鲁科版高中物理选修34《光的干涉》教案新版Word下载.docx
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(一)引入
1、什么是波的干涉?
产生干涉的一个必要的条件是什么?
2、干涉现象是波特有的现象。
光具有波动性吗?
你如何用实验去验证?
生:
若光是一种波,就必然会观察到光的干涉现象,观察光的干涉现象可以用屏幕,在屏幕上会得到明暗相间的条纹。
因此精心设置实验,寻找光的干涉现象。
演示两个通有同频率交流电单丝灯泡(或蜡烛)作为两个光源,移动屏与它们之间的距离,屏幕上看不到明暗相间的现象。
设疑:
为什么不能观察到干涉图样?
是光没有波动性,还是没有满足相干的条件?
引导学生讨论得到:
两个独立热光源的光波相遇得不到干涉现象,是实验设计有错误,没有满足相干条件。
在物理学史上曾很长一段时间内人们一直认为光不是波,所以没有波动性,也不会产生干涉现象。
直到19世纪,英国物理学家托马斯·
扬改进实验设计,在历史上第一次得到了相干光源。
(二)新课教学
一、光的干涉及其应用
介绍英国物理学家托马斯·
扬.如何认识光,如何获得相干光源——展示扬氏实验挂图鼓励学生在认识事物或遇到问题时,学习扬氏的科学态度,巧妙的思维方法.
1、介绍实验装置——双缝干涉仪.
说明双缝很近0.1mm,强调双缝S1、S2与单缝S的距离相等。
提问:
为什么这样设计?
(通过这个问题,让学生知道如何能获得相干光源)
两单缝S1、S2处光的振动不仅频率相同,而且振动情况(相位)总是完全相同.
(实验演示)
先用加滤色片后单色光红光进行演示,然后改用激光源做双缝干涉实验,可直接照射双缝,亮度大可得到更为清晰的明暗相同的图样.
展示双缝干涉图样,让学生注意观察图样,回答图样的特点:
2、光的双缝干涉图样
(1)明暗相间的条纹.
(2)相邻亮纹(或暗纹)间距都相等。
(3)两缝S1、S2中垂线与屏幕相交位置是亮条纹——中央亮纹.
提出问题:
为什么会出现这样的图样?
怎样用波动理论进行解释.
3.运用波动理论进行分析.
展示双缝干涉示意图样的彩色挂图.分析:
①说明示意图是两列波某一时刻峰谷位置分布图.
②说明两列波同频率、振动情况总是相同。
在两列波峰峰、谷谷相遇位置均是加强点;
而峰谷相遇位置均是削弱点.
小结:
通过以上分析振动加强与削弱点的分布是相互间隔的而且是稳定的.结合干涉挂图反映在屏幕上:
同相加强光能量较强——亮;
反相减弱光能量较弱——暗.得到亮暗间隔的干涉图样.
在双缝干涉实验中,被光照射的两条狭缝S1和S2相当于两个相干的波源(图19-8),两列相干的光波在狭缝右边的空间叠加.S1和S2到屏上P点的距离相同,所以两列波在这点同时出现波峰或波谷,P点的光波得到加强,在这里出现一个亮条纹.
在P点上方,例如P1,它距S2比距S1远一些,两列波的波峰或波谷不再同时到达P1 .如果路程差d正好是半个波长,也就是说,时间差正好是半个周期,那么当一列波的波峰到达P1时,另一列波正好在这里出现波谷,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P2,来自两个狭缝的光波的路程差d更大.如果路程差正好等于波长λ,那么两列光波的波峰或波谷又是同时到达这点,它们又在这里互相加强,这里再次出现亮条纹.
(1)每当路程差等于λ/2、3λ/2、5λ/2……时,两列光波就得到削弱,屏幕上出现暗条纹.
(2)每当路程差等于0、λ、2λ、3λ……时,两列光波就得到加强,屏幕上出现亮条纹.
思考与讨论:
在不改变双缝到屏的距离L的情况下,改变入射光或改变双缝距离d,得到的光的干涉图样如图,试猜想,条纹间距会哪些因素有关?
