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1、
《波的干涉和衍射》高中物理優(yōu)秀教案
1 、知識(shí)與技能
( 1)知道波的疊加原理,知道什么是波的干涉條件、干涉現(xiàn)象和干涉圖樣;
( 1)知道什么是波的衍射現(xiàn)象, 知道波發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條
件;
( 2)知道干涉現(xiàn)象、波的衍射現(xiàn)象都是波所特有的現(xiàn)象。
2 、過(guò)程與方法:
3 、情感、態(tài)度與價(jià)值觀:
大家都熟悉“聞其聲不見(jiàn)其人” 的物理現(xiàn)象,這是什么原因呢?通過(guò)這節(jié)課的學(xué)習(xí),我們就
2、會(huì)知道,原來(lái)波遇到狹縫、小孔或較小的障礙物時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種特有得現(xiàn)象,這就是波的衍射。
波在向前傳播遇到障礙物時(shí),會(huì)發(fā)生波線彎曲,偏離原來(lái)的直線方向而繞到障礙物的背后繼續(xù)轉(zhuǎn)播,這種現(xiàn)象就叫做波的衍射。
( 1)波的衍射:波可以繞過(guò)障礙物繼續(xù)傳播,這種現(xiàn)象叫做波的衍射。
哪些現(xiàn)象是波的衍射現(xiàn)象?(在水塘里,微風(fēng)激起的水波遇到露出水面的小石頭、蘆葦?shù)募?xì)小的障礙物,會(huì)繞過(guò)它們繼續(xù)傳播。)
實(shí)驗(yàn):下面我們用水波槽和小擋板來(lái)做,請(qǐng)大家認(rèn)真觀察。
現(xiàn)象:水波繞過(guò)小擋
3、板繼續(xù)傳播。將小擋板換成長(zhǎng)擋板,
重新做實(shí)驗(yàn):
現(xiàn)象:水波不能繞到長(zhǎng)擋板的背后傳播。這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明發(fā)生衍生的條件與障礙物的大小有關(guān)。
(2)衍射現(xiàn)象的條件
演示:在水波槽里放兩快小擋板,當(dāng)中留一狹縫,觀察波源發(fā)出的水波通過(guò)窄縫后怎樣傳播。
第一、保持水波的波長(zhǎng)不變,該變窄縫的寬度(由窄到寬),觀察波的傳播情況有什么變化。 觀察到的現(xiàn)象: 在窄縫的寬度跟波長(zhǎng)
相差不多的情況下, 發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。 水波繞到擋板后面繼續(xù)傳播
4、。(參見(jiàn)課本圖 10-26 甲)
在窄縫的寬度比波長(zhǎng)大得多的情況下,波在擋板后面的傳播就
如同光線沿直線傳播一樣,在擋板后面留下了“陰影區(qū)”。 (參見(jiàn)課本圖 10-26 乙)
第二、保持窄縫的寬度不變,改變水波的波長(zhǎng)(由小到大),
將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象用投影儀投影在大屏幕上。 可以看到:在窄縫不變的情況
下,波長(zhǎng)越長(zhǎng),衍射現(xiàn)象越明顯。
將課本圖 10-27 中的甲、乙、丙一起投影在屏幕上,它們是做衍射實(shí)驗(yàn)時(shí)拍下的照片。甲中波長(zhǎng)是窄縫寬度的 3/10 ,乙中波長(zhǎng)是窄縫寬度的 5/10 ,
5、丙中波長(zhǎng)是窄縫寬度的 7/10 。
通過(guò)對(duì)比可以看出:窄縫寬度跟波長(zhǎng)相差不多時(shí),有明顯的衍射現(xiàn)象。
窄縫寬度比波長(zhǎng)大得多時(shí),衍射現(xiàn)象越不明顯。窄縫寬度與波長(zhǎng)相比非常大時(shí),水波將直線傳播,觀察不到衍射現(xiàn)象。
結(jié)論:只有縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長(zhǎng)相差不多,或
者比波長(zhǎng)更小時(shí),才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象。 一切波都能發(fā)生衍射,衍射是波的特有現(xiàn)象。
我們有這樣的生活經(jīng)驗(yàn):將兩塊石子投到水面上的兩個(gè)不同地方,會(huì)激起兩列圓形水波。 它們相遇時(shí)會(huì)互相穿過(guò),各自保持圓形波繼續(xù)前進(jìn),
6、與一列水波單獨(dú)傳播時(shí)的情形完全一樣, 這兩列水波互不干擾。
