資源簡(jiǎn)介

4.3 光的干涉
教學(xué)分析
本節(jié)課程屬于人教版（2019）選擇性必修一第四章第三節(jié)內(nèi)容。光的雙縫干涉現(xiàn)象在日常生活中比較少見，學(xué)生對(duì)雙縫干涉現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)依賴于實(shí)驗(yàn)。因此，成功地做好用氦氖激光器演示光的雙縫干涉的實(shí)驗(yàn)，是促使學(xué)生正確理解本節(jié)知識(shí)的關(guān)鍵。這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)最好在暗室里進(jìn)行。若在教室做此實(shí)驗(yàn)，應(yīng)將四周的窗簾拉上，以確保看清干涉條紋。在對(duì)光源的介紹上，教師只需要向?qū)W生說(shuō)明要看到干涉現(xiàn)象，除了頻率相同外，還要滿足振動(dòng)情況相同等條件，不提及相位差等概念，避免加重學(xué)生理解上的負(fù)擔(dān)。
教學(xué)課時(shí)
2課時(shí)
教學(xué)對(duì)象
高二年級(jí)學(xué)生
教學(xué)目標(biāo)
(1)了解相干光源，知道光的干涉條件，知道楊氏干涉實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理。
(2)通過(guò)光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)雙縫干涉圖樣的特征。
(3)知道光的路程差的概念，知道產(chǎn)生明暗條紋的條件和相鄰兩個(gè)亮(暗)條紋中心間距與波長(zhǎng)的關(guān)系。
(4)知道薄膜干涉的原理并能解釋一些現(xiàn)象。
教學(xué)重難點(diǎn)
教學(xué)重點(diǎn)
(1)使學(xué)生知道雙縫干涉產(chǎn)生的條件，認(rèn)識(shí)干涉圖樣的特征。
(2)理解雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生亮條紋和暗條紋的條件。
(3)薄膜干涉的原理
教學(xué)難點(diǎn)
薄膜干涉是教學(xué)的難點(diǎn)，學(xué)生要通過(guò)觀察來(lái)認(rèn)識(shí)薄膜干涉條紋的特點(diǎn)，能依據(jù)干涉原理解釋單色光的干涉條紋，構(gòu)建模型解釋蠟燭火焰在肥皂薄膜中所成的干涉圖樣。要完成這一難點(diǎn)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，需要教師很好地進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。
教學(xué)方法
類比法、實(shí)驗(yàn)法、分組探究法
教學(xué)準(zhǔn)備
PPT課件、激光光源、雙縫、濾色片；激光干涉演示儀；酒精燈、食鹽、火柴、鐵絲圈、肥皂水
教學(xué)過(guò)程
新課引入
(多媒體輔助)教師展示多媒體課件上肥皂膜和油膜上的彩色條紋邊引導(dǎo)學(xué)生討論回答。最后教師提出問(wèn)題“肥皂膜和油膜上的彩色條紋是如何形成？”
學(xué)生討論。
教師引出新課實(shí)驗(yàn)演示光的雙縫干涉。
新課教學(xué)
一 光的雙縫干涉
教師課堂演示光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，并讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，若沒(méi)條件做實(shí)驗(yàn)的學(xué)校也可利用多媒體輔助直接展示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。注意教師在做實(shí)驗(yàn)時(shí)要向?qū)W生說(shuō)明要看到干涉現(xiàn)象，除了頻率相同外，還要滿足振動(dòng)情況相同等條件。同時(shí)還可以在距離光源不同的位置用白紙作為接收屏，讓學(xué)生觀察到屏與光源的距離增大時(shí)條紋所發(fā)生的變化。
教師要求學(xué)生分組討論：為什么有的地方出現(xiàn)亮條紋，有的地方出現(xiàn)暗條紋。教師可以提示學(xué)生與波的干涉做類比。
