7光的颜色 色散
普通
课程
实验教科书?物理选修3-4
第十三章《 光 》
第四节 光的颜色 色散 教学目标:
一、知识与技能:
1(了解光的色散及物体颜色等生活常识。
2(知道薄膜干涉是如何获得得相干光源的,了解薄膜干涉产生的原因,知道薄膜干涉在
技术上的应用。
3(知道棱镜的概念及其对光线的偏折作用。
4(了解全反射棱镜对光路的控制作用。
5(知道白光的色散现象,知道白光是复色光。
6(分析棱镜的色散与干涉色散的区别。
二、过程和
:
1(通过观察光的色散现象和薄膜干涉现象,培养学生的观察能力。
2(通过对棱镜的作用分析,培养学生知识迁移能力及分析问
的能力。 三、情感态度和价值观:
1(通过光的颜色对学生进行美育教育。
2(通过对光的色散的认识,培养学生探索物理的兴趣。 教学重点与难点分析:
重点:棱镜折射的色散。
难点:薄膜干涉的色散。
教学方法:
实验、启发性引导与学生自主学习相结合。
教 具:
棱镜、酒精灯、铁丝圈、肥皂水、多媒体电脑等。
教学过程:
(一)引入新课
投影:“雨后彩虹”的情景。
引导:夏天大雨过后,往往在天空中会出现美丽的彩虹,这是发生了什么样的光学现象,为
什么会有不同颜色的光,本节课我们就来研究这个问题。 (二)新课教学
一(光的颜色 色散
第七节《光的颜色 色散》 编著 王治国
普通高中课程标准实验教科书?物理选修3-4教案 第十三章《 光 》
问:上一节课我们观察到用白光的双缝干涉条纹是彩色的,原因是什么,
l学生:由,x,可知,干涉条纹间距与波长成正比。不同颜色的光,波长不同,条纹间,d
距也就不同,白光被分解了。
引导:从这个实验也可见:不同颜色的光,波长不同。白光是由多种色光组成的。 问:那光的颜色是由什么(频率、波长、介质)决定的,
演示:用激光笔将激光从空气射入水中、玻璃中,波长会发生变化,但颜色并不变,可见光
的颜色不是由波长决定,应该由频率决定。光由一种介质进入另一种介质不变的是频
率,故光的颜色不会随介质的改变而改变。
引导:含有多种颜色的光被分解为单色光的现象叫做光的色散。
问:人为什么能感知彩色的世界,(引导阅读)
学生:人眼的视网膜上有两种感光细胞,一种叫视杆细胞,它对光非常敏感,但不能区分不
同波长的光,另一种叫视锥细胞,它对光的敏感度不如视感细胞,但能区分不同波长
的光,人眼靠视锥细胞分辩颜色。
投影:太阳光谱图
指出:含有多种颜色的光被分解后,各种色光按其波长的有序排列就是光谱。 二(薄膜干涉中的色散
引导:肥皂泡看起来是彩色的,雨后的公路积水上面漂浮的油膜看起来也是彩色的,这些现
象是怎么样形成的,
实验:在酒精灯的灯芯上撒一些氯化钠,灯焰就能发出明亮的黄光,把铁丝圈在肥皂水中蘸
一下,让它挂上一层薄的液膜,把这层液膜当做一个平面镜,用它观察灯焰中的像。 问:同学们看到的像与直接看到的灯焰有什么不同,
学生:通过肥皂薄膜观察到灯焰上有亮暗相间的水平条纹。
引导:这说明成像的同时又发生了干涉现象,这就是薄膜干涉现象。
问:请同学们回顾一下干涉的条件是什么,
学生:两列光波频率相同,振动情况一致。
问:像上的明暗条纹是哪两列相干光干涉产生的呢,
学生:„„
启发:成像是什么现象造成,
学生:光的反射。
启发:相干光肯定与液膜反射的光脱不了干系。
学生:表面上的反射光干涉。
问:光源不同的部分发出的光经表面反射是相干光吗,
第七节《光的颜色 色散》 编著 王治国
普通高中课程标准实验教科书?物理选修3-4教案 第十三章《 光 》 学生:应该不是。(有点疑惑)
启发:竖直放置的肥皂薄膜,由于受到重力的作用,形成了上薄下厚的楔形(画出图)。我
们虽然不能明显观察到膜上薄下厚,但是这样微小的厚度差别与光的波长相比还是相
当大的。根据双缝“一分为二”的思想,从膜的前表面和后表面分别反射出来的两列
光波,频率相同,振动情况也必定相同,所以能够发生干涉。
问:为什么会形成亮暗相间的水平条纹,
学生讨论。
引导:干涉产生明暗条纹的条件,
学生:ΔS = kλ,出现亮纹;ΔS =(2k+1)λ/2,出现暗纹。
引导分析:
