高中物理《光的干涉》教学设计

高中物理《光的干涉》教学设计大衢中学孙炳海一、教材分析本节主要讲杨氏双缝干涉原理和相干光源的概念。重点是双缝干涉中波的叠加形成的明暗条纹的条件及判断方法。要把光波的干涉和机械波的干涉联系起来，引用路程差的概念，应用学生已有的波的叠加的知识，分析光屏上明暗条纹的分布规律，即与两个狭缝的路程差是波长的整数倍处出现亮条纹，与两个狭缝的路程差是半个波长的奇数倍处出现暗条纹。教材将《光的干涉》安排在学生可感知的光折射现象研究（第1节）之后，意在建立有层次的光本性认知平台．在光折射现象研究中得到折射定律后，教材及时引导学生作深层思考：从实验中得出的折射定律1212sinsinn与从惠更斯原理得出的结论形式一致，是否可以推测光可能是一种波？“光线”是否应该是光波的波线？为将对光的认知同化至波的图式中去作了自然的铺垫，这样的编排与高中学生的认知水平相适应的，也顺乎人类对光本性认识的进程。二、教学目标1．知识与技能◆会观察与描述光的双缝干涉现象，认识单色光双缝干涉条纹的特征。◆知道单色光双缝干涉亮、暗条纹形成的原理。◆知道产生光的干涉现象的条件。2．过程与方法▲通过对实验观察分析，认识干涉条纹的特征，获得探究活动的体验。▲尝试运用波动理论解释光的干涉现象。▲体验观察到光的双缝干涉以支持光的波动说的假说上升为理论的方法。▲通过机械波的干涉向光的干涉迁移，经历知识同化、抽象建模的物理思维过程。3．情感态度与价值观●体验探究自然规律的艰辛与喜悦。●欣赏光现象的奇妙和谐。●了解光干涉现象的发现对推动光学发展的意义。三、重点难点重点：1．观察与描述光的双缝干涉现象。2．双缝干涉中波的叠加形成的明暗条纹的条件及判断方法。难点：用波动理论解释明暗相间的干涉条纹。四、教具准备：⑴实验装置：激光器，双缝干涉演示仪⑵多媒体课件：水波干涉的视频，托马斯·杨双缝干涉实验原理示意图，PPT课件、多媒体动画等。五、教学过程在光的折射一课中，从实验中得出的折射定律1212sinsinn与从惠更斯原理得出的结论形式一致，是否可以推测光可能是一种波？学生思考与交流后得到：如果光是一种波，则要有波的特征现象作实验支持．干涉是波特有的现象，一切波都能发生干涉，因此可以用光是否具有干涉现象来判断光是不是一种波。复习提问：（课件展示下列问题及右图）右图是两列水波某时刻干涉的示意图，S1、S2是振动情况总是相同的波源，实线代表波峰，虚线代表波谷，直线OO是S1S2的中垂线，在此时刻介质中a点为两波谷叠加，b点为波峰与波谷叠加，c点为两波峰叠加，d点是处于某种中间状态的叠加。问：abcd、、、中哪些是出现振动加强的地方，哪些是出现振动减弱d地方，哪些是出现振动加强和减弱的中间过渡状态？（一般情况下，学生能顺利回答ac、两点是振动加强的点，b点是振动减弱的点，对于d点可能会出现争议。教师可做如下引导）设问：b点位于什么位置呢？学生答：略（教师进一步引导学生分析）既然S1S2到d点的路程差为零，根据波动理论，两波源在d点处激起的振动总是一致的，虽然该时刻是中间状态的叠加，但两列波在d点处的叠加，激起d点的振动的振幅（教师强调是振幅最大，而非位移最大，即使是振动加强的点，也有位移为零的时候）仍为最大，故d点还是振动加强的地方。