人教版高中物理第三册光的干涉教案2

光的干涉
一、教学目标
1．知识目标：
（1）通过实验观察认识光的干涉现象，知道从光的干涉现象说明光是一种波.
（2）掌握光的双缝干涉现象是如何产生的，何处出现亮条纹，何处出现暗条纹.
（3）掌握明条纹（或暗条纹）间距的计算公式及推导过程.
（4）知道不同色光的频率不同，掌握波长、波速、频率的关系.
（5）通过实验初步认识薄膜干涉现象，了解其应用. 2．能力目标：
（1）通过了解杨氏把一个点光源发出的一束光分成两束，理解相干光源的设计思想.
（2）通过根据波动理论分析单色光双缝干涉，培养学生比较推理，探究知识的能力.
（3）在认真观察实验事实的基础上，加强抽象思维能
力的培养
3．德育目标：
通过对光的本性的初步认识，建立辩证唯物主义的世界观.
二、教学重点
双缝干涉图象的形成实验及分析
三、教学难点
1．亮纹（或暗纹）位置的确定.
2．亮纹（或暗纹）间距公式的推导.
四、教学方法
通过机械波干涉现象的复习，过渡到光波的叠加，进而提出问题，引发思考，在实验观察的基础上通过探究现象成因，总结规律，完成本节课的教学目标，最后通过对薄膜干涉成因的分析达到拓展应用，提高能力的目的.
五、教学用具
JGQ型氦氖激光器一台，双缝干涉仪25台，多媒体电脑及投影装置，多媒体课件（图20—1~20—13静态图
片及Flash 动画），酒精灯一盏，金属圈一个，大烧杯一个，适量肥皂液（或洗衣粉液），少量食盐，牛顿环，凸透镜（为取得理想实验效果，本节课在光学实验室进行）.
六、课时安排
1 课时
七、教学过程
（一）引入新课
复习机械波的干涉
［复习提问，诱导猜想］
［多媒体投影静态图片 20—1］
［师］大家对这幅图还有印象吗？
［生］有，波的干涉示意图.
［投影问题］
［师］请大家回忆思考下列问题
学生回答结果不出所料，大部分同学能答出a 、c 两点振动加强，d 、e 两点振动减弱，而对于b 点则出现了图20—1中，S 1、S 2是两个振动情况总
是相同的波源，实线表示波峰，虚线表示波
谷，a 、b 、c 、d 、e 中哪些点振动加强？哪些点振动减弱？ 图20—1
争议.一种认为b点是振动加强点，另一种则认为b点是由加强到减弱的过渡状态.
［师］b点振动加强和减弱由什么来决定呢？只有弄清这一点才能解决两派同学的争端.
（有学生低语，“路程差”）
［师］好！刚才这位同学说到了关键，那么就请你来分析一下b点与S1、S2两点的路程差.
［生］由图可以看出OO′是S1、S2连线的中垂线，所以b到S1、S2的路程差为零.
［师］那么b点应为振动——（学生一起回答）：加强点.
（教师总结机械波干涉的规律，突出强调两列波的振动情况总是完全相同.）
［师］光的波动理论认为，光具有波动性.那么如果两列振动情况总是相同的光叠加，也应该出现振动加强和振动减弱的区域，并且出现振动加强和振动减弱的区域互相间隔的现象.那么这种干涉是一个什么图样呢？大家猜猜.
［生］应是明暗相间的图样.
［师］猜想合理.那么有同学看到过这一现象吗？
（学生一片沉默，表示没有人看到过）
［师］看来大家没有见过.是什么原因呢？
［生1］可能是日常生活中找不到两个振动情况总相同的光源.
［生2］可能是我们看见了但不知道是光的干涉现象.［师］两位同学分析得非常好，也许是没有干涉的条件，也许是相逢未必曾相识.大家看他们俩谁分析得对呢？［生］我觉得生1说的不成立，这样的光源很多，像我们教室里的日光灯，我觉得它们完全相同.
