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2008年11月23日星期日

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光学·光的干涉·教案

作者：出处：八佰教育网更新时间： 2007年04月28日

光学·光的干涉·教案

1．认识光的干涉现象及产生光干涉的条件．

2．理解光的干涉条纹形成原理，认识干涉条纹的特征．

3．通过观察实验，培养学生对物理现象的观察、表述、概括能力．

4．通过“扬氏双缝干涉”实验的学习，渗透科学家认识事物科学的物理思维方法．



二、重点、难点分析



1．波的干涉条件，相干光源．

2．如何用波动说来说明明暗相间的干涉条纹，怎么会出现时间上是稳定的，空间上存在着加强区和减弱区并且互相间隔，如何理解“加强”和“减弱”．

3．培养学生观察、表述、分析能力．



三、教具



1．演示水波干涉现象：频率可调的两个波源，发波水槽，投影幻灯，屏幕．

2．演示光的干涉现象：直丝白炽灯泡；单缝；双缝；红、绿、蓝、紫滤色片；光的干涉演示仪；激光干涉演示仪．

3．干涉图样示意挂图，为分析干涉所做的幻灯片；或电脑及干涉现象示意的动画软件．



四、主要教学过程



(一)引入

由机械波的干涉现象引入：首先演示“水波干涉现象”，并向学生提出问题．

(1)这是什么现象？

(2)是否任何两列波在传播空间相遇都会产生这样的现象？

让学生回答，让学生描述稳定干涉现象的特征，指出干涉现象是两列波在空间相遇叠加的一种情景；一切波都能发生干涉现象，干涉现象是波特有的现象．要得到稳定干涉现象需是相干波源．

(二)教学过程设计

1．光的干涉现象——扬氏干涉实验．

(1)提出问题：光是否具有波动性？如果有则会有光的干涉现象，观察光的干涉现象可以用屏幕，在屏幕上会得到什么现象呢？

演示两个通有同频率交流电单丝灯泡(或蜡烛)作为两个光源，移动屏与它们之间的距离，屏幕上看不到明暗相间的现象．

实验结果表明：两个独立热光源的光波相遇得不到干涉现象．说明光的复杂性．认识事物不是一帆风顺的．实验的不成功是光无波动性？还是实验设计有错误，没有满足相干条件？

(2)扬氏实验．

①介绍英国物理学家托马斯·扬．如何认识光，如何获得相干光源——展示扬氏实验挂图鼓励学生在认识事物或遇到问题时，学习扬氏的科学态度，巧妙的思维方法．

②介绍实验装置——双缝干涉仪．

说明双缝很近0.1mm，强调双缝S1、S2与单缝S的距离相等，所以两单缝S1、S2处光的振动不仅频率相同，而且总是同相．

③演示：

先用加滤色片后单色光红光进行演示，然后改用激光源做双缝干涉实验，并使双缝与屏幕的距离加大，这样在屏幕上得到条纹间距离大，更为清晰的明暗相同的图样．

展示双缝干涉图样，让学生注意观察图样，回答图样的特点：(1)明暗相间．(2)亮纹间等距，暗纹间等距．(3)两缝S1、S2中垂线与屏幕相交位置是亮条纹——中央亮纹．