竖直放置的肥皂薄膜,竖直方向不同位置,膜的厚度不同,前、后表面分别反射出来的两列光波路程差不同。在薄膜的某些位置,两列波反射回来时恰是同相,即波峰和波峰、波谷和波谷叠加,使光波的振动加强,形成黄色的亮条纹;在另外一些位置,两列波的波峰和波谷叠加,使光波的振动互相削弱,形成暗条纹。
问:用单色红光或蓝光分别做实验,条纹间距有什么区别,
引导分析:条纹的间距不一样,即出现亮条纹的位置不同。
问:用白光照射下,肥皂液膜上会出现彩色条纹吗,为什么,
学生活动:观察日光灯下肥皂液膜干涉的彩色条纹。
引导分析:
若用白光照射肥皂液膜,由于各色光在不同的位置得到加强出现亮条纹,这样液膜上就会出现彩色的条纹。肥皂泡、水面上的油膜常常看到的彩色花纹,也是薄膜干涉中发生色散的结果。
启发阅读:光的干涉在技术上有哪些应用,
1、薄膜干涉的应用——增透膜:
增透膜:现代光学装置,如摄像机和电影放映机的镜头、潜水艇的望远镜、照相机等,都是
有许多的光学元件——透镜、棱镜等组成,进入这些装置的光,在每个元件的表面
上都要受到反射,结果只有入射光的10%--20%通过装置,所成的像既暗又不清楚。
(展示照相机图片)
问:怎样消除表面的反射造成的后果呢,即怎样才能减小镜片反射光的能量呢, 学生:可以在透镜如棱镜的表面涂上一层薄膜(一般用氟化镁)。
问:薄膜的厚度应为多少,
1学生:薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的时,在薄膜的两个面上反射的光,路程差恰好4
等于半个波长,因而相互抵消,这就大大减少了光的反射损失,增强了透射光的强度, 第七节《光的颜色 色散》 编著 王治国
普通高中课程标准实验教科书?物理选修3-4教案 第十三章《 光 》
这种薄膜叫增透膜。
问:入射光一般都是白光,是由各种不同波长的单色光复合而成的,增透膜能使所用波长的
光都相互抵消吗,
学生:不能。因此在确定薄膜厚度时,应该取中间部分的绿色光,即人的视觉最敏感的光,
在垂直入射时完全抵消。这时,可见光边缘的红光和紫光并没有显著削弱,所以有增
透膜的光学镜头呈淡紫色。
2、薄膜干涉在科学技术中的应用——用干涉法检查平面的平整程度
在磨制各种镜面或其他精密部件时,对加工表面的形状可以用干涉法检查。如果被检查的表面是一个平面,可以在它的上面放一个透明的标准样板,并在一端垫一个透明的标准样板,使样板的标准平面和被检查的平面间形成一个楔形的空气薄层,用单色光从上面照射,入射光从空气层的上、下表面反射出两列光波,于是从反射光中就会看到干涉条纹,如果被测表面是平的,那么空气层的厚度相同的各点就位于一条直线上,因此产生的干涉条纹就是平行的;如果被测的表面某些地方不平,那里空气层的厚度相同的各点不再位于同一直线上,因此产生的干涉条纹就要发生弯曲,从干涉条纹弯曲的方向和程度还可以了解被测表面的不
,,平情况。这种测量的精度可达,,厘米。如图所示:
对干涉弯曲条纹进行分析:
如果观察到的干涉条纹如图丙所示,A、B处的凹凸情况可以这样分析:由丙图知,P、Q两点位于同一条亮纹上,故甲图中与P、Q对应的位置空气层厚度相同。由于Q位于P的右方(即远离楔尖),如果被检表面是平的,Q处厚度应该比P处大,所以,只有当A处凹陷时才能使P与Q处深度相同。同理可以判断与M对应的B处为凸起。
第七节《光的颜色 色散》 编著 王治国
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三(折射时的色散
出示几种棱镜让学生观察并介绍顶角、底面。
指出:横截面为三角形或梯形的三棱镜,通常简称为棱镜,
启发:棱镜对光线有什么作用呢,我们先研究一下光通过棱镜后光路有什么变化, 演示:用激光演示仪分别演示棱镜的底面在下方和底面在上方的两种情况,让学生观察现象, 问:同学们发现了什么,
学生:光从另一侧射出,射出方向与入射方向相比,明显地向底面偏折。 学生活动:请一个同学到黑板上作出折射时的光路图。
启发:为什么会出现上述现象呢,谁能根据我们所学知识来解释上述它呢, 学生分析讨论(并要求学生根据讲座结果画出光路图)
A o ’ i r
C B
