高中物理光的干涉和薄膜干涉人教版第三册

光的干涉、薄膜干涉教学目的1．知识目标：(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因，认识干涉条纹的特征．(3)了解双缝干涉条纹的特点．(4)知道薄膜干涉是如何获得相干光源的，了解薄膜干涉产生的原因，知道薄膜干涉在技术上的应用．2．能力目标：通过观察、实验，培养学生对物理现象的观察、表达、分析及概括能力．3．情感目标：通过介绍光的波动性的发现过程，渗透科学家认识事物的科学态度和辩证唯物主义观点．教具透明发波水槽，投影仪，光的干涉演示仪，激光干涉演示仪，灯泡，多媒体，电脑动画课件，酒精灯，肥皂溶液，铁丝圈，食盐，火柴，空气尖劈，牛顿圈，照相机镜头．教学过程引入新课【演示】通过投影仪演示水波的干涉现象，提问：1．这是什么现象？2．干涉图样中的“明”“暗”条纹是如何形成的？3．是否任何两列波在传播空间相遇都会产生这样的现象？引导学生在复习旧知识的基础上解释波的干涉现象是两列波在传播中相遇叠加而形成的，是波的特性，产生稳定干涉现象的条件是有相干波源——频率相等且振动情况相同的两列波，干涉图样中的“明”“暗”条纹就是相干波源叠加形成的振动“加强区”和振动“减弱区”．提问：1．光有波动性吗？能否产生干涉现象？2．怎样得到光的干涉图样？【板书】第一节光的干涉进行新课引导学生思考：光若具有波动性，应会产生光的干涉现象，那么要得到稳定的干涉图样，必须具备什么前提条件呢？由前面复习可知，必须要有相干光源及频率相同、振动情况相同的两列光波．如何得到相干光波呢？可由学生先讨论．【演示】将两个通有同频率交流电的单丝灯泡作为两个光源，放在光屏前面，如图21－1所示，移动屏与灯泡之间的距离．现象：屏幕上看不到明暗相间的现象．【演示】把两支同样的蜡烛点燃作为两个相同光源也看不到光的干涉现象提问：为什么不能看到干涉图样？是光没有波动性还是没有满足相干光源的条件？引导学生讨论后得到：两个独立热光源的光波相遇得不到干涉现象，是由于光无波动性，还是实验设计有错误，没有满足相干条件？历史上很长时间内人们一直认为光不是波，所以没有波动性，也不会产生干涉现象．直到19世纪英国物理学家托马斯·杨改进实验设计，在历史上第一次得到了相干光源．【板书】一、双缝干涉介绍实验装置——杨氏双缝干涉仪．说明双缝距离很近，约为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，而且总是同相的．如图21－2．【演示】先用加有红色滤光片的双缝演示仪演示单色红光的干涉条纹．再用激光干涉演示仪演示得到一个更大的干涉图样让学生观察．增大双缝与屏的距离，可以看到条纹宽度和间距都增大．通过观察，让学生总结干涉图样的特点．【板书】1．双缝干涉现象：(1)明暗相间的条纹；(2)相邻的亮条纹等距，相邻的暗条纹——中央亮纹．提问：为什么会出现这种现象？怎样用波动理论解释干涉条纹的形成？【板书】2．波动理论解释【电脑演示】两列频率相同、振动方向相同或相反的波在一直线上叠加的情形，如图21－3．引导学生分析：(1)两列机械波传播经同一位置时此点的运动仍在它的平衡位置附近做往复振动，位移随时间而改变．(2)两列波传播经同一位置时，若两列波同相，此点的振动振幅变大，说明此点的振动加强了；若反相，此点的振幅变小，说明此点的振动减弱了．【电脑演示】一列波由近及远传播时波峰、波谷在移动的示意图，如图21－4．