第二十章光的波动性.docx

1、第二十章光的波动性第二十章 光的波动性本章概述：从本章开始，课本引导学生进一步认识光的本质，认识光的波粒二象性。本章主要介绍光的波动性。本章内容大多数是学生在生活中不大熟悉的，都需要经过抽象思维，才能理解现象的本质。因此本章的教学，应特别注意在认真观察实验事实的基础上加强抽象思维能力的培养。学习光的本性对于学生进一步了解微观粒子的性质，建立辩证唯物主义的世界观，都具有重要的意义。本章定量的计算并不多，应着重引导学生理解概念，建立清晰的物理图景。本章可分为四个单元：第一单元：第一、第二节讲光的干涉和衍射。第二单元：第三节讲光的电磁说和电磁波谱。第三单元：第四节讲光的偏振。第四单元：第五节介绍激光

2、。第一节 光的干涉教学目标：1、 通过实验观察认识光的干涉现象，知道光是一种波。2、 掌握光的双缝干涉现象是如何产生的。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。6、 通过对光的本性的学习，培养学生的抽象思维能力。7、 通过对光的本性的学习，建立辩证唯物主义的世界观。教学重点：双缝干涉图样的形成实验及分析教学难点：1、明条纹（或暗条纹）位置的确定。2、明条纹（或暗条纹）间距公式的推导。教学方法：设问法、实验观察法、分析讨论法。教学用具：氦氖激光器一台、双缝干涉仪一台、投影仪一台

3、、CAI课件、金属圈一个、适量肥皂液。课时安排：1课时教学过程：一、 引言：前面一章已学过几何光学，对光的一些性质有了初步了解。如：1、 光在均匀介质中是沿直线传播的；2、 光照射到两种介质的界面处会发生反射和折射；3、 光的传播速度很大，在真空中为最大c=3.0108m/s；4、 光具有能量但是对于光的本性还没有深一步的探讨，这一章要讲这个问题-（光的本性）二、 讲授新课1、引导学生阅读本章前言。阅读后小结：（1）17世纪同时出现了两种学说-牛顿的微粒说和惠更斯的波动说；（2）两种学说对光的现象的解释各有成功和不足之处；（3）19世纪从实验中观察到了光的干涉、衍射现象，证明了光具有波动性；（

4、4）19世纪末发现了光电效应，证明了光具有粒子性。所以光既具有波动性又具有粒子性。本章就从这两方面来认识光的本性。2、复习波的干涉：什么是波的干涉现象？若使两列波产生干涉现象，它们要具备什么样的条件？小结：干涉是波的特有现象；只有相干波源才能产生稳定的干涉现象；光若具有波动性则必能观察到它的干涉现象，但必须要有产生干涉现象的相干光源。3、双缝干涉杨氏实验（突出介绍实验中如何获得相干光源）（1）、介绍实验装置，强调以下两点：用单色光源；双孔屏上的两个小孔离的很近，到前一小孔的距离相等，所以两小孔处光振动不但频率相等，而且总是同相的。（2）实验结果：在屏上出现明暗相间的干涉条纹。若用白光做该实验则

5、屏上出现彩色的干涉条纹。4、双缝干涉实验：与前面杨氏实验原理相同，只是将双孔改为平行的双缝，双缝距离很近，大约0.1毫米左右。在单孔处是一线光源（可以通过光源照射滤光玻璃后经狭缝产生），使双缝与光源平行，即可在屏上得到比小孔实验更明亮的干涉条纹。分析双缝干涉示意图（从路程差分析明暗相间条纹的产生原因）小结：（1）、当屏上某点到双缝S1S2的路程差是光波波长的整数倍时，在这些地方出现亮纹（2）、当屏上某点到双缝S1S2的路程差是光波半波长的奇数倍时，在这些地方出暗纹引导学生观看彩色插图2，并指出：（1） 干涉条纹是等间距的；（2） 同样条件的双缝实验，用红光和紫光得到的相邻暗条纹间的宽度不等。下

