资源简介

教学设计
课程基本信息
学科 物理 年级 高二 学期 秋季
课题 3.光的干涉
教科书 书 名：物理选择性必修第一册
教学目标
物理观念∶知道光的干涉条件，能用干涉条件解释薄膜干涉。 科学思维∶利用光程差的概念，理解产生明暗条纹的条件和相邻两个亮（暗）条纹中心间距与波长的关系。 科学探究：通过光的双缝干涉实验，认识双缝干涉图样的特征。 科学态度与责任∶知道薄膜干涉在现实生活中的应用，培养学生用物理的眼光看待问题的思维。
教学内容
教学重点：产生明暗条纹的条件和相邻两个亮（暗）条纹中心间距与波长的关系。 教学难点：产生明暗条纹的条件和相邻两个亮（暗）条纹中心间距与波长的关系，解释薄膜干涉。
教学过程
一、新课引入 （播放视频）肥皂膜看起来常常是彩色的，雨后公路积水上面漂浮的油膜，,手机滴上一滴水，也经常显现出彩色条纹。 这些彩色条纹或图样是怎样形成的？ 二、课堂教学 知识回顾——思考:波的干涉特点和形成条件？ 思考：光是一种波，也应该会发生干涉，光的干涉图样是怎样的？ 【学习任务一】1.光的双缝实验并体验和理解光的干涉现象和干涉的条件 2.干涉条纹中明暗相间条纹是如何形成的 演示：光的双缝干涉 在暗室中用氦氖激光器发出的红色激光照射金属挡板上的两条平行的狭缝，在后面的屏上观察光的干涉情况。 （播放实验视频） 实验分析：双缝干涉实验，这个实验能得到干涉图样。用的是白光，得到干涉图样是明暗相间的彩色条纹。后来光源换成了单色光，得到的干涉图样更明显。所以实验多使用单色光。 问题：为什么会形成这样明暗相间的条纹呢？ 我们知道波的干涉是由于波程差的不同，当波程差是整倍波长时 r=nλ（λ=0、1、2、3、、、），该点是加强点。当波程差是半波长的奇数倍时，该点就是减弱点。 对于光的干涉也是这样。 1.明条纹区： r=nλ（n=0.1.2......） 在两相干光源中垂线上的P0点到两波源的距离相同，就是说P0点的光程差是零，即 rp0=0。光波到达P0点时的相位相同，在这一点波峰与波峰叠加，波谷与波谷叠加，两个光波相互加强，在这个点的振幅最大的，等于两列光波的振幅之和。 所以此处的明条纹被称作中央明条纹。 由P0向上移动，光程差将逐渐增大，当光程差等于一个波长时（ r=λ），再次出现加强点P1，对应的明条纹被称作一级明条纹。以此类推，当光程差等于二倍波长时（ r=2λ），对应的也是加强点，这个明条纹被称作二级明条纹。P0下方同样存在一二级明条纹。 讨论了明条文，再看明条文中间的暗影区。 2.暗条纹区： 在p0和p1之间存在一个Q1点，Q1点的光程差等于半个波长，当S1的波峰到达Q1时， S2的波谷恰好也到达Q1点，两列光波的波峰与波谷叠加，他们在Q1点的震动是减弱的，这个点的振幅是最小的，等于两列光波的振幅之差，因此这里会出现暗条纹。他的光程差是半波长的一倍，对应的暗条纹被称作一级暗条纹。 从Q1点向外侧还会有Q2，Q3点 光程差分别等于和，他们都是减弱点，对的位置就会出现暗条纹，被称作二级暗条纹和三级暗条纹。 这里所谓的加强点和减弱点分别是振幅最大和最小的点，加强点位于明条纹的中心位置，减弱点微与暗条纹的中心位置，两种条纹是逐渐过渡过去的。 综上所述，光也满足波的干涉条件，在相干光源的情况下 光程差是整倍波长的是加强点，对应的是明条纹。光程差是半波长奇数倍的是减弱点，对应的是暗条纹。注意这个中心条纹的光程差一定是零，也是波的整数倍，所以中心点的一定是明条纹。 【学习任务二】干涉条纹和光的波长之间的关系:观察理解影响条纹间距大小因素。