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《波的干涉和衍射》高中物理優(yōu)秀教案
三維教學(xué)目標(biāo)
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：
教學(xué)重點(diǎn)：波的疊加原理、波的干涉條件、干涉現(xiàn)象和干涉圖樣、波發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件。
教學(xué)難點(diǎn)：波的干涉圖樣
教學(xué)方法：實(shí)驗(yàn)演示
教學(xué)教具：長(zhǎng)繩、發(fā)波水槽（電動(dòng)雙振子）、音叉
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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。
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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
�。�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。（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，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。
2、波的疊加
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)，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。
3、波的干涉
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。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�？梢钥闯觯駝�(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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