【电脑演示】两列频率相同、同相波由近及远传播时波峰、波谷示意图，如图21－5．【挂图展示】双缝干涉示意图样，如图21－6．引导学生分析：(1)示意图是两列波在某一时刻峰谷位置分布图．(2)在两列波峰峰、谷谷相遇点均是加强点；而峰谷相遇点均是减弱点．(3)S1、S2连线中垂线上的点：振动在峰——平衡位置——谷——平衡位置——峰之间往复振动，是加强点．均是峰峰相遇或谷谷相遇，S1、S2中垂线两侧相距λ/4的两个对称位置的点，即两波峰谷相遇点，是削弱点，所在连线是削弱区．在S1、S2中垂线两侧更远相距λ/2的两个对称位置的点又是加强区……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，而且位置是不变的．反映在屏幕上：同相光叠加，光能量较强——亮；反相光叠加，光能量较弱——暗．得到亮暗间隔的干涉条纹．【板书】若同相叠加，振幅增大，振动加强，光能增加，出现亮条纹；反之，出现暗条纹．引导学生总结屏幕上出现亮、暗条纹的条件．以图21－6说明．(1)实线a0上各点，S1、S2发出的光波到达此线上某点的路程差δ＝0．实线a2(a2′)上各点，S1、S2发出的光波到达此线上某点的路程差δ＝λ．实线a4(a4′)上各点，S1、S2发出的光波到达此线上某点的路程差δ＝2λ．……(2)虚线a1(a1′)上各点，S1、S2发出的光波到达此线上某点的路程差δ＝λ/2．虚线a3(a3′)上各点，S1、S2发出的光波到达此线上某点的路程差δ＝3λ/2．【板书】3．双缝干涉规律回忆干涉实验现象，屏与双缝间距越大，条纹间距越大．从彩图2可以看出，用红光做实验时的间距比用蓝光时大，双缝间距离也与条纹间距有关，可见，条纹间距受哪些因素的影响？引导学生回答：受光波波长λ，屏到双缝间距L，双缝间距离d的影响．(见图21－7)定量推导：δ＝r2－r1∵L＞＞d，L＞＞x，∴r2＋r1＝2L∴r2－r1＝dx/L，即δ＝dx/L．当δ＝k λ＝dx/L，k＝0，±1，±2，…，则x＝kLλ/d，出现亮条纹．当δ＝(2k＋1)λ/2＝dx/L，k＝0，±1，±2，…，则x＝(2k＋1)Lλ/(2d)，出现暗条纹．所以，相邻两条暗纹(或明纹)间的距离Δx＝Lλ/d．【板书】(2)x＝Lkλ/d亮条纹位置(k＝0，1，2，…)x＝(2k＋1)Lλ/(2d)暗条纹位置(k＝0，1，2，…)相邻的条纹间距Δx＝Lλ/d．思考题：能否测定一种单色光的波长？如何测定？可测λ．让学生猜测若用复色光源做双缝干涉试验，干涉图样将如何？【演示】白光双缝干涉实验．【板书】4．白光双缝干涉出现彩色条纹．色条纹．以上杨氏双缝干涉实验中相干光源的获得方法是采用“一分为二”法．产生亮、暗条纹的原因是由于不同位置光程差不同，两列波叠加后结果不同．思考：是否有获得相干光源的其他途径？【板书】二、薄膜干涉【演示】肥皂液薄膜干涉实验．(1)介绍做法：强调肥皂液薄膜必须竖直立放，并把液膜当成镜面从前面看火焰反射后的虚像．(2)学生两人一组做实验，注意观察火焰反射虚像上近似水平的明暗相间的条纹．提问：为什么会出现这种现象？学生讨论后分析：(1)火焰的反射像由薄膜前后两表面的反射光波叠加而成，这两列光波频率相同．(2)从前后两表面上反射的光波存在光程差，其大小与薄膜厚度有关，厚度不同处光程差不同．(3)由于重力作用，使肥皂薄膜形成上薄下厚楔形．上下位置不同，厚度不同．