第十三章 光 全章教案要点Word文件下载.docx
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5.反射光路可逆
(二)平面镜成像及作图
1.让学生回忆平面镜成像的特点:
正立、等大、异侧、虚像、对称.
2.教师简述平面镜成像原理、作图方法并予以示范.
a.平面镜成像原理:
如图19—9,光点S入射到平面镜的光线,其反射光线的反向延长线的交点即为S的像,人眼根据光沿直线传播的经验,感觉反射光都是从S′发出的.
b.平面镜成像作图.
图19—9
讲:
两条光线即可确定像点的位置.所以无需多画.步骤是:
(1)由对称性确定像点的位置;
(2)任意画两条入射光线;
(3)过像点作出对应的两条反射光线;
(4)若是作物体AB的成像光路图,则只需作出A、B点的成像光路图.连接A、B点即可.
(三)光的折射折射定律
1.实验观察变为看折射光和入射光的相对位置及折射角和入射角关系的观察:
a.让学生观察折射光.入射光及界面的法线也是共面的.
b.光从空气进入玻璃时,入射角增大.折射角也增大,但入射角始终大于折射角.
2.定量测量5组数据,仿照课本列出原始数据表(可让前排的学生读取数据.但要先明确法线)
3.分析测量数据:
(建议入射角分别取10°
20°
30°
40°
50°
)
[教师][故意自言自语地]入射角增大,折射角也增大,两者的差是不是定值呢?
(有学生开始计算)
[学生甲]不是,差值是越来越大的.
[师]是不是有规律地增大,比如入射角增大10°
,折射角一定增大某一个数值?
[生]不是,前两组差不多,后两组又不同了.
[师]那么,会不会两角的比值不变呢,大家算算看.(学生计算,有学生算了两组数据说好像是相等的)
[师]能不能从两组数据下结论?
[生]不能.
[师]对,那样太轻率了点.把5组数据都算出来看看.
[学生继续计算.发现比值也是不相等的]
[师]看来我们碰到麻烦了,如果让你来猜的话,你还能猜想它们之间可能是什么关系?
[生沉默]
[师]其实不是你们不够聪明,实在是因为入射角和折射角之间的关系太出乎人意料了.人类从积累入射角与折射角的数据到找出两者之间的定量关系,经历了近1500年的时间[有学生惊叹].
[教师抓住机会教育]科学研究是一件很艰苦的工作,需要有持之以恒的毅力和必胜的信念.有时需要几代人的努力.我们要学好物理也需要这样一种恒心和解决困难的勇气.希望大家不畏难,不怕苦,勇于探索,在科学学习之路上能走得很远很远.
[教师继续]实际上在公元1400年,托勒密也曾经认为,入射角与折射角存在着简单的正比关系,但只有对比较小的入射角才大致相符,就像我们刚刚在计算中发现的那样.直到1621年,才由斯涅耳找到了这个关系.这个谜终于被解开了,谜底是——入射角的正弦和折射角的正弦成正比.即
=常数.请大家看课本的实验数据及分析.
[学生看书30秒]
4.师生一起归纳总结折射定律的内容.
5.折射现象中光路可逆——直接给出即可,学生能领会.
(四)折射率n
1.折射率的定义
[教师]刚才我们已经知道了.光从空气进入玻璃时,入射角的正弦与折射角的正弦成正比.比值约为1.50.进一步的实验发现.若光从空气进入另一种介质.比如进入水中时,尽管入射角的正弦与折射角的正弦之比仍为常数.但这个常数却不是1.50.而是约1.33,可见这个常数跟介质有关系.它反映了介质的光学性质.我们设想光从空气进入玻璃和光从空气进入水中的入射角都是30°
,则有:
空气→玻璃:
=1.50空气→水:
=1.33
显然θ2′>θ2,我们画出光路图如图19—11甲、乙.可以看到,光从空气进入玻璃时.折射光偏离原来的传播方向更厉害.也就是说,这个比值的大小能反映介质对光的偏折程度,比值越大.表明介质对光的偏折作用越大.我们把这个比值叫做折射率,用n表示.定义折射率n=
.
图19—11
2.对折射率的几点说明
a.引导学生看课本加点字对折射率定义的叙述,强调:
光从真空进入介质,若光从介质进入真空.则入射角正弦与折射角正弦之比
=
b.光从空气进入介质近似于光从真空进入介质
c.介质对真空的折射率也叫绝对折射率,简称折射率.若光从水中进入玻璃中,则入射角正弦与折射角正弦之比叫玻璃对水的折射率.也叫相对折射率.若水为介质Ⅰ,玻璃为介质Ⅱ,则写作n21=
3.折射率的决定因素
a.光折射的原因是:
光在不同介质中的速度不同.
