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『光的微粒说与波动说』
第一节 光的微粒说和波动说
第二节 双缝干涉
教学目的：1、在学生已有几何光学知识的基础上引导学生回顾人类对光的本性的认识发展过程
2、在了解机械波干涉的基础上使学生了解产生光的干涉的条件和杨氏实验的设计原理。
3、使学生掌握在双缝干涉实验中产生亮条纹和暗条纹的条件，并了解其有关计算，明确可以利用双缝干涉的关系测定光波的波长。
4、通过干涉实验使学生对光的干涉现象加深认识。
重点内容：1、波的干涉条件及相干光源的获得。
2、双缝干涉中明暗条纹的产生及有关计算。
教学过程：
一、 引言：
前面一章已学过几何光学，对光的一些性质有了初步了解。如：
1、 光在均匀介质中是沿直线传播的；
2、 光照射到两种介质的界面处会发生反射和折射；
3、 光的传播速度很大，在真空中为最大c=3.0×108m/s；
4、 光具有能量
但是对于光的本性还没有深一步的探讨，这一章要讲这个问题-----（光的本性）
二、 讲授新课
1、引导学生阅读第一节光的微粒说和波动说。阅读后小结：（1）17世纪同时出现了两种学说---牛顿的微粒说和惠更斯的波动说；（2）两种学说对光的现象的解释各有成功和不足之处；（3）19世纪从实验中观察到了光的干涉、衍射现象，证明了光具有波动性；（4）19世纪末发现了光电效应，证明了光具有粒子性。所以光既具有波动性又具有粒子性。本章就从这两方面来认识光的本性。
2、复习波的干涉：
提问：
什么是波的干涉现象？
若使两列波产生干涉现象，它们要具备什么样的条件？
小结：干涉是波的特有现象；只有相干波源才能产生稳定的干涉现象；光若具有波动性则必能观察到它的干涉现象，但必须要有产生干涉现象的相干光源。
3、杨氏实验（突出介绍实验中如何获得相干光源）
（1）、介绍实验装置，强调以下两点：用单色光源；双孔屏上的两个小孔离的很近，到前一小孔的距离相等，所以两小孔处光振动不但频率相等，而且总是同相的。
（2）实验结果：在屏上出现明暗相间的干涉条纹。若用白光做该实验则屏上出现彩色的干涉条纹。
4、双缝干涉实验：与前面杨氏实验原理相同，只是将双孔改为平行的双缝，双缝距离很近，大约0.1毫米左右。在单孔处是一线光源（可以通过光源照射滤光玻璃后经狭缝产生），使双缝与光源平行，即可在屏上得到比小孔实验更明亮的干涉条纹。
分析双缝干涉示意图（从路程差分析明暗相间条纹的产生原因）
小结：
（1）、当屏上某点到双缝S1S2的路程差是光波波长的整数倍时，在这些地方出现亮纹
（2）、当屏上某点到双缝S1S2的路程差是光波半波长的奇数倍时，在这些地方出暗纹
引导学生观看彩色插图6，并指出：
（1） 干涉条纹是等间距的；
（2） 同样条件的双缝实验，用红光和紫光得到的相邻暗条纹间的宽度不等。下面我们通过计算来分析其原因：
O是S1S2的中垂线与屏的交点
d----S1S2距离
l----缝与屏的距离
x----P点到O点的距离
r1r2----屏上某点P到S1S2的距离
条件：l≥d，且l≥x
设SS到P点的路程差为﹠，
则﹠=r2-r1 从图上可以看出：
r22=l2+（x+d/2）2………………①
r12=l2+（x-d/2）2………………②
①-②得: ﹠=dx/l
当﹠等于光波波长的整数倍时,两列波在P点同相,出现明条纹.
k·λ=d/l·x k=0、1、2、…
x=k·l/d·λ
当﹠等于半波长的奇数倍时,两列波在P点反相,出现暗条纹.