(1)双缝之间的距离d 越小，相邻的亮纹间距越大.(2)波长越大，条纹间距越大。 思考：光的双缝干涉条纹特征，如条纹间距、宽度等，能反映出光的波长、频率等信息吗？ 接下来探究一下这些条纹间距的决定因素是什么呢？ 在这个实验设计图中，用几何方法推导出x的决定因素。 如图在屏幕上任取加强p，他到p0的距离就是x。设双方到屏的距离是l，两缝间距是d，这是两缝倒p的距离，在pS2上取一点M，使PM的距离等于p S1的距离。那p点的光程差就是S2 M，记为 r=S2 M=r2-r1 因为屏到两缝的距离远大于两缝的距离，所以在 P1S1M这个等腰三角形中，r1=r2且远大于底边S1M，它的顶角很小，可以认为两个底角近似等于90度，即认为P1S2垂直S1M。 在Rt S1MS2这个直角三角形中，设∠S2S1M=θ，那这个对边就是 r=S2 M=dsinθ。 再连接PO和OP0同样可以将po和S1 M看作垂直。在Rt P1OP0这个三角形中，θ很小，所以有 。 将这两个式子连立可得 结论：对任意两个明条纹的光程差，它应该等于波长的整数倍， 变形一下任意明条纹的间距就是： 当P点是一级明条纹的加强点时，它的波程差是一个波长，即（ r=2λ），此时n=1，这个距离就是， 如果p点是二级明条纹的加强点时，此时n=2，这个距离就是。 显然一级明条纹和二级名条文加强点的间距就等于他俩的差值。 即与这段间距相同，也就是说任意两个相邻明条纹，他们加强点的间距都是。这也是明条纹中心的距离。 同理，可以算出两个相邻暗条纹的中心距离也是，这个间距与板间距离和波长成正比，与双缝宽度成反比。 思考与讨论 不同颜色的单色光产生的干涉条纹会有什么不同？请你作出猜想，并在下节的实验中验证。 根据式可知，条纹之间的距离与光波的波长成正比。因此能够断定，不同颜色的光，波长不同。实验中确实发现，各种颜色的单色光都会发生干涉，但条纹之间的距离不一样。用黄光做这个实验，条纹之间的距离比用红光时小；用蓝光时更小。 知道了间距的决定因素来试试分析一下这个彩色条纹，它是白色光干涉形成的，白光是由红橙黄绿蓝电子复色光组成，按照这个顺序波长变短，红光的波长最长，它的干涉条纹就最宽，使得在这个图样中，中间的明条纹边界处会趋近于暖色，而更外侧的明条纹都是红色靠外，蓝色靠里。另外因为所有过程的光在这个中间位置高是明条纹。所以这个中间条纹一定是白色的。 【学习任务三】干涉条纹的应用 观察薄膜干涉的现象并分析原理 2.薄膜干涉的应用 做一做：用肥皂膜做薄膜干涉实验 在酒精灯的灯芯上撒一些食盐，灯焰就能发出明亮的黄光。把铁丝圈在肥皂水中蘸一下，让它挂上一层薄薄的液膜。把这层液膜当作一个平面镜，用它观察灯焰的像。这个像与直接看到的灯焰有什么不同？ 现象：生活中阳光下的肥皂泡，水面上的油膜，都会呈现五彩缤纷的图样。在实验室里如果让酒精灯发出明亮的黄光，然后把铁丝挂上肥皂膜，让酒精灯照射肥皂膜，就会出现明暗相见的黄色条纹。 现象：为什么会出现这些现象呢？ 1.薄膜干涉的成因 以肥皂膜为例，在重力的作用下，肥皂膜会形成上薄下厚的楔形。酒精灯的黄光照射在他的前表面，一部分会被反射回去，另外一部分会进入肥皂膜，并在他的后表面发生反射。前后表面的反射光在前表面相遇叠加，由于两束反射光是同一束光分离出来的，所以这样说反射光是频率相同的相干光。他们就会发生干涉。 对于A这个叠加点两处反射光在这儿的光程差，就是这束透射光来回的行程，即此处薄膜厚度的两倍。