資源簡(jiǎn)介

第四章 第3節(jié) 光的干涉------教學(xué)評(píng)大單元分課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)
課 題 人教版班中物理 選擇性必修 第一冊(cè) 第四章 第三節(jié) 光的干涉
課 型 新授課 復(fù)習(xí)課□ 試卷講評(píng)課□ 其他課□
授課班級(jí) 授課時(shí)間
教學(xué)內(nèi)容分析 課標(biāo)要求：主要介紹了光的干涉現(xiàn)象，包括干涉的條件、干涉條紋的產(chǎn)生及干涉應(yīng)用等內(nèi)容。 教材分析：本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容涉及了物理學(xué)基本原理與現(xiàn)代科技的緊密聯(lián)系，能夠幫助學(xué)生理解光的波動(dòng)性，從而更好地理解光的性質(zhì)。通過(guò)學(xué)習(xí)光的干涉現(xiàn)象，學(xué)生能夠了解到光波的特性，并且可以進(jìn)一步探討光波在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。
學(xué)習(xí)者 分析 知識(shí)儲(chǔ)備：學(xué)生基本掌握了光的折射、全反射等基本知識(shí)，有利于理解光的干涉現(xiàn)象。 能力基礎(chǔ)：學(xué)生對(duì)光的波動(dòng)性有一定了解，但對(duì)于光的干涉現(xiàn)象及其應(yīng)用尚不熟悉，需要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。 思維能力：學(xué)生具備一定的實(shí)驗(yàn)操作能力，可以在實(shí)驗(yàn)中觀察光的干涉現(xiàn)象，提高學(xué)生對(duì)干涉現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。
核心素養(yǎng) 物理觀念∶知道光的干涉條件，能用干涉條件解釋薄膜干涉。 科學(xué)思維∶利用光程差的概念，理解產(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。 科學(xué)探究：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。 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任∶知道薄膜干涉在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生用物理的眼光看待問(wèn)題的思維。
教學(xué)準(zhǔn)備 多媒體課件
活動(dòng)設(shè)計(jì)
教學(xué)內(nèi)容 教師活動(dòng) 學(xué)生活動(dòng) 評(píng)價(jià)任務(wù)
環(huán)節(jié)一:導(dǎo)入新課 活動(dòng)一：
（播放視頻）肥皂膜看起來(lái)常常是彩色的，雨后公路積水上面漂浮的油膜，也經(jīng)常顯現(xiàn)出彩色條紋。 這些彩色條紋或圖樣是怎樣形成的？ 想一想 如果兩列機(jī)械波的頻率相同、相位差恒定、振動(dòng)方向相同，就會(huì)發(fā)生干涉。光是一種電磁波，那么光也應(yīng)該會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。怎樣才能觀察到光的干涉現(xiàn)象呢？
環(huán)節(jié)二:新課教學(xué) 活動(dòng)一：光的雙縫干涉