教師選擇一兩個(gè)小組代表發(fā)言后，借助多媒體課件帶領(lǐng)學(xué)生共同分析并總結(jié)得出：當(dāng)兩列波的路程差為半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍(波長(zhǎng)整數(shù)倍)光振動(dòng)在該點(diǎn)加強(qiáng)，形成亮條紋；當(dāng)兩列波的路程差為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，光振動(dòng)在該點(diǎn)減弱，形成暗條紋。
分析過(guò)程：S1與S2發(fā)出的兩列波到達(dá)P0點(diǎn)的路程一樣，所以這兩列波的波峰或波谷同時(shí)到達(dá)P0點(diǎn)。這兩列波總是波峰與波峰疊加、波谷與波谷疊加，它們?cè)赑0點(diǎn)相互加強(qiáng)，因此在P0這里出現(xiàn)了一個(gè)亮條紋。
同樣，兩列波到達(dá)P1的路程差為λ，所以這兩列波的波峰或波谷同時(shí)到達(dá)P1點(diǎn)，它們?cè)赑1點(diǎn)相互加強(qiáng)，因此在P1點(diǎn)出現(xiàn)了一個(gè)亮條紋。在P1點(diǎn)的上方還可以找到路程差為2λ的P2點(diǎn)，路程差為3λ的P3點(diǎn)，路程差為nλ的Pn點(diǎn)，它們對(duì)應(yīng)產(chǎn)生第2、3、4…條明條紋，還有明條紋的地方嗎？在P0下方，與P1、P2等關(guān)于P0對(duì)稱的點(diǎn)也應(yīng)是明條紋。
在Q1點(diǎn)兩列波的波程差是λ/2，是波峰與波谷相遇，振動(dòng)步調(diào)剛好相反，所以是暗條紋。
總結(jié)規(guī)律：凡光程差等于波長(zhǎng)整數(shù)倍的位置，產(chǎn)生亮條紋；凡光程差等于半波長(zhǎng)奇數(shù)倍的位置，產(chǎn)生暗條紋，即產(chǎn)生亮暗條紋條件表達(dá)式：
亮紋：光程差δ=kλ(k=0，1，2…)
暗紋：光程差
二 干涉條紋和光的波長(zhǎng)之間的關(guān)系
教師：我們知道了明暗條紋出現(xiàn)的位置規(guī)律，那么條紋間距與波長(zhǎng)之間有沒(méi)有關(guān)系呢？下面我們就來(lái)推導(dǎo)一下。
由于 d l ，運(yùn)用幾何知識(shí)，得，解得。
而形成亮紋的條件：；
則亮紋到中心的距離：；
則相鄰兩個(gè)亮條紋間距為：
用肥皂膜做薄膜干涉實(shí)驗(yàn)
學(xué)生分組做教材演示實(shí)驗(yàn)，教師分別從以下幾方面引導(dǎo)學(xué)生：
(1)在薄膜的哪側(cè)觀察像？
(2)像是怎樣的？
(3)像上明暗相間的條紋，是哪兩列波發(fā)生干涉產(chǎn)生的，是如何產(chǎn)生的？
(4)為什么條紋間距會(huì)越來(lái)越大？
(5)如果換用不同的色光代替加食鹽的酒精燈做光源，條紋會(huì)有什么變化？
教師找1~2個(gè)小組代表對(duì)自己的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行闡述并作出相應(yīng)的解釋后，借助多媒體課件從步驟、現(xiàn)象及現(xiàn)象解釋三個(gè)方面對(duì)薄膜干涉實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。
薄膜干涉在技術(shù)上的應(yīng)用
(1)檢查物體表面的平滑程度
(多媒體輔助)教師展示課件：介紹如何利用薄膜干涉檢查物體表面的平滑程度。
光在空氣層的上下表面發(fā)生反射，這兩束反射光發(fā)生干涉。如果被檢測(cè)表面的平整的，將看到與底線平行的干涉條紋；如果檢測(cè)表面不平整時(shí)：干涉條紋向左那么被檢測(cè)表面下凹，干涉條紋向右那么被檢測(cè)表面上凸。
分析過(guò)程：①厚度相等的地方，光程差一樣，干涉情況一樣，即某一厚度光疊加加強(qiáng)，該厚度全部加強(qiáng)；為亮紋，若疊加減弱，則為暗紋。
②如圖，假設(shè)厚度為h處為亮紋，由于該處下凹，厚度h向劈尖(左)平移，則條紋向劈尖(左)彎曲。同理，表面上凸，條紋向右平移。
(2)增透膜
(多媒體輔助)教師直接展示PPT課件，介紹增透膜即可。
典題剖析
