《光的直线传播》教案.docx

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《光的直线传播》教案

第一节光的直线传播

一教学目标

知识与技能

1、知道光在同种物质中沿直线传播，并能用来解释简单现象；

2、知道光线是表示光的传播方向的直线；

3、知道光在真空中的传播速度。

过程与方法

1、探究光在几种不同的介质中的传播的实验现象，

2、了解实验是研究物理问题的重要方法，

3、培养学生初步的观察能力和分析概括能力。

情感态度与价值感

1．通过本节日食、月食成因的教学，对学生进行反对迷信、崇尚科学的科学史观教育．

2．通过介绍我国古代科学家在光学研究方面所取得的成就，对学生进行爱国主义和民族自豪感的教育．

3、通过探究的学习活动，培养学生尊重客观事实、实事求是的科学态度；在探究性的物理活动中使学生获得成功的愉悦，乐于参与物理学习活动。

4、结合光速测定的介绍，向学生感受科学家的探索精神。

二学情分析：

生活中，学生对光的各种现象都已经见到过，在教学中请起来学生理解起来可能较容易。

三教学重点、难点

重点：

光的直线传播原理；光的传播速度

难点：

运用光的直线传播的知识解释实际现象。

的玻璃砖、果冻、水、蚊香、可乐瓶。

四引入新课

师：

请同学们打开窗帘，我们看到明媚的阳光照进了教室，老师看到了大家一

张张的笑脸。

试想，如果在伸手不见五指的夜晚，我们还能看见东西吗？

这是为什么呢？

生：

夜晚没有光，我们就什么也看不见。

师：

白天，如果我们紧闭双眼，仍什么也看不见，又是因为什么？

生：

光没有进入我们的眼睛。

师：

对！

实际上我们的周围就是一个光的世界，同学们一定都想知道光的奥秘，从本章开始，老师将带领大家一起走进光的世界！

（板书）

五教学过程（一学时）

1、光源

　　师：

生产生活中那些物体能发光呢？

　　生：

电灯、火把、手电筒等能发光的物体。

　　师：

物理中我们把能发光的物体叫光源。

（板书光源的概念）

自然界中有很多能发光的物体，它们都是光源，谁能给大家举几个例子呢？

　　生：

太阳、闪电、萤火虫、蜡烛……。

　　师：

夜晚看到的月亮是光源吗？

　　生：

它本身不能发光，所以它不是光源。

　　师：

为了使用的方便，人们又研究了人造光源，如：

原始人用篝火照明，后来又出现了火把、油灯、蜡烛、现在又有了更方便的各种电灯。

人造光源还在发展和改造。

　　2、研究光的直线传播的条件

师：

请看老师手中的小激光器，它发出的光在远处会打一个亮点（演示），请大家猜测一下，光源发出的光是怎样传播的呢？

　　生：

可能是沿直线传播的。

　　师：

他的猜想正确吗？

生活中，你们见过光沿直线传播的实例吗？

　　生：

见过，比如穿过树林的阳光就是直的，探照灯的光也是直的。

　　师：

回答的很好，但要想确切了解光的直线传播的规律，同学们必须用实验自己去研究，实验中要注意思考以下几个问题：

（多媒体）

（1）光可以在哪些物质中传播？

这些物质有什么共同特点？

（2）光在这些物质中是沿什么路线传播的？

（3）光总是沿着这样的路线传播吗？

有没有条件限制呢？

（学生利用已准备好的小激光器、水、牛奶等器材进行实验，教师指导、点拨）

师：

光可以在哪些物质中传播？

能否上来给大家通过实验来说明一下？

（学生踊跃上前表演）

　　生1：

光可以在空气中传播。

（演示激光通过有烟雾的空气）

　　生2、光可以在水中传播。

（演示激光穿过烧杯中的水）

　　生3、光可以在牛奶中传播。

（演示激光在果冻中传播）

　　师：

这些物质有什么共同特点？

　　生：

它们都是透明的。

　　师：

我们把空气、水、玻璃、牛奶等这些透明物质也叫光的传播介质。

　　师：