(2K+1) ·λ/2=d/l·x k=0、1、2……
x=(2k+1) ·l/d·λ/2
则相邻明暗相间条纹间的距离是 △X=l/d·λ
(1) 同一实验中,任意两个相邻的亮纹间的距离是相等的
(2) △X与l、d、λ三因素有关，当l、d相同条件下，△X与λ成正比，所以红光和紫光分别做实验得到的条纹间隔是不同的，经光波长比紫光波长长，因而红光干涉条纹比紫光宽。
(3) 波长与频率乘积等于波速而光在真空中的波速是相同的。故不同波长的色光它们的频率不同。P203各种色光的波长和频率表。
作业：《基础训练》第一、二节。
第三节薄膜干涉
第四节光的衍射
教学目的：1、通过对肥皂液薄膜干涉的分析和实验使学生理解薄膜干涉的原理。并对光的干涉现象加深认识。
2、通过举例使学生了解薄膜干涉在科学技术中的一些应用
3、从光的衍射实验中使学生对光的波动性有进一步的认识和理解。
重点内容：1、薄膜干涉的原理及实验
2、光的衍射条件
3、光的衍射图样
教学过程：
一、 复习
用某种单色光做双缝干涉实验，若两狭缝间相距0.1毫米，缝与光屏的距离是2米，已知屏上相邻两条暗纹之间的距离是1.3厘米，求这种色光的频率？(4.62×1014赫兹)
二、 讲授新课
引言：前节我们学习了光的干涉现象，在实验中由双缝发出的光波是同一光源产生的，因此它们是相干光波，从而得到了干涉现象。本节我们还要介绍薄膜产生相干光波而发生干涉的情况-----薄膜干涉。
1、薄膜干涉
（1）肥皂液薄膜干涉实验
① 介绍实验做法。强调肥皂薄膜必须竖直立放，并把液膜当成镜面从前面看火焰的反射后的虚像。
② 由学生两人一组做实验，注意观察火焰反射虚像中近似水平的明暗相间的条纹。
（2）分析明暗相间条纹的来源。
……虚线代表前表面反射
——实线代表后表面反射
介绍竖直放置的肥皂液薄膜由于重力作用而形成楔形薄膜。
强调指出图中所画的波都是反射波，是从楔形薄膜前表面和后表面分别反射的两列波叠加，这两列波是同一光源发出的，所以是相干波，由于同一水平线上的薄膜厚度近似相同，所以干涉后能产生水平的明暗条纹。
（3）若用白光照射，则在薄膜某一厚度的地方某一波长的光反射后增强，而另一些波长的光反射后弱，这样薄膜的像上就出现彩色条纹。在水面的油膜上常常看到彩色花纹就是由于油膜的各部分的厚度不均匀，从油膜的上表面和下表面分别反射的光发生干涉而形成的。
2、光的干涉在技术上的应用。
（1） 介绍干涉法检查镜面
（2） 介绍牛顿环构造
（3） 讲解镜片增透膜。
3、光的衍射。
引言：光的干涉现象证明了光具有波动性，为了进一步了解光的波动特性，我们下面将介绍光的衍射现象。
（1）、提问：什么是波的衍射？
产生明显的波的衍射要具备什么样的条件？（障碍物或小孔的尺寸跟波长相差不多）
怎样才能观察光的衍射现象？（必须使点光源（或线光源）发出的光通过非常小的孔（或是非常窄的狭缝））
（2）、光的衍射实验------单缝衍射。
使激光通过非常狭窄的缝，光线明显地偏离了原来的直进的方向，照在屏（或墙壁）上相当宽的区域，出现了明暗相间的条纹。
强调指出：
在单缝衍射图样里，
中央条纹最亮、最宽（见插图）
看课本单缝衍射照片：
狭缝越窄才出现明显的衍射。
小孔衍射可在屏上得到明暗相间的圆环。
介绍泊松亮斑实验。
说明光的衍射现象在光学发展史中对建立的波动说起了重要作用。
小结：
薄膜干涉的原理
光的衍射条件
要能区分单缝衍射和双缝干涉的图样。
作业：课本P236（1）（2）
第五节 光的电磁说电磁波谱
教学目的：1、了解光的电磁说及建立过程；
2、了解各种电磁波在本质上是相同的。它们的行为服从共同的规律。由于频率不同而呈现出的不同特性。并熟悉它们的不同应用。
教学过程：
一、 复习提问
光具有波动性，它是以什么实验事实为依据的？
二、 导入新课
1、光的电磁说
19世纪初，光的波动说获得很大成功，逐渐得到人们公认。
但是当时人们把光波看成象机械波，需要有传播的媒介，曾假设在宇宙空间充满一种特殊物质“以太”，“以太”应具有的性质，一是很大的弹性（甚至象钢一样）二是极小的密度（比空气要稀薄得多），然而各种证明“以太”存在的实验结果都是否定的，这就使光的波动说在传播媒介问题上陷入了困境。
19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦提出电磁场的理论，预见了电磁波的存在，并提出电磁波是横波，传播的速度等于光速，根据它跟光波的这些相似性，指出“光波是一种电磁波”-----光的电磁说。