6、面我们通过计算来分析其原因：O是S1S2的中垂线与屏的交点d-S1S2距离l-缝与屏的距离x-P点到O点的距离r1r2-屏上某点P到S1S2的距离条件：ld，且lx设SS到P点的路程差为，则=r2-r1 从图上可以看出：r22=l2+（x+d/2）2r12=l2+（x-d/2）2-得: =dx/l当等于光波波长的整数倍时,两列波在P点同相,出现明条纹.k=d/lx k=0、1、2、x=kl/d当等于半波长的奇数倍时,两列波在P点反相,出现暗条纹.(2K+1) /2=d/lx k=0、1、2x=(2k+1) l/d/2 则相邻明暗相间条纹间的距离是 X=l/d(1) 同一实验中,任意两个相邻的亮

7、纹间的距离是相等的(2) X与l、d、三因素有关，当l、d相同条件下，X与成正比，所以红光和紫光分别做实验得到的条纹间隔是不同的，经光波长比紫光波长长，因而红光干涉条纹比紫光宽。(3) 波长与频率乘积等于波速而光在真空中的波速是相同的。故不同波长的色光它们的频率不同。P25各种色光的波长和频率表。4、薄膜干涉（1）肥皂液薄膜干涉实验1 介绍实验做法。强调肥皂薄膜必须竖直立放，并把液膜当成镜面从前面看火焰的反射后的虚像。2 由学生两人一组做实验，注意观察火焰反射虚像中近似水平的明暗相间的条纹。（2）分析明暗相间条纹的来源。虚线代表前表面反射实线代表后表面反射介绍竖直放置的肥皂液薄膜由于重力作用而

8、形成楔形薄膜。强调指出图中所画的波都是反射波，是从楔形薄膜前表面和后表面分别反射的两列波叠加，这两列波是同一光源发出的，所以是相干波，由于同一水平线上的薄膜厚度近似相同，所以干涉后能产生水平的明暗条纹。（3）若用白光照射，则在薄膜某一厚度的地方某一波长的光反射后增强，而另一些波长的光反射后弱，这样薄膜的像上就出现彩色条纹。在水面的油膜上常常看到彩色花纹就是由于油膜的各部分的厚度不均匀，从油膜的上表面和下表面分别反射的光发生干涉而形成的。薄膜干涉在技术上有哪些应用？（1）利用光的干涉可以检验光学玻璃表面是否平（2）现代光学仪器的镜头往往镀一层透明的氟化镁表面为什么要在镜头上涂一层氟化镁薄膜呢？它

9、怎么起到增加透射光的作用呢？现代光学装置，如摄像机、电影放映机的镜头，都是由多个透镜或棱镜组成的，进入这些装置的光，在每个镜面上都有1020的光被反射，如果一个装置中有5个透镜或棱镜，那么将会有50的光被反射，若在镜的表面涂上一层增透膜，就可大大减少了光的反射，增强光的透射强度，提高成像质量氟化镁薄膜应镀多厚？为什么？镀了膜的光学器件与未镀膜的光学器件在外表上有什么区别？为什么？氟化镁薄膜的厚度应为光在氟化镁中波长的1/4，两个表面的反射光的路程差为半波长的奇数倍时，两列反射光相互抵消所以，膜厚为光在氟化镁中波长的1/4，是最薄的膜镀了膜的光学器件与未镀膜的光学器件在外表上是有区别的镀膜的光学

10、器件呈淡紫色，因为在通常情况下，入射光为白光，增透膜只能使一定波长的光反射时相互抵消，不可能使白光中所有波长的光反射时抵消在选增透膜时，一般是使对人眼灵敏的绿光在垂直入射时相互抵消，这时光谱边缘部分的红光和紫光并没有相互抵消，因此涂有增透膜的光学器件呈淡紫色同步练习1下列哪些现象说明光具有波动性A、B A光的干涉 B光的衍射C光的反射 D光电效应2白光通过双缝，在屏上形成了干涉条纹，除中央为白色明纹外，两侧还出现彩色条纹，这是因为：（A）A各种色光的波长不同 B各种色光的速度不同C各种色光的色散不同 D各种色光的折射率不同3下列现象中，属于光的干涉现象的是A A肥皂泡上的彩色花纹B雨后天边的彩