光在这些介质中传播时有什么规律？

　　生：

都是沿直线传播。

　　师：

这说明我们刚才的猜想是正确的。

（板书：

光在……介质中沿直线传播。

）

　　师：

为了形象表示光的传播，我们可以沿光的传播路线画一条直线，并在直线上画上箭头表示光的传播方向，这种表示光的传播方向的直线叫做光线。

（板书示范光线的画法）

　　注意，光线是人们为了形象地表示光的直线传播而画出的带箭头的直线，是表示光的传播的一种方法，实际上是不存在的。

（理想模型法）

师：

光在空气这一种介质中沿直线传播，在水中也沿直线传播，如果光从空气进入水中，它还沿直线传播吗？

（利用实物投影仪演示光从空气进入水中的折射现象）

　　师：

这说明光必须在同种介质中才沿直线传播。

但光在同种介质一定沿直线传播吗？

这是我们生活的地球，它周围的这层大气并不均匀，请看射向地面的阳光还是沿直线传播吗？

（增加板书：

光在同种、均匀介质中沿直线传播。

）。

　　3、光沿直线传播的应用和解释现象

　　师：

老师这里准备了三张带孔的纸板，中间还栓有细线，下面找一位同学来观察一下灯光，我们看看他看见灯光时细线处于什么状态！

（师生配合演示）

　　师：

这个实验说明了什么？

　　生：

光在同种均匀介质中沿直线传播。

　　师：

光的这种直线传播的特性在实际生活中有什么应用呢？

　　生：

检查排直队，路旁电杆是否直，打靶瞄准时要"三点一线"等等。

　　师：

有一个问题请大家讨论，凿火车隧道时最怕凿出的隧道不直，用今天的所学的知识有办法解决吗？

（学生讨论方法，教师点拨鼓励，师生共同做小游戏：

，教师模拟激光准直来凿隧道。

）

　　师：

（演示手影）请看，这是生活中常见的一种光学现象，谁能用今天所学的知识来解释一下？

（学生讨论，教师总结：

光在直线传播过程中，遇到不透明的物体，在物体后面光不能达到的区域，便形成了影子。

）

　　师：

哪位同学能给大家做几个漂亮的手影呢？

（学生积极表演，演示狗、鹰、大雁等手影。

）

　　师：

也就是说光在传播过程中有两种可能：

如果在均匀介质中将沿直线传播，如果遇到不透明的物体，物体后面便会形成影子。

（板书：

影子的形成，）

　　师：

你相信月亮真是被狗吃了吗？

　　生：

不相信。

是月食。

　　师：

古人由于知识有限，所以迷信的说法是天狗吃月亮。

而实际上用今天所学的光的直线传播完全可以解释，谁能来给大家解释一下？

（学生踊跃上前尝试。

）

师：

下面老师通过多媒体形象地展示一下发生日食、月食时太阳、月亮、地球它们三者的位置关系。

（分析日食、月食的成因。

）

　　4、光的传播速度

　　师：

光的传播速度到底有多大呢，打雷时闪电和雷声实际是同时发生的，我们先听到雷声还是先看到闪电？

　　生：

先看到闪电。

　　师：

这说明了什么？

　　生：

光的传播速度比声音的传播速快。

　　师：

光的传播速度很大，光在真空中的速度是3×108米/秒。

（板书）

光在空气中的速度比真空中略小，但也近似认为是3×108米/秒，光在水中、玻璃中的传播速度比空气中小，关系是：

v水=3/4c;v玻璃=2/3c。

　　三、小结与练习

　　师：

谁能把这节课给大家总结一下？

（学生总结，教师补充。

）

练习：

同学们都在路灯下走过，会发现什么有趣的现象？

　　生：

人的影子会发生长短变化。

　　师：

谁能用学过的知识解释一下，为什么人的影子会长短变化呢？

（学生回答，教师鼓励，微机辅助。

）

六布置作业 

第7章光的衍射

一、选择题

1（D），2（B），3（D），4（B），5（D），6（B），7（D），8（B），9（D），10（B）

二、填空题

（1）．1.2mm，3.6mm

（2）．2，4

（3）．N2，N

（4）．0，±1，±3，.........

