第二十章 光的波动性.doc

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1、全日制普通高级中学教材高三(必修+选修)教案第二十章 光的波动性第二十章 光的波动性我们已经不止一次地听到光是一种电磁波的说法,但要接受这个观点,必须基于物理事实的总结。这是实现本章学习目的的基本手段。而且,本章的实验大多数都是在我们现有的条件下能够做成的,大家在课堂上要注意观察、思考,必要的时候,我们还要自己动手进行分组实验重复一百年前伟人们的研究历程。本章可分为四个单元。第一单元:第1、2节,讲光的干涉和衍射;第二单元:第3节,讲光的电磁说,电磁波谱;第三单元:第4节,讲光的偏振,进一步说明光是横波,是电磁波;第四单元:第5节,介绍激光。本章的知识点在高考考纲中都是A级。在历年的高考试题中

2、,有关本章的内容多以选择或填空题的形式出现。命题几率较高的是光的干涉、衍射,其次是波长、波速和频率的关系,有时还与几何光学中的知识结合起来进行考查。201 光的干涉【教学目的】1、认识光的干涉现象及光产生干涉的条件2、理解(杨氏)双缝干涉形成的原理,以及条纹的特征3、知道实现光的干涉的途径并不是唯一的,了解薄膜干涉形成的原理,以及它在工程物理领域的应用【教学重点】光产生干涉的条件,干涉条纹的特征【教学难点】(杨氏)双缝干涉形成的原理,以及条纹的特征分析【教具】(杨氏)双缝干涉仪,酒精灯,食盐,铁丝圈,肥皂水【课时安排】2课时【教学过程】、复习&引入复习提问1:波动只所以有别于粒子运动,其重要特

3、征是什么?学生:能够发生干涉、衍射。复习提问2:什么是机械波的干涉?发生波的干涉的条件是什么?学生:两列波在叠加后,在空间形成稳定的振动加强和减弱的区域(而且它们彼此间隔);两列波的频率相等。我们要确认光具有波动性,就必须拿出光能够干涉或衍射的事实。而根据刚才的物理学史介绍,在波动说已经提出的前提下,整个十八世纪都没有得到发展。是不是观察光的干涉、衍射现象很不容易呢?答案是肯定的。一、双缝干涉为什么不容易,这得从两个角度去认识:一是干涉的条件是否容易达成,二是干涉现象形成后,其强弱的分布状况是否方便人们去观察。在第一个方面,就是一个难题。原来的一般的光源都含有多种颜色(即多种频率)的成分,即便

4、是找到了“完全相同”的光源,但从发光的微观角度看,由于发出的光波具有不连续性(就不能保证相位差恒定),要保证它们能够发生干涉,也是很难的。光学上,把能够发生干涉的光源叫做:1、相干光源:频率相等、相位差恒定的光源称为相干光源。为了确保这两个条件满足,人们想过很多办法,英国物理学家托马斯杨是这样做的:将同一光源发出的光用一个只留两个孔(或两个缝)的挡板挡住,那么从这两个空(或两个缝)中射出的光就是相干光源了。干涉现象形成后,如何方便观察?这个问题复杂一些,让我们将实验完成之后,再做定量分析。2、双缝干涉演示:(杨氏)双缝干涉实验a、学生观察双缝;b、学生预测实验现象(教师配合草稿板图机械波干涉分

5、析类比);c、学生观察干涉条纹过渡:为了解决干涉现象形成后是否方便观察的问题,下面进入双缝干涉的定量分析(请同学们注意,我们这里并不仅仅是解释为什么形成干涉条纹这一点,我们已经能够利用已有的知识去预测了而是要研究怎样形成方便观察的条纹,这就涉及到一个条纹宽度的计算问题。因此,我们今天对光的干涉的研究比起机械波干涉的研究必须更为深入。)为了寻求条纹的宽度,我们引进波程差的分析法。a、定性阐述b、定量(板图1)分析= S2P1 S1P1dsin= d当= 0时(位置:P点),对应第一个最强点(事实上是一条线),此时 x = 0当=时(位置:P1点),对应第二个最强“线”,此时 x=当= 2时(位置