当等光程差等于一个波长时： rA=2dA=λ 两束反射光相互加强，即在A点形成明条纹。 随着薄膜厚度增加，当光程差： 两束反射光会相互减弱，即在B点形成暗条纹。以此类推，就会形成明暗相间的黄色条纹了。 像这样在薄膜表面发生的干涉现象，被称作膜干涉。 薄膜干涉，它是由于入射光在非等厚薄膜的前表面分离，经过两个表面反射，再次相遇叠加而形成的。 ①不等厚度的薄膜 在这个干涉图样中，相邻两个明条纹他们的光程差应该差一个波长，显然波长越大，这个条纹的间距就会越大。比如黄光的波长大于紫光的波长，那紫色的干涉条纹就更窄，而开始的彩色条纹则是有白光干涉所产生的。 这些都是厚度不同的楔形薄膜，如果是等厚度的薄膜还会出现干涉条纹吗？ ②等厚度的薄膜 显然薄膜前后表面的反射光仍然是相干光，他们就一定会发生干涉。但薄膜厚度不变，所以他们的光程差都一样，如果其中一点的两束反射光是相互加强的话，那么其他位置的反射光也是加强的。也就是说这样的薄膜虽然有干涉现象，但膜上各处亮度相同，不会出现干涉条纹。 2.薄膜干涉的应用 ①增透膜 当光照射玻璃时一部分光会发生反射，另外一部分光将会透彻进入玻璃。反射光的存在无疑降低了透射光的强度，使成像的亮度减少。为了减少反射光的强度，常常在玻璃上面涂上一层透明的等厚薄膜。在他的这个表面就会发生薄膜干涉，我们已经知道薄膜干涉的光程差等于两倍的薄膜厚度，即： r=2d 如果该薄膜厚度， 那么在上表面形成的干涉就是减弱的，从而使反射光的强度减小为0。根据能量守恒定律，入射光将全部透射入玻璃中，这层膜就被称作增透膜。 这里你需要注意这个波长指的是光在膜中的波长，而不是光在真空中的波长。 由于白光是多种波长的光复合而成，我们无法使薄膜的厚度同时等于所有光波波长的1/4。由于人眼对绿光最敏感，通常在镜头外用的都是绿光的增透膜，还有绿光不上相差最大的红光和紫光反射就会增多，所以我们看到镜头的反光色通常呈现紫色或者蓝色。 如果把膜厚增加到波长一半又会怎么样呢？ ②增反膜 如果该薄膜厚度， 薄膜表面的干涉就是加强的，对应的反射光加强，透射光减弱，这种膜被称作增反膜。 通常将其度在车的外玻璃上，在白天车内的人可以清晰的看到外面的景物，而外面的人却只能从反射光中看到蓝天白云。 ③平滑度检测 随着科技的进步出现了很多精密仪器，他们的光学表面精度极高，哪怕只有几微米的出入也会影响使用。显然这个不是肉眼能看出来的，那怎么检测它的平整度呢？ 取一个透明的标准样板放在待测面上方，并在一端垫薄片儿。使样板平面与待测平面之间形成一个楔形空气膜，用单色光从上方照射，分别在空气膜的上下表面发生反射，从而在样板下表面发生了薄膜干涉。 如果待测表面平整，它的干涉条纹就是等间距的平行直线。如果干涉条纹发生了弯曲，就说明被测的光学面在P，M两点就是不平整的。 问题：那这两点对应的是凹陷还是凸起呢？ 待测表面不平整 先来看P点，他与Q点在同一个明条纹上，那就说明他们的光程差是相同的，即他们对应的空气膜厚度是相同的。可是P点比Q点更靠近楔尖，如果被测表面是平的，P的空气薄膜厚度应该小于Q的空气薄膜厚度。此时测量到他们的空气膜厚度相同。即P点空气膜厚度应该等于Q点的空气膜厚度，说明P点出现凹陷。 再来看M点，它与N点在同一条明条纹上，说明他们的空气膜厚度也相同。 而实际M比N点靠外，它的空气膜厚度应该比较大，但测量到他们的空气膜厚度相同。说明M点出现了凸起。 那待测面面平整，它的条纹宽度与楔形顶角和光的波长有什么关系？ 待测表面平整 先来讨论楔形顶角不变光的波长变大时，干涉条纹的宽度如何变化？ 