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光的干涉物理教案

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光的干涉物理教案

一、教学目标

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.

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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.

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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.

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(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.

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操作:

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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.

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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.

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…,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…).

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*(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.

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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=

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(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.

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