［师］好.我们可以现场来试试.
（先打开一盏日光灯，再打开另一盏对称位置的日光灯）
［师］请大家认真找一找，墙上、地上、天花板上，有没有出现明暗相间的干涉现象？
（大家积极寻找，没有发现，思维活跃，议论纷纷）［师］看来两个看似相同的日光灯或白炽灯光源并不是
“振动情况总相同的光源”.
［投影图20—2］
图20—2
［师］1801年，英国物理学家托马斯·杨想出了一个巧妙的办法，把一个点光源分成两束，从而找到了“两个振动情况总是相同的光源”，成功地观察到了干涉条纹，为光的波动说提供了有力的证据，推动了人们对光的本性的认识.下面我们就来重做这一著名的双缝干涉实验.
［板书］光的干涉
（二）进行新课
1．双缝干涉实验
［动手实验，观察描述］
介绍图20—2杨氏实验装置
（出于时间和观察效果考虑，不在课堂上做这一实验）介绍侧重于单孔的作用，是获得来自同一光源的一束光波，双孔的作用是将同一束光波分成两束“振动情况总是相同的光束”.因为两孔相距0.08 mm左右，很近，且与单孔屏上的孔距离相等，所以单孔的光会同时到达这两个孔，这两个孔将同一列光一分为二，因而两个小孔成了“两个振动情况完全相同的新波源，它们在屏上叠加，就会出现明暗相间的条纹”.
用氦氖激光器演示双缝干涉实验
指导学生用双缝干涉仪观察光的干涉现象.
（从安全和节约时间考虑，实验装置在课前按课本P101图实—2调好，教师介绍装置做法后学生进行实验）
指出用狭缝代替小孔可使干涉图样清晰明亮.
（学生实验认真有序，效果良好）
［师］请同学们把观察到的现象与我们课本第1页彩图2的图样进行比照，看哪位同学能表达出干涉条纹的特征.
（学生表达出以下几种情况：等距，明暗差不多；亮纹与亮纹宽度以及暗纹与暗纹宽度相同，但明纹与暗纹宽度不一定相同.）
2．干涉条纹的成因
［比较推理，探究分析］
［师］通过实验，我们现在知道，光具有波动性.现在我们是不是可以根据机械波的干涉理论来认真探究一下实验中的明暗条纹是如何形成的呢？
［投影图20—3］
图20—3 图20—4
图20—3中，P点距S1、S2距离相等，路程差Δr=S1P-S2P=0应出现亮纹，（中央明纹）
［演示动画］图20—3中S1、S2发出的正弦波形在P 点相遇叠加，P 点振动加强（图20—4）
鉴于上述动画的表述角度和效果，教师在此基础上再播放动画，图20—5所示振动情况示意图，使学生进一步明确.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.
［师］那么其他点情况如何呢？
［投影图20—6］
P1点应出现什么样的条纹？
［生］亮纹. 图20—5 图20—6
［师］为什么？
［生］因为路程差为λ，是半波长的2倍.
［板书］Δr1=|S1P1-S2P1|=λ=2×2λ
［师］我们可以从图上动画看一下，［演示图20—7］在这里大家看到，屏上P1点的上方还可以找到Δr2=|S1P2-S2P2|=2λ的P2点，
Δr3=|S1P3-S2P3|=3λ的P3点，
Δrn=|S1Pn-S2Pn|=n λ的Pn 点，它们对应产生第2、3、4…条明条纹，还有明条纹的地方吗？
［生］在P 点下方，与P1、P2等关于P 对称的点也应
是明条纹.
［师］好.我们可以总结为：Δr=2n ·2λ
n=0、1、2…时，出现明纹. 图20—7
［板书］
［投影图20—8］那么S1、S2发出的光在Q1点叠加又该如何呢？
图20—8 ［演示动画20—9］我们先来看一下，动画显示，在Q1点振动减弱.