一般地說(shuō),振動(dòng)頻率、振動(dòng)方向都不相同的幾列波在介質(zhì)中疊加時(shí),情形是很復(fù)雜的。 我們只討論一種最簡(jiǎn)單的但卻是最重要的情形,就是兩個(gè)振動(dòng)方向、振動(dòng)頻率都相同的波源所發(fā)出的波的疊加。
演示:在發(fā)波水槽實(shí)驗(yàn)裝置中,振動(dòng)著的金屬薄片 AB,使兩個(gè)小球 S1、S2 同步地上下振動(dòng),由于小球 S1、S2 與槽中的水面保持接
觸,構(gòu)成兩個(gè)波源,水面就產(chǎn)生兩列振動(dòng)方向相同、 頻率也相同的波,這樣的兩列波相遇時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象如課本圖 10-29 所示。為什么會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象呢?我們可以用波的
7、疊加原理來(lái)解釋。
課本圖 10-30 所示的是產(chǎn)生上述現(xiàn)象的示意圖。 S1 和 S2 表示兩列波的波源, 它們所產(chǎn)生的波分別用兩組同心圓表示, 實(shí)線圓弧表示波峰中央,虛線圓弧表示波谷中央。
某一時(shí)刻,如果介質(zhì)中某點(diǎn)正處在這兩列波的波峰中央相遇處
[ 課本圖 10-30 所示中的 a 點(diǎn)] ,則該點(diǎn) (a 點(diǎn)) 的位移是正向最大值,等于兩列波的振幅之和。 經(jīng)過(guò)半個(gè)周期, 兩列波各前進(jìn)了半個(gè)波長(zhǎng)的距離, a 點(diǎn)就處在這兩列波的波谷中央相遇處,該點(diǎn)( a 點(diǎn))的位移就是負(fù)向最大值。再經(jīng)過(guò)半個(gè)周期, a 點(diǎn)又處在兩列
8、波的波峰中央相遇處。這樣, a 點(diǎn)的振幅就等于兩列波的振幅之和,所以 a 點(diǎn)的振動(dòng)總是最強(qiáng)的。這些振動(dòng)最強(qiáng)的點(diǎn)都分布在課本圖 10-30 中畫出的粗實(shí)線上。
某一時(shí)刻,介質(zhì)中另一點(diǎn)如果正處在一列波的波峰中央和另一列波的波谷中央相遇處 [ 課本圖 10-30 中的 b 點(diǎn)] ,該點(diǎn)位移等于兩列波的振幅之差。 經(jīng)過(guò)半個(gè)周期, 該點(diǎn)就處在一列波的波谷中央和另一列波的波峰中央相遇處, 再經(jīng)過(guò)半個(gè)周期, 該點(diǎn)又處在一列波的波峰中央和另一列波的波谷中央相遇處。 這樣,該點(diǎn)振動(dòng)的振幅就等于兩列波的振幅之差, 所以該點(diǎn)的振動(dòng)總是最弱的。 如果兩列波的振幅相等,這一點(diǎn)的振幅就等于零
9、。 這就是為什么在某些區(qū)域水面呈現(xiàn)平靜的原因。這些振動(dòng)最弱的點(diǎn)都分布在課本圖 10-30 中畫出的粗虛線上??梢钥闯?,振動(dòng)最強(qiáng)的區(qū)域和振動(dòng)最弱的區(qū)域是相互間隔開(kāi)的。
頻率相同的波,疊加時(shí)形成某些區(qū)域的振動(dòng)始終加強(qiáng),另一些
區(qū)域的振動(dòng)始終減弱, 并且振動(dòng)加強(qiáng)和振動(dòng)減弱的區(qū)域相互間隔, 這種現(xiàn)象叫做波的干涉 (inerference) 。形成的圖樣叫做干涉圖樣。
只有兩個(gè)頻率相同、振動(dòng)方向相同的波源發(fā)出的波,疊加時(shí)才
會(huì)獲得穩(wěn)定的干涉圖樣, 這樣的波源叫做相干波源, 它們發(fā)出的波叫
做相干波。不僅水波,一切波都能
10、發(fā)生干涉,干涉現(xiàn)象是一切波都具
有的重要特征之一。
演示:敲擊音叉使其發(fā)聲,然后轉(zhuǎn)動(dòng)音叉,就可以聽(tīng)到聲音忽強(qiáng)忽弱。這就是聲波的干涉現(xiàn)象。
( 1)做波的干涉:頻率相同的波,疊加時(shí)形成某些區(qū)域的振動(dòng)始終加強(qiáng),另一些區(qū)域的振動(dòng)始終減弱, 并且振動(dòng)加強(qiáng)和振動(dòng)減弱的區(qū)域相互間隔,這種現(xiàn)象叫做波的干涉。形成的圖樣叫做干涉圖樣。
( 2)特點(diǎn):干涉現(xiàn)象是一切波都具有的現(xiàn)象。
( 3)產(chǎn)生條件:兩列波的頻率必須相同。
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