11、虹C早晨东方云际出现红色的彩霞D荷叶上的水珠在阳光下晶莹透亮4在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏幕上观察到了彩色干涉条纹，若在双缝中的一缝前放一红色滤光片（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 C A只有红色和绿色的双缝干涉条纹，其它颜色的双缝干涉条纹消失B红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其它颜色的双缝干涉条纹依然存在C任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮D屏上无任何光亮5图4-3-4为双缝干涉实验的装置示意图，图中甲图是用绿光进行实验时光屏上观察到的条纹情况，a为中央亮条纹，乙图为换用另一个颜色的单色光实验时观察到的条纹情况，a为中央亮条纹，则以下说法正确的

12、是 C A乙图可能是用红光实验产生的条纹，表明红光波长较长B乙图可能是用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较长C乙图可能是用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较短D乙图可能是用红光实验产生的条纹，表明红光波长较短6图4-3-5是双缝干涉的实验装置，使用波长为600nm的橙色光照射，在光屏中心P点呈现亮条纹，在P点上方的P1点到S1、S2的路程差恰为，现改用波长为400nm的紫光照射，则B AP和P1都呈现亮条纹 BP为亮条纹，P1为暗条纹CP为暗条纹，P1为亮条纹 DP和P1都为暗条纹7关于在竖直放置的肥皂膜上产生的干涉现象，下列说法正确的是 ABD A干涉条纹的产生是由于光线在膜前后表面反射形成

13、的两列光波的叠加B用绿光照射产生的干涉条纹比黄光照射时产生的条纹窄C干涉条纹间的暗线是由于两反射光波波谷与波谷的叠加D干涉条纹间的暗线是由于两反射光波波峰与波谷的叠加8在许多光学镜头上涂有增透膜，下列说法正确的是 BD A增透膜的厚度是入射光在空气中波长的1/4B增透膜的厚度是入射光在薄膜介质中波长的1/4C从增透膜两表面反射的光相互加强，增加了透射光的强度D从增透膜两表面反射的光互相消弱，减小了反射光的强度作业：P26页第1、2题第二节 光的衍射教学目标：1、通过实验观察，让学生认识光的衍射现象，知道发生明显光的衍射现象的条件。2、通过学习光的衍射，知道光沿直线传播是一种近似规律。3、通过本

14、节学习，培养学生比较推理能力和抽象思维能力。教学重点：单缝衍射实验和圆孔衍射实验现象的观察以及产生明显衍射现象的条件。教学难点：衍射条纹成因的初步说明。教学方法：观察分析法、讲解法。教学用具：光的衍射演示仪、氦氖激光发生器、投影仪。教学过程：一、光的衍射。引言：光的干涉现象证明了光具有波动性，为了进一步了解光的波动特性，我们下面将介绍光的衍射现象。（1）、提问：什么是波的衍射？产生明显的波的衍射要具备什么样的条件？（障碍物或小孔的尺寸跟波长相差不多）怎样才能观察光的衍射现象？（必须使点光源（或线光源）发出的光通过非常小的孔（或是非常窄的狭缝）（2）、光的衍射实验-单缝衍射。使激光通过非常狭窄的

15、缝，光线明显地偏离了原来的直进的方向，照在屏（或墙壁）上相当宽的区域，出现了明暗相间的条纹。强调指出：在单缝衍射图样里，中央条纹最亮、最宽（见插图）看课本单缝衍射照片：狭缝越窄才出现明显的衍射。小孔衍射可在屏上得到明暗相间的圆环。介绍泊松亮斑实验。说明光的衍射现象在光学发展史中对建立的波动说起了重要作用。小结：薄膜干涉的原理光的衍射条件要能区分单缝衍射和双缝干涉的图样。作业：课本P28页第（1）、（2）题第三节 光的电磁说教学目的：1、了解光的电磁说及建立过程；2、了解各种电磁波在本质上是相同的。它们的行为服从共同的规律。由于频率不同而呈现出的不同特性。并熟悉它们的不同应用。教学过程：一、 复

