人教版(新教材)高中物理选择性必修1教学设计1：4 5-4 6 光的衍射 光的偏振 激光教案

人教版（新教材）高中物理选择性必修第一册PAGEPAGE14.5-4.6光的衍射光的偏振激光〖教学目标〗1．知道光的衍射现象和产生明显衍射的条件。2．了解如何通过实验观察光的衍射现象，并可以区分几种不同的衍射图样。3．观察光的偏振现象，知道光是横波，知道自然光和偏振光的区别。4．知道偏振现象的一些应用，了解激光的特征和应用。5．能解释日常生活中的衍射并初步了解衍射光栅。〖教学重难点〗1．光的衍射条纹特点及发生明显的光的衍射现象的条件。2．光的干涉条纹和衍射条纹的异同。3．光的偏振现象及应用，激光的特点及激光的应用。〖教学过程〗一、复习提问、新课导入在上一节中，我们通过杨氏干涉实验学习了光的干涉，证明了光是一种波，请大家回忆两个问题：1．若用红光来做干涉实验，观察到的干涉图样是怎样的？白光呢？2．条纹间距的公式是怎样的？既然光是一种波,为什么我们日常生活中观察不到光的衍射现象,而常常看到的是光沿着直线传播的呢?我们这节课就来解决这个问题。二、新课教学（一）光的衍射现象问题1：什么是波的衍射？问题2：产生明显的波的衍射现象要具备什么样的条件？（波产生明显衍射的条件是障碍物或小孔的尺寸跟波长相差不多或者比波长还小；）师：光的衍射和波的衍射类似，当光在传播过程中遇到障碍物或小孔是会偏离直线传播的路径到达障碍物后面这种现象就是光的衍射现象。1.光的衍射：光在传播过程中遇到障碍物或小孔是会偏离直线传播的路径到达障碍物后面这种现象就是光的衍射现象。问题3：为什么平时我们看到的都是光的直线传播现象，没看到过光的衍射现象呢？（因为可见光的波长只有十分之几微米，一般的障碍物或孔都比光波的波长大得多，衍射现象不明显）2.发生明显衍射现象的条件：障碍物或小孔的尺寸跟波长相差不多，或者比波长还小。问题4：怎样才能观察到光的衍射现象呢？小孔或障碍物有什么要求呢?（必须使光源发出的光通过非常小的孔或是非常窄的狭缝才行。）师：下面我们就来试一下看狭缝特别窄时，会不会有衍射现象发生。（二）常见的光的衍射现象1.单缝衍射演示实验：在不透光的挡板上安装有一个宽度可以调节的狭缝，缝后放一个光屏，用平行单色光照射狭缝，不断减小缝宽，学生观察会有怎样的现象。生：通过实验归纳（1）条纹特征：明暗相间的条纹。=1\*GB3①中央条纹最亮、最宽=2\*GB3②两边的亮纹亮度渐暗，宽度渐窄=3\*GB3③条纹关于中央明纹对称。（2）条纹间距的变化规律：=1\*GB3①缝宽0.4mm和0.8mm的衍射图样对比结论：缝越窄，中央亮纹越宽条纹间距越大=2\*GB3②缝宽均为0.4mm的红光和蓝光的衍射图样对比结论：波长越长，中央亮纹越宽条纹间距越大=3\*GB3③问题：条纹间距除了和缝的宽度及光波的波长有关外，还可能和什么有关呢？结论：还与缝屏间距有关，缝屏间距越大，中央亮纹越宽条纹间距越大（3）白光的衍射图样的特点：学生讨论：白光的单缝衍射图样应该是怎样的，请说出原因？（白光是由七种色光组成的，每种颜色的光通过狭缝后会形成自己的衍射图样，由于七种色光的波长不同，形成的衍射条纹间距就不同，叠加后就会形成彩色条纹，而每种颜色的光的衍射图样中央都是亮纹，所以叠加后白光的干涉图样中央一定是白色的。）师：下面就请同学们检验一下你的推理是否正确。学生实验：用两只笔平行日光灯放置观察日光灯，逐渐减小两只笔之间的缝的宽度，观察现象。学生看课本图片总结白光的衍射图样的特点问题：比较图中红光的衍射和干涉条纹有什么异同？生：归纳总结（4）光的衍射条纹和干涉条纹的异同同：都是明暗相间的条纹，中央都是明纹，条纹都关于中央明纹对称。异：干涉图样是等距条纹，亮度减弱较慢衍射图样中央条纹又宽又亮，两侧条纹窄且宽，亮度减弱较快师：下面我们再来研究光在传播的过程中遇到小孔的情况2.小孔衍射演示实验：用平行单色光照射小圆孔，不断减小圆孔的大小。生：总结观察到的现象=1\*GB3①条纹特征：明暗相间的圆环，圆心处为一亮斑。=2\*GB3②条纹间距的变化规律生：观察孔逐渐缩小得到的三张图片，总结规律孔越小中间亮圆越大，亮纹间距越大，亮度越暗师：亮度越来越来越暗是什么原因孔越小通过孔的能量越小所以越暗师：衍射现象是否明显，我们应该关注亮度还是传播的范围3.多孔衍射学生实验：通过纱布观察蜡烛和日光灯的衍射现象师：前面我们研究了缝和孔的衍射，下面我们来看看光传播的过程中遇到障碍物又会发生什么现象呢？4、圆盘衍射——泊松亮斑学生：阅读课本泊松亮斑趣事师：这个故事告诉我们实验是理论的极其完美的论证。物理理论离不开实验的验证，物理实验也离不开物理理论的指导，科学研究必须重视理论的指导作用和实践的检验作用。师：同学们可能已经注意到，在泊松亮斑的周围还有一些明暗相间的圆环，而且在单缝衍射和圆孔衍射的图样中，都有一些亮线和暗线．