例1 在如圖所示是光的雙縫干涉的示意圖，下列說(shuō)法中正確的是( )
①單縫S的作用是為了增加光的強(qiáng)度
②雙縫 S1、S2 的作用是為了產(chǎn)生兩個(gè)頻率相同的線狀光源
③當(dāng) S1、S2發(fā)出兩列光波到 P 點(diǎn)的路程差為光的波長(zhǎng)λ 的1.5倍時(shí)，產(chǎn)生第二條暗條紋
④當(dāng) S1、S2 發(fā)出的兩列光波到 P 點(diǎn)的路程差為長(zhǎng)λ時(shí)，產(chǎn)生中央亮條紋
A.① B.①② C.②④ D.②③
答案：D
解析：?jiǎn)慰p的作用是形成線光源，所以①錯(cuò)誤；雙縫屏的作用是形成相干光源，所以②正確；當(dāng)S1、S2發(fā)出兩列光波到P點(diǎn)的路程差為光的波長(zhǎng) λ 的0.5倍時(shí)產(chǎn)生第一條暗條紋，當(dāng) S1、S2 發(fā)出兩列光波到P點(diǎn)的路程差為光的波長(zhǎng) λ 的1.5倍時(shí)，產(chǎn)生第二條暗條紋，所以③正確；當(dāng)S1、S2發(fā)出的兩列光波到 P 點(diǎn)的路程差為0時(shí)，產(chǎn)生中央亮條紋，所以④錯(cuò)誤。
例2 某同學(xué)用單色光進(jìn)行雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，在屏上觀察到題(甲)圖所示的條紋，僅改變一個(gè)實(shí)驗(yàn)條件后，觀察到的條紋如題(乙)圖所示。他改變的實(shí)驗(yàn)條件可能是( )
A．減小光源到單縫的距離
B．減小雙縫之間的距離
C．減小雙縫到光屏之間的距離
D．換用頻率更高的單色光源
答案：D
解析：乙圖中條紋的間距比甲圖大，根據(jù)雙縫干涉的條紋間距公式知，乙圖中可能是光的波長(zhǎng)λ較長(zhǎng)，即頻率較低，也可能縫與屏間距 l增大，也可能雙縫間距 d 減小。
例3 用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置觀察光的薄膜干涉現(xiàn)象。圖(a)是點(diǎn)燃的酒精燈(在燈芯上灑些鹽)，圖(b)是豎立的附著一層肥皂液薄膜的金屬絲圈。將金屬絲圈在其所在的豎直平面內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn)，觀察到的現(xiàn)象是( )
A．當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)30°時(shí)干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)30°
B．當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)45°時(shí)干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)90°
C．當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)60°時(shí)干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)30°
D．干涉條紋保持原來(lái)狀態(tài)不變
答案：D
解析：金屬絲圈在豎直平面內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn)時(shí)，楔形薄膜形狀各處厚度形狀幾乎不變。因此，形成的干涉條紋保持原狀態(tài)不變，D正確，A、B、C錯(cuò)誤。
例4 如圖所示，是用干涉法檢查玻璃板上表面是否平整的裝置。用單色光做光源，檢查中所觀察到的干涉條紋是由下列哪兩個(gè)表面反射的光線疊加而成的 ( )
A. a的上表面和b的下表面
B. a的上表面和b的上表面
C. a的下表面和b的上表面
D. a的下表面和b的下表面
答案：C
解析：這里的薄膜指的是樣板與待測(cè)玻璃之間的空氣層。空氣層的上表面和下表面分別反射的光會(huì)發(fā)生干涉，觀察干涉后形成的條紋是否為平行直線，可以斷定厚玻璃板的上表面是否平整。
課堂小結(jié)
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