[做课本后的“做一做”小实验,帮助学生理解这一点]
b.折射率n的决定式:
n=
c.n>1
d.仿照n=
可写出相对折射率n21=
(五)课堂巩固训练
三、小结
1.光的反射定律和折射定律是几何光学的两大基本规律(另外一个是光的直线传播规律).是研究几何光学的重要法宝.在应用时一定要注意作图,突出几何的特点.
2.反射成像和折射成像的原理分别是:
平面镜成像是反射光线反向延长线的交点.折射成像是同一光点的折射光线或其反向延长线的交点.为该光点的像.应在明确成像原理的基础上正确画出光路图再行求解.
3.折射率是几何光学中非常重要的基本概念之一.它反映介质的光学性质,每一种介质在一定条件下有一个确切的折射率,不同种类的介质在相同的条件下,一般具有不同的折射率.例如:
玻璃的折射率是1.50,水的折射率是1.33.
4.通常所说的介质的折射率是指介质的绝对折射率,即光从真空射入某种介质的折射率.若光由介质1射入介质2,这时的折射率确切地说应该叫做介质2对介质1的相对折射率.通常用n21来表示.
四、布置作业
第二节光的干涉
●教学目标
1.通过实验观察认识光的干涉现象,知道从光的干涉现象说明光是一种波.
2.掌握光的双缝干涉现象是如何产生的,何处出现亮条纹,何处出现暗条纹.
3.掌握明条纹(或暗条纹)间距的计算公式及推导过程.
4.知道不同色光的频率不同,掌握波长、波速、频率的关系.
5.通过实验初步认识薄膜干涉现象,了解其应用.
1.通过了解杨氏把一个点光源发出的一束光分成两束,理解相干光源的设计思想.
2.通过根据波动理论分析单色光双缝干涉,培养学生比较推理,探究知识的能力.
3.在认真观察实验事实的基础上,加强抽象思维能力的培养.
通过对光的本性的初步认识,建立辩证唯物主义的世界观.
双缝干涉图象的形成实验及分析
1.亮纹(或暗纹)位置的确定.
2.亮纹(或暗纹)间距公式的推导.
通过机械波干涉现象的复习,过渡到光波的叠加,进而提出问题,引发思考,在实验观察的基础上通过探究现象成因,总结规律,完成本节课的教学目标,最后通过对薄膜干涉成因的分析达到拓展应用,提高能力的目的.
●教学过程
复习机械波的干涉
(一)双缝干涉实验
[动手实验,观察描述]
介绍图20—2杨氏实验装置
(出于时间和观察效果考虑,不在课堂上做这一实验)
介绍侧重于单孔的作用,是获得来自同一光源的一束光波,双孔的作用是将同一束光波分成两束“振动情况总是相同的光束”.因为两孔相距0.08mm左右,很近,且与单孔屏上的孔距离相等,所以单孔的光会同时到达这两个孔,这两个孔将同一列光一分为二,因而两个小孔成了“两个振动情况完全相同的新波源,它们在屏上叠加,就会出现明暗相间的条纹”.
(二)干涉条纹的成因
[比较推理,探究分析]
[师]通过实验,我们现在知道,光具有波动性.现在我们是不是可以根据机械波的干涉理论来认真探究一下实验中的明暗条纹是如何形成的呢?
实验并总结:
Δr=2n·
n=0、1、2…时,出现明纹.
Δr=(2n+1)
n=0、1、2…时,出现暗纹.
图20—10
[师]综合前面分析,我们可以画出右面图示的双缝干涉结果.
同时介绍一下相干光源,强调干涉条件.
[师]看来大家掌握得不错,下面我们可以讨论一些更复杂的问题.
(三)条纹间距与波长的关系[深入观察量化分析]
指导学生分别用红色、紫色滤色片遮住双缝,观察线状白炽灯的干涉条纹(课本P101图实—2),比较两种色光干涉条纹宽度,与课本第1页彩图2对照,得出结论:
红光干涉条纹间距大于紫光干涉条纹间距.(注意其他条件相同,进行实验)
[师]我们知道,不同色光的波长是不同的,那么干涉条纹间距的关系也就反映了不同色光的波长关系,干涉条纹间距和波长之间又有怎样的关系呢?
同学们发挥数学方面的聪明才智,我们一起来寻找它们之间量的关系.(板书)
[投影图20—11及下列说明]
图20—11
设两缝S1、S2间距离为d,它们所在平面到屏面的距离为l,且ld,O是S1S2的中垂线与屏的交点,O到S1、S2距离相等.
