1光的干涉1

大学物理Ⅱ教案基础部任课教师岳平教学单位基础部授课班级1011、1012、1021课程总学时32基本教材大学物理（下册）二零一一年九月1北京电子科技学院教案第1讲内容名称光的干涉（一）◆教学目标和基本要求了解光的相干条件；理解获得相干光的方法。掌握光程、光程差的概念,掌握光程差与位相差的关系和计算方法。◆教学重点光程、双缝干涉。◆教学难点光程与光程差的计算，半波损失的分析。◆教学过程讲课提纲教学方法时间分配教学手段1．机械波相干条件提问，启发5分钟板书2．光是电磁波讲解，启发10分钟多媒体3．相干光启发，讨论，讲解15分钟多媒体4．杨氏双缝干涉演示实验，讨论，讲解30分钟板书+多媒体5．劳埃德镜通过故事引入，重点是半波损失10分钟板书+多媒体6．光程与位相差通过思考题1引入，讨论，启发20分钟板书+多媒体7．讨论题讨论，启发10分钟板书+多媒体◆教学思路通过提问对机械波干涉现象及其条件的回顾导入本课，讲清普通光源的发光机制后，组织学生讨论机械波和光波的区别，从而引出获得相干光的两种方法；通过演示实验引入杨氏双缝干涉，在此过程中注意启发式教学，组织学生推导明暗纹条纹的位置和条纹间距。通过讲故事的方法介绍劳埃德镜干涉，其目的在于引出半波损失的概念。通过思考题的形式引出光程概念，再介绍光程差、相位差以及它们的关系，在此的基础上，推导出干涉的明暗纹条件。◆重点内容处理重点一：双缝干涉通过演示实验引入，采用启发式教学，组织学生分析三个问题(1)相干光是谁(2)波程差(光程差)计算(3)条纹特点(形状、位置、分布、条数、移动等)重点二：光程和光程差设计思考题，突出光在不同介质中传播后，再发生干涉时，计算波程差极为不便。如引入光程后，计算光程和光程差极为方便，最后突出光程差和相位差的关系。难点一：半波损失半波损失是比较难理解的，通过讲故事方法突出劳埃德镜和杨氏双缝干涉现象的区别，并引导学生分析其原因，由此引出半波损失。2◆教学内容总结（具体内容见附件１）1.几个基本概念●相干条件：参与叠加的两束光满足振动方向相同、频率相同、相位差恒定的条件称相干条件。只有满足相干条件的光叠加时才能产生干涉现象。●分波前法和分振幅法：利用普通光源获得相干光的方法有分波前法和分振幅法。分波前法是在同一波前上通过波前的分割获得相干光，分振幅法是通过对同一束光进行振幅（光强）的分割获得相干光的。●光程：光走过的几何路程与路程上的介质折射率的乘积称为光程。2.分波前法干涉●杨氏双缝干涉是利用分波前法产生干涉现象的，它是光具有波动性的经典实验，具有十分重要的意义。●杨氏双缝干涉实验的基本原理是：波长为的自然光源通过一个狭缝后形成狭缝光源，由狭缝光源发出的光通过间距为d的双缝后形成两束相干光，这两束相干光在屏上相遇就会形成等间距的干涉条纹。条纹间距为Dxd其中，D为双缝与光屏的距离。洛埃镜实验也是分波前法干涉实验，其重要意义在于显示了光的半波损失现象。即光在光疏媒质和光密媒质截面反射时，光要多走或少走2的光程。◆课后思考题与课前思考题：详见PPT◆作业：详见BB◆主要参考书1．《大学物理》（2008年第一版），吴百诗主编，2008年，西安交通大学出版社。2．《普通物理学》（1982年修订本），程守洙、江之永编，朱永春修订，1982年，高等教育出版社。3．《大学物理学》（2002年第一版），赵近芳主编，2002年，北京邮电大学出版社。4．《物理学》（第四版），东南大学等七所工科院校编，马文蔚改编，1999年，高等教育出版社。5．《大学物理学》清华版。◆教学总结1．课前需布置自学内容“光是电磁波，以及普通光源的发光机制。”2．通过讨论机械波和光波的区别，引出相干光的条件和获取相干光的方法。3．在双缝干涉基础上，通过思考题的方式引出光程和光程差的概念。4．用讲故事的方法引入洛埃镜干涉；与双缝干涉进行比较，重点在于引出半波损失。3附件１：教学内容§1相干光一、机械波相干（回顾上学期内容，采取提问，启发的形式）1．相干波源：频率相同、振动方向相同、位相差恒定干涉现象：两列相干波相遇时，某些地方始终振动加强，另一些地方始终振动减弱的现象。2．P点的振动是两个同方向同频率简谐振动的叠加由简谐振动的矢量表示法可知，合振动的振幅与两个分振动的位相差有关k2),2,1,0(k时，A最大干涉相长)12(k),2,1,0(k时，A最小干涉相消由波函数)2cos(])(cos[rtAurtAy可得，P点的两分振动的相位差为：)(21212rr如果两相干波源的初相位相等21，相干条件简化为：波程差12rrrkr),2,1,0(k相长2)12(kr),2,1,0(k相消二、光是一种电磁波１．电磁波是横波，E、H都与传播方向垂直1S2SP1r2rOx1AA2A4对人眼、感光仪器起作用的是E矢量，因此E矢量称为光矢量，E矢量的振动称为光振动。２．可见光波长：390~760nm（紫~红）单色光：只含单一波长的光复色光：含多种波长的光准单色光：在某个中心波长附近有一定波长范围的光三、相干光１．