16、习提问光具有波动性，它是以什么实验事实为依据的？二、 导入新课1、光的电磁说19世纪初，光的波动说获得很大成功，逐渐得到人们公认。但是当时人们把光波看成象机械波，需要有传播的媒介，曾假设在宇宙空间充满一种特殊物质“以太”，“以太”应具有的性质，一是很大的弹性（甚至象钢一样）二是极小的密度（比空气要稀薄得多），然而各种证明“以太”存在的实验结果都是否定的，这就使光的波动说在传播媒介问题上陷入了困境。19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦提出电磁场的理论，预见了电磁波的存在，并提出电磁波是横波，传播的速度等于光速，根据它跟光波的这些相似性，指出“光波是一种电磁波”-光的电磁说。1888年赫兹用实验

17、证实了电磁波的存在，测得它传播的速度等于光速，与麦克斯韦的预言符合得相当好，证实了光的电磁说是正确的。2、电磁波谱 我们已知无线电波是电磁波，其波长范围以几十千米到几毫米，又已知光波也是电磁波，其波长不到1微米，可见电磁波是一个很大的家族，作用于我们眼睛并引起视觉的部分，只是一个很窄的波段，称可见光，在可见光波范围外还存在大量的不可见光，如红外线、紫外线等等。（一）、红外线发现过程：1800年英国物理学家赫谢耳用灵敏温度计研究光谱各色光的热作用时，把温度计移至红光区域外侧，发现温度更高，说明这里存在一种不可见的射线，后来就叫做红外线。（用棱镜显示可见谱）特点：最显著的是热作用应 用：（1）红外

18、线加热，这种加热方式优点是能使物体内部发热，加热效率高，效果好。（2）红外摄影，（远距离摄影、高空摄影、卫星地面摄影）这种摄影不受白天黑夜的限制。（3）红外线成像（夜视仪）可以在漆黑的夜间能看见目标。（4）红外遥感，可以在飞机或卫星上戡测地热，寻找水源、监测森林火情，估计家农作物的长势和收成，预报台风、寒潮。（二）、紫外线发现过程：1801年德国的物理学家里特，发现在紫外区放置的照相底板感光，荧光物质发光。特性：主要作用是化学作用，还有很强的荧光效应，杀菌消毒作用。应用：（1） 紫外照相，可辨别出很细微差别，如可以清晰地分辨出留在纸上的指纹。（2） 照明和诱杀害虫的日光灯，黑光灯。（3） 医院

19、里病房和手术室的消毒。（4） 治疗皮肤病，硬骨病。（三）、伦琴射线发现过程：1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线的性质时，发现阴极射线（高速电子流）射到玻璃壁上，管壁会发出一种看不见的射线，伦琴把它叫做X射线。产生条件：高速电子流射到任体固体上，都会产生X射线。特性：穿透本领很强。应用：（1） 工业上金属探伤（2） 医疗上透视人体。此外还有比伦琴射线波长更短的电磁波，如放射性元素放出的r射线（四）、电磁波谱无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、r射线合起来构成了范围广阔的电磁波谱。从无线电波到r射线，都是本质相同的电磁波，它们的行为服从共同的规律，另一方面由频率或波长的不同而又表现出

20、不同的特性，如波长越长的无线电波，很容易表现出干涉、衍射等现象，随波长越来越短的可见光、紫外线、X射线、r射线要观察到它们的干涉、衍射现象、就越来越困难了。（五）、电磁波产生的机理无线电波：产生于振荡电路中。红 外 线：原子的外层电子受到激发后产生的可 见 光：同线外线紫 外 线：同红外线伦琴射线：原子内层电子受到激发而产生的r 射 线：原子核受到激发后产生的巩固练习：1、光的电磁说，解决了光的波动说在光波的（ ）上所遇到的困难，它把（ ）现象和（ ）现象统一起来，指出它们的一致性。2、按频率大小排列的各种电磁波是（ ）。其中频率越（ ）的电磁波，就越容易出现干涉和衍射现象。第四节 光的偏振教

