高中物理选修3-4教学设计4：13.3 光的干涉教案

13.3光的干涉的教学设计一、教材分析1．国内以往教材对光的教学都是按光学的两大分支——利用几何学的概念和方法研究光的传播规律的几何光学和研究光的本性以及光与物质相互作用的规律的物理光学而分两章进行，两部分教学内容的处理相对独立．新课标下的光学教材，突出“光的本性”这条主线，将两部分内容整合为一，全章教材内容编排灵动活跃，贴近光学研究高新理念与成果，具有时代气息．2．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1212sin sin n θθ=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．3．本节围绕波的特征现象之一 ——光的干涉的研究展开，以完成“光是一种波”的推理与同化．教材着力于展示典型的光干涉实验及光干涉现象，分析光干涉图样的规律及发生光干涉的条件．教材贯穿了如下的科学方法：不完整的事实（折射定律1212sin sin n θθ=与从惠更斯原理得出的结论形式一致）↓假说（光是一种波）↓可检验的依据（是波就会干涉）↓新事实的检验（双缝干涉图样）二、学情分析1．学生大多在生活中没有光的干涉现象的体验，但通过高中物理学习，已有水波、声波等机械波干涉的经验与理论，高二学生已有一定的自主构建新知识框架的能力，可以从已感知的机械波干涉现象与规律延伸至待认定的光是波的推想．2．高二学生已有一定的物理学科方法，如观察实验，控制实验，假说方法，从现象归纳规律等，可以实现教材渗透的方法教育意图．三、设计思想基于上述对教材意图与受体分析，本节教学着重向学生介绍作为光的波动说的重要实验支持——光的干涉现象．教学安排拟从回眸机械波的干涉导入，以课堂演示实验及学生随堂实验为依托，让学生“想”——体验逻辑推理的思维过程、“说”——外显思维活动过程、“看”——理性观察、“做”——体验科学探究活动、应用探究方法、“听”——接受前人总结知识，完成教材规定的教学要求．四、教学目标本课教学目标在以下三个领域具体为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．◆尝试获取相干光源．2．过程与方法①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． ②尝试运用波动理论解释光的干涉现象．③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．④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．五、重点难点重点：1．观察与描述光的双缝干涉现象．2．知道产生光的干涉现象的条件，认识干涉条纹的特征．难点：用波动理论解释亮暗相间的干涉条纹．六、教学策略与手段从上一节所设伏笔“从实验中得出的折射定律1212sin sin n θθ=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？”切入，在复习水波的干涉现象及产生条件的基础上，引导学生提出用光是否具有干涉现象来作判断．在演示激光干涉图样之前，预期光干涉图样，介绍杨氏双缝干涉实验．对单色光双缝干涉亮、暗条纹的成因作定性解释．在学生活动《做一做》中，让学生用自制的双缝观察激光的干涉图样，通过双缝观看白炽灯灯丝出现彩色的干涉条纹作为学生的探究活动．作业设计：思考生活中所见过的光的干涉现象，力求使物理课堂学习贴近学生生活，尽量做到“从生活走向物理，从物理走向社会”．接受性学习与探究性学习穿插，完成本课目标．七、课前准备1．为了更好的展开教学内容，上节课后作业预埋一道背景为机械波的干涉的习题．2．教师在课前要做好充分的准备，对教材的内容进行深刻的分析，做好上课时需要的相关课件．做好实验是本堂课的关键，教师在课前要先做好演示实验．3．为了使实验现象明显，本节课要在有暗室条件的教室里上．4．教学用具：⑴实验装置演示光的干涉现象：激光器，双缝；20组学生电源、白炽灯，若干经过曝光的黑色摄影胶片、玻璃板，40只剃须刀，20把直尺．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，分析出现亮暗相间条纹条件的PPT 动画等．八、教学过程全课围绕光的双缝干涉实验展开教学活动．（动画显示课题后，教师引入）在光的折射一课中，从实验中得出的折射定律1212sin sin n θθ=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．（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．（板书）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发生稳定干涉的条件——两列波的频率相同设问1：⑴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亮暗相间的条纹．（从机械波迁移至光波）设问2：⑵日常生活中为什么不易看到光的干涉现象？如何通过实验控制而获得光的干涉现象？学生交流后教师归总：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，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．（板书）二、双缝干涉实验1．物理学家这样做——托马斯·杨双缝干涉实验（屏幕切换显示托马斯·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．（板书）2．双缝干涉演示实验（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；屏上出现了亮（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，亮暗相间的条纹走向与双缝的方向平行．（板书）双缝干涉图样的特征亮暗相间的条纹；条纹间距相等；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．（板书）三、研究双缝干涉图样的成因（屏幕显示用波面描述相干波叠加的原理图，如图2所示）教师讲解要点：⑴说明示意图是两列波某一时刻峰谷位置分布图．⑵说明两列波的振动情况完全相同，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减弱点．⑶先分析S 1、S 2连线中垂线上的点，这些点到两波源的路程差为0，是加强点，并说明此直线上的点均是加强点．⑷再分析S 1、S 2连线中垂线两侧最靠近中垂线对称位置上的点，即两列波峰谷相遇点，这些点到两波源的路程差为2λ，为减弱区域． ⑸再分析远离中垂线上的点，又是加强区域……．小结：通过以上分析可知：振动加强区与减弱区的分布是相互间隔的，而且是稳定的．结合干涉图样分析：叠加加强区，光能量较强——亮；叠加减弱区，光能量较弱——暗．于是得到亮暗相间的干涉图样．（板书）1. 当屏上某点到双缝S 1、S 2的路程差是光波波长的整数倍时，即(0,1,2)n n δλ==⋅⋅⋅，在这些地方出现亮条纹；2. 当屏上某点到双缝S 1、S 2的路程差是光波半波长的奇数倍时，即，在这些地方出现暗条纹． 学生活动：用自制的器材来观察双缝干涉现象．取经过曝光的黑色摄影胶片，放在玻璃板上．把两只剃须刀片并拢，以刀刃的前端沿直尺在胶片上一次划出两道细缝，缝间距离要小于0.1mm ．这样就做成了双缝．学生做好双缝后，教师请若干学生把做好的双缝放到激光器前，让其他同学用白纸在自己座位上就近接收干涉图样．描述各图样及教师演示的实验()21(1,2)2n n λδ=-=⋅⋅⋅图2强 强弱弱 波谷波峰 波源 波源 强现象有何异同．教师引导学生总结：干涉条纹的间距与双缝的间距有关，干涉条纹的间距与双缝至屏的距离有关．学生活动：通过自制的双缝观看相距0.5m左右的白炽灯的灯丝，描述观察到的实验现象？思考为什么会出现彩色的干涉条纹？干涉现象是波的特征现象，双缝干涉实验的成功说明光的确是一种波．双缝干涉实验最重要的控制是获得两个完全相同的光源！教室里的两盏白炽灯不是完全相同的两个光源，所以发出的光不会发生干涉；我们刚才的实验中，通过双缝获得了可以产生干涉图样的光源．（板书）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．九、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：⑴在用自制的双缝观看白炽灯丝时，为什么会看到灯丝两侧细密地分布着彩色的干涉条纹？⑵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：。