（5）．5

（6）．更窄更亮

（7）．

（8）．照射光波长，圆孔的直径

（9）．×10-4

（10）．

三、计算题

1.在某个单缝衍射实验中，光源发出的光含有两种波长λ1和λ2，垂直入射于单缝上．假如λ1的第一级衍射极小与λ2的第二级衍射极小相重合，试问

（1）这两种波长之间有何关系？

（2）在这两种波长的光所形成的衍射图样中，是否还有其他极小相重合？

解：

（1）由单缝衍射暗纹公式得

由题意可知

代入上式可得

（2）

（k1=1,2,……）

（k2=1,2,……）

若k2=2k1，则θ1=θ2，即λ1的任一k1级极小都有λ2的2k1级极小与之重合．

2.波长为600nm（1nm=10-9m）的单色光垂直入射到宽度为a=mm的单缝上，观察夫琅禾费衍射图样，透镜焦距f=1.0m，屏在透镜的焦平面处．求：

（1）中央衍射明条纹的宽度∆x0；

（2）第二级暗纹离透镜焦点的距离x2

解：

（1）对于第一级暗纹，

有asinϕ1≈λ

因ϕ1很小，故tgϕ1≈sinϕ1=λ/a

故中央明纹宽度∆x0=2ftgϕ1=2fλ/a=1.2cm

（2）对于第二级暗纹，

有asinϕ2≈2λ

x2=ftgϕ2≈fsinϕ2=2fλ/a=1.2cm

3.如图所示，设波长为λ的平面波沿与单缝平面法线成θ角的方向入射，单缝AB的宽度为a，观察夫琅禾费衍射．试求出各极小值（即各暗条纹）的衍射角ϕ．

解：

1、2两光线的光程差，在如图情况下为

由单缝衍射极小值条件

a（sinθ－sinϕ）=±kλk=1,2,……

得ϕ=sin—1（±kλ/a+sinθ）k=1,2,……（k≠0）

4.

（1）在单缝夫琅禾费衍射实验中，垂直入射的光有两种波长，λ1=400nm，λ2=760nm

（1nm=10-9m）．已知单缝宽度a×10-2cm，透镜焦距f=50cm．求两种光第一级衍射明纹中心之间的距离．

（2）若用光栅常数d×10-3cm的光栅替换单缝，其他条件和上一问相同，求两种光第一级主极大之间的距离．

解：

（1）由单缝衍射明纹公式可知

（取k＝1）

由于

所以

，

则两个第一级明纹之间距为

=0.27cm

（2）由光栅衍射主极大的公式

且有

所以

=1.8cm

5.一衍射光栅，每厘米200条透光缝，每条透光缝宽为a=2×10-3cm，在光栅后放一焦距f=1m的凸透镜，现以λ=600nm（1nm=10-9m）的单色平行光垂直照射光栅，求：

（1）透光缝a的单缝衍射中央明条纹宽度为多少？

（2）在该宽度内，有几个光栅衍射主极大？

解：

（1）asinϕ=kλtgϕ=x/f

当x<

ax/f=kλ,

取k=1有

x=fl/a=m

∴中央明纹宽度为∆x=2x=m

（2）（a+b）sinϕ

（a＋b）x/（fλ）=2.5

取k'=2，共有k'=0，±1，±2等5个主极大.

6.用一束具有两种波长的平行光垂直入射在光栅上，λ1=600nm，λ2=400nm（1nm=10﹣9m），发现距中央明纹5cm处λ1光的第k级主极大和λ2光的第（k+1）级主极大相重合，放置在光栅与屏之间的透镜的焦距f=50cm，试问：

（1）上述k=？

（2）光栅常数d=？

解：

（1）由题意,λ1的k级与λ2的（k+1）级谱线相重合所以

dsinϕ1=kλ1，dsinϕ1=（k+1）λ2,或kλ1=（k+1）λ2

（2）因x/f很小，tgϕ1≈sinϕ1≈x/f2分

∴d=kλ1f/x=1.2×10-3cm

7.氦放电管发出的光垂直照射到某光栅上，测得波长λ1=0.668μm的谱线的衍射角为ϕ=20°。

如果在同样ϕ角处出现波长λ2=μm的更高级次的谱线，那么光栅常数最小是多少？

解：

由光栅公式得

sinϕ=k1λ1/（a+b）=k2λ2/（a+b）

k1λ1=k2λ2

k2/k1=λ1/λ2=0.668/0.447

将k2/k1约化为整数比

k2/k1=3/2=6/4=12/8......

取最小的k1和k2，k1=2，k2=3，

则对应的光栅常数（a+b）=k1λ1/sinϕ=3.92μm

8.氢放电管发出的光垂直照射在某光栅上，在衍射角ϕ=41°的方向上看到λ1=656.2nm和λ2=410.1nm（1nm=10-9μ）的谱线相重合，求光栅常数最小是多少？

解：

（a+b）sinϕ=kλ

在ϕ=41°处，k1λ1=k2λ2

k2/k1=λ1/λ2=656.2/410.1=8/5=16/10=24/15=........

