教学第六节 波的干涉.docx
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教学第六节 波的干涉.docx
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教学第六节波的干涉
第六节波的干涉
教学目标:
(一)知识与技能
1、知道波的叠加原理。
2、知道什么是波的干涉现象和干涉图样。
3、知道干涉现象也是波所特有的现象。
(二)过程与方法
理解波的干涉是波特有的现象。
(三)情感、态度与价值观
了解波的干涉在生活中的应用,感受物理与生活之间的紧密联系。
教学重点:
波的干涉现象及其产生条件。
教学难点:
波的叠加原理。
教学方法:
实验演示和多媒体辅助教学。
教学用具:
长绳、发波水槽(电动双振子)、音叉、计算机、投影仪、大屏幕、CAI课件
教学过程:
(一)引入新课
教师:
前面研究的波的衍射现象,是从波源发出的一列波的传播特性。
在实际情况中,常可看到几列波同时在介质中传播。
那么,两列或几列波在介质中相遇时,将会发生什么现象呢?
(二)新课教学
1、波的叠加
教师:
我们有这样的生活经验:
将两块石子投到水面上的两个不同地方,会激起两列圆形水波。
它们相遇时会互相穿过,各自保持圆形波继续前进,与一列水波单独传播时的情形完全一样,这两列水波互不干扰。
观察其他波动现象,同样可以发现在同一介质中传播的几列波相遇时,每一列波都能保持自身的频率、波长、振动方向和传播方向不发生变化,这叫做波的独立传播原理。
两个或几个运动着的物体相遇时,发生碰撞,结果它们原来的运动状态一定会发生改变。
只有波相遇时会互相穿过,相遇后跟没有遇到其他波一样,能保持本身特性继续传播。
两列波相遇时是怎样互相穿过的呢?
我们可以仔细观察下述实验。
【演示】在一根水平长绳的两端分别向上抖动一下,分别产生两个凸起状态1和2在绳上相向传播。
观察现象:
两列波彼此穿过,继续传播。
波形和传播情况跟相遇前一样。
[课件演示:
波的干涉,演示波的叠加场景。
]
对现象的解释:
在介质中选一点P为研究对象,在某一时刻,当波源1的振动传播到P点时,若恰好是波峰,则引起P点向上振动;同时,波源2的振动也传播到了P点,若恰好也是波峰,则也会引起P点向上振动;这时,P点的振动就是两个向上的振动的叠加,P点的振动被加强了。
(当然,在某一时刻,当波源1的振动传播到P点时,若恰好是波谷,则引起P点向下振动;同时,波源2的振动传播到了P点时,若恰好也是波谷,则也会引起P点向下振动;这时,P点的振动就是两个向下的振动的叠加,P点的振动还是被加强了。
)用以上的分析,说明什么是振动被加强。
波源1经过半周期后,传播到P点的振动变为波谷,就会使P点的振动向下,但此时波源2传过来的振动不一定是波谷(因为两波源的周期可能不同),所以,此时P点的振动可能被减弱,也可能是被加强的。
(让学生来说明原因)
提问:
如果希望P点的振动总能被加强,应有什么条件?
提问:
如果在介质中有另一质点Q,希望Q点的振动总能被减弱,应有什么条件?
学生思考并回答:
波源1和波源2的周期应相同。
教师总结:
两列波相遇时,在它们重叠的区域里,介质的质点同时参与两列波引起的振动,质点的位移等于两列波单独传播时引起的位移的矢量和。
结论:
在两列波重叠的区域里,任一时刻某一质点的位移,等于这两列波单独传播到该点时引起的位移的矢量和,这叫做波的叠加原理。
这一原理对于一切波都是适用的。
2、波的干涉
教师:
一般地说,振动频率、振动方向都不相同的几列波在介质中叠加时,情形是很复杂的。
我们只讨论一种最简单的但却是最重要的情形,就是两个振动方向、振动频率都相同的波源所发出的波的叠加。
【演示】在发波水槽实验装置中,振动着的金属薄片AB,使两个小球S1、S2同步地上下振动,由于小球S1、S2与槽中的水面保持接触,构成两个波源,水面就产生两列振动方向相同、频率也相同的波,这样的两列波相遇时产生的现象如课本图12.6-2所示。
课本图12.6-2所示是从发波水槽上方拍摄的照片,从照片中可以清晰地看到,在振动着的水面上,出现了振动加强和振动减弱区域相互间隔分布的情况。
[课件演示:
水波的干涉,观察实物图和立体图。
]
为什么会产生这种现象呢?
