黑龍江省哈爾濱市木蘭高級(jí)中學(xué)高中物理光的干涉02教案

1、高中物理 光的干涉02教案光究竟是什么？這個(gè)問(wèn)題困繞了科學(xué)家們很長(zhǎng)的時(shí)間。從光的直線傳播、反射定律看，光很象是一種彈性良好的粒子流（用慣性、動(dòng)量守恒解釋）。而且，從光的折射方面考察，它和粒子之間似乎也有某種共性（譬如，網(wǎng)球往水中的折射，也會(huì)滿足一個(gè)入射角和折射角的正弦之比為恒量的規(guī)律），因此，十七世紀(jì)，人們提出光是實(shí)物粒子流（粒子足夠小、彈性足夠好），持這種觀點(diǎn)的代表是牛頓。但是，光在傳播時(shí)，也有一些用微粒說(shuō)不能解釋的現(xiàn)象，如衍射、干涉、偏振等。這些都是波動(dòng)的典型特征。于是，十七世紀(jì)中葉，就已經(jīng)出現(xiàn)了光是一種波的學(xué)說(shuō)，堅(jiān)持波動(dòng)說(shuō)的典型物理學(xué)家是（荷蘭）惠更斯。一方面由于惠更斯的波動(dòng)說(shuō)確實(shí)存在缺

2、陷（解釋直進(jìn)、在真空中傳播有困難），另一方面，由于牛頓在十七十八世紀(jì)形成的泰斗地位雖然沒(méi)有足夠的理由表明牛頓是微粒說(shuō)的頑固堅(jiān)持者（事實(shí)上，牛頓本人就在1675年做了牛頓環(huán)的實(shí)驗(yàn)，并提出了“波具有周期性”的觀點(diǎn)）但微粒說(shuō)一度占據(jù)了上風(fēng)。甚至在整個(gè)十八世紀(jì)，波動(dòng)說(shuō)沒(méi)有實(shí)質(zhì)性地得到發(fā)展。到十九世紀(jì)，人們對(duì)于光的本性研究的手段更先進(jìn)了，電磁場(chǎng)的理論也逐漸成熟。因此，在60年代，光的電磁波說(shuō)被推了出來(lái)，它的代表物理學(xué)家是麥克斯維。由于麥克斯維的電磁波說(shuō)和惠更斯的以太（彈性）波學(xué)說(shuō)有著本質(zhì)的區(qū)別，在解釋各種光學(xué)現(xiàn)象時(shí)也非常成功，因此，人們一度認(rèn)為它已經(jīng)足夠完美了。但是，到十九世紀(jì)末，人們發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，這

3、使光的電磁波說(shuō)遇到了空前的困難。在這種背景下，光的能量子說(shuō)（光子說(shuō)）應(yīng)運(yùn)而生，它的代表物理學(xué)家是愛因斯坦。愛因斯坦提出光子說(shuō)，并不意味著電磁波說(shuō)倒退到牛頓的微粒說(shuō)（因?yàn)榱孔雍蛷椥晕⒘Ｊ莾蓚€(gè)本質(zhì)不同的概念）。由于光子說(shuō)主要是偏重于解釋光的能量傳遞方面的特征，實(shí)質(zhì)上并沒(méi)有否定光的電磁波學(xué)說(shuō)（基于光的傳播方向得出結(jié)論）。光究竟是什么？現(xiàn)在的權(quán)威性觀點(diǎn)是：量子性和波動(dòng)性都是光的屬性之一，只是在某些條件下，某一個(gè)屬性表現(xiàn)比較搶眼一些；光是波動(dòng)和粒子運(yùn)動(dòng)的矛盾統(tǒng)一體，這就是所謂的波粒二象性。而本章，我們主要介紹光的波動(dòng)屬性，以及相關(guān)的物理史實(shí)。第二十章 光的波動(dòng)性我們已經(jīng)不止一次地聽到光是一種電磁波的說(shuō)法

