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    光的干涉物理教案

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    一、教學目標

    1.認識光的干涉現象及產生光干涉的條件.

    2.理解光的干涉條紋形成原理,認識干涉條紋的特征.

    3.通過觀察實驗,培養學生對物理現象的觀察、表述、概括能力.

    4.通過“揚氏雙縫干涉”實驗的學習,滲透科學家認識事物科學的物理思維方法.

    二、重點、難點分析

    1.波的干涉條件,相干光源.

    2.如何用波動說來說明明暗相間的干涉條紋,怎么會出現時間上是穩定的,空間上存在著加強區和減弱區并且互相間隔,如何理解“加強”和“減弱”.

    3.培養學生觀察、表述、分析能力.

    三、教具

    1.演示水波干涉現象:頻率可調的兩個波源,發波水槽,投影幻燈,屏幕.

    2.演示光的干涉現象:直絲白熾燈泡;單縫;雙縫;紅、綠、藍、紫濾色片;光的干涉演示儀;激光干涉演示儀.

    3.干涉圖樣示意掛圖,為分析干涉所做的幻燈片;或電腦及干涉現象示意的動畫軟件.

    四、主要教學過程

    (一)引入

    由機械波的干涉現象引入:首先演示“水波干涉現象”,并向學生提出問題.

    (1)這是什么現象?

    (2)是否任何兩列波在傳播空間相遇都會產生這樣的現象?

    讓學生回答,讓學生描述穩定干涉現象的特征,指出干涉現象是兩列波在空間相遇疊加的一種情景;一切波都能發生干涉現象,干涉現象是波特有的現象.要得到穩定干涉現象需是相干波源.

    (二)教學過程設計

    1.光的干涉現象——揚氏干涉實驗.

    (1)提出問題:光是否具有波動性?如果有則會有光的干涉現象,觀察光的干涉現象可以用屏幕,在屏幕上會得到什么現象呢?

    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象.

    實驗結果表明:兩個獨立熱光源的光波相遇得不到干涉現象.說明光的復雜性.認識事物不是一帆風順的.實驗的不成功是光無波動性?還是實驗設計有錯誤,沒有滿足相干條件?

    (2)揚氏實驗.

    ①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,學習揚氏的科學態度,巧妙的思維方法.

    

    ②介紹實驗裝置——雙縫干涉儀.

    說明雙縫很近0.1mm,強調雙縫S1、S2與單縫S的距離相等,所以兩單縫S1、S2處光的振動不僅頻率相同,而且總是同相.

    ③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,并使雙縫與屏幕的距離加大,這樣在屏幕上得到條紋間距離大,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:

    (1)明暗相間.

    (2)亮紋間等距,暗紋間等距.

    (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:為什么會出現這樣的圖樣?怎樣用波動理論進行解釋.

    2.運用波動理論進行分析.

    (1)演示兩列頻率相同、振動方向相同兩列波在一直線上疊加的情景.

    用做好的幻燈片用投影幻燈進行演示;或用編制好的軟件在電腦上進行演示.

    注意分析兩列波傳播經同一位置時此點的振動情況.

    ①仍在某一平衡位置附近往復振動,位移隨時間而改變.

    ②兩列波同相振幅變大,說明此點振動加強了;兩列波反相振幅減小,說明此點振動減弱了.

    強調波形圖是各個質點在同一時刻位移的包絡線,演示波在傳播時,波峰波谷的移動情況.

    

    (2)演示一列波由近及遠波峰、波谷示意圖,演示兩列頻率相同,同相波由近及遠波峰、波谷的示意圖.

    

    

    操作:

    

    波峰、波谷行進位置.

    ②幻燈片數量準備多一些,波峰、波谷向前推進速度要慢,若用電腦波行進的速度要慢且可暫停.

    ③最后形成書上雙縫干涉示意圖樣,展示彩色掛圖.

    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、初相相同,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消弱點.