(4)在薄膜某一厚度处，两列波反射回来恰是波峰和波峰、波谷和波谷叠加，使光波加强出现亮纹；而在另一厚度处，两列波的波峰和波谷叠加，使光波减弱出现暗条纹．【演示】白光照射下出现彩色条纹．【板书】1．从薄膜两表面反射的光波是相干光波，相干光波叠加形成干涉条纹．由于重力作用，薄膜上下厚度不等，因而反射的光波存在光程差．在单色光照下，看到明暗相间的条纹；在白光照射下，呈现彩色条纹．2．薄膜干涉在技术上的应用．(1)用干涉法检查平面．原理：在被检平面与透明样板间垫一个薄片，使其间形成一个楔形的空气薄层．当用单色光从上面照射时，入射光从空气层的上、下表面反射出两列光波，于是从反射光中看到干涉条纹．如果被检平面是平的，那么空气层厚度相同的各点分布在一条直线上，产生的干涉条纹是等距的平行线；如果被测表面有些地方不平，那么空气层的厚度相同的各点不再位于一条直线上，该处产生的干涉条纹就会发生弯曲．如图21－8(a，b，c)．组织学生讨论：如何判断被检平面的凹凸情况？根据同一条亮(暗)纹上各处空气层厚度不同，可知被检平面发生弯曲处的空气层厚度和同一条纹上未发生弯曲的地方空气层厚度相同．再根据弯曲方向与垫片位置可知空气层在弯曲线本该比同一条纹上其他位置厚一些还是薄一些．以上两点对比分析可判断出该处存在条纹凸起还是凹陷．分析图21－8c中所示干涉图样，推测图中被检平面在条纹弯曲处的凹凸情况．学生回答：由图a看到右边空气层比左边厚．由图c所示条纹向左弯曲，则弯曲处空气层厚度应该比同一条纹上其他位置空气层厚度小．而现在实际上是一样厚度．可见，该处一定存在凹陷．[学生活动]让学生观察空气尖劈和牛顿环中的干涉图样，根据牛顿环中看到的不等距的明暗相间的圆环，推测牛顿环的结构．如图21－9．【板书】(2)增透膜．a．使用增透膜的原因．我们用照相机照相或用某光学仪器观察时，常有这种情况：光线进入透镜后，一部分透射，还有相当一部分光线被界面反射．这样，使通过透镜射到底片或光屏上的光的能量减弱，影响了图像的清晰度．如图21－10．因此，必须减少反射光，增加透射光．b．原理：利用薄膜干涉，在透镜表面涂一层薄膜(常用氟化镁)，当薄膜厚度等于入射光在薄膜中波长的1/4时，在薄膜的两个上表面反射的光，光程差恰等于半个波长，互相抵消，大大减少了光的反射损失，增强透射光的强度．这层薄膜叫增透膜．提问：增透膜能否将所有反射光都抵消？学生回答：由于入射光一般是白光，是由各种不同波长的单色光复合而成的．所以，增透膜不可能将所有波长的反射光都抵消．提问：那么，怎样来确定增透膜的厚度？回答：对于有特殊用途的光学元件，按需要增强的那种单色光的波长来确定增透膜的厚度．一般情况下，增透膜的厚度应使光谱中的绿色光(照相底片最敏感的光)在垂直入射时削弱反射光，而光谱两端的红色光和紫色光没有被显著削弱，所以从镜头反射回来的光主要是红色光和紫色光，因此照相机镜头看起来呈淡紫色．【展示】照相机镜头．引导学生总结获得相干光源的方法——“一分为二”法(分光法)．【板书】三、获得相干光源的方法——“一分为二”法【思考题】1．干涉条纹中的“暗”纹是不是能量损耗了，“明”纹是不是能量增强了？2．增透膜增加入射光的能量了吗？通过以上两个问题的思考与讨论，引导学生用能量转化与守恒的观点看待事物，认识干涉现象只有光波能量的重新分配．暗纹处光能量几乎为零，亮纹处能量较强．光能量增加并不是光的干涉可以产生能量，而是按波的传播规律，到达该处的光能量比较集中，而暗纹处基本没有光能量传到该处．巩固练习1．