4、，但要接受這個(gè)觀點(diǎn)，必須基于物理事實(shí)的總結(jié)。這是實(shí)現(xiàn)本章學(xué)習(xí)目的的基本手段。而且，本章的實(shí)驗(yàn)大多數(shù)都是在我們現(xiàn)有的條件下能夠做成的，大家在課堂上要注意觀察、思考，必要的時(shí)候，我們還要自己動(dòng)手進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)重復(fù)一百年前偉人們的研究歷程。本章可分為四個(gè)單元。第一單元：第1、2節(jié)，講光的干涉和衍射；第二單元：第3節(jié)，講光的電磁說(shuō)，電磁波譜；第三單元：第4節(jié)，講光的偏振，進(jìn)一步說(shuō)明光是橫波，是電磁波；第四單元：第5節(jié)，介紹激光。本章的知識(shí)點(diǎn)在高考考綱中都是a級(jí)。在歷年的高考試題中，有關(guān)本章的內(nèi)容多以選擇或填空題的形式出現(xiàn)。命題幾率較高的是光的干涉、衍射，其次是波長(zhǎng)、波速和頻率的關(guān)系，有時(shí)還與幾何光學(xué)中的

5、知識(shí)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行考查。§201 光的干涉【教學(xué)目的】1、認(rèn)識(shí)光的干涉現(xiàn)象及光產(chǎn)生干涉的條件2、理解（楊氏）雙縫干涉形成的原理，以及條紋的特征3、知道實(shí)現(xiàn)光的干涉的途徑并不是唯一的，了解薄膜干涉形成的原理，以及它在工程物理領(lǐng)域的應(yīng)用【教學(xué)重點(diǎn)】光產(chǎn)生干涉的條件，干涉條紋的特征【教學(xué)難點(diǎn)】（楊氏）雙縫干涉形成的原理，以及條紋的特征分析【教具】（楊氏）雙縫干涉儀，酒精燈，食鹽，鐵絲圈，肥皂水【課時(shí)安排】2課時(shí)【教學(xué)過(guò)程】、復(fù)習(xí)&引入復(fù)習(xí)提問(wèn)1：波動(dòng)只所以有別于粒子運(yùn)動(dòng)，其重要特征是什么？學(xué)生：能夠發(fā)生干涉、衍射。復(fù)習(xí)提問(wèn)2：什么是機(jī)械波的干涉？發(fā)生波的干涉的條件是什么？學(xué)生：兩列波

6、在疊加后，在空間形成穩(wěn)定的振動(dòng)加強(qiáng)和減弱的區(qū)域（而且它們彼此間隔）；兩列波的頻率相等。我們要確認(rèn)光具有波動(dòng)性，就必須拿出光能夠干涉或衍射的事實(shí)。而根據(jù)剛才的物理學(xué)史介紹，在波動(dòng)說(shuō)已經(jīng)提出的前提下，整個(gè)十八世紀(jì)都沒(méi)有得到發(fā)展。是不是觀察光的干涉、衍射現(xiàn)象很不容易呢？答案是肯定的。一、雙縫干涉為什么不容易，這得從兩個(gè)角度去認(rèn)識(shí)：一是干涉的條件是否容易達(dá)成，二是干涉現(xiàn)象形成后，其強(qiáng)弱的分布狀況是否方便人們?nèi)ビ^察。在第一個(gè)方面，就是一個(gè)難題。原來(lái)的一般的光源都含有多種顏色（即多種頻率）的成分，即便是找到了“完全相同”的光源，但從發(fā)光的微觀角度看，由于發(fā)出的光波具有不連續(xù)性（就不能保證相位差恒定），要保

