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11-5 光的波动性 电磁波谱
一、教学目的：
1．了解波动的特有现象，并知道产生干涉和衍射现象的条件。
2．了解干涉和衍射现象的应用，知道光波是横波。
3．知道光的色散，了解电磁波谱、几种射线及其特点
二、教学重点、难点：
重点：干涉及衍射现象，几种射线的特征。
难点：相干光、干涉及衍射图样。
三、教学建议：
教法建议：多媒体教学、讲授
教学设计方案：
（一）引入新课
设疑提问：用什么方法可以证明光具有波动性呢？
因为干涉和衍射现象是波动的特征，如果我们能看到光的干涉和衍射现象，就证明了光具有波动性，
（二）引出新课内容
1．光的波动性
（1）光的干涉现象（用多媒体课件直观演示）
两列光波在空中相遇时，在不同的地点产生了稳定的加强或减弱，在相遇空间形成明暗相间条纹的现象，称为光的干涉现象。
1801年，英国物理学家托马斯·杨用双缝实验装置成功地观察到了光的干涉现象，这就是历史上著名的杨氏双缝实验。
图1 杨氏双缝干涉
让单色光通过狭缝S，从S出来的线状光束射到与S平行且等距的双缝S1、S2上 ，穿过双缝S1、S2后，就得到了两个完全相同的线状光源。在这两束线状光叠加的区域里放置屏幕，屏幕上会出现一幅稳定的图样,它由明暗相间且等距分布的条纹构成。这就是光的干涉现象。光的干涉现象，证实了光具有波动性。
产生干涉现象的条件：频率相同、振动方向相同的两列光相遇时，才会出现干涉现象。
频率相同、振动方向相同的两列光称为相干光。用双缝实验等方法可以得到相干光。激光光源可以产生相干光。
在日常生活中，我们能看到下列干涉现象：
肥皂泡或水面的薄油膜在日光照射下会呈现出美丽的彩色条纹，这是因为一列光在经过透明薄层上、下两个面反射时，形成了两列相干光，它们互相叠加产生了干涉现象。
图2 肥皂液薄膜上光的干涉现象
用酒精灯火焰的光照射附近金属丝圈上的肥皂液薄膜时，在薄膜上也能看到火焰光的像由明暗相间的干涉条纹组成，这是由于薄膜在重力作用下形成了上薄下厚的契形，火焰光从膜的前表面和后表面分别反射回来形成两列相干光。
光的干涉现象在精密测量和检验时有重要应用，如检验工件的平整程度就常用干涉法。如劈尖干涉图所示，在被检查平面B上放一透明的标准样板A，在一端垫一薄片，使二者之间形成一个楔状的空气薄层，用单色光照射时，从空气层上下两个表面反射的光波产生干涉条纹。如果被测表面是平的，产生的干涉条纹将是一组平行直线；如果被测表面不平，产生的干涉条纹将是弯曲的。从干涉条纹的弯曲方向和弯曲程度，可以判断出被测物体表面凸凹的情况，测量精度可以达到10-8 m 。
图3 干涉的应用
（2）光的衍射现象
观察多媒体演示：让一个点光源S照射带有圆孔的光屏。当孔较大时，在屏幕上看到的是一个圆的亮点；如果缩小孔径，亮点也变小；当孔径缩小到一定程度时，我们看见屏幕上得到的是一些以亮点为中心的明暗相间的圆环，其范围远远大于孔径。显然，光偏离了直线传播方向。如果光照射的障碍物是一狭缝时，在屏幕上看到的是一组以中央亮条纹为中心的明暗相间的条纹，其宽度也远大于窄缝宽度。
这些现象说明光在传播途中偏离了直线路径，绕到障碍物后面去了。
光偏离直线传播方向而绕到障碍物后面区域的现象，称为光的衍射。
光产生衍射现象的条件：障碍物（包括小孔、细丝、狭缝等）的大小跟光的波长相当，甚至比波长还小时，才会出现明显的衍射现象。
图4 光的小孔衍射
小练习：眯起眼睛透过睫毛的缝隙或通过手指间的缝隙看发光的灯泡；隔着筚子、羽毛或布缝去看光源；把两支铅笔紧并在一起，与日光灯平行，从铅笔中间的缝隙去看发光的日光灯，都能看到类似的衍射图样。
衍射现象也是波动的重要特征之一，光的衍射现象又一次证明光具有波动性。
（3）光的偏振
光的干涉和衍射现象都说明光是一种波，但它是横波还是纵波呢 我们来看看横波和纵波的主要区别：
沿绳子传播横波，当绳上的波不能通过狭缝时，这种现象称为横波的偏振。
沿绳子传播纵波，不论狭缝方向如何它都能通过狭缝，纵波的传播中没有偏振现象。
图5 横波的偏振
图6 纵波不发生偏振
可以用偏振片(其作用与上述带缝的木板作用相似)来鉴别光是横波还是纵波。
用偏振片A对着太阳或灯光，如图7所示，以入射光的方向为轴旋转A片，这时我们会看到透过A的光强并不随A片的旋转而改变。把A固定，以入射光方向为轴旋转偏振片B时，从B透射过来的光强发生周期性变化：当B片转到某一位置时，透射光最强；再由此位