［师］在Q1点是波峰与波峰相遇还是波峰与波谷相遇？两振动步调如何？
［生］是波峰与波谷相遇，振动步调刚好相反.
（教师启发学生进一步分析这点合振幅情况，以及Q1点与P 、P1的相对位置.）
［师］哪位同学能总结一下Q1点的特征.
［生］Q1点位置在P 、P1间，它与两波源路程差
图20—8
图20—9
|S1Q1-S2Q1|=2λ
.该点出现暗纹.
［师］非常好！大家看像Q1这样的点还有吗？ ［生］有.
（全体学生此时已能一起总结出Q2、Q3…等的位置） ［教师总结］Δr=|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…
［师］哪位同学能用上面的方法写个通式，归纳一下.
［生］当Δr=(2n+1) 2λ
,n=0、1、2…时，出现暗纹. ［教师板书］
［投影图20—10］
［师］综合前面分析，我们可以画出右面图示的双缝干涉结果.
同时介绍一下相干光源，强调干涉条件.
［师］看来大家掌握得不错，下面我们可以讨论一些更复杂的问题.
3．条纹间距与波长的关系［深入观察 量化分析］ 指导学生分别用红色、紫色滤色片遮住双缝，观察线状白炽灯的干涉条纹（课本P101图实—2），比较两种色光干涉条纹宽度，与课本第1页彩图2对照，得出结论：红光干涉条纹间距大于紫光干涉条纹间距.（注意其他条件相同，进行实验）
［师］我们知道，不同色光的波长是不同的，那么干涉条纹间距的关系也就反映了不同色光的波长关系，干涉条纹间距和波长之间又有怎样的关系呢？同学们发挥数学方面的聪明才智，我们一起来寻找它们之间量的关系.（板书）
［投影图20—11及下列说明］ 推导：（教师板演，学生表达）
设两缝S 1、S 2间距离为d,它们所在平面到屏面
的距离为l ，且l d,O 是S 1S 2的中垂线与屏的交点，O 到S 1、S 2距离相等. 图20—11
由图可知S1P=r1
［师］r1与x 间关系如何？
［生］r12=l2+(x-2d
)2
［师］r2呢？
［生］r22=l2+(x+2d
)2
［师］路程差|r1-r2|呢？（大部分学生沉默，因为两根式之差不能进行深入运算）
［师］我们可不可以试试平方差？
r22-r12=(r2-r1)(r2+r1)=2dx
由于l»d,且l»x,所以r1+r2≈2l ，这样就好办
了,r2-r1=Δr=l d
x
［师］请大家别忘了我们的任务是寻找Δx 与λ的关系.Δr 与波长有联系吗？
［生］有.
［师］好，当Δr=2n ·2
n=0、1、2…时，出现亮纹.
即l d
·x=2n ·2λ时出现亮纹，或写成x=d l n λ
第n 条和第（n-1）条亮纹间距离Δx 为多少呢？ ［生］Δx=xn-xn-1
=［n-(n-1)］d l
λ
［师］也就是Δx=d l
·λ
我们成功了！大家能用语言表述一下条纹间距与波长的关系吗？
［生］成正比.
［师］对，不过大家别忘了这里l 、d 要一定.暗纹间距大家说怎么算？
［生］一样.
［师］结果如何？
［生］一样.
［师］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？
［生］能.红光.
［师］大家能猜一猜用白光干涉会出现什么现象吗？［生］（默然）
［师］好，不清楚，我们不妨实验一下.
引导学生观察白光干涉（抽去滤色片，直接观察）［师］哪位同学能为大家归纳一下观察到的现象.［生］（1）彩色条纹（师提示明暗相间）
（2）中央为白条纹
（3）中央条纹两侧彩色条纹对称排列
（4）每条彩纹中红光总在外边缘，紫光在内缘.［师］归纳得很全面，大家能解释吗？
（学生积极讨论，气氛热烈，从讨论中基本能掌握了原因）
［生］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.