7、證它們能夠發(fā)生干涉，也是很難的。光學(xué)上，把能夠發(fā)生干涉的光源叫做1、相干光源：頻率相等、相位差恒定的光源稱為相干光源。為了確保這兩個(gè)條件滿足，人們想過(guò)很多辦法，英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊是這樣做的：將同一光源發(fā)出的光用一個(gè)只留兩個(gè)孔（或兩個(gè)縫）的擋板擋住，那么從這兩個(gè)空（或兩個(gè)縫）中射出的光就是相干光源了。干涉現(xiàn)象形成后，如何方便觀察？這個(gè)問(wèn)題復(fù)雜一些，讓我們將實(shí)驗(yàn)完成之后，再做定量分析。2、雙縫干涉演示：（楊氏）雙縫干涉實(shí)驗(yàn)a、學(xué)生觀察雙縫；b、學(xué)生預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（教師配合草稿板圖機(jī)械波干涉分析類比）；c、學(xué)生觀察干涉條紋過(guò)渡：為了解決干涉現(xiàn)象形成后是否方便觀察的問(wèn)題，下面進(jìn)入雙縫干涉的

8、定量分析（請(qǐng)同學(xué)們注意，我們這里并不僅僅是解釋為什么形成干涉條紋這一點(diǎn)，我們已經(jīng)能夠利用已有的知識(shí)去預(yù)測(cè)了而是要研究怎樣形成方便觀察的條紋，這就涉及到一個(gè)條紋寬度的計(jì)算問(wèn)題。因此，我們今天對(duì)光的干涉的研究比起機(jī)械波干涉的研究必須更為深入。）為了尋求條紋的寬度，我們引進(jìn)波程差的分析法。a、定性闡述b、定量（板圖1）分析= s2p1 s1p1dsin= d·當(dāng)= 0時(shí)（位置：p點(diǎn)），對(duì)應(yīng)第一個(gè)最強(qiáng)點(diǎn)（事實(shí)上是一條線），此時(shí) x = 0當(dāng)=時(shí)（位置：p1點(diǎn)），對(duì)應(yīng)第二個(gè)最強(qiáng)“線”，此時(shí) x=當(dāng)= 2時(shí)（位置：p2點(diǎn)），對(duì)應(yīng)第三個(gè)最強(qiáng)“線”，此時(shí) x=2同學(xué)們，最亮條紋之間的間距是多少？學(xué)生

9、：條紋間距x = x x = x x= 。我們這里沒(méi)有計(jì)算暗紋的位置和間距情況，暗紋的間距又是多少呢？學(xué)生：當(dāng)然和亮紋間距相等。3、條紋間距 x = 假設(shè)我們手頭有兩個(gè)相干光源（平行的線光源），它們相距1m ，供觀察的屏到光源之間的距離為2m ，光的波長(zhǎng)是我們前面提到的鈉黃光（= 5893），那么干涉條紋的間距x等于多少？師生共同計(jì)算：x = 1.18×10-6m = 0.00118mm 。這樣一個(gè)間距，肉眼觀察容易嗎？學(xué)生：不容易。那么，同樣是鈉黃光，楊氏雙縫干涉裝置的條紋間距有等于多少呢（楊氏雙縫間距d = 0.2mm ，屏與雙縫距離 l = 1m）？學(xué)生：x = 2.95mm

10、。很顯然，這個(gè)間距觀察起來(lái)是很“舒服”的，這個(gè)數(shù)據(jù)也和我們實(shí)際觀察到的間距相符。剛才我們事實(shí)上已經(jīng)解釋了雙縫間距的寬窄會(huì)影響干涉條紋的間距，在這方面，我們還可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證演示：相同色光，改變雙縫寬度，干涉條紋檢舉改變a、學(xué)生觀察；b、教材彩圖對(duì)應(yīng)。下面，我們還要解釋關(guān)于雙縫干涉的另外兩個(gè)事實(shí)1、不同色光，條紋間距不同。a、介紹光的顏色和波長(zhǎng)的一般對(duì)應(yīng)規(guī)律（參照教材表格）；b、學(xué)生解釋“事實(shí)”；c、演示：不同色光的條紋間距不同d、參照教材彩圖2、復(fù)色光會(huì)形成彩色條紋a、原理介紹b、演示：復(fù)色光形成彩色條紋，學(xué)生觀察。過(guò)渡：從剛才的研究，我們可以得出這樣的結(jié)論：只要有相干光源，光的干涉就能夠產(chǎn)生

