2020-2021学年3 光的干涉教案

第十三章　第2节　光的干涉

【教学目标】

（一）知识与技能

　　1、知道光的干涉现象及由此说明光是一种波。知道杨氏双缝干涉实验设计的巧妙之处。

2、理解何处出现亮条纹，何处出现暗条纹，知道其它条件相同时，不同色光产生干涉条纹间距与波长的关系。

（二）过程与方法

通过观察、实验、并能将观察到的现象跟以前学过的机械波的干涉进行类比，进行自主学习，培养学生观察、表达、分析及概括能力。

情感态度与价值观

　　通过光干涉图样的观察，再次提高学生在学习中体会物理知识之美；另外通过渗透科学家认识事物的科学态度和巧妙思维方法，渗透辩证唯物主义观点。

【教学重点与难点】

重点是光的干涉现象、理解干涉条纹的成因，光的双缝干涉条纹间距的大小的决定式及其物理意义；

难点是光的干涉现象的成因及如何引导学生寻找获得相干光源的其他方法。

【教学过程】　

（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、光的双缝干涉——扬氏干涉实验。

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．

小结：

(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=kλ　　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。

引导学生自学课本第54页“观察双缝干涉图样”与“测定单色光的波长“两小节，掌握如何应用双缝干涉测量光的波长的方法。　　

　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。 

【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．

3.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】 若将滤光片移至单缝和双缝之间，无法获得相干光源，将单缝和双缝位置互换无法形成干涉.

4.单色光照射双缝，双缝间距为0.6 mm，双缝到屏幕的距离为1.5 m，今测得屏幕上7条亮纹之间的距离为9 mm，则此单色光的波长为____ m.（6×10-7 m）

【命题意图】 本题考查Δx=λ和Δx=的应用.

【解题思路】 由Δx=求得Δx，再由Δx=λ求λ.

【作业】