13.3 光的干涉 优秀教案优秀教学设计高中物理选修3-4新课 (5)

13.3光的干涉
教学目标：
（一）知识目标
1、认识光的干涉现象，知道产生光的干涉的条件
2、知道干涉条纹的特征，理解光的干涉条纹形成原理
3、掌握明条纹（或暗条纹）间距的计算公式
4、知道薄膜干涉是如何产生的，了解干涉的现象及技术上的应用
（二）能力目标
1、通过观察实验现象，与机械波的干涉进行类比，培养学生的自主学习的能力以及对问题的分析、推理能力
2、通过观察实验，培养学生对物理现象的观察、表述、概括能力
教学重点：
1、波的干涉条件
2、双缝干涉图样的形成及分析
3、条纹间距的计算
4、亮纹（或暗纹）位置的确定
教学难点：
1、波的干涉条件，相干光源
2、双缝干涉图样的形成及分析
教学仪器：
多媒体课件，激光干涉演示仪，酒精灯一盏，金属圈一个，大烧杯一个，肥皂液，少量食盐
教学方法：讲授，讨论
教学时间：1课时
教学过程：
（－）引入新课
17世纪，荷兰物理学家惠更斯（1629-1695）根据光的反射和折射、光的独立传播现象跟水波、声波相似，提出波动说：认为光是在空间传播的某种波。

干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象。

1801年，英国物理学家托
马斯-杨（1773-1829）在实验室里成功地观察到了光的干涉。

（二）教学过程
一、双缝干涉
1、装置和现象
让一束单色光（红光）投射到一个有狭缝S的挡板上，由狭缝S射出的光再投射到第二个有两条狭缝S1和S2的挡板上，狭缝S1和S2相距很近，且与狭缝S的距离相等。

如果光是一种波，那么，从狭缝S发出的光波会同时传到狭缝S1和S2，它们就成了两个振动情况总是相同的波源，它们发出的光在挡板后面的空间互相叠加，会发生干涉现象。

光在一些地方互相加强，在另一些地方互相削弱。

在挡板后面放一个屏，在屏上看到亮暗相间的条纹。

这就证明光的确是一种波。

（演示实验：激光干涉演示）
实验现象：
(A)明暗相间
(B)亮纹间等距，暗纹间等距．
(C)两缝S1、S2中垂线与屏幕相交位置是亮条纹——中央亮纹2、现象分析：
在我们在屏上取一点P，P点到S1和S2的距离相同。

S1和S2相当于两个振动情况总是相同的波源，由S1和S2发出的两列波到达P点的路程又相同，所以这两列波的波峰（或波谷）将同时到达P点。

这时两列波总是波峰跟波峰叠加，波谷跟波谷叠加，P点的光波得到加强，这里就出现一个亮条纹。

在P点上方另取一点，如P1点，它距S2比距S1远一些，两列波到达P1点的路程不相同，两列波的波峰（或波谷）就不一定再同时到达P1点。

如果路程差δ正好是半个波长，那么当一列波的波峰到达P1点时，另一列波正好在这里出现波谷。

这时两列波叠加的结果是互相削弱，于是在这里出现暗条纹。

对于更远一些的点，例如点P2，来自两个狭缝的光波的路程差δ更大。

如果路程差正好等于波长λ，那么，两列波的波峰（或波谷）将同时到达这点，光波得到加强，这里也出现亮条纹。

距离屏幕的中心越远，路程差越大。

每当路程差δ等于λ、2λ、3λ。

（半波长的偶数倍）时，两列光波就得到加强，屏幕上出现亮条波；每当路程差δ等于λ/2、3λ/2、5λ/2。

（半波长的奇数倍）时，两列光波就相互削弱，屏上出现暗条纹。

即：
当δ=S2P1－S1P1=nλ（n=0、1、2、3…）出现亮纹。

当δ=S2P1-S1P1=(2n＋1)λ/2（n=0、1、2、3…）出现暗纹
在双缝干涉实验中，狭缝S1和S2相当于两个振动情况总是相同的波源，称为相干波源。

由相干波源发出的光互相叠加，才能产生干涉现象，在屏上出现稳定的亮暗相间的条纹。

3、条纹间距的计算：（可让学生自己推导）
（1）相邻两个两亮条纹（或暗条纹）之间的距离为
（其中，波长用 λ表示，d 表示两个狭缝之间的距离，l 为挡板与屏间的距离。