11、，但要觀察到明顯的干涉現(xiàn)象，則需要強(qiáng)弱（明暗）分布的距離適當(dāng)這就需要相干光源的波程差比較微妙（和波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)差別不大）。能夠滿足以上條件的裝置是不是只有楊氏的雙縫？答案必然是否定的。事實(shí)上，在十九世紀(jì)，探索光的波動(dòng)性的物理學(xué)家很多，卓有成效的也絕不是只有托馬斯·楊一人。在物理學(xué)史上，比較有影響的干涉實(shí)驗(yàn)就有：菲涅耳雙面鏡（雙棱鏡）實(shí)驗(yàn)、洛埃單鏡實(shí)驗(yàn)、法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具干涉實(shí)驗(yàn)、邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)、平行平板干涉實(shí)驗(yàn)、楔形平板干涉實(shí)驗(yàn)等等。他們有些和楊氏實(shí)驗(yàn)的原理類似，有些則則差別較大。為了強(qiáng)化對(duì)干涉的印象，我們這里再介紹一個(gè)二、薄膜干涉演示：鈉黃光在肥皂薄膜上的干涉。學(xué)生：觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在

12、這里，我們也看到了明暗相間的規(guī)則條紋，它的形成是不是和楊氏干涉條紋一樣呢？首先，光源同不同？學(xué)生：不同。為什么還需要一個(gè)肥皂薄膜？這里我們做一個(gè)分析a、楔性薄膜介紹；b、板圖2定量分析= 2h若在p處，= ，則p處為亮紋，h = 若在p1處，= 2，則p1處為亮紋，h1 =若在p2處，= 3，則p2處為亮紋，h2 =啟發(fā)：同學(xué)們，如果知道薄膜傾角，我們是否可以求出薄膜表面亮紋之間的寬度？師生共同計(jì)算：相臨亮紋處的厚度差 h = 設(shè)亮紋間距為y ，由于很小，tg ，所以亮紋間距（即條紋間距）y = 應(yīng)用：請(qǐng)同學(xué)們計(jì)算一下，在剛才的鈉黃光薄膜干涉中，要求條紋的間距為3mm（這樣觀察起來(lái)不至于太吃力

13、），則薄膜傾角約為多少？學(xué)生：計(jì)算得出結(jié)果tg= 0.982×10-4 ，= 0.00562°。很顯然，要造就這樣一個(gè)微妙的夾角（而且基本恒定），是不容易的。啟發(fā)：下面請(qǐng)同學(xué)們思考一個(gè)問(wèn)題，如果薄膜因某種原因形成了一個(gè)“橫?！保ㄈ鐖D3甲所示）的狀況，干涉條紋將是什么狀況？學(xué)生：思考、交流教師導(dǎo)引分析如圖3乙和丙所示（1區(qū)傾角增大，2區(qū)傾角減?。﹩l(fā)：如果是局部凸起，條紋狀況有怎樣？學(xué)生：思考、嘗試事實(shí)上，這個(gè)原理已經(jīng)被用于工程技術(shù)中的高精度的平面檢測(cè)中，相關(guān)的細(xì)節(jié)請(qǐng)大家參看教材內(nèi)容學(xué)生：閱讀教材薄膜干涉的應(yīng)用除了平面檢測(cè)，還有增透膜，有興趣的同學(xué)可以在課外閱讀一些相關(guān)的介紹。三、小結(jié)光的干涉實(shí)驗(yàn)的成功是光具有波動(dòng)性的鐵的證明。本節(jié)課，我們比較細(xì)致地討論了光的干涉的規(guī)律。從相關(guān)的結(jié)果我們可以體會(huì)到，要做成效果顯著的光的干涉實(shí)驗(yàn)是不容易的，在某種程度上講，這也是光的波動(dòng)說(shuō)在十八世紀(jì)沒(méi)有得到發(fā)展的原因。我們通過(guò)學(xué)習(xí)本節(jié)，