我们可以用波的叠加原理来解释。
课本图12.6-3所示的是产生上述现象的示意图。
S1和S2表示两列波的波源,它们所产生的波分别用两组同心圆表示,实线圆弧表示波峰中央,虚线圆弧表示波谷中央。
某一时刻,如果介质中某点正处在这两列波的波峰中央相遇处(课本图12.6-3所示中的M点),则该点(M点)的位移是正向最大值,等于两列波的振幅之和。
经过半个周期,两列波各前进了半个波长的距离,M点就处在这两列波的波谷中央相遇处,该点(M点)的位移就是负向最大值。
再经过半个周期,M点又处在两列波的波峰中央相遇处。
这样,M点的振幅就等于两列波的振幅之和,所以M点的振动总是最强的。
这些振动最强的点都分布在课本图12.6-3中画出的粗实线上。
某一时刻,介质中另一点如果正处在一列波的波峰中央和另一列波的波谷中央相遇处(课本图12.6-3中的N点),该点位移等于两列波的振幅之差。
经过半个周期,该点就处在一列波的波谷中央和另一列波的波峰中央相遇处,再经过半个周期,该点又处在一列波的波峰中央和另一列波的波谷中央相遇处。
这样,该点振动的振幅就等于两列波的振幅之差,所以该点的振动总是最弱的。
如果两列波的振幅相等,这一点的振幅就等于零。
这就是为什么在某些区域水面呈现平静的原因。
这些振动最弱的点都分布在课本图12.6-3中画出的粗虚线上。
可以看出,振动最强的区域和振动最弱的区域是相互间隔开的。
[课件演示:
水波的干涉,观察示意图。
]
总结:
频率相同的波,叠加时形成某些区域的振动始终加强,另一些区域的振动始终减弱,并且振动加强和振动减弱的区域相互间隔,这种现象叫做波的干涉(inerference)。
形成的图样叫做干涉图样。
只有两个频率相同的波源发出的波,叠加时才会获得稳定的干涉图样,这样的波源叫做相干波源,它们发出的波叫做相干波。
不仅水波,一切波都能发生干涉,干涉现象是一切波都具有的重要特征之一。
【演示】敲击音叉使其发声,然后转动音叉。
引导学生观察现象。
现象:
可以听到声音忽强忽弱。
解释:
这是声波的干涉现象。
音叉的两股振动频率相同,这样,两列频率相同的声波在空气中传播,有的区域振动加强,有的区域振动减弱,于是听到声音忽强忽弱的现象。
(三)课堂小结
本节课我们学习了波的叠加和波的干涉。
两列波相遇时,在它们重叠的区域里,介质的质点同时参与两列波引起的振动,质点的位移等于两列波单独传播时引起的位移的矢量和。
频率相同的波,叠加时形成某些区域的振动始终加强,另一些区域的振动始终减弱,并且振动加强和振动减弱的区域相互间隔,这种现象叫做波的干涉。
形成的图样叫做干涉图样。
一切波都能发生干涉,干涉是波的特有现象。
一切波都能发生衍射,波发生衍射不需要条件,但发生明显的衍射则需要条件。
(四)布置作业
完成“问题与练习”中的题目。
以下为赠送文档:
气体热现象的微观意义
一、教学目标
1.在物理知识方面的要求:
(1)能用气体分子动理论解释气体压强的微观意义,并能知道气体的压强、温度、体积与所对应的微观物理量间的相关联系。
(2)能用气体分子动理论解释三个气体实验定律。
2.通过让学生用气体分子动理论解释有关的宏观物理现象,培养学生的微观想像能力和逻辑推理能力,并渗透“统计物理”的思维方法。
3.通过对宏观物理现象与微观粒子运动规律的分析,对学生渗透“透过现象看本质”的哲学思维方法。
二、重点、难点分析
1.用气体分子动理论来解释气体实验定律是本节课的重点,它是本节课的核心内容。
2.气体压强的微观意义是本节课的难点,因为它需要学生对微观粒子复杂的运动状态有丰富的想像力。
三、教具
计算机控制的大屏幕显示仪;自制的显示气体压强微观解释的计算机软件。
四、主要教学过程
(一)引入新课
先设问:
气体分子运动的特点有哪些?