图7 偏振光
置转过90°，透射光最弱，几乎看不见。这一现象说明光发生了偏振。偏振是横波所特有的现象，所以光波是横波。
偏振现象在实际生活、生产中有许多应用，比如用人造偏振片制成的太阳镜能阻挡某一方向振动的光，使景物显得柔和浓重；看立体电影时必须戴上用两个不同方向的偏振片制的眼镜；在化学、制药工业中，利用偏振光通过某些物质的溶液，光振动方向会转过一定角度的旋光现象，来精确测定该物质的浓度等等。
2．电磁波谱
人们对光的干涉、衍射和偏振现象的研究，使光的波动说获得了很大的成功，那么光究竟是什么性质的一种波呢
（1）光波是电磁波
在19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦根据自己对电磁现象的研究，指出光是一种电磁波，并且是横波，它在真空中的传播速度和真空中的光速c相同。德国物理学家赫兹在19世纪80年代，用实验证实了电磁波跟光一样，也具有反射、折射、干涉、衍射和偏振等特性，证明光是一种电磁波。
（2）光的色散
能够分解为几种颜色的光称为复色光；不能再分解的光称为单色光。
由复色光分解成单色光的现象称为光的色散。
发生色散时，各色光偏折程度不同，偏折角度最小的是红光，最大的是紫光。这说明：在同一种介质中，各色光折射率不同，紫光折射率最大，红光折射率最小。各单色光在真空中的传播速度都是光速；在介质中的传播速度与其折射率有关，紫光速度最小，红光速度最大。
图8 白光的色散
（3）电磁波谱
将无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和射线按照波长(或频率)大小顺序排列起来，就组成了范围非常广阔的电磁波谱。（电磁波谱图见教材）
无线电波包括长波、中波、短波、微波，主要用于广播、电视、通信。
红外线最大的特点是热效应显著，常被用来加热、烘干以及进行医疗。无论白天或夜晚都可用对红外线敏感的底片进行远距离摄影或高空摄影。利用红外线遥感技术，可以在飞机或卫星上寻找水源、勘测地热、预报天气、监测森林火情、估计农作物的长势和收成等。利用红外线夜视镜、红外线瞄准器、红外线追踪导弹等可提高部队的战斗力。我们日常使用的电视机等家用电器的遥控器，就是对不同的按键发出不同的红外线脉冲，以达到自动选择、调节等控制目的。
紫外线最显著的性质是荧光作用强，在它的照射下能使许多物质发出荧光，利用这一作用人们制成了荧光灯，日光灯就是其中的一种，它的发光效率比白炽灯强2～3倍。农业上诱杀害虫的黑光灯也是用紫外线激发荧光物质发光的。纸币或商标常含有防伪荧光油墨，经紫外线照射就可显现出来而。
紫外线的另一显著性质是化学效应强，很容易使感光纸感光。用紫外线照相能分辨出一些极细微的差别，刑侦部门常用它来分析指纹。
紫外线还具有较强的生理作用，它能使细胞脱水，达到杀菌消毒的目的。阳光中含有大量的紫外线，人体适当照射阳光对健康有益，但太强的紫外线对人的眼睛和皮肤有害。
X射线具有很强的穿透能力，在医疗和工业上有广泛的应用。在工业上可用于检查金属内部的砂眼、裂缝等；在医学上，常用于作人体透视或拍摄人体内部组织的照片。接受过量的X射线对人体有害，所以常用吸收X射线的铅板或铅玻璃来进行防护。
射线能量极大、贯穿能力极强，它能穿透几十厘米厚的钢板。工业上常用射线探伤，检查金属部件内部情况。医疗上用射线杀死各种病原体，放射性钴的射线还可用来治疗某些癌症。射线又被称为“刀”，医院里可用它进行肿瘤切割手术。农业上利用射线照射种子，可使种子变异，培育出新的优良品种。射线的辐射还能消灭或抑制农作物害虫的生长。
射线的特征归纳如下：
名称 特征 主要应用
红外线 显著的热效应 加热、烘干、红外线遥感
紫外线 荧光作用、化学效应、生理作用强 辨别真伪、使细胞脱水、杀菌消毒、分析指纹。
X射线 具有很强的穿透能力 检查金属内部的砂眼、裂缝等；人体透视或拍摄人体内部组织的照片
射线 能量极大、贯穿能力极强 工业探伤、杀死各种病原体、使种子变异
（三）小结
1．光的波动性
光的干涉、衍射现象说明光的波动性，光的偏振说明光是横波。
光是一种电磁波。
2．电磁波谱 几种射线及其特点
（四）作业布置
p.143 1、3 、5、6题 《技术物理练习册》（第3版）相关习题

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