学生猜想。
4、干涉条纹间距与哪些因素有关.
理论推导:
由于两缝间距d远小于缝到屏的距离L,所以能够认为三角形S1S2M是直角三角形。
根据三角函数关系,有
r2-r1=dsinθ
另一方面θ很小,tanθ=sinθ x=Ltanθ=Lsinθ
消去sinθ,有r2-r1=d
根据前面所学的知识,当两列波的路程差为波长的整数倍,即d
=kλ(k=0、1、2……)时,才会出现亮条纹,
也就是说,亮条纹中心位置为x=k
λ 亮条纹间距△x=
λ
师:
因此在入射光不变(即λ不变),L不变时,d越小,亮纹间距越大。
强调,由亮条纹间距△x=
λ公式也可测定入射光的波长。
二、科学探究---测定光的波长
实验原理:
利用双缝干涉实验,测量L、d、Δx,应用公式△x=
λ可测单色光的波长.
实验器材:
双缝干涉仪、米尺、测量头。
实验步骤:
(1)如图所示,把直径约10cm、长约1m的遮光筒水平放在光具座上,微的一端装有双缝,另一端装有毛玻璃屏;
(2)取下双缝,打开光源,调节光源的高度,使它发出的束光能够沿着遮光筒的轴线把屏照亮;
(3)放好单缝和双缝,单缝和双缝间距离约为5cm~10cm,使缝相互平行,中心大致仅次于遮光筒的轴线上,这时在屏上就会看到白光的双缝干涉图样;
(4)在单缝和光源间放上滤光片,观察单色光的双缝干涉图样;
(5)分别改变滤光片和双缝,观察干涉图样的变化;
(6)已知双缝间的距离d,测出双缝到屏的距离L,用测量头测出相邻两条亮(暗)纹间的距离△x,由
计算单色光的波长。
为了减小误差,可测出n条亮(暗)间的距离A,则
;
(7)换用不同颜色的滤光片,观察干涉条纹间距的变化,并求出相应色光的波长。
注意事项:
(1)单缝双缝应相互平行,其中心应位于遮光筒的轴线上,双缝到屏的距离应相等;
(2)测双缝到屏的距离L可用米尺测多次,取平均值;
(3)测条纹间距△x时,用测量头则出n条亮(暗)间的距离A,求出相邻的两条明(暗)纹间的距离
。
例题1、在“用双缝干涉测光的波长”的实验中,测量头如图所示,调节分划板的位置,使分划板中心刻线对齐某亮条纹的中心,此时螺旋测微器的读数为1.130mm。
转动手轮,使分划线向一侧移动,到另一条亮条纹的中心位置,由螺旋测微器再读出一读数,若实验测得4条亮条纹中心间的距离△x=0.960mm,已知双缝间距d=1.5mm,双缝到屏的距离L=1.00m,则对应的光波波长为
=480mm。
例题2、在利用双缝干涉测定光波波长实验时,首先调节光源、滤光片、单缝和双缝的中心均位于遮光筒的中心轴线上,若经粗调后透过测量头上的目镜观察,看不到明暗相同的条纹,只看到一片亮区,造成这种情况的最可能的原因是单缝和双缝不平行。
用直尺量得双缝到屏的距离为80.00cm,由双缝上的标识获知双缝间距为0.200mm,光波波长为6.00×
10--7m。
若调至屏上出现了干涉图样后,用测量头上的螺旋测微器去测量,转动手轮,移动分划板使分划板中心刻线与某条明纹中心对齐时,如图所示,此时螺旋测微器的读数为0.900mm,此明条纹的序号定为1,其右侧的明纹序号依次为第2、第3……条明纹,从第1条明纹中心至第第6条明纹中心的距离为12mm。
三、薄膜干涉及其应用
光的干涉在技术有重要的应用。
例如,在磨制各种镜面或其他精密部件时,对加工的表面的形状可用干涉法检查。
如果被检查的表面是一个平面,可以在它的上面放一个透明的标准样板,并在一端垫一个薄片,使样板的标准平面和被检查的平面间形成一个楔形的空所薄层,用单色光照射,入射光在空气层的上、下表面反射出两列光波,于是从反射光中就会看到干涉条纹,根据干涉条纹就可以判断表面的情况。
现代光学装置,如摄影机和电影放映机的镜头等,都是由许多光学元件组成的。
进入这些装置的光,在每个元件的表面都要受到反射,结果只有入射光的10——20%通过装置,所成的像既暗又不清晰。
怎样消除表面反射造成的后果呢?
