光的干涉教案

一、引入61、引入（引入光，激发兴趣，引出问题：光是什么？）同学们，生活中有很多美妙的光现象：图片展示：雨后路面上出现五彩斑斓的油膜；蜻蜓翅膀在阳光下呈现迷人的色泽；肥皂泡泡让大人也萌发了童心。那么，光到底是什么？我们现在已经知道，光是一种波，如何来证明光是一种波呢？逻辑推理：波所普遍特有的现象是什么？干涉和衍射，如果光是一种波，它也应该具有干涉和衍射的现象。这堂课，我们先来研究一下光的干涉。板书：光的干涉2、回顾水波的干涉（先前知识回顾，做好从机械波到光的知识迁移的准备）观察水波干涉图片，思考:（1）水波的干涉图样有什么特征？出现振动总是加强和振动总是减弱的区域，且加强区和减弱区互相间隔、稳定分布的现象（2）水波发生干涉的条件是什么？相干波源：频率相等，相位差恒定、振动方向平行3、迁移、类比，猜想光的干涉现象：（迁移，类比，对光的干涉现象和条件作出猜想）（1）如果光真的是一种波，它的干涉图样又会是什么样的呢？引导：水波的干涉图样中出现振动始终加强和始终减弱的区域。光的干涉图样里，振动加强区域会有什么现象（效果）？？振动减弱区域有什么现象（效果）？明暗相间、并且相互间隔、稳定分布。（2）要观察到光的干涉，需要满足什么条件？（频率相同、相差恒定、振动方向平行的相干光源）板书：1、光的干涉条件：相干光源一一频率相同、相差恒定、振动方向平行（3）关键的问题是：如何得到相干光源？两盏日光灯，能不能作为相干光源？展示，有没有看到明暗相间的干涉图样？（学生会说看到了，教师问：这真的就是干涉图样吗？其实大家看到的较暗的区域是由于出现了影子。待会我们看到真正的光的干涉图样，大家就明白了）其实，原子发光是非常复杂的事情，它有随机性，独立性，我们在以后会学到。所以，不仅是两盏日光灯不能作为相干光源，即使是两只一样的蜡烛的火焰，或者同一盏白炽灯的不同部位，都不能满足相干光源的条件。事实上，两个独立的光源一般都不能直接发生干涉，这就是为什么人们迟迟不能在实验室里发现光的干涉现象。可是，科学的真相总会浮出水面，上帝派了个聪明人来。二、杨氏干涉实验51、科学史介绍——托马斯杨的双缝干涉实验（介绍托马斯杨的双缝干涉实验，了解实验装置，单缝和双缝的作用，体会“一分为二”寻找相干光源的巧妙思想）教师介绍：我们一起来认识一下英国物理学家托马斯杨，他从小被称为神童，一生涉猎多个领域，这是他的名片，大家可以发现他真是一位博学多才的人。他是如何发现光的干涉现象的呢？托马斯杨的职业是一位医生，进行对眼睛聚焦问题的研究,所以对光很感兴趣。他的音乐天赋也很高，精通当时几乎所有的乐器，所以对声音很感兴趣。17岁时，杨第-次阅读了牛顿的《光学》非常敬佩牛顿的研究。但后来渐渐发现了牛顿粒子理论难以解释一些光的现象，导致杨重新思考光的问题。凭借对声音和光的熟悉，他将两者进行类比，敏感地认识到光可能也是一种波，由此开始寻找光的干涉现象。一年后，灵感来了，他先让光通过一个小孔S,再通过两个小孔S1和S2,变成两束光（黑板配图）。这样的两束光因为来自同一点光源，所以它们是两个完全相同的。让这样的两束光相遇，就有可能发生干涉，托马斯杨果然如他所料在光屏上看到明暗相间的条纹。后来他发现狭缝比孔能透过更多的光,所以将S、S1S2分别改成了单缝和双缝。板书：一、杨氏干涉实验问题：1、单缝的作用是什么：光源往往包含各种不同频率的成分，单缝很细，透过单缝就相当于选取了单一频率的一束光。2、双缝的作用是什么：将透过单缝的光一分为二，制造完全相同的两个光源。这就是这个实验巧妙的地方，它利用“一分为二”的思想，成功制造了相干光源，让人们第一次在实验室里观察到了光的干涉现象，证明了光是一种波，使得它被称为物理史上十大最美丽的实验之一。2、探究1演示双缝干涉实验（学生观察双缝干涉图样，初步了解特征：明暗相间、条纹间距相等）6现在，让我们随着托马斯杨的思路，重新体验这个美丽实验。教师操作：⑴我们采用的光源是激光。激光的频率比较单一，所以我们不需要再使用单缝，可以将激光直接打到双缝上。打开激光器，直接把激光打到后背的墙（光屏）上.要求学生说出观察到的现象一一激光沿直线传播，打到地上是一个亮斑.