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高二物理教案西北师大附中白景曦1第二十章光的波动性光具有波粒二象性。光电效应现象说明波有粒子性;光的干涉、衍射和偏振现象说明光具有波动性,光波是横波。麦克斯韦电磁场理论说明光是一种电磁波,赫兹用实验证实了光确实是一种电磁波。激光是一种人造光源,具有很多特性,在科学研究和工农业生产中有广泛的应用。第五节光的干涉白景曦(西北师范大学第一附属中学甘肃兰州730070)摘要光的干涉属于近代物理知识,本节的一些观点和方法是学生进一步探究光的本性的基础,是本章的重点内容之一.在学生已有的机械波的叠加和干涉的知识基础上分析了光波的干涉图象的形成过程.在此基础上,探索了薄膜干涉现象以及应用,理论联系实际,注重学生探究能力的培养,提高了学生分析应用物理知识的能力.教材考虑到学生的知识基础和接受水平,教材提出相干光的概念,介绍但没有推导相邻两条亮纹(或暗纹)的间距公式,降低了教材难度,教学中应结合学生的水平灵活把握,有条件的可适当引伸拓展.关键词:双缝干涉形成亮暗条纹的原因影响条纹间距的关系●教学目标一、知识目标1.通过实验观察,让学生认识光的衍射现象,知道发生明显的光的衍射现象的条件,从而对光的波动性有进一步的认识.2.通常学习知道“几何光学”中所说的光沿直线传播是一种近似规律.高二物理教案西北师大附中白景曦2二、能力目标1.通过讨论和对单缝衍射装置的观察,理解衍射条件的设计思想.2.在认真观察课堂演示实验和课外自己动手观察衍射现象的基础上,培养学生比较推理能力和抽象思维能力.三、德育目标通过“泊松亮斑”等科学小故事的学习,培养学生坚定的自信心、踏实勤奋的工作态度和科学研究品德.●教学重点单缝衍射实验和圆孔衍射实验的观察以及产生明显衍射现象的条件.●教学难点衍射条纹成因的初步说明.●教学方法1.通过机械波衍射现象类比推理,提出光的衍射实验观察设想.2.通过观察分析实验,归纳出产生明显衍射现象的条件以及衍射是光的波动性的表现.3.通过对比认识衍射条纹的特点及变化,加深对衍射图象的了解.●教学用具JGQ型氦氖激光器25台,衍射单缝(可调缝宽度),光屏、光栅衍射小圆孔板,两支铅笔(学生自备),日光灯(教室内一般都有),直径5mm的自行车轴承用小钢珠,被磁化的钢针(吸小钢珠用),投影仪(本节课在光学实验室进行).●课时安排:1课时引言高二物理教案西北师大附中白景曦31.实验:双缝干涉(1)装置:双缝、激光器、光屏(2)现象:屏上形成亮暗相间的条纹;条纹之间的距离相等,亮度相同(实际上由于衍射而不同)。这就是光的干涉现象,今天我们来学习第一节:光的干涉。第1课时:双缝干涉新课教学:一、双缝干涉1.什么是双缝干涉:平行的单色光照射到相距很近的双狭缝上,在狭缝后的光屏上出现亮暗相间条纹的现象叫做双缝干涉现象。问题:在什么样的条件下才能在屏幕上形成亮暗相间的条纹呢?根据波的叠加原理,可知:在同一种介质中传播的两列波,当两个波源的频率相同,振动状态完全相同或有恒定的相位差时,就会出现干涉现象。2.形成光波干涉的条件(1)两个光源的频率相同;(2)两个光源的振动状态完全相同或有恒定的相位差。如图所示的双缝干涉装置中,满足上述条件吗?为什么?分析:一束激光被分成两束相当于两个波源,激光束的颜色没有发生变化,说明两高二物理教案西北师大附中白景曦4个波源的频率一定相同;两条狭缝距离光源的距离相等,所以两个狭缝处波的振动状态相同。由此可见,通过双缝形成的两个波源就是相干光源。问题:为什么在光屏上会形成亮暗相间的条纹呢?如图,根据机械波的干涉理论可知,亮条纹出现的位置一定是波峰与波峰,或者波谷与波谷相遇的位置。我们可以肯定的说,P点就是亮条纹出现的位置,图中P点距S1、S2距离相等,路程差:Δr=S1P-S2P=0应出现亮纹,中央亮条纹。不管波处于哪种初态,P点的振动总是波峰与波峰相遇或波谷与波谷相遇,振幅A总为A1、A2之和,即P点总是振动加强点,应出现亮纹。