一、光的雙縫干涉 1.明條紋區(qū)： r=nλ（n=0.1.2......） 在兩相干光源中垂線(xiàn)上的P0點(diǎn)到兩波源的距離相同，就是說(shuō)P0點(diǎn)的光程差是零，即 rp0=0。光波到達(dá)P0點(diǎn)時(shí)的相位相同，在這一點(diǎn)波峰與波峰疊加，波谷與波谷疊加，兩個(gè)光波相互加強(qiáng)，在這個(gè)點(diǎn)的振幅最大的，等于兩列光波的振幅之和。 所以此處的明條紋被稱(chēng)作中央明條紋。 由P0向上移動(dòng)，光程差將逐漸增大，當(dāng)光程差等于一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)（ r=λ），再次出現(xiàn)加強(qiáng)點(diǎn)P1，對(duì)應(yīng)的明條紋被稱(chēng)作一級(jí)明條紋。以此類(lèi)推，當(dāng)光程差等于二倍波長(zhǎng)時(shí)（ r=2λ），對(duì)應(yīng)的也是加強(qiáng)點(diǎn)，這個(gè)明條紋被稱(chēng)作二級(jí)明條紋。P0下方同樣存在一二級(jí)明條紋。 2、暗條紋區(qū)： 綜上所述，光也滿(mǎn)足波的干涉條件，在相干光源的情況下 光程差是整倍波長(zhǎng)的是加強(qiáng)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的是明條紋。光程差是半波長(zhǎng)奇數(shù)倍的是減弱點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的是暗條紋。注意這個(gè)中心條紋的光程差一定是零，也是波的整數(shù)倍，所以中心點(diǎn)的一定是明條紋。 演示：光的雙縫干涉 在暗室中用氦氖激光器發(fā)出的紅色激光照射金屬擋板上的兩條平行的狹縫，在后面的屏上觀察光的干涉情況。 （播放實(shí)驗(yàn)視頻） 問(wèn)題：為什么會(huì)形成這樣明暗相間的條紋呢？ 在p0和p1之間存在一個(gè)Q1點(diǎn)，Q1點(diǎn)的光程差等于半個(gè)波長(zhǎng)，當(dāng)S1的波峰到達(dá)Q1時(shí)， S2的波谷恰好也到達(dá)Q1點(diǎn)，兩列光波的波峰與波谷疊加，他們?cè)赒1點(diǎn)的震動(dòng)是減弱的，這個(gè)點(diǎn)的振幅是最小的，等于兩列光波的振幅之差，因此這里會(huì)出現(xiàn)暗條紋。他的光程差是半波長(zhǎng)的一倍，對(duì)應(yīng)的暗條紋被稱(chēng)作一級(jí)暗條紋。 實(shí)驗(yàn)分析：雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)艿玫礁缮鎴D樣。用的是白光，得到干涉圖樣是明暗相間的彩色條紋。后來(lái)光源換成了單色光，得到的干涉圖樣更明顯。所以實(shí)驗(yàn)多使用單色光。 我們知道波的干涉是由于波程差的不同，當(dāng)波程差是整倍波長(zhǎng)時(shí) r=nλ（λ=0、1、2、3、、、），該點(diǎn)是加強(qiáng)點(diǎn)。當(dāng)波程差是半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，該點(diǎn)就是減弱點(diǎn)。 對(duì)于光的干涉也是這樣。 從Q1點(diǎn)向外側(cè)還會(huì)有Q2，Q3點(diǎn) 光程差分別等于和，他們都是減弱點(diǎn)，對(duì)的位置就會(huì)出現(xiàn)暗條紋，被稱(chēng)作二級(jí)暗條紋和三級(jí)暗條紋。 這里所謂的加強(qiáng)點(diǎn)和減弱點(diǎn)分別是振幅最大和最小的點(diǎn)，加強(qiáng)點(diǎn)位于明條紋的中心位置，減弱點(diǎn)微與暗條紋的中心位置，兩種條紋是逐漸過(guò)渡過(guò)去的。 培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析何總結(jié)能力
