黑龙江省哈尔滨市木兰高级中学高中物理 第二十章 光的波动性教案

1 高中物理高中物理 第二十章第二十章 光的波动性教案光的波动性教案 光究竟是什么 这个问题困绕了科学家们很长的时间 从光的直线传播 反射定律看 光很象是一种弹性良好的粒子流 用惯性 动量 守恒解释 而且 从光的折射方面考察 它和粒子之间似乎也有某种共性 譬如 网球往水中的折射 也会满足一个入射角和折射角的正弦之比为恒量的规律 因此 十七世纪 人们提出光是实物粒子流 粒子足够小 弹性足够好 持这种观点的代 表是牛顿 但是 光在传播时 也有一些用微粒说不能解释的现象 如衍射 干涉 偏振等 这些都是波动的典型特征 于是 十七世纪中叶 就已经出现了光是一种波的学说 坚持波动说的典型物理学家是 荷兰 惠更斯 一方面由于惠更斯的波动说确实存在缺陷 解释直进 在真空中传播有困难 另 一方面 由于牛顿在十七 十八世纪形成的泰斗地位 虽然没有足够的理由表明牛 顿是微粒说的顽固坚持者 事实上 牛顿本人就在 1675 年做了牛顿环的实验 并提 出了 波具有周期性 的观点 但微粒说一度占据了上风 甚至在整个十八世纪 波动说没有实质性地得到发展 到十九世纪 人们对于光的本性研究的手段更先进了 电磁场的理论也逐渐成熟 因此 在 60 年代 光的电磁波说被推了出来 它的代表物理学家是麦克斯维 由于 麦克斯维的电磁波说和惠更斯的以太 弹性 波学说有着本质的区别 在解释各种光 学现象时也非常成功 因此 人们一度认为它已经足够完美了 但是 到十九世纪末 人们发现了光电效应 这使光的电磁波说遇到了空前的困 难 在这种背景下 光的能量子说 光子说 应运而生 它的代表物理学家是爱因斯 坦 爱因斯坦提出光子说 并不意味着电磁波说倒退到牛顿的微粒说 因为量子和弹 性微粒是两个本质不同的概念 由于光子说主要是偏重于解释光的能量传递方面的 特征 实质上并没有否定光的电磁波学说 基于光的传播方向得出结论 光究竟是 什么 现在的权威性观点是 量子性和波动性都是光的属性之一 只是在某些条件下 某一个属性表现比较抢眼一些 光是波动和粒子运动的矛盾统一 体 这就是所谓的波 粒二象性 而本章 我们主要介绍光的波动属性 以及相关的物理史实 2 本章的知识点在高考考纲中都是 A 级 在历年的高考试题中 有关本章的内容多以选 择或填空题的形式出现 命题几率较高的是光的干涉 衍射 其次是波长 波速和频 率的关系 有时还与几何光学中的知识结合起来进行考查 20 1 光的干涉 教学目的 1 认识光的干涉现象及光产生干涉的条件 2 理解 杨氏 双缝干涉形成的原理 以及条纹的特征 3 知道实现光的干涉的途径并不是唯一的 了解薄膜干涉形成的原理 以及它在 工程物理领域的应用 教学重点 光产生干涉的条件 干涉条纹的特征 教学难点 杨氏 双缝干涉形成的原理 以及条纹的特征分析 教具 杨氏 双缝干涉仪 酒精灯 食盐 铁丝圈 肥皂水 课时安排 2 课时 教学过程 复习 引入 复习提问 1 波动只所以有别于粒子运动 其重要特征是什么 学生 能够发生干涉 衍射 复习提问 2 什么是机械波的干涉 发生波的干涉的条件是什么 学生 两列波在叠加后 在空间形成稳定的振动加强和减弱的区域 而且它 们彼此间隔 两列波的频率相等 我们要确认光具有波动性 就必须拿出光能够干涉或衍射的事实 而根据刚才的 物理学史介绍 在波动说已经提出的前提下 整个十八世纪都没有得到发展 是不是 3 观察光的干涉 衍射现象很不容易呢 答案是肯定的 一 双缝干涉 为什么不容易 这得从两个角度去认识 一是干涉的条件是否容易达成 二是干 涉现象形成后 其强弱的分布状况是否方便人们去观察 在第一个方面 就是一个难题 原来的一般的光源都含有多种颜色 即多种频率 的成分 即便是找到了 完全相同 的光源 但从发光的微观角度看 由于发出的光 波具有不连续性 就不能保证相位差恒定 要保证它们能够发生干涉 也是很难的 光学上 把能够发生干涉的光源叫做 1 相干光源 频 率相等 相位差恒定的光源称为相干光源 为了确保这两个条 件满足 人们想过很多办法 英国物理学家托马斯 杨是这样做的 将同一光源发出 的光用一个只留两个孔 或两个缝 的挡板挡住 那么从这两个空 或两个缝 中射 出的光就是相干光源了 干涉现象形成后 如何方便观察 这个问题复杂一些 让我们将实验完成之后 再做定量分析 2 双缝干涉 演示 杨氏 双缝干涉实验 a 学生观察双缝 b 