如果P1点也出现亮条纹,那么P1点距S1、S2距离应满足什么条件呢?Δr1=|S1P1-S2P1|=λ=2×2Δr2=|S1P2-S2P2|=2λΔr3=|S1P3-S2P3|=3λΔrn=|S1Pn-S2Pn|=nλ它们对应产生第2、3、4…条明条纹,还有明条纹的地方吗?在P点下方,与P1、P2等关于P对称的点也应是明条纹。(1)形成亮条纹的条件:Δr=2n·2n=0,1,2…时,出现亮条纹。暗条纹出现的位置:根据波的叠加原理:在Q1点是波峰与波谷相遇,振动步调刚好相反。Q1点位置与两波源路程差:高二物理教案西北师大附中白景曦5Δr=|S1Q1-S2Q1|=2Δr=|S1Q2-S2Q2|=23λ,25λ…处,在P1P2、P2P3、…等明纹之间有第2条暗纹Q2、第3条暗纹Q3…,哪位同学能用上面的方法写个通式,归纳一下。(2)形成暗条纹的条件:Δr=(2n+1)2,n=0、1、2…时,出现暗纹。问题:条纹之间的距离与哪些因素有关呢?3.条纹间距与哪些因素有关(1)实验:改变两缝间距、改变缝屏之间的距离、改变光波的波长现象:两缝间距变小,条纹间距变大;缝屏间距变大,条纹间距变大;光波波长变大,条纹间距变大。结论:干涉条纹之间的距离与两缝之间的距离、缝屏之间的距离、光波的波长有关系。有什么样的定量关系呢?下面我们就来定量研究这个问题。(2)条纹间距x与波长、双缝间距d、缝屏之距l之间的定量关系推导:设两缝S1、S2间距离为d,它们所在平面到屏面的距离为l,且ld,O是高二物理教案西北师大附中白景曦6S1S2的中垂线与屏的交点,O到S1、S2距离相等。由图可知:S1P=r1,r12=l2+(x-2d)2r22=l2+(x+2d)2r22-r12=(r2-r1)(r2+r1)=2dx由于ld,且lx,所以r1+r2≈2l,这样就好办了,r2-r1=Δr=ldxΔr=2n·2n=0、1、2…时,出现亮纹,即ld·x=2n·2时出现亮纹,或写成x=dln第n条和第(n-1)条亮纹间距离Δx为多少呢?Δx=xn-xn-1=[n-(n-1)]dl,也就是Δx=dl·λ根据前面的实验结果及推导大家能判断红光和紫光哪一个波长长吗?提出问题:大家能猜一猜用白光干涉会出现什么现象吗?4.白光双缝干涉现象:彩色条纹;中央为白条纹;中央条纹两侧彩色条纹对称排列;每条彩纹中红光总在外边缘,紫光在内缘。现象解释:不同色光波长不同,条纹宽度不同,红光条纹最宽;紫光条纹最窄,所以出现上面现象。大家还记得机械波波长、波速、频率三者之间的关系吗?v=λf,光波也有这样的关系,不过各种色光在真空中的波速是相同的,我们用c表示,那么有:c=λf,请大家比高二物理教案西北师大附中白景曦7较一下七种色光的频率关系。红光频率最小,紫光频率最大。第2课时:薄膜干涉复习提问:1.形成干涉亮条纹和暗条纹的条件是什么?2.干涉条纹之间的距离与哪些因素有关?有什么关系?引入:实验:把圆环竖直地插入肥皂溶液中,慢慢向上提起形成薄膜,竖直放好,注意观察在肥皂膜表面出现的现象。现象:观察到肥皂膜上呈现明暗相间的干涉条纹。提出问题:为什么会出现这种现象呢?本节课我们就来学习一种新的干涉现象——薄膜干涉。二、薄膜干涉原因分析:1.肥皂膜的形状思考:能反射光的表面有几个?这些面反射回来的光有没有光程差?在什么条件下,肥皂膜的表面会形成亮条纹?在什么条件下,在肥皂膜的表面会形成暗条纹呢?高二物理教案西北师大附中白景曦82.形成薄膜干涉条纹的原因(1)当肥皂膜的厚度,正好等于波长的整数倍时,经肥皂膜前后两个表面反射的两列光波叠加后,在肥皂膜的表面形成亮条纹。dn,1,2,3n…(2)当肥皂膜的厚度,正好等于半波长的奇数倍时,经肥皂膜前后两个表面反射的两列光波叠加后,在肥皂膜的表面形成暗条纹。(21)2dn,1,2,3n…提出问题:什么薄膜干涉?3.什么是薄膜干涉同一列光波照射到薄膜上,经薄膜前、后或(上、下,或内外)两个表面反射的两列光波在薄膜表面发生叠加,形成亮暗相间条纹的干涉现象,叫做薄膜干涉。