活動(dòng)二：干涉條紋和光的波長(zhǎng)之間的關(guān)系
（二）干涉條紋和光的波長(zhǎng)之間的關(guān)系 接下來(lái)探究一下這些條紋間距的決定因素是什么呢？ 在這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖中，用幾何方法推導(dǎo)出x的決定因素。 如圖在屏幕上任取加強(qiáng)p，他到p0的距離就是x。設(shè)雙方到屏的距離是l，兩縫間距是d，這是兩縫倒p的距離，在pS2上取一點(diǎn)M，使PM的距離等于p S1的距離。那p點(diǎn)的光程差就是S2 M，記為 r=S2 M=r2-r1 結(jié)論：對(duì)任意兩個(gè)明條紋的光程差，它應(yīng)該等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍， 顯然一級(jí)明條紋和二級(jí)名條文加強(qiáng)點(diǎn)的間距就等于他倆的差值。 即與這段間距相同，也就是說(shuō)任意兩個(gè)相鄰明條紋，他們加強(qiáng)點(diǎn)的間距都是。這也是明條紋中心的距離。 同理，可以算出兩個(gè)相鄰暗條紋的中心距離也是，這個(gè)間距與板間距離和波長(zhǎng)成正比，與雙縫寬度成反比。 根據(jù)式可知，條紋之間的距離與光波的波長(zhǎng)成正比。因此能夠斷定，不同顏色的光，波長(zhǎng)不同。實(shí)驗(yàn)中確實(shí)發(fā)現(xiàn)，各種顏色的單色光都會(huì)發(fā)生干涉，但條紋之間的距離不一樣。用黃光做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，條紋之間的距離比用紅光時(shí)小；用藍(lán)光時(shí)更小。 因?yàn)槠恋絻煽p的距離遠(yuǎn)大于兩縫的距離，所以在 P1S1M這個(gè)等腰三角形中，r1=r2且遠(yuǎn)大于底邊S1M，它的頂角很小，可以認(rèn)為兩個(gè)底角近似等于90度，即認(rèn)為P1S2垂直S1M。 在Rt S1MS2這個(gè)直角三角形中，設(shè)∠S2S1M=θ，那這個(gè)對(duì)邊就是 r=S2 M=dsinθ。 再連接PO和OP0同樣可以將po和S1 M看作垂直。在Rt P1OP0這個(gè)三角形中，θ很小，所以有 。 將這兩個(gè)式子連立可得 變形一下任意明條紋的間距就是： 當(dāng)P點(diǎn)是一級(jí)明條紋的加強(qiáng)點(diǎn)時(shí)，它的波程差是一個(gè)波長(zhǎng)，即（ r=2λ），此時(shí)n=1，這個(gè)距離就是， 如果p點(diǎn)是二級(jí)明條紋的加強(qiáng)點(diǎn)時(shí)，此時(shí)n=2，這個(gè)距離就是。 知道了間距的決定因素來(lái)試試分析一下這個(gè)彩色條紋，它是白色光干涉形成的，白光是由紅橙黃綠藍(lán)電子復(fù)色光組成，按照這個(gè)順序波長(zhǎng)變短，紅光的波長(zhǎng)最長(zhǎng)，它的干涉條紋就最寬，使得在這個(gè)圖樣中，中間的明條紋邊界處會(huì)趨近于暖色，而更外側(cè)的明條紋都是紅色靠外，藍(lán)色靠里。另外因?yàn)樗羞^(guò)程的光在這個(gè)中間位置高是明條紋。所以這個(gè)中間條紋一定是白色的。 思考：光的雙縫干涉條紋特征，如條紋間距、寬度等，能反映出光的波長(zhǎng)、頻率等信息嗎？ 思考與討論 不同顏色的單色光產(chǎn)生的干涉條紋會(huì)有什么不同？請(qǐng)你作出猜想，并在下節(jié)的實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證。 培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析何總結(jié)能力