我们已经知道相邻两条条纹的光程差及对应的薄膜厚度的两倍，它们相差是一个波长。如果波长变大，对应的空气膜厚度的差值就会变大。 从图中来看，要增加空气膜厚度的差值，再不改变顶角的情况下，条纹的间距一定变大。即顶角不变，波长变大，条纹间距就变大。 那如果波长不变，楔形顶角顶角减小，条纹的间距会怎么变呢？ 既然波长不变，说明空气薄膜的厚度差距不变，从图中来看，这两处空气薄膜厚度固定。当顶角减小时，明条纹的位置一定会移动，当空气膜厚度满足条件时，两条明条纹的间距比原来的间距变大。即波长不变，顶角减小时，间距变大。也就是说当光的波长变大，楔形顶角变小时，条纹的间距变大。 播放视频这两个过程。 课堂练习 例1：劈尖干涉是一种薄膜干涉，如图:所示。将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜，当光从上方入射后，从上往下看到的干涉条纹有如下特点： （1）任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等； （2）任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定。 现若在如图所示装置中抽去一张纸片，则当光入射到劈形空气薄膜后，从上往下可以观察到干涉条纹发生了怎样的变化？ 解析：经空气薄膜上下表面分别反射的两列光是相干光源，其光程差为 x=2d，即光程差是空气层厚度的2倍。当光程差 x=nλ时，此处出现亮条纹，因此相邻亮条纹之间的空气层厚度差一定为。抽去一张纸后，空气层的倾角变小，则相邻亮纹（或暗纹）之间的间距变大，因此干涉条纹变疏。 科学漫步：光的本性 光到底是什么？这个问题早就引起了人们的注意，不过在很长的时期内人们对它的认识却进展得很慢。 现在人们认识到，光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。 播放视频，波粒之争。 例2：如图所示为双缝干涉实验装置，当使用波长6×10－7 m的橙光做实验时，光屏P点及上方的P1点形成相邻的亮条纹。若使用波长为4×10－7 m的紫光重复上述实验，在P和P1点形成的亮、暗条纹的情况是(　　) A．P和P1点处都是亮条纹 B．P点处是亮条纹，P1点处是暗条纹 C．P点处是暗条纹，P1点处是亮条纹 D．P和P1点处都是暗条纹 解析：从单缝S射出的光波被S1、S2两缝分成两束相干光，由题意知屏中央P点到S1、S2的距离相等，即分别由S1、S2射出的光到P点的路程差为零，因此P点是中央亮条纹，因而，无论入射光是什么颜色，波长多长，P点处都是亮条纹。由题意可知分别由S1、S2射出的光到P1点的路程差刚好是橙光的一倍波长，即|P1S1－P1S2|＝600 nm＝λ橙，当换用波长为400 nm的紫光时，|P1S1－P1S2|＝600 nm＝3/2λ紫，则两列光波到P1点时振动情况完全相反，即分别由S1、S2射出的光在P1点相互削弱，因此，在P1点出现暗条纹。故选B。 例3：在双缝干涉实验中，光屏上某点P到双缝S1和S2的路程差为7.5×10-7m，如果用频率 6.0×1014 Hz的黄光照射双缝，试通过计算分析P点出现的是亮条纹还是暗条纹。 解：由c=λf得， 路程差煜半波长的关系， 故P点出现暗条纹。

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