⑵在激光器前加•双缝，（学生活动：在加双缝前，请•学生来观察双缝，询问双缝有什么特点？因为双缝间距太小，大约0.1mm左右，一般很难看出是双缝，可以让其他同学帮助想办法，如将双缝屏迎着光去看便可看出.在黑板上写上平行、组I、双缝间距很小，O.25MM）双缝间距为什么那么小，如果间距大些会有什么影响，待会在实验中探究。激动人心的时刻到了，当年托马斯杨在光屏上究竟看到了什么？证明了光是一种波呢？答案马上揭晓，请拭目以待。学生：仔细观察并描述实验现象学生可能的回答有这样一些：（1）明暗相间（2）干涉图样是竖的（肯定：观察得非常好！问：为什么，它和双缝的走向有关吗？可不可能横过来？待会实验中探究）（3）中间亮、两边暗（给予肯定，其实也可以在传感器实验中看到，但如果学生不提，不需要特别说明）（4）光到达屏上的范围比不加双缝时大了（5）这是最难处理的。学生最可能说亮条纹宽度都相同、那么暗条纹呢？暗条纹宽度也相同。如果不能说出，老师就提示：我们看到很多亮条纹,这些亮条纹的宽度有什么特点吗？老师提示：也就是说一条亮条纹的头到下一条亮条纹的头宽度是相同的，是么？追问：你怎么知道是相同的，学生说：看的。追问：看到的就真的一定相等吗？仅凭目测就能下结论吗？学生愣住，老师总结：这个问题我们先留下。观察得很好，还有其他的吗？或者说宽度、间隔一样，追问怎么看出宽度一样？或者说条纹间距相等,追问怎么看出条纹间距相等？如果说亮的宽，暗的窄，就问：亮的和亮的比呢？还有，最晕的是学生说中间亮的宽，两边亮的窄。就要说明，我们对亮条纹的宽窄的感觉受到了光的强弱的影响，两边光比较弱一点，感觉也会窄一此，如果我们都看中间几条比较亮的呢？亮条纹的宽度有什么特点吗？总之一定要引导到亮的宽度相等、或者间隔相等、或者条纹间距相等，并追问：怎么看出相等、看到的就一定真的相等吗？仅凭目测就能下结论吗？这个随便什么时候出现，都可以用“观察得很好，还有其他的特点吗？”来结束。3、探究2传感器实验探究条纹间距相等（在具体地看到干涉图样，并总结了图样的特征:明暗相间、条纹间距相等之后，进一步研究条纹间距是不是真的相等）7引入：总结一下学生刚才所说的特点，PPT显示：明暗相间。刚才同学说亮条纹的宽度相同（暗条纹的宽度相同：或者说间隔相同，或者说条纹间距相同）我们具体地来看一下，在PPT上标出亮条纹的中心线：最亮的地方，振动始终加强的地方；暗条纹的中心线：最暗的地方，振动始终减弱的地方。相邻两条亮条纹或暗条纹的中心之间的距离叫做条纹间距。如果说亮条纹宽度相同、暗条纹宽度相同，也就是说条纹间距也是相等的。条纹间距真的相等吗？科学研究一定要严谨，仅凭目测是不够的，需要进一步研究。光强传感器可以帮助我们记录每•个位置的光的强弱（我们感受到的光的亮暗是由光强一一单位时间内到达单位面积的光的能量决定的，光强传感器能将我们感官上的亮暗用光强的具体大小记录下来，帮助我们更加清楚地了解干涉图样的特征）。介绍：光学轨道上依次摆放了激光发射器（配图说明、同时将光学轨道垫高，要让大家看到实验的器材，需要一只能翻页的激光笔）、双缝、和光强传感器、光强传感器上有一条狭缝，可以将透过的光的强弱记录下来，用摄像头展示光强传感器可以在锯条上缓缓移动，每经过一个位置，就记录下这个位置下光的强度，并记录在数据处理软件的图像中（纵轴一一光的强度，横轴一一位置，每一个点表示在这个位置下光的强度，连贯起来就展示了干涉图样中不同位置的光的强弱）实验：（1）先打开激光器，调准双缝，请同学用白纸来承接双缝干涉图样，观察。（2）预测：展示刚才的干涉图样，猜测会看到什么样的图线？要将具体的图样和传感器实验中的图线在学生的脑子里联系起来。（3）现在我们开始实验，我将慢慢移动光强传感器，采集不同位置的光强，请同学们注意观察图像（纵坐标是光的强度，横坐标是位置，图像反映光的强度随位置的连续变化，再强调解释•下）最好是•边用摄像头照着我的手操作，•边显示数据的成像。（要在图像上方配上干涉的实际图样，两者做对比）观察：（1）同学们能观察到什么？这个最高峰的地方说明什么？光最强，最亮，就是亮条纹的中心，最低谷的地方说明光最弱，最暗，也就是暗条纹的中心。