高中物理选修3-4教学设计2：13.3 光的干涉教案

13.3光的干涉的教学设计

●教学目标

一、知识目标

1.通过实验观察，让学生认识光的衍射现象，知道发生明显的光的衍射现象的条件，从而对光的波动性有进一步的认识.

2.通常学习知道“几何光学”中所说的光沿直线传播是一种近似规律.

二、能力目标

1.通过讨论和对单缝衍射装置的观察，理解衍射条件的设计思想.

2.在认真观察课堂演示实验和课外自己动手观察衍射现象的基础上，培养学生比较推理能力和抽象思维能力.

三、德育目标

通过“泊松亮斑”等科学小故事的学习，培养学生坚定的自信心、踏实勤奋的工作态度和科学研究品德.

●教学重点

单缝衍射实验和圆孔衍射实验的观察以及产生明显衍射现象的条件.

●教学难点

衍射条纹成因的初步说明.

●教学方法

1.通过机械波衍射现象类比推理，提出光的衍射实验观察设想.

2.通过观察分析实验，归纳出产生明显衍射现象的条件以及衍射是光的波动性的表现.

3.通过对比认识衍射条纹的特点及变化，加深对衍射图象的了解.

●教学用具

JGQ型氦氖激光器25台，衍射单缝（可调缝宽度），光屏、光栅衍射小圆孔板，两支铅笔（学生自备），日光灯（教室内一般都有），直径5 mm的自行车轴承用小钢珠，被磁化的钢针（吸小钢珠用），投影仪（本节课在光学实验室进行）.

●课时安排：2课时

导入新课

实验：双缝干涉实验

（1）装置：双缝、激光器、光屏

（2）现象：屏上形成亮暗相间的条纹；条纹之间的距离相等，亮度相同（实际上由于衍射而不同）。

这就是光的干涉现象，今天我们来学习第一节：光的干涉。

第1课时：双缝干涉

新课教学：

一、双缝干涉

1.什么是双缝干涉：平行的单色光照射到相距很近的双狭缝上，在狭缝后的光屏上出现亮暗相间条纹的现象叫做双缝干涉现象。

问题：在什么样的条件下才能在屏幕上形成亮暗相间的条纹呢？根据波的叠加原理，可知：在同一种介质中传播的两列波，当两个波源的频率相同，振动状态完全相同或有恒定的相位差时，就会出现干涉现象。

2.形成光波干涉的条件

（1）两个光源的频率相同；

（2）两个光源的振动状态完全相同或有恒定的相位差。

如图所示的双缝干涉装置中，满足上述条件吗？为什么？

分析：一束激光被分成两束相当于两个波源，激光束的颜色没有发生变化，说明两个波源的频率一定相同；两条狭缝距离光源的距离相等，所以两个狭缝处波的振动状态相同。由此可见，通过双缝形成的两个波源就是相干光源。

问题：为什么在光屏上会形成亮暗相间的条纹呢？

如图，根据机械波的干涉理论可知，亮条纹出现的位置一定是波峰与波峰，或者波谷与波谷相遇的位置。我们可以肯定的说，P 点就是亮条纹出现的位置，图中P 点距S 1、S 2距离相等，路程差：Δr =S 1P -S 2P =0应出现亮纹，中央亮条纹。不管波处于哪种初态，P 点的振动总是波峰与波峰相遇或波谷与波谷相遇，振幅A 总为A 1、A 2之和，即P 点总是振动加强点，应出现亮纹。

如果P 1点也出现亮条纹，那么P 1点距S 1、S 2距离应满足什么条件呢？

Δr 1=|S 1P 1-S 2P 1|=λ

=2×

Δr 2=|S 1P 2-S 2P 2|=2λ

Δr 3=|S 1P 3-S 2P 3|=3λ

Δr n =|S 1P n -S 2P n |=nλ

它们对应产生第2、3、4…条明条纹，还有明条纹的地方吗？在P 点下方，与P 1、P 2等关于P 对称的点也应是明条纹。

（1）形成亮条纹的条件：Δr =2n ·n =0，1，2…时，出现亮条纹。 暗条纹出现的位置：

根据波的叠加原理：在Q 1点是波峰与波谷相遇，振动步调刚好相反。Q 1点位置与两波源路程差：

2

λ2λ

Δr =|S 1Q 1-S 2Q 1|=

Δr =|S 1Q 2-S 2

Q 2|=

λ,λ…处，在P 1P 2、P 2P 3、…等明纹之间有第2条暗纹Q 2、第3条暗纹Q 3…，哪位同学能用上面的方法写个通式，归纳一下。

（2）形成暗条纹的条件：Δr =(2n +1) ,n =0、1、2…时，出现暗纹。 问题：条纹之间的距离与哪些因素有关呢？

3.条纹间距与哪些因素有关

（1）实验：改变两缝间距、改变缝屏之间的距离、改变光波的波长

现象：

两缝间距变小，条纹间距变大；缝屏间距变大，条纹间距变大；光波波长变大，条纹间距变大。

结论：干涉条纹之间的距离与两缝之间的距离、缝屏之间的距离、光波的波长有关系。有什么样的定量关系呢？下面我们就来定量研究这个问题。

（2）条纹间距x ∆与波长λ、双缝间距d 、缝屏之距l 之间的定量关系

推导：设两缝S 1、S 2间距离为d ，它们所在平面到屏面的距离为l ，且l d f f ，O 是S 1S 2的中垂线与屏的交点，O 到S 1、S 2距离相等。

由图可知：S 1P =r 1，r 12=l 2+(x -)2 r 22=l 2+(x +)2 r 22-r 12=(r 2-r 1)(r 2+r 1)=2dx

2λ

23252

λ2

d 2

d

由于l d >>，且l x >>，所以r 1+r 2≈2l ，这样就好办了，r 2-r 1=Δr =x Δr =2n ·n =0、1、2…时，出现亮纹，即·x =2n ·时出现亮纹，或写成x = 第n 条和第（n -1）条亮纹间距离Δx 为多少呢？

Δx =x n -x n -1=［n -(n -1)］，也就是Δx =·λ 根据前面的实验结果及推导大家能判断红光和紫光哪一个波长长吗？

提出问题：大家能猜一猜用白光干涉会出现什么现象吗？

4.白光双缝干涉

现象：彩色条纹；中央为白条纹；中央条纹两侧彩色条纹对称排列；每条彩纹中红光总在外边缘，紫光在内缘。

现象解释：不同色光波长不同，条纹宽度不同，红光条纹最宽；紫光条纹最窄，所以出现上面现象。

大家还记得机械波波长、波速、频率三者之间的关系吗？v =λf ，光波也有这样的关系，不过各种色光在真空中的波速是相同的，我们用c 表示，那么有：c =λf ，请大家比较一下七种色光的频率关系。红光频率最小，紫光频率最大。

第2课时：薄膜干涉

复习提问：

1. 形成干涉亮条纹和暗条纹的条件是什么？

2. 干涉条纹之间的距离与哪些因素有关？有什么关系？

引入：

实验：把圆环竖直地插入肥皂溶液中，慢慢向上提起形成薄膜，竖直放好，注意观察在肥皂膜表面出现的现象。

现象：观察到肥皂膜上呈现明暗相间的干涉条纹。

提出问题：为什么会出现这种现象呢？本节课我们就来学习一种新的干涉现象——薄膜干涉。

二、薄膜干涉

原因分析：

1．肥皂膜的形状

l

d 2λ

l d 2λd

l n λd

l λd l