《光的干涉》教学内容.doc

《光的干涉》教学设计

一、教材分析
本节主要讲杨氏双缝干涉原理和相干光源的概念。重点是双缝干涉中波的叠加形成的明暗条纹的条件及判断方法。要把光波的干涉和机械波的干涉联系起来，引用路程差的概念，应用学生已有的波的叠加的知识，分析光屏上明暗条纹的分布规律，即与两个狭缝的路程差是波长的整数倍处出现亮条纹，与两个狭缝的路程差是半个波长的奇数倍处出现暗条纹。
二、教学目标
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。
2．过程与方法
▲通过对实验观察分析，认识干涉条纹的特征，获得探究活动的体验。
▲尝试运用波动理论解释光的干涉现象。
▲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。
▲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。
三、重点难点
重点：1．观察与描述光的双缝干涉现象。
2．双缝干涉中波的叠加形成的明暗条纹的条件及判断方法。
难点：用波动理论解释明暗相间的干涉条纹。
四、教具准备：
⑴实验装置：激光器，双缝干涉演示仪
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， PPT课件、多媒体动画等。
五、教学过程
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。
复习提问：（课件展示下列问题及右图）
右图是两列水波某时刻干涉的示意图，S1、S2是振动情况总是相同的波源，实线代表波峰，虚线代表波谷，直线是S1S2的中垂线，在此时刻介质中点为两波谷叠加，点为波峰与波谷叠加，点为两波峰叠加，点是处于某种中间状态的叠加。问：中哪些是出现振动加强的地方，哪些是出现振动减弱d 地方，哪些是出现振动加强和减弱的中间过渡状态？
（一般情况下，学生能顺利回答两点是振动加强的点，点是振动减弱的点，对于点可能会出现争议。教师可做如下引导）
既然S1S2到点的路程差为零，根据波动理论，两波源在点处激起的振动总是一致的，虽然该时刻是中间状态的叠加，但两列波在点处的叠加，激起点的振动的振幅（教师强调是振幅最大，而非位移最大，即使是振动加强的点，也有位移为零的时候）仍为最大，故点还是振动加强的地方。
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
条件——两列波的频率相同（必要条件）

设问1：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明暗相间的条纹．（从机械波迁移至光波）
设问2：日常生活中为什么不易看到光的干涉现象？
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，包括频率相同、振动方向相同、相位差恒定。而普通光源发出的光，是大量原子跃迁时发出的，由不连续的波列组成，各波列的相位是无规则变化的，这是由原子发光的特点决定的。因此，两个独立的光源发出的光，即使是频率相同的单色光也不能保持恒定的相位差。
设问3：如何通过实验控制而获得光的干涉现象？
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。1801年英国的托马斯·杨想出了一个巧妙的办法，把一个点光源发出的一束光分成两束，从而找到了“两个振动情况总是相同的波源”，如愿以偿的观察到了光的干涉现象。因为他设计的巧妙，双缝干涉实验被评为十大美丽物理实验之一
二、双缝干涉实验
1．演示实验、观察现象
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。
归纳双缝干涉图样的特征。
⑴亮暗相间的条纹；⑵ 条纹间距相等；⑶ 光到达的范围比“直线传播”的大。

三、比较推理、分析现象
我们可以仿照机械波的干涉，用波动理论来分析屏上明暗条纹的分布情况：
⑴中央明条纹 (课件投影右图)
S1、S2到P0点距离相同，所以这两列波的波峰或波谷同时到达P0点，在这一点，两列波的波峰与波峰叠加，波谷与波谷叠加，他们在P0点相互加强，因此这里出现明条纹。
⑵第一亮条纹
S1、S2到P1点距离不相同，S2到P1的距离比S2到P1的距离大一个波长。所以当S1的波峰(或波谷)到达P1点时，S2的波峰(或波谷)也到达P1点。在这一点，两列波的波峰与波峰叠加，波谷与波谷叠加，他们在P1点相互加强，因此这里也出现明条纹。
⑶第一暗条纹
S1、S2到Q1点距离不相同，S2到Q1的距离比S2到Q1的距离大半个波长。所以当S1的波峰(或波谷)到达Q1点时，S2的波谷 (或波峰)也到达Q1点。在这一点，两列波的波峰与波谷叠加，他们在Q1点相互减弱，因此这里出现暗条纹。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
暗纹：光程差
为了巩固理解干涉的稳定性， 播放多媒体动画(右图为该动画的截图，本动画可以逐帧播放，动画每播放一帧，波向前传播一个周期，由动画可以清晰看出干涉加强的位置每一时刻都是加强的，而减弱的位置每一时刻都是减弱的。)
其实，我们刚才讨论的所谓振动加强点，实际上应该是振动最强的点，该点振幅最大(等于两列波的振幅之和)，而振动减弱的点实际上是振动最弱的点，该点振幅最小(等于两列波的振幅之差)。像这样的点我们称为明条纹中心位置或暗条纹中心位置。大家从干涉图样上可以看出明条纹到暗条纹是逐渐过渡过去的。(这是学生理解上的难点 。)
思考题：试着推导出明条纹(暗条纹)中心位置的表达式。(为下一节的实验打下基础)
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。