取k1=5，k2=8，即让λ1的第5级与λ2的第8级相重合

∴a＋b=k1λ1/sinϕ=5×10-4cm

四研讨题

1.假设可见光波段不是在

，而是在毫米波段，而人眼睛瞳孔仍保持在

左右，设想人们看到的外部世界是什么景象？

参考解答：

将人的瞳孔看作圆孔。

圆孔衍射中央极大的半角宽度

与入射波长

和衍射孔径线度

的关系是

。

当衍射孔径

与波长

的量级差不多时衍射最显著，入射光经衍射后完全偏离原来直线传播的方向，广能几乎分布在衍射后的整个空间。

由于衍射，使一个物点发出的光经圆孔后，在观察屏上不再是一个清晰的像点，而是一个相当大的衍射斑。

如果

，则

，每个物点经圆孔后就是一个清晰的像点。

在我们的生活的世界，可见光波长的大小和人眼瞳孔的孔径配合得是非常巧妙的，“天然地”满足

的条件，物体在视网膜上成像时就可以不考虑瞳孔的衍射，而认为光线是直线传播，那么物体上的任一物点通过眼睛的水晶体成像到视网膜上的像也是一个点，我们就可以清楚地分辨眼前的景物了。

而如果可见光的波长也变成毫米量级，则波长与瞳孔孔径大小可比，每个物点在视网膜上的像将不是一个点，而是一个很大的衍射斑，以至于无法把它们分辨出来，人们看不到目前所看到的物体形状了，而是一片模糊的景象。

2.某光学显微镜的数值孔径N.A.，试估算它的有效放大率Vmin.

参考解答：

分析：

一般人眼能分辨

远处相隔

的两条刻线，或者说，在明视距离（相隔人眼

）处相隔

.

合理的设计方案是把显微镜的最小分辨距离放大到明视距离的

这样才能充分利用镜头的分辨本领.

解题：

本题条件下的光学显微镜的最小分辨距离为

按合理设计将其放大到明视距离可分辨的dye=.

所以

倍,

实际放大率还可设计得比这数值更高些，譬如500倍，以使人眼看得更舒服些.

3.在地面进行的天文观测中，光学望远镜所成星体的像会受到大气密度涨落的影响（所以要发射太空望远镜以排除这种影响），而无线电天文望远镜则不会受到这种影响。

为什么？

参考解答：

星体辐射的光在进入望远镜的路径中必然通过大气层，所以必须考虑大气分子的衍射对图像质量的影响。

教材中的理论已经指出，衍射物的线度与入射波波长愈相近，衍射现象愈明显；衍射物线度远远大于入射波波长时可不考虑衍射。

大气粒子的平均线度在纳米量级上下，光波的波长是百纳米量级，大气微粒的线度与光波的波长可比，所以对光波的衍射作用显著，直接影响观测图像。

随着大气密度的涨落，图样也将随着变化，所以用光学望远镜就无法准确地获得星体的图像。

无线电波长在微米到米的量级，大气粒子的平均线度远远小于无线电波的波长，观测中可忽略衍射的影响。

所以在天文观测中无线电天文望远镜就可不受大气密度涨落的影响，从而可精确获得星体的图像。

4.近年来出现了一种新的光测应变方法——衍射光栅法，请查阅金属材料应变测量衍射光栅法的相关资料，说明其基本原理。

参考解答：

对大多数实用金属而言,在弹性加载下其变形非常小.这样,细观变形测量的诸多光测方法在一定程度上受到限制.近年来出现了一种新的光测应变方法——衍射光栅法.其基本思想是在试件表面欲测处贴上低频正交光栅,通过测取试件变形前后正交光栅变形来获取试件测点处的应变量.具体测量方式是通过光学中的衍射效应,用细激光束垂直照射光栅,产生衍射点阵,通过对衍射点阵的测量,就可以获得应变的信息.

衍射光栅法测量应变的基本原理：

如图所示,在试件表面欲测处贴上正交光栅应变片,当一束细激光束垂直照射测点时,光栅将使反射光发生衍射,衍射光线在接收屏上形成点阵.衍射点的位置与光栅栅距的关系可由光栅方程导出

式中:

m为衍射级次,θm为m级衍射光线与光栅法线方向的夹角,d为栅距,λ为激光波长.

当试件受力变形后,光栅栅距发生变化,d变为d′,则变形前后沿垂直于该组栅线方向的线应变为

由衍射光栅法基本光路图可知

将其代入上式可知

，此即衍射光栅法测量应变的基本公式。