21、学目标：1、通过实验，认识振动中的偏振现象，知道只有横波有偏振现象。2、了解偏振光和自然光的区别，从光的偏振现象可知光是横波。3、了解偏振光在日常生产生活中的一些应用。4、通过光的偏振应用的学习，提高应用知识解决实际问题的能力。教学重点：光的偏振实验的观察和分析。教学难点：自然光和偏振光的区别教学方法：阅读法、讲解法、实验观察法。教学用具柔软的长绳一根，带有狭缝的木板两块，细软的弹簧一根，电气石晶体薄片或人造偏振片两片，投影仪.教学过程：一、引入新课（一）复习横波和纵波的概念举例说说什么是横波？什么是纵波？振动方向和传播方向垂直的波叫横波，抖动水平软绳时产生的波就是横波，振动方向和传播方向一致

22、的波叫纵波，像水平悬挂的弹簧一端振动时形成的沿弹簧传播的波.通过前几节课的学习，我们知道光具有波动性，那么光波究竟是横波还是纵波呢？我们先通过一个实验来看看怎么判断一种波是横波还是纵波.（二）偏振现象演示一介绍课本图2017装置，教师演示，引导学生仔细观察波传到狭缝时的情况，看波能否通过狭缝传到木板的另一侧.可以发现：对绳上形成的横波，当狭缝与振动方向一致时，波不受阻碍，能通过狭缝，而当狭缝与振动方向垂直时，波被狭缝挡住，不能通过狭缝传到木板另一端，对弹簧上形成的纵波，无论狭缝怎样放置，弹簧上疏密相间的波均能顺利通过狭缝传播到木板另一侧.且在绳上横波传播过程中，当狭缝既不与振动方向平行也不与振

23、动方向垂直时，有部分振动能通过狭缝.横波的这种现象称为偏振现象，大家看到，纵波不会发生偏振现象，根据是否能发生偏振，我们可以判断一个机械波是横波还是纵波.虽然这种方法对判断机械波并非必要，但我们可以借助这种方法来判断光波是横波还是纵波.二、新课教学（一）光的偏振演示二P33页图20-18（介绍装置，强调起偏器P和检偏器Q的作用，演示同时引导学生认真观察随着检偏器Q的转动屏上光照强度的变化）起偏器P和检偏器Q这两个薄片，它在我们这个演示实验中的作用与前面的带有狭缝的木板类似，它上面有一个特殊的方向称透振方向，只有振动方向与透振方向平行的光波才能透过偏振片，下面请大家认真观察.现象1用一个起偏器观

24、察自然光，偏振片是透明的，以光的传播方向为轴旋转P时，透射光强度不变.投影现象2加上检偏器Q，当Q的透振方向与P的透振方向一致时，透射光强度最大.投影现象3以光传播方向为轴旋转时，透射光强度减弱.当Q与P透振方向垂直时，屏上最暗，光强几乎为零. 投影思考：光是横波还是纵波了吗？（是横波）.因太阳光源包含了垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且各个方向振动的光波强度都相同，这种光叫自然光.通过起偏器后，这种光就成了偏振光，它只能沿某一特定方向振动.（二）光振动（投影）光是电磁波，从P34页图我们看到电场强度E和磁感应强度B的振动方向都与电磁波的传播方向垂直.而E的感光振动和生理作用是主要的，E

25、的振动称为光振动，上面提到的阳光等自然光，光振动沿各个方向是均匀分布的，经过起偏器后光振动就只能沿透振方向振动成为偏振光.（三）光的偏振现象的应用其实，除了从太阳、电灯这样一些从光源直接发出的光外，通常看到的绝大部分光都是偏振光。投影光的偏振现象的应用1.偏振滤光片2.车灯玻璃和挡风玻璃3.偏光眼镜（观看立体电影或立体电视）（引导学生分析这些应用的原理，鼓励学生从生产生活中查找偏振应用实例，条件许可还可教学生自制偏振片）三、小结：学生自行总结。作业：1.什么是自然光？什么是偏振光？为什么说光是横波？2.阅读课后“阅读材料”立体电影与偏振第五节 激光教学目标：1知道激光和普通光源发出的光的区别2