干涉实验中，用白光做光源，在屏上观察到彩色干涉条纹．若在双缝中的一缝前放一红色滤光片，另一缝前放一绿色滤光片，这时[ ]A．在屏上出现红色干涉条纹B．在屏上出现绿色干涉条纹C．在屏上出现红绿相间的干涉条纹D．无干涉条纹2．用某种单色光做双缝干涉实验，测定光的频率．已知两缝之间的距离为0.12mm，缝到屏的距离是1.95m，测出屏上第四条暗线到中央亮线的距离是3.8cm．计算该色光的频率．参考答案1．D 2．4.47×1014Hz作业1．复习本节内容．2．把课本练习一第(1)、(2)、(3)题做在作业本上．参考题1．一束白光在真空中通过双缝后在屏上观察到的干涉条纹，除中央白色亮纹外，两侧还有彩色条纹，其原因是[ ]A．各色光的波长不同，因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同B．各色光的速度不同，因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同C．各色光的强度不同，因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同D．上述说法都不正确2．关于光的干涉现象，下列说法正确的是[ ]A．在双缝干涉实验中，亮条纹的宽度是不等的B．在双缝干涉实验中，把入射光由红色光换成紫色光，相邻亮条纹间距变宽C．只有相干光源发出的光才能在叠加时产生干涉现象D．频率不相同的两列光也能发生干涉现象3．某单色光由水射向空气时，下列说法正确的是[ ]A．频率不变，波长变短，波速变小B．频率不变，波长变长，波速变大C．频率变大，波长变长，波速变大D．频率变小，波长不变，波速变小4．在空气中做光的双缝干涉实验，双缝到光屏上p点的距离之差为0.6μm，若分别用频率v1＝5×1014Hz和v2＝7.5×1014Hz的单色光垂直照射双缝，则p点出现亮、暗纹的情况是下列所说的哪个？[ ]A．用频率为v1和v2的单色光分别照射双缝时，均出现亮条纹B．用频率为v1和v2的单色光分别照射双缝时，均出现暗条纹C．用频率为v1的单色光照射双缝时出现亮条纹，用频率为v2的单色光照射双缝时出现暗条纹D．用频率为v1的单色光照射双缝时出现暗条纹，用频率为v2的单色光照射双缝时出现亮条纹5．钠蒸气所发出的黄光，频率是5.1×1014Hz，它以45°入射角由空气射入玻璃后，折射角是30°，当它从空气射入玻璃中，光的传播速度和波长如何改变？改变多少？参考答案1．A 2．C 3．B 4．C 5．光速变小，Δv＝0.88×108m/s，波长变短，Δλ＝0.17×10-6m说明1．如何用波动理论解释干涉条纹的形成是本节的难点，可通过复习“水波的干涉”，对比分析光的干涉条件和产生原理．在此过程中，消除学生头脑中的两个疑点：“为什么两个相同的灯泡或蜡烛不能产生干涉条纹”和“为什么在两个光源的照射下，屏幕上还会出现暗条纹”．同时，利用电脑动画演示干涉条纹的形成，有助于学生更加形象地认识光的干涉．最后，从能量的角度说明光的干涉只是光能量的重新分配，使学生对能量的转化与守恒思想有进一步的认识．2．引导学生寻找获得相干光源的方法是本节的又一难点．可结合双缝干涉知识，从光程差入手分析薄膜干涉的产生原理，对比双缝干涉和薄膜干涉，总结用“一分为二”的方法来获得相干光源．从能量守恒角度解释增透膜原理，消除学生头脑中的疑点：增透膜是增强了入射光的能量吗？3．本节内容较多，需分两课时进行．。