活動(dòng)三：薄膜干涉
三、薄膜干涉 現(xiàn)象：生活中陽(yáng)光下的肥皂泡，水面上的油膜，都會(huì)呈現(xiàn)五彩繽紛的圖樣。在實(shí)驗(yàn)室里如果讓酒精燈發(fā)出明亮的黃光，然后把鐵絲掛上肥皂膜，讓酒精燈照射肥皂膜，就會(huì)出現(xiàn)明暗相見(jiàn)的黃色條紋。 1.薄膜干涉的成因 薄膜干涉，它是由于入射光在非等厚薄膜的前表面分離，經(jīng)過(guò)兩個(gè)表面反射，再次相遇疊加而形成的。 ①不等厚度的薄膜 ②等厚度的薄膜 顯然薄膜前后表面的反射光仍然是相干光，他們就一定會(huì)發(fā)生干涉。但薄膜厚度不變，所以他們的光程差都一樣，如果其中一點(diǎn)的兩束反射光是相互加強(qiáng)的話(huà)，那么其他位置的反射光也是加強(qiáng)的。也就是說(shuō)這樣的薄膜雖然有干涉現(xiàn)象，但膜上各處亮度相同，不會(huì)出現(xiàn)干涉條紋。 2.薄膜干涉的應(yīng)用 ①增透膜 那么在上表面形成的干涉就是減弱的，從而使反射光的強(qiáng)度減小為0。根據(jù)能量守恒定律，入射光將全部透射入玻璃中，這層膜就被稱(chēng)作增透膜。 ②增反膜 如果該薄膜厚度， 薄膜表面的干涉就是加強(qiáng)的，對(duì)應(yīng)的反射光加強(qiáng)，透射光減弱，這種膜被稱(chēng)作增反膜。 通常將其度在車(chē)的外玻璃上，在白天車(chē)內(nèi)的人可以清晰的看到外面的景物，而外面的人卻只能從反射光中看到藍(lán)天白云。 ③平滑度檢測(cè) 隨著科技的進(jìn)步出現(xiàn)了很多精密儀器，他們的光學(xué)表面精度極高，哪怕只有幾微米的出入也會(huì)影響使用。顯然這個(gè)不是肉眼能看出來(lái)的，那怎么檢測(cè)它的平整度呢？ 取一個(gè)透明的標(biāo)準(zhǔn)樣板放在待測(cè)面上方，并在一端墊薄片兒。使樣板平面與待測(cè)平面之間形成一個(gè)楔形空氣膜，用單色光從上方照射，分別在空氣膜的上下表面發(fā)生反射，從而在樣板下表面發(fā)生了薄膜干涉。 如果待測(cè)表面平整，它的干涉條紋就是等間距的平行直線(xiàn)。如果干涉條紋發(fā)生了彎曲，就說(shuō)明被測(cè)的光學(xué)面在P，M兩點(diǎn)就是不平整的。 先來(lái)看P點(diǎn)，他與Q點(diǎn)在同一個(gè)明條紋上，那就說(shuō)明他們的光程差是相同的，即他們對(duì)應(yīng)的空氣膜厚度是相同的。可是P點(diǎn)比Q點(diǎn)更靠近楔尖，如果被測(cè)表面是平的，P的空氣薄膜厚度應(yīng)該小于Q的空氣薄膜厚度。此時(shí)測(cè)量到他們的空氣膜厚度相同。即P點(diǎn)空氣膜厚度應(yīng)該等于Q點(diǎn)的空氣膜厚度，說(shuō)明P點(diǎn)出現(xiàn)凹陷。 再來(lái)看M點(diǎn)，它與N點(diǎn)在同一條明條紋上，說(shuō)明他們的空氣膜厚度也相同。 而實(shí)際M比N點(diǎn)靠外，它的空氣膜厚度應(yīng)該比較大，但測(cè)量到他們的空氣膜厚度相同。說(shuō)明M點(diǎn)出現(xiàn)了凸起。 待測(cè)表面平整 先來(lái)討論楔形頂角不變光的波長(zhǎng)變大時(shí)，干涉條紋的寬度如何變化？ 我們已經(jīng)知道相鄰兩條條紋的光程差及對(duì)應(yīng)的薄膜厚度的兩倍，它們相差是一個(gè)波長(zhǎng)。如果波長(zhǎng)變大，對(duì)應(yīng)的空氣膜厚度的差值就會(huì)變大。 