［师］解释得好.大家还记得机械波波长、波速、频率三者之间的关系吗？
［生］记得.v=λf.
［师］对，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：
［板书］c=λf
［师］请大家比较一下七种色光的频率关系.
［生］红光频率最小，紫光频率最大.
［师］对，大家看P27的表.
（教师介绍波长，频率范围，强调单位，引导学生阅读讨论表右侧的红字）
4．薄膜干涉［拓展应用提高能力］
［师］大家通过前面的学习，现在我们来探究另一个问题，是不是只有两个双缝射出的相干光才能发生干涉呢？
［生］不一定，关键要看路程差.
［师］好，我们再来看一个干涉的实验：薄膜干涉［板书］
教师演示：点燃酒精灯，在火焰中洒些氯化钠，使火焰发生黄光.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，将大烧杯罩住圆环，减小蒸发，以延长演示时间，便于全体观察.将酒精灯移到膜前，
调整好位置，在酒精灯同侧观察到肥皂膜上呈现明暗相间的干涉条纹.
［师］怎样解释这一现象呢？请大家思考下面几个问题：
［投影图20—12及以下问题］ ［生1］膜前后两表面均可反射光.
［生2］因为肥皂膜厚度不同，所以不同位置处的反射光路程差不同，有的地方可能是半波长的奇数倍，有的地方可能是半波长的偶数倍.
［生3］两表面的反射光线来源于同一光线，振动情况一定相同，是相干光.
［师］三位同学回答得非常好，大家能弄清薄膜干涉的原因吗？
［生］能.
①肥皂膜有几个面可以反射灯焰的光？ ②这些面反射回来的光有没有路程差，如有，它们有什么特点？ ③这些反射光是不是相干光？ 图20—12
［师］好，请大家把自己的想法与课本P27最后一段的分析比较一下.
（学生阅读、理解.教师准备演示牛顿环实验）［师］大家分析得很好，我再加一个实验，奖励大家.（演示牛顿环实验，直接投影在白色墙上，墙上出现了牛顿环反射光干涉形成的一组明暗相间的同心圆，将屏移到环的另一侧，这里可将装置调整，同样可以观察到与反射干涉条纹互补的一组同心明暗相间的圆环）［师］感兴趣的同学课后抽时间自己来实验，深入研究它，同学们也能给我找点例子吗？
（学生讨论，思考）
［生］水面上的油膜好像也能反射光线，形成明暗相间的条纹.
［师］好，同学们课后去认真观察一下，看来干涉现象在我们生活中是见过的，我们真是“视而不见”，“相逢未必曾相识”，生活中有许多现象，看似很普通寻常，却常常蕴含着很深的科学道理，同学们要多观察、多思考、多探究.
［师］课本P28给大家介绍了一个干涉现象在技术上的应用实例，我们一起来看看.
［投影图20—13引导学生分析］
图20—13
［师］有兴趣的同学可以在我们所掌握的知识基础上进行更进一步的探究.我这里为大家提供两个课题，大家可以到图书馆或上网查阅相关资料，然后确立课题进行研究.
（1）照相机、摄像机的镜头大多是淡紫色的，为什么？（2）全息照相是怎么回事？
（三）小结
［归纳总结，撷取精华］
［多媒体投影］
（四）布置作业
1．课本P28.1，2，3
2．探究性学习：从两个课题中选择一个或自选相关课题进行探究.
（五）板书设计
光的干涉
一、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
分析：Δr=2n ·2λ
n=0、1、2、3…明纹
Δr=(2n+1) 2λ
n=0、1、2、3…暗纹
条纹间距与波长的关系：（板演内容擦去）
Δx=d l
λ
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
★教学体会
思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。

学生素质的培养就成了镜中花，水中月。