26、、知道激光的三个主要特点3、知道激光的一些简单应用4、通过阅读自学，培养学生的归纳概括能力5、通过了解激光的广泛用途，培养学生热爱科学的美好品质教学重点：激光与自然光的区别以及激光的特点和应用。教学难点： 激光与自然光的区别。教学用具：两支同样的蜡烛，两只同样的灯泡，两台同样的激光仪教学过程引入：一、复习提问：什么是相干光？（频率相同，相差恒定的光）【演示】演示两支同样的蜡烛燃烧发光，不干涉；两只同样的灯泡发出的光也不能干涉为什么？光是从物质的原子中发出来的，原子获得能量后处于不稳定状态，它会以光子的形式把能量辐射出去但是，普通的光源，例如白炽灯，灯丝中每个原子在什么时刻发光，朝哪个方向发光，

27、都是不确定的，发光的频率也不一样这样的光在叠加时，一会儿在空间的某点加强，一会儿又在这点相互削弱，不能形成稳定的亮区和暗区，所以不能发生干涉，因而是非相干光1958年，人类在实验室里激发出了一种自然界中没有的光，这就是激光，它是一种人工产生的相干光它有许多用途请同学们阅读教材相关内容，总结激光的特性及其应用新授：学生阅读课本，归纳总结一、激光的特点1相干性好：有着非常好的单色性，包含的波长范围非常窄，如氦一氖激光，它的波长范围比亿分之一纳米还要小，即频率单一，因此激光是颜色最纯的单色光2平行度好：只向一定的方向发光，可以说是一束平行光，方向性好3亮度高：可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的

28、能量，一支仅为1mW的氦氖激光器的亮度要比地球上看到的太阳光高约一百倍，而一台功率较大的红宝石巨脉冲激光器的亮度比太阳光要高上百万倍，可以说，激光是现代最亮的光源二、激光的应用1利用单色性、相干性：拍频技术(可精密测定各种移动、转动和振动速度)、激光地震仪、精密导航、光纤通信、全息照相、工业探伤、激光全息摄影等2利用平行度好、亮度高：测距、激光雷达、读取VCD机、CD唱机和计算机的光盘、切割金属、打孔、医学上切除肿瘤等3利用亮度高：军事上的激光炮弹、医疗上的激光手术思考：平时两只电灯的光线相叠加看不到干涉现象，主要原因是 C A电灯光的波长太短B电灯光的频率过高C两只电灯发出的光不是相干光D干

29、涉图样太小，看不清作业：练习四第(1)、(2)题本章小结及习题分析1课时实验：用双缝干涉测定光的波长教学目标一、知识目标1.复习巩固双缝干涉实验原理.2.观察双缝干涉图样，掌握实验方法.3.测定单色光的波长.二、能力目标培养学生的动手能力和分析处理“故障”的能力.三、德育目标1.培养工作中的合作精神.2.耐心细致的实验态度.教学重点L、d、的准确测量.教学难点“故障”分析及排除.教学方法1.通过复习弄清测量原理.2.学生动手实验，观察图样测定波长.教学用具双缝干涉仪、光具座、光源、学生电源、导线、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头、刻度尺.课时安排1课时教学过程一、复习基础知识如图2029所示，灯丝发出的光，经过滤片后变成单色光，再经过单缝S时发生衍射，这时单缝S相当于一单色光源，衍射光波同时达到双缝S1和S2之后，再次发生衍射，S1、S2双缝相当于两个步调完全一致的单色相干光源，通过S1、S2后的单色光在屏上相遇并叠加，当路程差P1S2-P1S1=k/2(k=0、1、2)时，在P1点叠加时得到明条纹，当路程差P2S2-P2S1=（2k+1）/2 (k=0、1、2)时，在P2点叠加时得到暗条纹.相邻两条明条纹间距x,与入射光波长，双缝S1、S2间距d及双缝与屏的距离L有关，其关系式为：x= L/d，只要测出L，d,x，根据这一关系就可求出光波波长.