推导:
(教师板演,学生表达)
由图可知S1P=r1
[师]r1与x间关系如何?
[生]r12=l2+(x-
)2
[师]r2呢?
[生]r22=l2+(x+
[师]路程差|r1-r2|呢?
(大部分学生沉默,因为两根式之差不能进行深入运算)
[师]我们可不可以试试平方差?
r22-r12=(r2-r1)(r2+r1)=2dx
由于l»
d,且l»
x,所以r1+r2≈2l,这样就好办了,r2-r1=Δr=
x
[师]请大家别忘了我们的任务是寻找Δx与λ的关系.Δr与波长有联系吗?
[生]有.
[师]好,当Δr=2n·
n=0、1、2…时,出现亮纹.
即
·
x=2n·
时出现亮纹,或写成x=
第n条和第(n-1)条亮纹间距离Δx为多少呢?
[生]Δx=xn-xn-1
=[n-(n-1)]
[师]也就是Δx=
λ
我们成功了!
大家能用语言表述一下条纹间距与波长的关系吗?
[生]成正比.
[师]对,不过大家别忘了这里l、d要一定.暗纹间距大家说怎么算?
[生]一样.
[师]结果如何?
[师]根据前面的实验结果及推导大家能判断红光和紫光哪一个波长长吗?
[生]能.红光.
[师]大家能猜一猜用白光干涉会出现什么现象吗?
[生](默然)
[师]好,不清楚,我们不妨实验一下.
引导学生观察白光干涉(抽去滤色片,直接观察)
[师]哪位同学能为大家归纳一下观察到的现象.
[生]
(1)彩色条纹(师提示明暗相间)
(2)中央为白条纹
(3)中央条纹两侧彩色条纹对称排列
(4)每条彩纹中红光总在外边缘,紫光在内缘.
[师]归纳得很全面,大家能解释吗?
(学生积极讨论,气氛热烈,从讨论中基本能掌握了原因)
[生]不同色光波长不同,条纹宽度不同,红光条纹最宽;
紫光条纹最窄,所以出现上面现象.
[师]解释得好.大家还记得机械波波长、波速、频率三者之间的关系吗?
[生]记得.v=λf.
[师]对,光波也有这样的关系,不过各种色光在真空中的波速是相同的,我们用c表示,那么有:
[板书]c=λf
[师]请大家比较一下七种色光的频率关系.
[生]红光频率最小,紫光频率最大.
[师]对,大家看P27的表.
(教师介绍波长,频率范围,强调单位,引导学生阅读讨论表右侧的红字)
(四)薄膜干涉[拓展应用提高能力]
[师]大家通过前面的学习,现在我们来探究另一个问题,是不是只有两个双缝射出的相干光才能发生干涉呢?
[生]不一定,关键要看路程差.
[师]好,我们再来看一个干涉的实验:
薄膜干涉[板书]
教师演示:
点燃酒精灯,在火焰中洒些氯化钠,使火焰发生黄光.把圆环竖直地插入肥皂溶液中,慢慢向上提起形成薄膜,竖直放好,将大烧杯罩住圆环,减小蒸发,以延长演示时间,便于全体观察.将酒精灯移到膜前,调整好位置,在酒精灯同侧观察到肥皂膜上呈现明暗相间的干涉条纹.
[师]怎样解释这一现象呢?
请大家思考下面几个问题:
[投影图20—12及以下问题]
图20—12
①肥皂膜有几个面可以反射灯焰的光?
②这些面反射回来的光有没有路程差,如有,它们有什么特点?
③这些反射光是不是相干光?
[生1]膜前后两表面均可反射光.
[生2]因为肥皂膜厚度不同,所以不同位置处的反射光路程差不同,有的地方可能是半波长的奇数倍,有的地方可能是半波长的偶数倍.
[生3]两表面的反射光线来源于同一光线,振动情况一定相同,是相干光.
[师]三位同学回答得非常好,大家能弄清薄膜干涉的原因吗?
[生]能.
[师]好,请大家把自己的想法与课本P27最后一段的分析比较一下.
(学生阅读、理解.教师准备演示牛顿环实验)
[师]大家分析得很好,我再加一个实验,奖励大家.
(演示牛顿环实验,直接投影在白色墙上,墙上出现了牛顿环反射光干涉形成的一组明暗相间的同心圆,将屏移到环的另一侧,这里可将装置调整,同样可以观察到与反射干涉条纹互补的一组同心明暗相间的圆环)
[师]感兴趣的同学课后抽时间自己来实验,深入研究它,同学们也能给我找点例子吗?
