射定律與從惠更斯原理得出的結(jié)論形式一樣，是否可以推想光可能是一種波？學生思索與溝通后得到：假如光是一種波，則要有波的特征現(xiàn)象作試驗支持．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)象來推斷光是不是一種波。復習提問：（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是振動狀況總是相同的波源，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)？

（一般狀況下，學生能順當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。老師可做如下引導）設問：點位于什么位置呢？學生答：略（老師進一步引導學生分析）既然S1S2到點的路程差為零，依據(jù)波動理論，兩波源在點處激起的振動總是一樣的，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（老師強調(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。（屏幕展示“水波干涉”的視頻，通過已有學問的遷移讓學生走進光的雙縫干涉）讓學生視察并描述穩(wěn)定水波干涉現(xiàn)象的特征：即出現(xiàn)振動總是加強和振動總是減弱的區(qū)域，且加強區(qū)和減弱區(qū)相互間隔的現(xiàn)象；指出干涉現(xiàn)象是兩列波在空間相遇疊加的結(jié)果；強調(diào)要得到穩(wěn)定干涉圖樣須要兩波源的振動狀況完全相同．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）設問1：預期的光（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）設問2：日常生活中為什么不易看到光的干涉現(xiàn)象？學生溝通后老師總結(jié)：要產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象必須要有兩個振動狀況完全相同的光源，包括頻率相同、振動方向相同、相位差恒定。而一般光源發(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)則改變的，這是由原子發(fā)光的特點確定的。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。設問3：如何通過試驗限制而獲得光的干涉現(xiàn)象？學生溝通后老師歸納：試驗限制的關(guān)鍵在獲得振動狀況完全相同的光源，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，應可得到預期的現(xiàn)象。1801年英國的托馬斯·楊想出了一個奇妙的方法，把一個點光源發(fā)出的一束光分成兩束，從而找到了“兩個振動狀況總是相同的波源”，得償所愿的視察到了光的干涉現(xiàn)象。因為他設計的奇妙，雙縫干涉試驗被評為十大漂亮物理試驗之一（排第五名，多媒體投影如右圖）。二、雙縫干涉試驗1．演示試驗、視察現(xiàn)象（屏幕顯示托馬斯·楊雙縫干涉試驗原理示意圖，如圖1所示，介紹楊氏試驗）老師強調(diào)以下兩點：單縫的作用是獲得單一頻率的光源；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狀況完全相同．說明楊氏最初的試驗所用的不是狹縫，而是小孔，后來，他發(fā)覺改用狹縫后干涉圖樣更加光明，于是后人把他的試驗叫做雙縫干涉試驗。楊氏試驗勝利獲得亮暗相間的干涉圖樣，證明光的確是一種波。（老師采納激光作為光源演示雙縫干涉試驗）老師操作：⑴打開激光器，干脆把激光打到后背的墻（光屏）上（易視察）．要求學生說出視察到的現(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，讓學生再視察試驗現(xiàn)象，并引導學生描述視察到的現(xiàn)象。學生活動：①在加雙縫前，請一學生來視察雙縫，因為雙縫間距太小，大約0.1mm左右，一般很難看出是雙縫，可以讓其他同學幫助想方法，如將雙縫屏迎著光去看便可看出。②細致視察試驗現(xiàn)象，并描述加雙縫前、后在光屏上視察到的現(xiàn)象：光到達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；還可以請剛才視察雙縫的學生說出，明暗相間的條紋走向與雙縫的方向平行。老師設問：請同學們依據(jù)剛才的視察，歸納雙縫干涉圖樣的特征。學生探討后回答：⑴亮暗相間的條紋；⑵條紋間距相等；⑶光到達的范圍比“直線傳播”的大。老師設問：為什么會出現(xiàn)這樣的圖樣？怎樣用波動理論說明光的干涉現(xiàn)象。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狀況：⑴中心明條紋(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P0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P0點相互加強，因此這里出現(xiàn)明條紋。⑵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S1的波峰(或波谷)到達P1點時，S2的波峰(或波谷)也到達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。⑶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S1的波峰(或波谷)到達Q1點時，S2的波谷(或波峰)也到達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。老師設問：同學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？學生思索探討后得出結(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式：亮紋：光程差暗紋：光程差為了鞏固理解干涉的穩(wěn)定性，老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，由動畫可以清楚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。)老師設問：在上面的分析中，屏上位于P(中心明紋位置)和Q1(第一暗紋位置)之間的某一點是明紋還是暗紋呢？學生茫然……老師指出：其實，我們剛才探討的所謂振動加強點，事實上應當是振動最強的點，該點振幅最大(等于兩列波的振幅之和)，而振動減弱的點事實上是振動最弱的點，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漸漸過渡過去的。(這是學生理解上的難點，此時老師再用多媒體投影干涉圖樣，讓學生細致視察，加深體會。)思索題：試著推導出明條紋(暗條紋)中心位置的表達式。(為下一節(jié)的試驗打下基礎)本題在老師的指導下師生共同完成。四、相干光源假如兩個光源發(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，勝利做出了光的干涉試驗．光的干涉現(xiàn)象是微粒說無法說明的，使人們相識到光具有波動性。2．兩個相干光源發(fā)出的光在屏上某處疊加時，假如同相光就加強，假如反相光就減弱，于是產(chǎn)生亮暗條紋，其特征是在中心亮紋兩側(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狀況。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，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，到達該處的能量比較集中。五、作業(yè)設計1．細致閱讀課本，預習第3節(jié)：用雙縫干涉測量光的波長。S1S2