光源的发光机理光源(lightsource)的最基本发光单元是分子、原子。原子通过由高能级跃迁到低能级而以光子的形式辐射出能量，由于能量损失、周围原子的作用，发光的持续时间很短。因此，一个原子一次发光只能发出一段长度有限、频率一定、振动方向一定的波列。普通光源的原子辐射是自发辐射，其发光具有间隙性和随机性。即同一原子在不同时刻发出两个波列，这两个波列的频率、振动方向、相位等一般都不相同，可以说两次辐射发光是互不相关的；而不同原子在同一时刻发出的波列同样互不相关，频率、振动方向、相位等一般都不相同。因此，普通光源发出的光是由很多原子所发出的、许多相互独立的波列。这些波列不满足相干条件，普通光源发出的光不能产生干涉现象。讨论：1）光源的发光过程实际上是其中大量分子、原子在微观上的自发辐射过程：波列波列长L=c秒810=(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射5激发跃迁辐射2）每个原子的“发光”都是“随机”、“间歇”且“互相独立”的；3）每个原子每次发出的是一段“频率一定，振动方向一定，初相一定，长度有限（810s）的光波”——“光波列”4）同一时刻，不同原子所发出的光波列的频率、振动方向和初相各不相同；5）同一原子，不同时刻所发出的光波列的频率、振动方向和初相也不相同。组织讨论：机械波和光波的区别。２．相干光的获取把同一个原子的同一次发光分成两部分，再进行叠加，即得到相干光分波阵面法：杨氏双缝分振幅法：等倾干涉、等厚干涉§2杨氏双缝干涉实验一、杨氏双缝干涉实验（此处为重点内容，必须详细分析，采用启发，讨论的形式，先做演示实验已引起兴趣。而后共同分析讨论）1S2SPIW1I2I1W2Wp·xDdr1r2ox1Ix0x-1xxx缝平面观察屏S1S2双缝干涉61．线光源S发出单色光S1、S2是由S发出的同一波阵面的两部分，满足相干条件、且同相（到S距离相等）Dd2．波程差sin12drrr由相干条件，若满足：(1)kdsin，),2,1,0(k干涉相长则P点为明条纹的中心，k为明条纹的级次。k=0的明条纹为中央明纹或零级明纹，,2,1,0k称为第1级、第2级…明纹；正负号表示明条纹对称分布在中央明纹两侧。由于很小，Dxtansin，有：dDkx，,2,1,0k为明条纹(2)2)12(sinkd，,2,1,0k干涉相消则P点为暗条纹的中心，k为暗条纹的级次，暗条纹也是对称分布在中央明纹的两侧的。2)12(dDkx，,2,1,0k为暗条纹(3)干涉条纹：中央为零级明纹、两侧对称地分布着较高级次的明暗相间的条纹。每一条纹都对应一定的波程差相邻两明纹或两暗纹的距离都是：dDx说明条纹是等间距排列（不太大时）7（可用来求波长）讨论：1）杨氏双缝干涉条纹的性质：——明暗相间，平行、等距的直条纹；2）条纹间距取决于双缝间距、双缝到屏幕距离及光的波长：,(500,10.51)DdxnmDmxmmdmmDxdx长波的干涉性优于短波3）杨氏双缝干涉的内涵双缝间对应点间的干涉的综合效应缝上不同点的非相干叠加二、劳埃德镜（用讲故事的方法引入洛埃镜干涉；与双缝干涉进行比较，重点在于引出半波损失）光源S和虚光源S发出相干光若把屏移到平面镜边上，在接触处屏上出现的是暗条纹，说明此处光程差为2的奇数倍，相位差为的奇数倍。k),2,1,0(k相长MLdpQ'p'QD光栏EESS82sindr2)12(k),2,1,0(k相消S与S为反相光源，反射光的相位跃变了，反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，这种现象叫做半波损失（相位突变）。光从光速较大（折射率较小）的介质射向光速较小（折射率较大）的介质时，会发生半波损失。§3光程一、光程（以思考题的形式引出光程的概念和意义，组织学生进行讨论）1．12时，r2在同一种介质中，由r即可确定。在不同介质中，v不同、不同，不能只根据r确定。2．设一单色光在真空中频率为，波长为，传播速度为c。当它在折射率为n的介质中传播时，波速为ncv、波长为nn。若光在该介质中传播了距离r，则相位改变为：nrrn22即相当于光在真空中传播距离nr的相位变化。3．光程nr：统一用光在真空中的波长来计算相位变化光程差2k),2,1,0(k相长2)12(k),2,1,0(k相消9例：12)(rnnddrn])([212rnnddrn为真空中的波长二、透镜不引起附加的光程差平行光透过透镜后，会聚在焦点，形成亮点，说明各光线干涉相长、位相相同。平行光的同相面与光线垂直，从任一同相面算起，到会聚点，各光线的光程是相等的。解释：透镜折射率大于空气1S2Sdn,n1rP2r使用透镜不会产生附加光程差acb·FABCabc··FFABCabc··SS(b)(a)(c)10光程（介质）可能影响光程差的因素半波损失透镜（改变光的传播方向，但不附加光程差）讨论题详见ＰＰＴ。