） 两缝间距离越小，缝到屏的距离越大，光波的波长越大，条纹的宽度就越大
当实验装置一定，红光的条纹间距最大，紫光的条纹间距最小。

这表明不同色光的波长不同，红光最长，紫光最短。

（演示干涉图片）
（2）可以利用双缝干涉测量光的波长
d x l
λ⋅∆= （3）白光的干涉 在两缝间的距离以及双缝和屏的距离一定的情况下用不同颜色的单色光做双缝干涉实验，干涉条纹间的距离不同。

从彩图可以看出，用红光做实验时的间距比用蓝光时大，这表明红光的波长比蓝光的波长长。

各种光的不同颜色，实际上反映了它们不同的波长（或频率）。

如果用白光做双缝干涉实验，由于白光内各种单色光的干涉条纹间距不同，在屏上会出现彩色条纹。

二、薄膜干涉
1、薄膜干涉现象：
（演示薄膜干涉）
酒精灯里的酒精中溶解一些氯化钠，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，用酒精灯的黄光照射液膜，液膜反射的光使我们看到灯焰的像。

像上有亮暗相间的条纹，这是光的干涉产生的。

灯焰的像是液膜前后两个面反射的光形成的，这两列光波的频率相同，能够发生干涉。

竖直放置的肥皂薄膜受到重力的作用，下面厚，上面薄，因此，在薄膜上不同的地方，来自前后两个面的反射光所走的路程差不同。

在一些地方，这两列波叠加后互相加强，于是出现了亮条；在另一些地方，叠加后互相削弱，于是出现了暗条。

用不同波长的单色光做这个实验，条纹的间距是不一样的。

所以如果用白光照射肥皂液膜，由于各色光干涉后的条纹间距不同，液膜上就会出现彩色条纹。

肥皂泡上和水面的油膜上常常看到的彩色花纹，就是光的干涉造成的。

λd l x =∆λd
l x =
∆
三、薄膜干涉现象在技术中的应用
1、检查平面的平整程度
在磨制各种镜面或其他精密的光学平面时，可以用干涉法检查平面的平整程度。

在被测平面上放一个透明的样板，在样板的一端垫一个薄片，使样板的标准平面和被测平面之间形成一个楔形空气薄层。

用单色光从上面照射，空气层的上下两个表面反射的两列光波发生干涉。

空气层厚度相同的地方，两列波的路程差相同，两列波叠加时相互加强或削弱的情况也相同。

所以，如果被测表面是平的，干涉条纹就是一组平行的直线（图甲）；如果干涉条纹发生弯曲，就表明被测表面不平（图乙）。

这种测量的精度可达10-6cm 。

2、增透膜（望远镜，眼镜，相机）
练习：
1、下图为双缝干涉实验的装置示意图，图中甲图是用绿光进行实验时光屏上观察到的条纹情况，a 为中央亮条纹，乙图为换用另一个颜色的单色光实验时观察到的条纹情况，b 为中央亮条纹，则以下说法正确的是 [ ]
A ．乙图可能是用红光实验产生的条纹，表明红光波长较长
B ．乙图可能是用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较长
C ．乙图可能是用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较短
D ．乙图可能是用红光实验产生的条纹，表明红光波长较短
2、用波长为0.6μm 的单色光做双缝干涉实验，缝S 1、S 2到光屏上P 点的路程差为1.5μm
，图乙表示被测表面
是平的 图丙表示被测表面是不平的
则P点将出现_________条纹；如果S1 、S2到光屏上Q点的路程差为2.4μm，则Q点将出现________条纹。

（填“亮”或“暗”）
3、下面关于白光通过双缝干涉现象的描述，正确的是[]
A.用白光做光源时，所有的条纹均是彩色的。

B.用白光做光源时，中央条纹是白色的。

C.在其它条件不变的情况下，分别用红光和紫光做双缝干涉实验，紫光的条纹间隔最大。

D.对某一种单色光来说，相邻亮条纹间距离不相等。

答案：1、C 2、暗；亮3、B
小结：
一、双缝干涉
实验现象：明暗相间的条纹（单色光，白光）
条纹特征：等间距、明暗相间
分析：Δr=2n·λ/2 n=0、1、2、3…明纹
Δr=(2n+1) λ/2 n=0、1、2、3…暗纹
条纹间距与波长的关系：Δx=λl/d
结论：光具有波动性
二、薄膜干涉
三、干涉应用：
测量光的波长，检查平面平整程度，增透膜
思考及作业：见课件。