播放視頻這兩個(gè)過(guò)程。 在酒精燈的燈芯上撒一些食鹽，燈焰就能發(fā)出明亮的黃光。把鐵絲圈在肥皂水中蘸一下，讓它掛上一層薄薄的液膜。把這層液膜當(dāng)作一個(gè)平面鏡，用它觀察燈焰的像。這個(gè)像與直接看到的燈焰有什么不同？ 在這個(gè)干涉圖樣中，相鄰兩個(gè)明條紋他們的光程差應(yīng)該差一個(gè)波長(zhǎng)，顯然波長(zhǎng)越大，這個(gè)條紋的間距就會(huì)越大。比如黃光的波長(zhǎng)大于紫光的波長(zhǎng)，那紫色的干涉條紋就更窄，而開(kāi)始的彩色條紋則是有白光干涉所產(chǎn)生的。 這些都是厚度不同的楔形薄膜，如果是等厚度的薄膜還會(huì)出現(xiàn)干涉條紋嗎？ 當(dāng)光照射玻璃時(shí)一部分光會(huì)發(fā)生反射，另外一部分光將會(huì)透徹進(jìn)入玻璃。反射光的存在無(wú)疑降低了透射光的強(qiáng)度，使成像的亮度減少。為了減少反射光的強(qiáng)度，常常在玻璃上面涂上一層透明的等厚薄膜。在他的這個(gè)表面就會(huì)發(fā)生薄膜干涉，我們已經(jīng)知道薄膜干涉的光程差等于兩倍的薄膜厚度，即： r=2d 如果該薄膜厚度， 如果把膜厚增加到波長(zhǎng)一半又會(huì)怎么樣呢？ 問(wèn)題：那這兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是凹陷還是凸起呢？ 待測(cè)表面不平整 那待測(cè)面面平整，它的條紋寬度與楔形頂角和光的波長(zhǎng)有什么關(guān)系？ 從圖中來(lái)看，要增加空氣膜厚度的差值，再不改變頂角的情況下，條紋的間距一定變大。即頂角不變，波長(zhǎng)變大，條紋間距就變大。 那如果波長(zhǎng)不變，楔形頂角頂角減小，條紋的間距會(huì)怎么變呢？ 既然波長(zhǎng)不變，說(shuō)明空氣薄膜的厚度差距不變，從圖中來(lái)看，這兩處空氣薄膜厚度固定。當(dāng)頂角減小時(shí)，明條紋的位置一定會(huì)移動(dòng)，當(dāng)空氣膜厚度滿(mǎn)足條件時(shí)，兩條明條紋的間距比原來(lái)的間距變大。即波長(zhǎng)不變，頂角減小時(shí)，間距變大。也就是說(shuō)當(dāng)光的波長(zhǎng)變大，楔形頂角變小時(shí)，條紋的間距變大。 做一做：用肥皂膜做薄膜干涉實(shí)驗(yàn) 現(xiàn)象：為什么會(huì)出現(xiàn)這些現(xiàn)象呢？ 以肥皂膜為例，在重力的作用下，肥皂膜會(huì)形成上薄下厚的楔形。酒精燈的黃光照射在他的前表面，一部分會(huì)被反射回去，另外一部分會(huì)進(jìn)入肥皂膜，并在他的后表面發(fā)生反射。前后表面的反射光在前表面相遇疊加，由于兩束反射光是同一束光分離出來(lái)的，所以這樣說(shuō)反射光是頻率相同的相干光。他們就會(huì)發(fā)生干涉。 對(duì)于A這個(gè)疊加點(diǎn)兩處反射光在這兒的光程差，就是這束透射光來(lái)回的行程，即此處薄膜厚度的兩倍。當(dāng)?shù)裙獬滩畹扔谝粋€(gè)波長(zhǎng)時(shí)： rA=2dA=λ 兩束反射光相互加強(qiáng)，即在A點(diǎn)形成明條紋。 隨著薄膜厚度增加，當(dāng)光程差： 兩束反射光會(huì)相互減弱，即在B點(diǎn)形成暗條紋。以此類(lèi)推，就會(huì)形成明暗相間的黃色條紋了。 像這樣在薄膜表面發(fā)生的干涉現(xiàn)象，被稱(chēng)作膜干涉。 這里你需要注意這個(gè)波長(zhǎng)指的是光在膜中的波長(zhǎng)，而不是光在真空中的波長(zhǎng)。 由于白光是多種波長(zhǎng)的光復(fù)合而成，我們無(wú)法使薄膜的厚度同時(shí)等于所有光波波長(zhǎng)的1/4。