（屏幕展示“水波干涉”的视频，通过已有知识的迁移让学生走进光的双缝干涉）让学生观察并描述稳定水波干涉现象的特征：即出现振动总是加强和振动总是减弱的区域，且加强区和减弱区互相间隔的现象；指出干涉现象是两列波在空间相遇叠加的结果；强调要得到稳定干涉图样需要两波源的振动情况完全相同．一、波的特征现象之一——干涉现象——振动加强与减弱的区域确定条件——两列波的频率相同（必要条件）设问1：预期的光（例如红光）的干涉图样是怎样的？要求回答：单色光的干涉现象是明暗相间的条纹．（从机械波迁移至光波）设问2：日常生活中为什么不易看到光的干涉现象？学生交流后教师总结：要产生光的干涉现象必须要有两个振动情况完全相同的光源，包括频率相同、振动方向相同、相位差恒定。而普通光源发出的光，是大量原子跃迁时发出的，由不连续的波列组成，各波列的相位是无规则变化的，这是由原子发光的特点决定的。因此，两个独立的光源发出的光，即使是频率相同的单色光也不能保持恒定的相位差。设问3：如何通过实验控制而获得光的干涉现象？学生交流后教师归纳：实验控制的关键在获取振动情况完全相同的光源，让两个完全相同的“相干光源”发出的光在同一空间叠加，用屏在叠加区域接收，应可得到预期的现象。1801年英国的托马斯·杨想出了一个巧妙的办法，把一个点光源发出的一束光分成两束，从而找到了“两个振动情况总是相同的波源”，如愿以偿的观察到了光的干涉现象。因为他设计的巧妙，双缝干涉实验被评为十大美丽物理实验之一（排第五名，多媒体投影如右图）。二、双缝干涉实验1．演示实验、观察现象（屏幕显示托马斯·杨双缝干涉实验原理示意图，如图1所示，介绍杨氏实验）教师强调以下两点：单缝的作用是获取单一频率的光源；双缝屏上的两条狭缝离的很近，到前一条狭缝的距离相等，所以两条狭缝处光的振动情况完全相同．说明杨氏最初的实验所用的不是狭缝，而是小孔，后来，他发现改用狭缝后干涉图样更加明亮，于是后人把他的实验叫做双缝干涉实验。杨氏实验成功获得亮暗相间的干涉图样，证明光的确是一种波。（教师采用激光作为光源演示双缝干涉实验）教师操作：⑴打开激光器，直接把激光打到后背的墙（光屏）上（易观察）．要求学生说出观察到的现象——激光沿直线传播，打到墙上是一个亮斑。⑵在激光器前加一双缝，让学生再观察实验现象，并引导学生描述观察到的现象。学生活动：①在加双缝前，请一学生来观察双缝，因为双缝间距太小，大约0.1mm左右，一般很难看出是双缝，可以让其他同学帮助想办法，如将双缝屏迎着光去看便可看出。②仔细观察实验现象，并描述加双缝前、后在光屏上观察到的现象：光到达屏上的范围比不加双缝时大了；屏上出现了明（红）暗相间的条纹；条纹间距相等；还可以请刚才观察双缝的学生说出，明暗相间的条纹走向与双缝的方向平行。教师设问：请同学们根据刚才的观察，归纳双缝干涉图样的特征。学生讨论后回答：⑴亮暗相间的条纹；⑵条纹间距相等；⑶光到达的范围比“直线传播”的大。教师设问：为什么会出现这样的图样？怎样用波动理论解释光的干涉现象。三、比较推理、分析现象我们可以仿照机械波的干涉，用波动理论来分析屏上明暗条纹的分布情况：⑴中央明条纹(课件投影右图)S1、S2到P0点距离相同，所以这两列波的波峰或波谷同时到达P0点，在这一点，两列波的波峰与波峰叠加，波谷与波谷叠加，他们在P0点相互加强，因此这里出现明条纹。