6、:P2点),对应第三个最强“线”,此时 x=2同学们,最亮条纹之间的间距是多少?学生:条纹间距x = x x = x x= 。我们这里没有计算暗纹的位置和间距情况,暗纹的间距又是多少呢?学生:当然和亮纹间距相等。3、条纹间距 x = 假设我们手头有两个相干光源(平行的线光源),它们相距1m ,供观察的屏到光源之间的距离为2m ,光的波长是我们前面提到的钠黄光(= 5893),那么干涉条纹的间距x等于多少?师生共同计算:x = 1.1810-6m = 0.00118mm 。这样一个间距,肉眼观察容易吗?学生:不容易。那么,同样是钠黄光,杨氏双缝干涉装置的条纹间距有等于多少呢(杨氏双缝间距d =

7、0.2mm ,屏与双缝距离 l = 1m)?学生:x = 2.95mm 。很显然,这个间距观察起来是很“舒服”的,这个数据也和我们实际观察到的间距相符。刚才我们事实上已经解释了双缝间距的宽窄会影响干涉条纹的间距,在这方面,我们还可以通过实验验证演示:相同色光,改变双缝宽度,干涉条纹检举改变a、学生观察;b、教材彩图对应。下面,我们还要解释关于双缝干涉的另外两个事实1、不同色光,条纹间距不同。a、介绍光的颜色和波长的一般对应规律(参照教材表格);b、学生解释“事实”;c、演示:不同色光的条纹间距不同d、参照教材彩图2、复色光会形成彩色条纹a、原理介绍b、演示:复色光形成彩色条纹,学生观察。过渡:

8、从刚才的研究,我们可以得出这样的结论:只要有相干光源,光的干涉就能够产生,但要观察到明显的干涉现象,则需要强弱(明暗)分布的距离适当这就需要相干光源的波程差比较微妙(和波长的数量级差别不大)。能够满足以上条件的装置是不是只有杨氏的双缝?答案必然是否定的。事实上,在十九世纪,探索光的波动性的物理学家很多,卓有成效的也绝不是只有托马斯杨一人。在物理学史上,比较有影响的干涉实验就有:菲涅耳双面镜(双棱镜)实验、洛埃单镜实验、法布里珀罗标准具干涉实验、迈克尔逊干涉实验、平行平板干涉实验、楔形平板干涉实验等等。他们有些和杨氏实验的原理类似,有些则则差别较大。为了强化对干涉的印象,我们这里再介绍一个二、薄

9、膜干涉演示:钠黄光在肥皂薄膜上的干涉。学生:观察实验现象。在这里,我们也看到了明暗相间的规则条纹,它的形成是不是和杨氏干涉条纹一样呢?首先,光源同不同?学生:不同。为什么还需要一个肥皂薄膜?这里我们做一个分析a、楔性薄膜介绍;b、板图2定量分析= 2h若在P处,= ,则P处为亮纹,h = 若在P1处,= 2,则P1处为亮纹,h1 =若在P2处,= 3,则P2处为亮纹,h2 =启发:同学们,如果知道薄膜倾角,我们是否可以求出薄膜表面亮纹之间的宽度?师生共同计算:相临亮纹处的厚度差 h = 设亮纹间距为y ,由于很小,tg ,所以亮纹间距(即条纹间距)y = 应用:请同学们计算一下,在刚才的钠黄光

10、薄膜干涉中,要求条纹的间距为3mm(这样观察起来不至于太吃力),则薄膜倾角约为多少?学生:计算得出结果tg= 0.98210-4 ,= 0.00562。很显然,要造就这样一个微妙的夹角(而且基本恒定),是不容易的。启发:下面请同学们思考一个问题,如果薄膜因某种原因形成了一个“横梗”(如图3甲所示)的状况,干涉条纹将是什么状况?学生:思考、交流教师导引分析如图3乙和丙所示(1区倾角增大,2区倾角减小)启发:如果是局部凸起,条纹状况有怎样?学生:思考、尝试事实上,这个原理已经被用于工程技术中的高精度的平面检测中,相关的细节请大家参看教材内容学生:阅读教材薄膜干涉的应用除了平面检测,还有增透膜,有兴