由于人眼對(duì)綠光最敏感，通常在鏡頭外用的都是綠光的增透膜，還有綠光不上相差最大的紅光和紫光反射就會(huì)增多，所以我們看到鏡頭的反光色通常呈現(xiàn)紫色或者藍(lán)色。 先來(lái)看P點(diǎn)，他與Q點(diǎn)在同一個(gè)明條紋上，那就說(shuō)明他們的光程差是相同的，即他們對(duì)應(yīng)的空氣膜厚度是相同的。可是P點(diǎn)比Q點(diǎn)更靠近楔尖，如果被測(cè)表面是平的，P的空氣薄膜厚度應(yīng)該小于Q的空氣薄膜厚度。此時(shí)測(cè)量到他們的空氣膜厚度相同。即P點(diǎn)空氣膜厚度應(yīng)該等于Q點(diǎn)的空氣膜厚度，說(shuō)明P點(diǎn)出現(xiàn)凹陷。 再來(lái)看M點(diǎn)，它與N點(diǎn)在同一條明條紋上，說(shuō)明他們的空氣膜厚度也相同。 而實(shí)際M比N點(diǎn)靠外，它的空氣膜厚度應(yīng)該比較大，但測(cè)量到他們的空氣膜厚度相同。說(shuō)明M點(diǎn)出現(xiàn)了凸起。 培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析何總結(jié)能力
環(huán)節(jié)三: 課堂練習(xí)
例1：劈尖干涉是一種薄膜干涉，如圖:所示。將一塊平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夾入兩張紙片，從而在兩玻璃表面之間形成一個(gè)劈形空氣薄膜，當(dāng)光從上方入射后，從上往下看到的干涉條紋有如下特點(diǎn)： （1）任意一條明條紋或暗條紋所在位置下面的薄膜厚度相等； （2）任意相鄰明條紋或暗條紋所對(duì)應(yīng)的薄膜厚度差恒定。 現(xiàn)若在如圖所示裝置中抽去一張紙片，則當(dāng)光入射到劈形空氣薄膜后，從上往下可以觀察到干涉條紋發(fā)生了怎樣的變化？ 引導(dǎo)學(xué)生分析情境解決問(wèn)題。 解析：經(jīng)空氣薄膜上下表面分別反射的兩列光是相干光源，其光程差為 x=2d，即光程差是空氣層厚度的2倍。當(dāng)光程差 x=nλ時(shí)，此處出現(xiàn)亮條紋，因此相鄰亮條紋之間的空氣層厚度差一定為。抽去一張紙后，空氣層的傾角變小，則相鄰亮紋（或暗紋）之間的間距變大，因此干涉條紋變疏。 評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握和應(yīng)用的能力。
環(huán)節(jié)四：課堂小結(jié)
光的雙縫干涉 干涉條紋和光的波長(zhǎng)之間的關(guān)系 薄膜干涉 引導(dǎo)學(xué)生總結(jié) 總結(jié)本節(jié)課所學(xué)知識(shí)。 幫助學(xué)生梳理基礎(chǔ)知識(shí)，建立知識(shí)框架。
活動(dòng)五：練習(xí)與作業(yè)
完成教材P100頁(yè)練習(xí)與應(yīng)用 布置作業(yè) 完成作業(yè) 檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況。
環(huán)節(jié)六：主板書(shū)設(shè)計(jì)
4.3光的干涉 一、光的雙縫干涉 明條紋區(qū)： r=nλ（λ=0、1、2、3、、、） 暗條紋區(qū)： 干涉條紋和光的波長(zhǎng)之間的關(guān)系 兩個(gè)任意相鄰亮（暗）條紋的中心距離是： 薄膜干涉 它是由于入射光在非等厚薄膜的前表面分離，經(jīng)過(guò)兩個(gè)表面反射，再次相遇疊加而形成的。
教學(xué)反思

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