    

    ③先分析S1S2連線中垂線上的點:首先讓學生注意中垂線上的某一點,演示讓波行進起來結果峰谷依次通過此點——說明此點振動在峰→平衡位置→谷→平衡位置→峰之間往復振動是加強點.然后再讓學生看兩列波的相遇峰、谷依次通過該直線上的所有點——說明此直線上的點均是加強點.

    ④再分析S1S2中垂線兩側對稱位置上的點,即兩列波峰谷相遇點,首先注意某一點,演示讓波行進起來總是峰谷同時通過此點——說明兩列波通過此點總是振動方向相反,是被消弱的;然后再看兩列波峰谷交叉點的移動情況——為消弱區域.

    ⑤其次再分析遠離中垂線上的點又是加強區域……

    小結:通過以上分析振動加強與消弱點的分布是相互間隔的而且是穩定的.結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.

    (3)屏幕上出現亮紋、暗紋的條件.

    在示意圖中,S1和S2為一對相干光源,兩組半徑相同的同心圓表示S1和S2兩相干光源向外傳播的兩列波.實線表示波峰,虛線表示波谷.實線a0、a2、a′2,a4、a′4…為加強區域,虛線a1、a′1;a3、a′3…為減弱區域.

    ①實線a0上各點,S1、S2發出光波到達線上某點的光程差δ=0.

    實線a2(a′2)上各點,S1、S2發出光波到達線上某點的光程差δ2=λ.

    實線a4(a′4)上各點,S1、S2發出光波到達線上某點的光程差δ4=2λ.

    即在實線a0、a2(a′2)、a4(a′4)…上各點光程差各為0、λ、2λ…,即為波長的整數倍.屏上出現亮紋.

    

    

    

    …,即為半波長的奇數倍,屏上出現暗紋.

    總結規律:凡光程差等于波長整數倍的位置,產生亮條紋;凡光程差等于半波奇數倍的位置,產生暗條紋,即產生亮暗條紋條件表達式:

    亮紋光程差δ=kλ(k=0,1,2…).

    

    *(4)若學生數學基礎好,接受能力強可推導屏上亮暗紋的位置公式,否則不進行此內容.

    3.干涉條紋間距與哪些因素有關.

    教師重做雙縫干涉實驗,讓學生注意實驗現象,并定性尋找規律.

    ①改變屏與縫之間的距離L——波長λ不變時L越大,亮紋間距(暗紋間距)越大.

    ②屏與縫之間距離L不變,用不同的單色光進行實驗——波長長的亮紋間距(暗紋間距)大,并展示彩色掛圖.

    ③L、λ不變,用雙縫距離d不同配件進行實驗——d小的亮紋間距(暗紋間距)大.

    

    小結:(1)實驗可證明(或用上述亮暗紋的位置公式得亮紋間距)Δx=

    

    (2)利用雙縫干涉實驗,測量L、d、Δx可測單色光的波長.

    4.用復色光源做揚氏雙縫干涉實驗.

    讓學生猜測干涉圖樣,然后教師做演示,讓學生注意觀察屏上圖樣特征:雙縫S1、S2連線的中垂線與屏相交的中央位置是白色亮縫,而兩側是彩色條紋,然后展示掛圖以便讓學生對圖樣有深刻印象.

    (三)課堂小結

    1.托馬斯•揚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驗.光的干涉現象微粒說無法解釋,而波動說可做出完善解釋,使人們認識到光具有波動性.

    2.兩個相干光源發出的光在屏上某處疊加時如果同相,光就加強,如果反相光就減弱,于是產生明暗條紋,其特征是在中央明紋兩側對稱地分布著明暗相間的各級干涉條紋,且相鄰明紋和相鄰暗條紋的間隔相等.

    單色光:亮紋光程差δ=kλ(k=0,1,2…).

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    

    復色光則出現彩色條紋.

    3.明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生能量,而是按波的傳播規律,到達該處的能量比較集中.

    

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