11、趣的同学可以在课外阅读一些相关的介绍。三、小结光的干涉实验的成功是光具有波动性的铁的证明。本节课,我们比较细致地讨论了光的干涉的规律。从相关的结果我们可以体会到,要做成效果显著的光的干涉实验是不容易的,在某种程度上讲,这也是光的波动说在十八世纪没有得到发展的原因。我们通过学习本节,需要弄清楚的是,光的干涉的条件是什么,形成显著的干涉在技术上有一些什么要求,双缝干涉和薄膜干涉的共同点和不同点在什么地方。学了光的干涉,我们还要能够解释一些基本自然现象,课后有这样的习题,大家要认真思考。四、作业布置202 光的衍射【教学目的】1、了解光的衍射现象,知道发生明显的光的衍射现象的条件2、认识衍射条纹和干

12、涉条纹的区别,定性了解衍射条纹形成的原理3、知道实现光的衍射的途径是多种多样的,进一步强化对光的波动性的认识【教学重点】光的衍射现象、发生明显的光的衍射现象的条件【教学难点】光发生衍射后,为什么有条纹形成【教具】激光器、可调单缝一个、宽度为0.025mm的单缝一个、光栅五个、剔须刀片一块【教学过程】、复习&引入复习提问1:什么是波的衍射现象,发生明显衍射现象的条件是什么?学生:回忆、答问引入:光的波长的数量级是多少?要光发生明显的衍射现象,容易吗?学生:107m ;不容易。正因为实现光波的衍射比起机械波的衍射要难得多,所以在一个相当长的时期内,光能够发生衍射的观点根本不被人们所接受,光的波动说

13、也就欠缺了说服力。但是,功夫不负有心人,随着技术条件的进步、科学家们的不懈努力,关于光的衍射的研究终于获得了突破,而其中又以法国的菲涅尔、德国的夫琅和费等科学家最为成功。一、单缝衍射演示:单缝衍射实验a、学生观察宽度为0.025mm的单缝、可调单缝;b、用可调单缝进行(菲涅尔衍射)实验(肉眼直接对着单缝观察);c、用0.025mm的单缝进行(夫琅和费衍射)实验;d、学生观察观察实验现象、表达实验结果。总结:光线离开直线路径绕过障碍物阴影里去;衍射区域的光强有规则地分布。1、光的衍射:光离开直线路径绕过障碍物阴影里去的现象叫做光的衍射现象。过渡:衍射现象中,由于光强的规则分布,光屏上也出现了条纹

14、,我们把它们称为衍射图样,衍射图样和(杨氏)干涉图样是一样的吗?学生:不同。2、单缝衍射图样比较单色光的双缝干涉图样与单色光的单缝衍躯干图样,它们各有什么特点?学生:观察实验现象、参看教材彩图2光的干涉和衍射,比较衍射图样和干涉图样的差别干涉:条纹间距基本相等,条纹的亮度衰减较小;衍射:条纹间距不相等(但相等中央亮纹对称),条纹的亮度衰减明显。我们已经知道了干涉图样是怎样形成的,并能够求出杨氏双缝干涉的条纹间距,那么,单缝衍射的图样又是怎样形成的呢?3、衍射图样的解释a、定性解释惠更斯子波理论、干涉理论;b、定量解释 *菲涅尔半波带(解释夫琅和费单缝衍射)草稿板图图1;a一定,对于合适的 =

15、1 ,总可以找到asin1 = 2k(图1展示了k = 1的情形)此时,将单缝出发的子波面划分为2k个“半波带”(图1中,AB是一个半波带、BC是第二个)。这样,一个半波带中的某个点,总是可以在相临的半波带中找到波程差为的一个对应点(譬如图1中的A1和B1点),它们在光屏上方位角为1的“点”的叠加是相消的。由于相临半波上的点可以这样(成对地)寻找殆尽,故光屏上方位角为 = 1的“线”是(完全的)暗线。对于合适的 = 2 ,总可以找到asin2 = (2k1)此时,子波面可以划分为(2k1)个半波带,相临半波带的子波在光屏上方位角为2的“点”的叠加相消,还有一个半波带在子波照射在光屏上。即:光屏上方位角为 = 2的“线”是亮线。当asin

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