转折:日常生活中,大家观察到过薄膜干涉现象吗?水面上的油膜面呈现出彩色条纹就是薄膜干涉现象。为什么呢?油膜上下两个表面反射光,形成两列光波,两列光波在油膜的表面发生叠加形成明暗相间的条纹。观察:牛顿环,发现亮暗相间的彩色圆环,这是薄膜干涉现象吗?试分析原因。提出问题:照相机、摄像机的镜头大多是淡紫色的,为什么?4.薄膜干涉的应用(1)增透膜:增透膜的厚度等于入射光波波长的14,经膜的前后两面反射的光叠加后相互抵消,增强了透光性。我们还可以利用薄膜干涉检查精密零件表面是否平整。(2)检查精密零件的表面是否平整高二物理教案西北师大附中白景曦9小结通过本节课的学习,我们掌握了以下知识:双缝干涉实验现象:明暗相间的彩色条纹条纹特征:清晰、等间距、明暗相间亮条纹与暗条纹出现的条件:Δr=2n·2n=0、1、2、3…明纹;Δr=(2n+1)2n=0、1、2、3…暗纹条纹间距与波长的关系:Δx=dlλ结论:光具有波动性,c=λf实验:薄膜干涉应用:检查平面平整程度本节优化训练设计:1.在做杨氏双缝干涉实验时,把其中一缝挡住,则()A.干涉条纹与原来一样,只是亮度减半B.在屏上出现一条与缝一样宽的亮条纹高二物理教案西北师大附中白景曦10C.屏上模糊一片D.出现和原来不一样的明暗相间条纹,但不是干涉条纹2.在做双缝干涉实验时,用普通的白光做光源,若在双缝处把一缝用红色玻璃挡住,另一缝用绿色玻璃挡住,则屏上会出现()A.红色干涉条纹B.绿色干涉条纹C.红绿相间的干涉条纹D.无干涉条纹,但有亮光3.图20—14是用干涉法检查某块厚玻璃板的上表面是否平整的装置,检查中所观察到的干涉条纹是由下列哪两个表面的反射光叠加而成的()A.a的上表面,b的下表面B.a的上表面,b的上表面C.a的下表面,b的上表面D.a的下表面,b的下表面4.在杨氏双缝干涉实验中,保持双缝到屏的距离不变,调节双缝间距离,当距离增大时,干涉条纹距离将变________,当距离减小时,干涉条纹间距将变________。5.用单色光做双缝干涉实验时,测得双缝间距离为0.4mm,双缝到屏的距离为1m,干涉条纹间距为1.5mm,求所用光波的波长。6.用波长为4000埃的光做双缝干涉实验,A点到狭缝S1、S2的路程差为1.8×10-6m,则A点是出现明条纹还是暗条纹?7.光纤通信是70年代以后发展起来的新兴技术,世界上许多国家都在积极研究和发展这种技术.发射导弹时,可在导弹后面连一根细如蛛丝的光纤,就像放风筝一样,这种纤细的光纤在导弹和发射装置之间,起着双向传输信号的作用,光纤制导的下行光信号是镓铝砷激光器发出的在纤芯中波长为0.85μm的单色光.而上行光信号是铟镓砷磷发光二极管发射的在纤芯中波长为1.06μm的单色光,这样操纵系统通过这根光纤向导弹发出控制指令,导弹就如同长“眼睛”一样盯住目标.根据以上信息,回答下列问题:(1)在光纤制导中,上行光信号在真空中波长是多少?高二物理教案西北师大附中白景曦11(2)为什么上行光信号和下行光信号要采用两种不同频率的光?(已知光纤纤芯的折射率为1.47)参考答案:1.D2.D3.C4.小,大5.6×10-8m6.暗条纹7.(1)157μm,(2)如果上行光信号和下行光信号频率相同,会发生干涉现象。相互间产生干扰。布置作业:课本P26:1,2,3参考文献:[1]人民教育出版社物理室编著.物理第二册教师教学用书.北京:人民教育出版社,2003.[2]人民教育出版社物理室编著.物理第二册(必修加选修).北京:人民教育出版社,2006.[3]人民教育出版社.延边教育出版社编著.物理第二册(必修加选修)教案.吉林:延边教育出版社,2008.[4]马兰刚著.物理第二册(必修加选修)教案.甘肃:未来教育出版社,待版.[5]杜鸿宝著.高二物理教案.甘肃:未来教育出版社,(等待出版).
本文标题:5第5节光的干涉
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