1888年赫兹用实验证实了电磁波的存在，测得它传播的速度等于光速，与麦克斯韦的预言符合得相当好，证实了光的电磁说是正确的。
2、电磁波谱
我们已知无线电波是电磁波，其波长范围以几十千米到几毫米，又已知光波也是电磁波，其波长不到1微米，可见电磁波是一个很大的家族，作用于我们眼睛并引起视觉的部分，只是一个很窄的波段，称可见光，在可见光波范围外还存在大量的不可见光，如红外线、紫外线等等。
（一）、红外线
发现过程：
1800年英国物理学家赫谢耳用灵敏温度计研究光谱各色光的热作用时，把温度计移至红光区域外侧，发现温度更高，说明这里存在一种不可见的射线，后来就叫做红外线。（用棱镜显示可见谱）
特点：最显著的是热作用
应 用：
（1）红外线加热，这种加热方式优点是能使物体内部发热，加热效率高，效果好。
（2）红外摄影，（远距离摄影、高空摄影、卫星地面摄影）这种摄影不受白天黑夜的限制。
（3）红外线成像（夜视仪）可以在漆黑的夜间能看见目标。
（4）红外遥感，可以在飞机或卫星上戡测地热，寻找水源、监测森林火情，估计家农作物的长势和收成，预报台风、寒潮。
（二）、紫外线
发现过程：
1801年德国的物理学家里特，发现在紫外区放置的照相底板感光，荧光物质发光。
特性：主要作用是化学作用，还有很强的荧光效应，杀菌消毒作用。
应用：
（1） 紫外照相，可辨别出很细微差别，如可以清晰地分辨出留在纸上的指纹。
（2） 照明和诱杀害虫的日光灯，黑光灯。
（3） 医院里病房和手术室的消毒。
（4） 治疗皮肤病，硬骨病。
（三）、伦琴射线
发现过程：1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线的性质时，发现阴极射线（高速电子流）射到玻璃壁上，管壁会发出一种看不见的射线，伦琴把它叫做X射线。
产生条件：高速电子流射到任体固体上，都会产生X射线。
特性：穿透本领很强。
应用：
（1） 工业上金属探伤
（2） 医疗上透视人体。
此外还有比伦琴射线波长更短的电磁波，如放射性元素放出的r射线
（四）、电磁波谱
无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、r射线合起来构成了范围广阔的电磁波谱。
从无线电波到r射线，都是本质相同的电磁波，它们的行为服从共同的规律，另一方面由频率或波长的不同而又表现出不同的特性，如波长越长的无线电波，很容易表现出干涉、衍射等现象，随波长越来越短的可见光、紫外线、X射线、r射线要观察到它们的干涉、衍射现象、就越来越困难了。
（五）、电磁波产生的机理
无线电波：产生于振荡电路中。
红 外 线：原子的外层电子受到激发后产生的
可 见 光：同线外线
紫 外 线：同红外线
伦琴射线：原子内层电子受到激发而产生的
r 射 线：原子核受到激发后产生的
巩固练习：
1、光的电磁说，解决了光的波动说在光波的（ ）上所遇到的困难，它把（ ）现象和（ ）现象统一起来，指出它们的一致性。
2、按频率大小排列的各种电磁波是（ ）。其中频率越（ ）的电磁波，就越容易出现干涉和衍射现象。
第六节 光谱和光谱分析
教学目的：1、掌握光谱的种类、产生条件及观察方法（包括分光镜的构造原理）
2、了解光谱分析的原理、方法、特点和应用
3、初步理解原子光谱规律性，是原子内部结构规律性的宏观表现
教具：分光镜、小电珠、酒精灯、食盐、氢光谱管、感应圈、电源
教学过程
一、 复习提问
什么是光的色散？红外线、可见光、紫外线三种电磁波，它们产生的机理是什么？
二、 导入新课
光波是由原子内部电子受到激发后产生的，由于各种物质的原子内部电子运动情况不同，所以它们发射的光波也不相同，都具有自已的特性。因此，研究物体的发光或吸收光情况，就可以了解它的化学组成，方法是通过光谱的观察，进行光谱分析。
首先熟悉一下，观察光谱的工具----分光镜的构造原理。如图所示，由平行光管A、三棱镜P和望远镜筒B组成的。
如在MN处放有照相底片的装置就是一台摄谱仪。
1、 分组分批观察不同光源产生的光谱。
（1） 小电珠发光
（2） 酒精灯芯放些食盐，钠蒸气发光。
（3） 接高压直流电源的氢光谱管。
2、 学生区分三种光源的光谱的不同特点。
（一）发射光谱