提出问题：为什么会出现这样的图样？怎样用波动理论进行解释．

2．运用波动理论进行分析．

(1)演示两列频率相同、振动方向相同两列波在一直线上叠加的情景．

用做好的幻灯片用投影幻灯进行演示；或用编制好的软件在电脑上进行演示．

注意分析两列波传播经同一位置时此点的振动情况．

①仍在某一平衡位置附近往复振动，位移随时间而改变．

②两列波同相振幅变大，说明此点振动加强了；两列波反相振幅减小，说明此点振动减弱了．

强调波形图是各个质点在同一时刻位移的包络线，演示波在传播时，波峰波谷的移动情况．

(2)演示一列波由近及远波峰、波谷示意图，演示两列频率相同，同相波由近及远波峰、波谷的示意图．

操作：



波峰、波谷行进位置．

②幻灯片数量准备多一些，波峰、波谷向前推进速度要慢，若用电脑波行进的速度要慢且可暂停．

③最后形成书上双缝干涉示意图样，展示彩色挂图．

分析：

①说明示意图是两列波某一时刻峰谷位置分布图．

②说明两列波同频率、初相相同，在两列波峰峰、谷谷相遇位置均是加强点；而峰谷相遇位置均是消弱点．

③先分析S1S2连线中垂线上的点：首先让学生注意中垂线上的某一点，演示让波行进起来结果峰谷依次通过此点——说明此点振动在峰→平衡位置→谷→平衡位置→峰之间往复振动是加强点．然后再让学生看两列波的相遇峰、谷依次通过该直线上的所有点——说明此直线上的点均是加强点．

④再分析S1S2中垂线两侧对称位置上的点，即两列波峰谷相遇点，首先注意某一点，演示让波行进起来总是峰谷同时通过此点——说明两列波通过此点总是振动方向相反，是被消弱的；然后再看两列波峰谷交叉点的移动情况——为消弱区域．

⑤其次再分析远离中垂线上的点又是加强区域……

小结：通过以上分析振动加强与消弱点的分布是相互间隔的而且是稳定的．结合干涉挂图反映在屏幕上：同相加强光能量较强——亮；反相减弱光能量较弱——暗．得到亮暗间隔的干涉图样．

(3)屏幕上出现亮纹、暗纹的条件．

在示意图中，S1和S2为一对相干光源，两组半径相同的同心圆表示S1和S2两相干光源向外传播的两列波．实线表示波峰，虚线表示波谷．实线a0、a2、a′2，a4、a′4…为加强区域，虚线a1、a′1；a3、a′3…为减弱区域．

①实线a0上各点，S1、S2发出光波到达线上某点的光程差δ=0．

实线a2(a′2)上各点，S1、S2发出光波到达线上某点的光程差δ2=λ．

实线a4(a′4)上各点，S1、S2发出光波到达线上某点的光程差δ4=2λ．

即在实线a0、a2(a′2)、a4(a′4)…上各点光程差各为0、λ、2λ…，即为波长的整数倍．屏上出现亮纹．







…，即为半波长的奇数倍，屏上出现暗纹．

总结规律：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δ=kλ(k=0，1，2…)．



*(4)若学生数学基础好，接受能力强可推导屏上亮暗纹的位置公式，否则不进行此内容．

3．干涉条纹间距与哪些因素有关．

教师重做双缝干涉实验，让学生注意实验现象，并定性寻找规律．

①改变屏与缝之间的距离L——波长λ不变时L越大，亮纹间距(暗纹间距)越大．

②屏与缝之间距离L不变，用不同的单色光进行实验——波长长的亮纹间距(暗纹间距)大，并展示彩色挂图．

③L、λ不变，用双缝距离d不同配件进行实验——d小的亮纹间距(暗纹间距)大．

小结：(1)实验可证明(或用上述亮暗纹的位置公式得亮纹间距)Δx=



(2)利用双缝干涉实验，测量L、d、Δx可测单色光的波长．

4．用复色光源做扬氏双缝干涉实验．

让学生猜测干涉图样，然后教师做演示，让学生注意观察屏上图样特征：双缝S1、S2连线的中垂线与屏相交的中央位置是白色亮缝，而两侧是彩色条纹，然后展示挂图以便让学生对图样有深刻印象．

(三)课堂小结

1．托马斯·扬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．光的干涉现象微粒说无法解释，而波动说可做出完善解释，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，于是产生明暗条纹，其特征是在中央明纹两侧对称地分布着明暗相间的各级干涉条纹，且相邻明纹和相邻暗条纹的间隔相等．

单色光：亮纹光程差 δ=kλ(k=0，1，2…)．

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复色光则出现彩色条纹．

3．明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．