(学生讨论,思考)
[生]水面上的油膜好像也能反射光线,形成明暗相间的条纹.
[师]好,同学们课后去认真观察一下,看来干涉现象在我们生活中是见过的,我们真是“视而不见”,“相逢未必曾相识”,生活中有许多现象,看似很普通寻常,却常常蕴含着很深的科学道理,同学们要多观察、多思考、多探究.
[师]课本P28给大家介绍了一个干涉现象在技术上的应用实例,我们一起来看看.
[投影图20—13引导学生分析]
图20—13
[师]有兴趣的同学可以在我们所掌握的知识基础上进行更进一步的探究.我这里为大家提供两个课题,大家可以到图书馆或上网查阅相关资料,然后确立课题进行研究.
1.照相机、摄像机的镜头大多是淡紫色的,为什么?
2.全息照相是怎么回事?
[归纳总结,撷取精华]
1.课本P28.1,2,3
2.探究性学习:
从两个课题中选择一个或自选相关课题进行探究.
第四节光的颜色色散
1.理解棱镜能使射向棱镜侧面的光线向底面偏折的道理.
2.知道光的色散现象.
3.理解光的色散现象的成因.
4.知道不同色光在同一介质中传播速度不同.
5.知道同一介质对红光的折射率最小,对紫光的折射率最大.
1.会应用棱镜进行有关的光路控制.
2.会根据折射定律分析判断白光色散的结果.
通过自然界中的光现象——虹霓的教学及色散现象的教学激发学生对大自然的热爱以及对自然之谜的求知欲望.
1.棱镜对光线的作用.
2.光的色散现象及其成因.
用光的折射定律分析不同色光通过同一介质后的偏折情况.
本节课通过实验观察、理论分析,辅助以CAI课件对棱镜对光的偏折作用、光的色散现象及其形成原因等进行多途径的教学.同时介绍一些相关的科普知识开阔学生的视野,尽量增加学生的观察以达到身临其境、兴趣盎然的效果.
●教学用具
同上节课的光学演示仪,三棱镜若干.CAI课件(单色光通过棱镜后的偏折情况,白色光通过棱镜的色散现象,虹霓的形成)
●课时安排
1课时
[师]同学们看过雨后天空的彩虹吗?
(学生有的回答看过,有的回答没看过)
(教师用课件播放彩虹图片,学生惊叹其美丽)
[师]彩虹的美丽一直是为人们所赞叹的,但是在座的有谁知道彩虹是怎样形成的吗?
[无人回答]我们学完这一节的内容大家就会知道了,想知道吗?
[生回答想]那就好好的跟我学吧.
(一)棱镜棱镜对光线的作用
1.介绍棱镜
教师出示若干个棱镜(大约十几个)给学生传着看.让学生知道什么是棱镜.
2.棱镜对光线的作用
a.在黑板上画出棱镜的截面如图19—44,让一个学生到黑板上画出在光线从空气入射到AC面时的折射光.再请一位同学画出从棱镜进入空气时在AB面上的折射情况.
图19—44
b.用实验演示验证一下同学画的对不对.
c.归纳结论——光在棱镜的两个侧面发生折射时,每次折射都使光线向棱镜的底面偏折.
d.让学生猜想出入射光的偏折程度可能与哪些因素有关.
[学生]与折射率有关.
e.入射光方向不变,若折射率比原来大,再让一位学生画出此时光线的两次偏折情况.得出折射率越大,偏折越大的结论.
(二)光的色散
1.光的色散现象
[教师]刚才我们是用红光做的实验.如果让一束白光通过棱镜你能想象出将是什么样的吗?
[生甲]还是白色.(其他学生犹豫)
[教师]猜的不是完全没有道理.因为刚才红光折射后出来时还是红光嘛.但是还是让我们用实验来验证一下.这样心里才踏实对不对?
(1)实验演示白光通过三棱镜后的色散现象.
(2)再让学生用发给他们的棱镜对着太阳光转动.可在教室墙壁上看到鲜艳的彩色亮带.
(3)引导学生归纳总结出白光是复色光.
(4)给出光的色散定义及光谱概念.
2.光的色散原因分析
(1)重做课本图19—25甲所示的实验,让学生仔细观察,在光屏上最上端是红色,最下端是紫色.
(2)分析现象背后的实质性原因.
[教师引导]白光通过棱镜后变成了彩色光除了说明白光是复色光外,还说明棱镜对不同色光的折射率是…
[学生]不同的.