⑵第一亮条纹S1、S2到P1点距离不相同，S2到P1的距离比S2到P1的距离大一个波长。所以当S1的波峰(或波谷)到达P1点时，S2的波峰(或波谷)也到达P1点。在这一点，两列波的波峰与波峰叠加，波谷与波谷叠加，他们在P1点相互加强，因此这里也出现明条纹。⑶第一暗条纹S1、S2到Q1点距离不相同，S2到Q1的距离比S2到Q1的距离大半个波长2。所以当S1的波峰(或波谷)到达Q1点时，S2的波谷(或波峰)也到达Q1点。在这一点，两列波的波峰与波谷叠加，他们在Q1点相互减弱，因此这里出现暗条纹。教师设问：同学们能否自己归纳一下屏上出现明条纹或者暗条纹的一般条件呢？学生思考讨论后得出结论：凡光程差等于波长整数倍的位置，产生亮条纹；凡光程差等于半波奇数倍的位置，产生暗条纹。即产生亮暗条纹条件表达式：亮纹：光程差(012)kk、、……暗纹：光程差(21)(123)2kk、、……为了巩固理解干涉的稳定性，教师课播放多媒体动画(右图为该动画的截图，本动画可以逐帧播放，动画每播放一帧，波向前传播一个周期，由动画可以清晰看出干涉加强的位置每一时刻都是加强的，而减弱的位置每一时刻都是减弱的。)教师设问：在上面的分析中，屏上位于P(中央明纹位置)和Q1(第一暗纹位置)之间的某一点是明纹还是暗纹呢？学生茫然……教师指出：其实，我们刚才讨论的所谓振动加强点，实际上应该是振动最强的点，该点振幅最大(等于两列波的振幅之和)，而振动减弱的点实际上是振动最弱的点，该点振幅最小(等于两列波的振幅之差)。像这样的点我们称为明条纹中心位置或暗条纹中心位置。大家从干涉图样上可以看出明条纹到暗条纹是逐渐过渡过去的。(这是学生理解上的难点，此时教师再用多媒体投影干涉图样，让学生仔细观察，加深体会。)思考题：试着推导出明条纹(暗条纹)中心位置的表达式。(为下一节的实验打下基础)本题在教师的指导下师生共同完成。四、相干光源如果两个光源发出的光能够产生干涉，这样的两个光源叫做相干光源。（全课总结、提升）1．托马斯·杨在历史上第一次解决了相干光源问题，成功做出了光的干涉实验．光的干涉现象是微粒说无法解释的，使人们认识到光具有波动性。2．两个相干光源发出的光在屏上某处叠加时，如果同相光就加强，如果反相光就减弱，于是产生亮暗条纹，其特征是在中央亮纹两侧对称地分布着亮暗相间的各级干涉条纹，且相邻亮纹和相邻暗纹的间距相等。3．亮暗相间条纹反映光的能量在空间分布情况。暗条纹处光能量几乎是零，表明两列光波叠加彼此相互抵消，这并不是光能量损耗了或变成其它形式能量，而是按波的传播规律，没有能量传到该处；亮条纹处的光能量比较强，光能量增加，也不是光的干涉可以产生能量，而是按波的传播规律，到达该处的能量比较集中。五、作业设计1．认真阅读课本，预习第3节：用双缝干涉测量光的波长。2．例举生活中见过的光的干涉现象。3．探讨：以下是两个关于光的干涉的实验，试分析在这些实验设计中，是如何获得相干光源的，并作图求出干涉区域：洛埃镜实验实验示意如图2所示，S1为狭缝光源，其一部分光直射到光屏EE，另一部分几乎与镜面平行地射向镜面，然后反射光到达屏上。菲涅耳双面镜实验菲涅尔双镜是两个交角很小的平面镜，如图3所示，从狭缝S发出的光，经平面镜M1和M2发生反射。SM1M2CEE图3S1S2OＯOＯEＯOＯEMＯOＯ图2