发射光谱——物体发光直接产生的光谱
连续光谱——由连续分布的一切波长的光（一切单色光）组成的光谱。由炽热的固体、液体及高压气体产生（产生条件）
明线光谱——由一些不连续的亮线组成的光谱。通常气压下，炽热的气体（稀薄气体）或金属蒸气产生的光谱，由游离状态的原子的发射而产生的，所以也叫原子光谱。
实验证明：每种元素的原子都有一定的明线光谱，每种原子只能发出具有本射特性的某些波长的光，因此，明线光谱的谱线叫做原子的特征谱线。
（二）吸收光谱
吸收光谱——高温物体发出白光，通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱（条件）
实验证明：各种原子的吸收光谱中的每一条暗线，都跟该种原子的明线光谱中的一条明线相对应。这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光（特点）
因此，吸收光谱中的暗线，也就是原子的特征谱线，只是通常看到的要比明线光谱中少一些。
2、光谱分析
光谱分析——由于每种原子都有自已的特征谱线，根据原子光谱来鉴别物质和确定它的化学组成的方法叫做光谱分析。
优点：非常灵敏而且迅速
应用：在科技中有广泛的应用。如检查半导体材料硅或锗的纯度。
历史上铷和铯的最初发现是19世纪初，研究太阳光谱，确定了太阳大气层中含有几十种元素
课后思考：1、为什么用光谱分析的方法可以鉴别物质的化学组成？
2、一个光强可调的平行光筒，发出一束平行光，通过钠的炽热蒸气，用分光镜观察它的光谱，是在连续光谱的明亮背景上出现了两条挨得很近的暗线。如果把平行光筒发光强度逐渐减弱下去。试问你所看到的光谱，将会发生怎样的变化？
第七节光电效应
教学目的：1、了解光电效应产生的条件、特点和规律，及在科学技术上的应用。
2、光子的量子性、光的光子说及其建立过程。会运用爱因斯坦光电方程解释光电效 应现象。
3、培养学生运用新的物理模型。分析研究微观粒子行为规律，从而对宏观实验加以解释的能力。
教学过程：
一、导入新课
1、光电效应。
光的电磁说，使光的理论发展到相当完美的地步，取得了巨大成就，但是并不能解释所有的光现象，光电效应现象的出现，光的电磁说遇到了不可克服的困难。
演示光电效应实验：
锌板被光照后，验电器带正电，
说明从锌板表面上发射出电子
在光（包括不可见光）照射下
从物体发射出电子（光子）的现象叫做光电效应。
对光电效应的研究，得出如下结论
（1）任何一种金属，都有一个极限频率，入射光频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应
（2）光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大（线性关系）
（3）入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的（ t﹤10-9秒）
（4）当入射光频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光强度成正比。
这就是光电效应的规律。
金属中的自由电子，由于受到晶格正离子的吸引，必须从外部获得足够能量才能从金属中逸出。
按照波动理论，光的能量是由光的强度决定的，而光的强度又是由光波的振幅决定的，跟频率无关。因此无论光的频率如何，只要光的强度足够大或照射时间足够长，都能使电子获得足够的能量产生光电效应。然而这跟实验结果是直接矛盾的，所以无法用经典的波动理论来解释光电效应。
2、光子说
1900年德国物理学家普朗克在研究“电磁场辐射的能量分布”时发现，只有认为电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，每一份的能量等于hr，理论计算的结果才能跟实验事实完全符合。
普朗克恒量h=6.63×10-34焦耳．秒
爱因斯坦在上述学说的启发下,于1905年提出光的光子说,在空间传播的光也不是连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光子,光子的能量与频率成正比.E=hr
光子说对光电效应的解释:
当光子照射到金属上时,它的能量可以被金属中某个电子全部吸收,电子吸收能量足够大,能克服金属内部的引力做功,离开金属表面逃逸出来,成为光电子.