光的强度随位置不断呈现强弱的变化。所以干涉图样是明暗相间的。（2）怎样观察条纹间距？我们打开智能工具，显示每一个点的坐标。相邻两个最高点或最低点的横坐标之差就是条纹间距。可以观察到条纹间距果然是相等的。（3）如果一开始说了中间亮、两边暗，也可以简单提一下。总结规律：现在我们终于可以得出结论了，光的双缝干涉图样的特征：明暗相间，条纹间距相等。大量的实验证明我们得出的结论是正确的。板书：2、双缝干涉图样的特征：明暗相间、条纹间距相等三、决定条纹间距的条件1、探究3研究双缝干涉图样的成因（用波动理论分析光的双缝干涉图样）5教师设问：为什么会出现这样明暗相间、稳定分布的图样？怎样用波动理论解释。分析：光透过双缝后，变成完全相同的两个光源。光屏的中央处P点到两光源的路程相等,路程差为零，所以两列波的波峰同时到达该点，经过半个周期，两列波的波谷会同时到达该点，实际上，两列波到达该点的振动始终相同，所以这里出现中央亮条纹。当光屏上某点到两光源的距离之差为波长的整数倍时，一光源发出的光到达该点时处于波峰，另一光源发出的光要多走一个波长的路，到达该点也是波峰，两列波到达该点时振动情况也始终相同，该点也是振动加强点。（对称位置，继续寻找其他振动加强点）那么，哪些点是振动减弱点呢？当光屏上某点到光源的距离之差为半波长的奇数倍时，一光源发出的光到达该点时处于波峰，另一光源发出的光在该点则是波谷，两列波到达该点是振动始终相反，该点是振动减弱点。（对称位置，继续寻找其他振动加强点）公式表示：1.当屏上某点到双缝SI、S2的路程差是光波波长的整数倍时，即6=以（〃=0,12）在这些地方出现亮条纹;=（2»—i）—（〃=i,2…）2.当屏上某点到双缝SI、S2的路程差是光波半波长的奇数倍时，即'’2,在这些地方出现暗条纹.实际上，光屏上某点出点亮纹还是暗纹，完全取决于该点到两光源的路程差。板书：二、决定条纹间距的条件。。。。。。这样我们就不难了解为什么在中央亮条纹两侧会对称地分布着亮暗相间的条纹，而且是稳定分布的。2、探究4寻找最美丽的光的双缝干涉图样（激发学生兴趣，积极参与，通过自制双缝，充分体会“一分为二”的巧妙思想，体验通过实验观察到双缝干涉图样，加深对图样特征的印象，了解光是一种波。并通过对双缝干涉图样的调试，初步觉察可能与条纹间距有关的因素）引入：托马斯杨双缝干涉实验因为简单但是巧妙的“一分为二”的思想，得到相干光源并观察到神奇的干涉图样，而被评为十大最美丽的物理实验之一。现在的时间交给大家了，请大家一起来寻找美丽的双缝干涉图样要求：以四人小组为单位，利用桌上的器材：红、绿两支激光笔、小镜子、两片刀片、带有坐标的白纸板，自制双缝，寻找光的双缝干涉图样，图样要清晰明亮（参考：书中的图样）窍门：1、制作双缝的方法：在镜子背面镀银处刻上相互平行的双缝。可将两把刀片并拢，以刀刃的前端一次画出两道细缝；也可分两次分别画出（用直尺）。双缝的要求：黑板上事先写好（注意：不要刻成单缝）（多次试验可用笔在旁边标注数字，合理利用镜子的面积）2、要得到清晰的干涉图样，条纹间距要大一些。尝试各种方法，让条纹间距尽量大一些。温馨提示：小心谨慎使用刀片勿划伤，激光笔不能照人眼睛。比赛点评：要得到清晰明亮、稳定的干涉图样，关键要刻好双缝，失败的原因：双缝间距太宽；或者刀片并得过拢，导致刻成单缝，那就出现了光的另外一种现象；或者刀片划得不够深，没有完全把镀银处刻掉，双缝毛躁，使得图样不清晰。成功组制造了非常好的双缝。3、探究5决定条纹间距的条件教师提问：刚才的实验中，大家都尝试得到条纹间距尽量大些的，清晰的干涉图样。那么大家有没有发现，条纹间距可能与哪些因素有关？我们说猜想不是凭空想象，是根据实践和经验有依据地进行猜想的。到底哪些因素会决定条纹间距的大小？将在下节课继续研究。4、探究6白光的双缝干涉现象（抛出问题，下一节课的预设）这堂课中我们观察了单色光的双缝干涉图样，如果是白光呢，它的干涉图样又会是什么样的？可以利用获奖组的双缝去观察一下白光光源的干涉现象。四、小结.这堂课我们利用托马斯杨“一分为二”的巧妙思想，体验了自制双缝，观察到美丽光的双缝干涉图样：明暗相间、稳定分布、条纹