学生预测实验现象 教师配合草稿板图 机械波干涉分析 类比 c 学生观察干涉条纹 过渡 为了解决干涉现象形成后是否方便观察的问题 下面进入双缝干涉的定量 分析 请同学们注意 我们这里并不仅仅是解释为什么形成干涉条纹 这一点 我们已经能够利用已有的知识去预测了 而是要研究怎样形成方便观察的条纹 这 就涉及到一个条纹宽度的计算问题 因此 我们今天对光的干涉的研究比起机械波干 涉的研究必须更为深入 为了寻求条纹的宽度 我们引进波程差的分析法 a 定性阐述 4 b 定量 板图 1 分析 S2P1 S1P1 dsin d l x 当 0 时 位置 P 点 对应第一个最强点 事实上是一条线 此时 x 0 当 时 位置 P1点 对应第二个最强 线 此时 x d l 当 2 时 位置 P2点 对应第三个最强 线 此时 x 2 d l 同学们 最亮条纹之间的间距是多少 学生 条纹间距 x x x x x d l 我们这里没有计算暗纹的位置和间距情况 暗纹的间距又是多少呢 学生 当然和亮纹间距相等 3 条纹间距 x d l 假设我们手头有两个相干光源 平行的线光源 它们相距 1m 供观察的屏到光 源之间的距离为 2m 光的波长是我们前面提到的钠黄光 5893 那么干涉条 0 A 纹的间距 x 等于多少 师生共同计算 x 1 18 10 6m 0 00118mm 这样一个间距 肉眼观察容易吗 学生 不容易 那么 同样是钠黄光 杨氏双缝干涉装置的条纹间距有等于多少呢 杨氏双缝间 距 d 0 2mm 屏与双缝距离 l 1m 学生 x 2 95mm 很显然 这个间距观察起来是很 舒服 的 这个数据也和我们实际观察到的间 距相符 刚才我们事实上已经解释了双缝间距的宽窄会影响干涉条纹的间距 在这方面 我们还可以通过实验验证 演示 相同色光 改变双缝宽度 干涉条纹检举改变 a 学生观察 b 教材彩图对应 下面 我们还要解释关于双缝干涉的另外两个事实 1 不同色光 条纹间距不同 a 介绍光的颜色和波长的一般对应规律 参照教材表格 5 b 学生解释 事实 c 演示 不同色光的条纹间距不同 d 参照教材彩图 2 复色光会形成彩色条纹 a 原理介绍 b 演示 复色光形成彩色条纹 学生观察 过渡 从刚才的研究 我们可以得出这样的结论 只要有相干光源 光的干涉就 能够产生 但要观察到明显的干涉现象 则需要强弱 明暗 分布的距离适当 这 就需要相干光源的波程差比较微妙 和波长的数量级差别不大 能够满足以上条件的装置是不是只有杨氏的双缝 答案必然是否定的 事实上 在十九世纪 探索光的波动性的物理学家很多 卓有成效的也绝不是只 有托马斯 杨一人 在物理学史上 比较有影响的干涉实验就有 菲涅耳双面镜 双 棱镜 实验 洛埃单镜实验 法布里 珀罗标准具干涉实验 迈克尔逊干涉实验 平 行平板干涉实验 楔形平板干涉实验等等 他们有些和杨氏实验的原理类似 有些则 则差别较大 为了强化对干涉的印象 我们这里再介绍一个 二 薄膜干涉 演示 钠黄光在肥皂薄膜上的干涉 学生 观察实验现象 在这里 我们也看到了明暗相间的规则条纹 它的形成是不是和杨氏干涉条纹一 样呢 首先 光源同不同 学生 不同 为什么还需要一个肥皂薄膜 这里我们做一个分析 a 楔性薄膜介绍 b 板图 2 定量分析 2h 若在 P 处 则 P 处为亮纹 h 2 若在 P1处 2 则 P1处为亮纹 h1 若在 P2处 3 则 P2处为亮纹 h2 2 3 启发 同学们 如果知道薄膜倾角 我们是否可以求出薄膜表面亮纹之间的宽度 师生共同计算 相临亮纹处的厚度差 h 2 6 设亮纹间距为 y 由于 很小 tg 所以 y h 图 3 甲 所示 的状况 干涉条纹将是什么状况 学生 思考 交流 教师导引分析如图 3 乙和丙所示 1 区倾角增大 2 区倾角减小 启发 如果是局部凸起 条纹状况有怎样 学生 思考 尝试 事实上 这个原理已经被用于工程技术中的高精度的平面检测中 相关的细节请 大家参看教材内容 学生 阅读教材 薄膜干涉的应用除了平面检测 还有增透膜 有兴趣的同学可以在课外阅读一些 相关的介绍 三 小结 光的干涉实验的成功是光具有波动性的铁的证明 本节课 我们比较细致地讨论 了光的干涉的规律 从相关的结果我们可以体会到 要做成效果显著的光的干涉实验 是不容易的 在某种程度上讲 这也是光的波动说在十八世纪没有得到发展的原因 7 我们通过学习本节 需要弄清楚的是 光的干涉的条件是