根据能量守恒定律:
mv2/2=hr-W(光电方程)
mv2/2___光电子最大初动能
W______金属的逸出功
3、光电管
光电管是利用光电效应把光信号转化为电信号的器件
构造原理：
应用：自动化装置、有声电影、无线
电传真和光纤通信技术中
巩固练习：
1、 用可见光照射锌板，能否产生光电效应？
2、 用一红光照射铯材料，不产生光电效应，如果用一个凸透镜将红光聚焦到此金属上，并经历相当长时间，能否产生光电效应？为什么？
3、 有两束强度相同的光，以不同的入射角，分别入射到两块相同的金属板上，在相同的时间内，从金属板逸出的电子数目是否相等？
4、 在图中，直线PQ表示光电子的最大初动能与入射光频率r的变化关
（1） 图中哪一个值可确定普朗克恒量h。
（2） 图中哪一个线段表示极限频率r0的值。
（3） 图中哪一个线段相当于金属的逸出功W。
第八节 光的波粒二象性
教学目的：使学生初步认识和理解光的波粒二象性，并了解人类的认识进入微观世界的途径和方法
教学过程：
一、复习提问
关于光的本性的认识，历史上都有过哪些学说。简要说明其发展过程
二、引入新课
光的干涉、衍射等现象无可争辩地表明光具有波动性，而光电效应又无可争辩地表明光具有粒子性。由于光既具有波动性又具有粒子性，我们将无法只用其中的一种去说明光的一切行为。
现在，人们认识到，光既具有波动性又具有粒子性，也就是说光具有波粒二象性。
那么，我们有什么理由承认光具有波和粒子的双重性质呢？
首先，我们看到光子说并未否定电磁说，在一定程度上揭示了光的二象性。如：
光子的能量： E=hr=hc/λ
光子的动量 P=hr/c=h/λ
E、P是粒子的特征而r、λ是波的特征
又如：光子说所阐述的光子的动量P=hr/c=E/c；电磁说所阐述的辐射能具有的动量P=E/C
两学说一致的，可见，对于宏观物体来说不可想象的波粒二象性，在微观领域里却是不可避免必须承认的现实，不过，我们不可把光当成宏观观念中的波（经典波）也不可把光当成宏观观念中的粒子（经典粒子）
其次，我们从下面实验中得到理解。
双缝干涉实验，在像屏处放置照相底片，并设法减弱光流强度。使光子一个一个地通过狭缝。
（1）曝光时间不太长，底片上只出现一些无规则分布的点子
点子、表现出粒子性，点子分布的无规则，表明光子没有一定的轨道（即不遵守牛顿动定律）
（2）曝光时间足够长（或强光短时间曝光），底片上出现规则的干涉条纹。
大量光子表现出波动性，光波强度大的地方——光子到达机会多的地方——光子到达几率大的地方
从这个意义上，我们可以把光的波动性看用是大量光子运动规律——一种几率波
结论：
大量光子产生的效果往往显示波动性
个别光子产生的效果往往显示粒子性
从各种频率电磁波的探测来理解低频率光子容易显示波动性高频率光子容易显示粒子性
总之：我们要理解各种频率的电磁波，就必须综合运用波动观点和粒子的观点，这是由于波动性与粒子性是光所具有的不可分割的属性，即波粒二象性。从此我们已开始接触到微观世界具有的
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