,sin1n,光由空气射到界面AB,发生折射,由,由于n,1,得sini,sinr sin,2’i,r 故进入棱镜中的光线向下偏折沿OO方向传播。
'sini’’n,光由棱镜射向空气在AC面发生折射,由,得出r,I光线从棱镜'sinr
射出后,再次向下偏折。
归纳:由于射向棱镜的光线在棱镜的两个侧面上,发生折射,每次都使光线向底面偏折,
从而使从棱镜中出来的光线明显偏离,原来方向向底边偏折。
问:如果通过的是白光,会出现什么现象呢,
演示实验,得出结论:
折射后出现彩色光斑,红光分布在最上边,紫光分布在最下边。
学生活动:再请一个同学在同一个图上作出紫光折射时的光路图。
问:由实验我们发现了什么,
学生:根据光路图可知:红光(偏向角)偏折程度最小,紫光偏向角(偏折程度)最大。
第七节《光的颜色 色散》 编著 王治国
普通高中课程标准实验教科书?物理选修3-4教案 第十三章《 光 》
红
紫
启发:为什么各色光以相同入射角进入棱镜后偏折程度会不同呢,
学生:这是由于棱镜对不同色光的折射率不同,棱镜对红光折射率小,红光的偏折角度就小
棱镜对紫光的折射率大,紫光的偏折角度就大。
点拔:既然同一材料的棱镜对不同色光的折射率不同,这是否意味着各种色光在同一材料中
的速度不同,
c学生:由 ,可知:各色光在同一介质中的速度确实中不相同的,红光的折射率小,n,v
红光在介质中的速度就大。
指出:在同一介质中,不同波长的光波的传播速度不一样,波长越短,波速越慢。 (三)巩固练习
1(如图所示,一束白光从顶角为θ的棱镜的一个侧面AB以较大的入射角θ入射,经过1
三棱镜后,在屏P上可得到彩色光带。当入射角逐渐减小到零的过程中,若屏上的彩
色光带先后全部消失,则(B)
A(红光最先消失,紫光最后消失。
B(紫光最先消失,红光最后消失。
C(紫光最先消失,黄光最后消失。
D(红光最先消失,黄光最后消失。
2(如图所示,横截面是直角三角形ABC的三棱镜对红光的折射率为n,对紫光的折射率为1
n,一束很细的白光由棱镜的一个侧面AC折射出来,已知棱镜顶角?A=30?,AC边平2
行于光屏MN,且与光屏的距离为L。(1)画出白光通过棱镜折射的光路图(出射光线
只画出两条边缘光线,并指明其颜色)。(2)求在光屏MN上得到的可见光光谱的宽度。
M
C B
A N
3(红光和紫光相比:(BD)
A(在真空中传传播时,紫光的速度比较大。
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B(在玻璃中传播时,红光的速度比较大。
C(玻璃对红光的折射率较紫光大。
D(从玻璃到空气的界面上,红光的临界角较紫光大。
4(半径为R的玻璃半圆柱体,横截面如图所示,圆心为O,两条平行单色光沿截面射向圆
柱面,方向与底面垂直,光线1的入射点A为圆柱面的顶点,光线2的入射点为B,?
n,3AOB=60?。已知该玻璃对红光的折射率。(1)求两条光线经柱面和底面折射后
的交点与O点的距离d。(2)若入射的是单色蓝光,则距离d将比上面求得的结果大还
是小,
1 2
A
60?B
O
(三)总结本节课要点:
(四)作业:课后练习:第七十页第一题、第二题、第三题、第四题。
(五)教学小结:
本堂课围绕阐述色散的概念和发生色散的两种情况展开。在教学中利用探究式教学方式,让学生在“活动”中认识自然现象,探究物理规律,掌握物理知识,训练学生的观察能力、实验能力、归纳综合能力、推理能力、运用所学知识进行再探索的能力。实现知识和能力、过程和方法、情感态度和价值观的全面教育。
为了突破薄膜干涉这一难点,设计随堂实验,让学生亲自动手做肥皂膜的干涉实验,观察灯焰像上的明暗条纹和白光的彩色条纹,增强感性认识,激发好奇心。并通过启发式的提问,复习巩固干涉的条件和产生明暗条纹。让学生明白薄膜干涉的原理和薄膜干涉中白光发生干涉的原因。在讲解折射时的色散时,老师做演示实验,让学生观察现象,引导学生自己画光路图来分析说明色散的原理。最后总结出不同色光在同一介质中的传播速度、折射率都不同。
通过对比分析,重在区别并弄清薄膜干涉的色散和棱镜折射时的色散的基本原理。
第七节《光的颜色 色散》 编著 王治国