答案:
特点是:
(1)气体间的距离较大,分子间的相互作用力十分微弱,可以认为气体分子除相互碰撞及与器壁碰撞外不受力作用,每个分子都可以在空间自由移动,一定质量的气体的分子可以充满整个容器空间。
(2)分子间的碰撞频繁,这些碰撞及气体分子与器壁的碰撞都可看成是完全弹性碰撞。
气体通过这种碰撞可传递能量,其中任何一个分子运动方向和速率大小都是不断变化的,这就是杂乱无章的气体分子热运动。
(3)从总体上看气体分子沿各个方向运动的机会均等,因此对大量分子而言,在任一时刻向容器各个方向运动的分子数是均等的。
(4)大量气体分子的速率是按一定规律分布,呈“中间多,两头少”的分布规律,且这个分布状态与温度有关,温度升高时,平均速率会增大。
今天我们就是要从气体分子运动的这些特点和规律来解释气体实验定律。
(二)教学过程设计
1.关于气体压强微观解释的教学
首先通过设问和讨论建立反映气体宏观物理状态的温度(T)、体积(V)与反映气体分子运动的微观状态物理量间的联系:
温度是分子热运动平均动能的标志,对确定的气体而言,温度与分子运动的平均速率有关,温度越高,反映气体分子热运动的平均速率
体积影响到分子密度(即单位体积内的分子数),对确定的一定质量的理想气体而言,分子总数N是一定的,当体积为V时,单位体积内
n越小。
然后再设问:
气体压强大小反映了气体分子运动的哪些特征呢?
这应从气体对容器器壁压强产生的机制来分析。
先让学生看用计算机模拟气体分子运动撞击器壁产生压强的机制:
首先用计算机软件在大屏幕上显示出如图1所示的图形:
向同学介绍:
如图所示是一个一端用活塞(此时表示活塞部分的线条闪烁3~5次)封闭的气缸,活塞用一弹簧与一固定物相连,活塞与气缸壁摩擦不计,当气缸内为真空时,弹簧长为原长。
如果在气缸内密封了一定质量的理想气体。
由于在任一时刻气体分子向各方向上运动的分子数相等,为简化问题,我们仅讨论向活塞方向运动的分子。
大屏幕上显示图2,即图中显示的仅为总分子数的合,(图中显示的“分子”暂呈静态)先看其中一个(图2中涂黑的“分子”闪烁2~3次)分子与活塞碰撞情况,(图2中涂黑的“分子”与活塞碰撞且以原速率反弹回来,活塞也随之颤抖一下,这样反复演示3~5次)再看大量分子运动时与活塞的碰撞情况:
大屏幕上显示“分子”都向活塞方向运动,对活塞连续不断地碰撞,碰后的“分子”反弹回来,有的返回途中与别的“分子”相撞后改变方向,有的与活塞对面器壁相碰改变方向,但都只显示垂直于活塞表面的运动状态,而活塞被挤后有一个小的位移,且相对稳定,如图3所示的一个动态画面。
时间上要显示15~30秒定格一次,再动态显示15~30秒,再定格。
得出结论:
由此可见气体对容器壁的压强是大量分子对器壁连续不断地碰撞所产生的。
进一步分析:
若每个分子的质量为m,平均速率为v,分子与活塞的碰撞是完全弹性碰撞,则在这一分子与活塞碰撞中,该分子的动量变化为2mv,即受的冲量为2mv,根据牛顿第三定律,该分子对活塞的冲量也是2mv,那么在一段时间内大量分子与活塞碰撞多少次,活塞受到的总冲量就是2mv的多少倍,单位时间内受到的总冲量就是压力,而单位面积上受到的压力就是压强。
由此可推出:
气体压强一方面与每次碰撞的平均冲量2mv有关,另一方面与单位时间内单位面积受到的碰撞次数有关。
对确定的一定质量的理想气体而言,每次碰撞的平均冲量,2mv由平均速率v有关,v越大则平均冲量就越大,而单位时间内单位面积上碰撞的次数既与分子密度n有关,又与分子的平均速率有关,分子密度n越大,v也越大,则碰撞次数就越多,因此从气体分子动理论的观点看,气体压强的大小由分子的平均速率v和分子密度n共同决定,n越大,v也越大,则压强就越大。