[教师]折射率不同.说明不同色光在棱镜中传播时速度是…
[教师]红光在屏上最上端,表明红光的偏折程度…
[学生]最小.
[教师]棱镜对红光的折射率…
[教师]对紫光的折射率…
[学生]最大.
(3)光在真空中传播速度相同.
[教师]我们现在看到的太阳光是太阳现在发出的吗?
[学生]不是
[教师]如果不同色光在真空中传播速度不同.则将先后到达地球.那么我们看到的还是白光吗?
[学生]不是
[教师]因此可以知道光在真空中传播速度都是相同的.c=3×
108m/s而在介质中传播速度是不同的.(根据n=
(4)归纳总结如下表
颜色
红橙黄绿蓝靛紫
频率ν
低高
折射率n
小大
介质中速度v
大小
临界角C
(三)课堂巩固训练
1.课本练习四第
(1)题.
2.如图19—45,ABC为一玻璃三棱镜的截面,一束光MN垂直AB射入,在AC面发生全反射后从BC射出,则在屏PQ上的彩带DE的D点是________光,E点是________光.(填颜色)
图19—45
3.在上题中,若∠MNB变小,最先从AC透出的是________光.
参考答案:
1.略2.紫红3.红
(四)知识拓展——虹霓的形成
虹的形成
雨后初霁,我们常常看见天上出现美丽的七色彩虹,虹是太阳光沿着一定角度射入空气中的水滴引起的比较复杂的折射和反射所造成的一种色散现象.如图19—46(a),假设太阳光水平射向一水珠,光线经两次折射和一次全反射后射出水珠.
霓的形成经过了二次折射和二次全反射,如图19—46(b).虹和霓一般同时出现.但两者还是有区别的,不能混为一谈,虹霓有两个弓形彩带,内彩带较亮,其外圈是红色,内圈是紫色,称为虹;
外彩带较暗,有时看不见.其颜色分布与虹恰好相反,即外紫内红,称为霓.
图19—46
[用CAI课件展示虹霓的图景及形成过程]
夏天常常下雷阵雨,雨后半边天空露出了太阳,另外半边天空却仍有厚厚的云层.同时,夏天地面温度较高.蒸发很快,雨后天空还飘浮着水汽和小水滴.因此,当太阳光穿过云层中和空气中的小水滴时,就被折射出七色虹霓来.冬天大多是连绵不断的小雨.而且雨后太阳不会立即出现.同时,冬天气温较低.蒸发较慢,雨后天空中不会像夏天那样充满水汽和小水滴,故冬天不易出现虹霓.
虹霓在地面上看起来是彩色的弧状,但在天空中看起来,却是彩色环状,异常美丽.有时当太阳靠近地平线时,在高山顶上也可以看到虹,如我国著名的风景区峨眉山的一大奇景——“峨眉佛光”,其成因与虹霓相似,宝光紫色在内、红色在外,圈中的“佛”实际上是由于日光从人的背后射来,把人的身体投影于云层上.
[用CAI课件打出]
1.横截面为三角形或梯形的透明体叫棱镜.
2.光线通过棱镜后将向棱镜的底面偏折.[CAI课件再现]
3.光的色散现象是指复色光分解为单色光的现象.[CAI课件再现]
4.不同色光在真空中传播速度相同,在介质中传播速度不同,其中红光最快,紫光最慢.
5.不同频率的光颜色不同,光从一种介质进入另一种介质颜色不变因而频率不变.
6.不同色光对同一介质的折射率不同,红光最小,紫光最大.
7.发生全反射的临界角红光最大,紫光最小,所以红光较不易发生全反射.
1.课后自学阅读材料《全反射棱镜》并在课本上完成练习四第
(2)题及第(4)题.
2.计算红光和紫光在冕牌玻璃中的传播速度.(折射率参照课本)
五、板书设计
第五节光的衍射
1.通过实验观察,让学生认识光的衍射现象,知道发生明显的光的衍射现象的条件,从而对光的波动性有进一步的认识.
2.通常学习知道“几何光学”中所说的光沿直线传播是一种近似规律.
1.通过讨论和对单缝衍射装置的观察,理解衍射条件的设计思想.
2.在认真观察课堂演示实验和课外自己动手观察衍射现象的基础上,培养学生比较推理能力和抽象思维能力.
通过“泊松亮斑”等科学小故事的学习,培养学生坚定的自信心、踏实勤奋的工作态度和科学研究品德.
单缝衍射实验和圆孔衍射实验的观察以及产生明显衍射现象的条件.
衍射条纹成因的初步说明.
1.通过机械波衍射现象类比推理,提出光的衍射实验观察设想