这是由于当光传播到狭缝或圆孔上时，可把狭缝或小孔看成许许多多个点光源，这些点光源发出的光在空间传播相遇叠加，光振动加强的地方就是明条纹光振动削弱的地方就是暗条纹，这个道理和光干涉时的道理相似。5、其它衍射：（1）学生观察几幅影子的图片总结得出光的衍射现象会使影的边缘出现明暗相间的条纹模糊不清，这也是一种衍射现象。（2）路灯照片中的衍射（3）消失的横线（三）衍射现象的利与弊1.应用（1）衍射光栅用于光谱分析=1\*GB3①衍射光栅是由许多等宽的狭缝等距离的排列起来形成的光学仪器。可分为透射光栅和反射光栅。=2\*GB3②利用衍射光栅进行光谱分析（2）利用衍射现象分析物质结构2.防止:电子显微镜的发明问题：通过前面的学习我们知道光确实能发生衍射现象那么光的衍射现象与我们前面所学的光沿直线传播相矛盾吗？光的直线传播的条件：①光在没有障碍物的均匀介质中是沿直线传播的②在障碍物的尺寸比光的波长大得多的情况下，衍射现象不明显，也可认为光是沿直线传播的，但是，在障碍物的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象十分明显，这时就不能说光沿直线传播了。（四）光的偏振师：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。〖演示一〗介绍课本上装置，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。师：请一位同学来表述一下看到的现象。生：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。师：表达得不错，还有同学要补充吗？生：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动方向垂直时，有部分振动能通过狭缝。师：很好。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。〖演示二〗（教师介绍装置，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）师：请大家看这个薄片，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。师：同学们能由此得到什么结论吗？生：光是纵波。师：怎么得到这个结论的呢？生：与前面纵波实验类比得到的。师：大家有没有考虑过假如波是横波而且沿各个方向都有振动的情况呢？（学生默然，教师继续演示）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。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。师：现在大家能判断光是横波还是纵波了吗？生：能，是横波。师：那现象1是怎么回事呢？原来，我们这里用的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，这种光就只能沿着一个特定方向振动，这种光叫做偏振光。横波只沿着某一个特定方向振动，称为波的偏振。只有横波才有偏振现象。师：哪位同学能来解释刚才我们看到的三个现象呢？（学生基本上能根据与机械波类比解释实验现象，并明确光是一种横波。）师：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，反射光和折射光都是偏振光，且两者偏振方向相互垂直。（五）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4．拍摄水面景物5．液晶显示（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。）（六）激光的特点及其应用1．物体发光的微观机理物质中的原子受到激发以后，原子能量增加，处于不稳定状态，要向低能态跃迁。在向低能态跃迁的过程中，会发出光。普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、相位不一定相同——为非相干光。2．激光及其产生（1）概念：激光准确内涵是“辐射的受激发射的光放大”。（2）产生机理：原子受激辐射后发生跃迁。某些物质的原子中的粒子受光或电刺激，使低能级的原子变成高能级原子，在向低能态跃迁时辐射出相位、频率、方向等完全相同的光，这种光叫做激光。3．激光的发展史1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。1960年，美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅曼发明了世界上第