可以在透镜的表面涂一层薄膜(一般用氟化镁)。
当薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的1/4时,在薄膜的两个面上反射的光,路程差恰好等于半个波长,因而互相抵消。
这就大大减少了光的反射损失,增强了透射光的强度。
这种薄膜叫增透膜。
入射光一般都是白光,增透膜不可能使所有波长的反向波都互相抵消,因此,在确定膜厚度时,应使光谱中间部分的绿色光,即人的视觉最敏感的光,在垂直入射时完全抵消。
这时,光谱边缘部分的红光和紫光并没有显著削弱,所以有增透膜的光学镜头呈淡紫色。
【强化训练】
1、两只相同的灯泡发出的光束相遇( )发生干涉现象?
(填“能”或“不能”)
分析与解答:
只有两列相干光相遇,才会产生干涉现象一般光源发出的光.是大量原子跃迁时产生的,由不连续的波列组成,即使频率相同,各波列振动的情况也是无规则地变化的,因此两个独立光源发出的光不是相干光,不会发生干涉现象
2、在双缝干涉实验中,以白光为光源,在屏上观察到彩色干涉条纹,若在双缝中的一缝前放一红色滤光用只能透过红光),另一缝前放一绿色滤光片(只能透过绿光),这时( )
A、只有红色和绿色的干涉条纹,其它颜色的双缝干涉条纹消失;
B、红色和绿色的干涉条纹消失,其它颜色的干涉条纹仍然存在
C、任何颜色的干涉条纹都不存在,但屏上仍有亮光;
D、屏上无任何亮光.
分析解答:
在双缝干涉实验中,白光通过单缝成为线光源,从单缝时出的光通过双缝分成两束光,它们在光屏上形成彩色的干涉条纹,现在两个缝前分别放上红色和绿色滤光片,红光和绿光的频率不同,不是相干光,所以屏上没有干涉条纹,只有亮光,选择项C正确
3、用白光(复色光源)做扬氏双缝干涉实验,将会在屏上观察什么现象?
(双缝S1、S2连线的中垂线与屏相交的中央位置是白色亮纹,而两侧是彩色条纹,然后展示挂图以便让学生对图样有深刻印象.思考讨论:
为什么会是这样的干涉图样?
)
(由于白光内各种单色光的干涉条纹间距不同,各种色光的干涉条纹在屏上叠加,屏上就会出现彩色条纹).
4、利用双缝干涉测定光的波长实验中,取双缝间距d=0.5mm,双缝光屏间距离L=0.5m,用某种单色光照射双缝得到干涉图象如图,分划板在图中A、B位置时游标卡尺读数如图,则单色光的波长为 。
(6.43×
10-7m)
5、如果把杨氏双缝干涉实验,从空气中移动到某种透明的液体中做实验,则条纹的间距(
)
A、增大
B、减小
C、不变
D、缺少条件,无法判断
6、用红光做双缝干涉实验,在屏幕上观察到干涉条纹,在其它条件不变的情况下,改用紫光做实验,则干涉条纹间距将变
,如果改用白光做实验,在屏幕上将出现
色条纹.
7.某同学按实验装置安装好仪器后,观察光的干涉现象获得成功.若他在此基础上对仪器的安装做如下改动,仍能使实验成功的是( )AC
A.将遮光筒内的光屏,向靠近双缝的方向移动少许,其他不动
B.将滤光片移至单缝和双缝之间,其他不动
C.将单缝向双缝移动少许,其他不动
D.将单缝与双缝的位置互换,其他不动
【命题意图】考查双缝干涉的条件.
【解题思路】若
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