2.用气体分子动理论解释实验三定律
(1)教师引导、示范,以解释玻意耳定律为例教会学生用气体分子动理论解释实验定律的基本思维方法和简易符号表述形式。
范例:
用气体分子动理论解释玻意耳定律。
一定质量(m)的理想气体,其分子总数(N)是一个定值,当温度(T)保持不变时,则分子的平均速率(v)也保持不变,当其体积(V)增大几倍时,则单位体积内的分子数(n)变为原来的几分之一,因此气体的压强也减为原来的几分之一;反之若体积减小为原来的几分之一,则压强增大几倍,即压强与体积成反比。
这就是玻意耳定律。
书面符号简易表述方式:
小结:
基本思维方法(详细文字表述格式)是:
依据描述气体状态的宏观物理量(m、p、V、T)与表示气体分子运动状态的微观物理量(N、n、v)间的相关关系,从气体实验定律成立的条件所述的宏观物理量(如m一定和T不变)推出相关不变的微观物理量(如N一定和v不变),再根据宏观自变量(如V)的变化推出有关的微观量(如n)的变化,再依据推出的有关微观量(如v和n)的变与不变的情况推出宏观因变量(如p)的变化情况,结论是否与实验定律的结论相吻合。
若吻合则实验定律得到了微观解释。
(2)让学生体验上述思维方法:
每个人都独立地用书面详细文字叙述和用符号简易表述的方法来对查理定律进行微观解释,然后由平时物理成绩较好的学生口述,与下面正确答案核对。
书面或口头叙述为:
一定质量(m)的气体的总分子数(N)是一定的,体积(V)保持不变时,其单位体积内的分子数(n)也保持不变,当温度(T)升高时,其分子运动的平均速率(v)也增大,则气体压强(p)也增大;反之当温度(T)降低时,气体压强(p)也减小。
这与查理定律的结论一致。
用符号简易表示为:
(3)让学生再次练习,用气体分子动理论解释盖·吕萨克定律。
再用更短的时间让学生练习详细表述和符号表示,然后让物理成绩为中等的或较差的学生口述自己的练习,与下面标准答案核对。
一定质量(m)的理想气体的总分子数(N)是一定的,要保持压强(p)不变,当温度(T)升高时,全体分子运动的平均速率v会增加,那么单位体积内的分子数(n)一定要减小(否则压强不可能不变),因此气体体积(V)一定增大;反之当温度降低时,同理可推出气体体积一定减小。
这与盖·吕萨克定律的结论是一致的。
用符号简易表示为:
(三)课堂小结
1.本节课我们首先明确了气体状态参量与相关的气体分子运动的微观物理量间的关系着重从气体分子动理论的观点认识到气体对容器壁的压强是大量分子连续不断地对器壁碰撞产生的,且由分子的平均速率和分子密度共同决定其大小。
2.本节课我们重点学习了用气体分子动理论的观点来解释气体三个实验定律的方法。
五、说明
1.本节课设计用计算机模拟气体分子对器壁碰撞而产生压强是为了使学生有一点感性认识,帮助学生想象,其中有两点需要说明,一是弹簧的形变(活塞的位移)说明活塞受到了压力,二是图中所示的“分子”数只是示意图,其“大量”的含义是无法(也没必要)用具体图形表示。
2.本节课用气体分子动理论解释实验定律的侧重点在于教会学生“解释”的方法,它是一种从宏观到微观,又由微观到宏观的有序而又严密的推理。
因此对三个定律解释方式是先教师示范,讲清方法,再让学生独立思考,自行体验,最后反复练习,熟练掌握。
既采用详细表述又用符号简易表示,其目的也是为了训练学生既严密又简练的逻辑思维。
3.由于温度只是气体分子平均动能的标志,它与分子平均速率v只能推出定性的相关关系,中学阶段无法得到定量的相关关系,因此对查理定律和盖·吕萨克定律也只能进行定性解释,不能定量的推出正比关系。
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