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2019-2020年高中物理 18.5 激光教案 新人教版選修3-5 一、教學目標 1、知識與技能 （1）理解自發(fā)發(fā)射、受激吸收和受激發(fā)射。 （2）了解激光產(chǎn)生的機理。 （3）了解激光器的構造和工作原理。 2、過程與方法 （1）通過對自發(fā)發(fā)射、受激吸收、受激發(fā)射的學習，了解原子發(fā)光的原理及特點，進一步理解原子能級理論。 （2）對激光產(chǎn)生的機理、激光器的結構和工作原理的學習和分析，認識科學探究并掌握科學探究的方法。 3、情感、態(tài)度與價值觀 （1）通過學生對激光產(chǎn)生機理及激光器的學習和分析，發(fā)展學生對科學的好奇心和求知欲，體驗探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。 （2）通過對學習過程的調(diào)控、對物理問題的解決，培養(yǎng)學生信息收集和處理能力和分析解決問題的能力。 二、設計思路 本節(jié)內(nèi)容在科課程標準中的要求不高，主要是讓學生了解激光的產(chǎn)生機理以及一些常用激光器的構造和工作原理。但是通過本節(jié)課的學習，能使學生更進一步了解原子的結構和理解原子的能級理論。 本節(jié)課的設計思路是在向學生介紹激光產(chǎn)生機理和激光器的構造、工作原理的同時，設計一些問題，讓學生在解決這些問題的過程中，對原子的結構和原子的能級理論加深記憶和理解，達到對知識的復習與鞏固，培養(yǎng)學生應用知識及進行科學探究和創(chuàng)新的能力。 三、重點與難點 激光的產(chǎn)生機理是本節(jié)的重點，需要在教學過程中加深學生對原子結構和原子能級理論的理解。 激光器的工作原理是本節(jié)課的難點，在教學過程中應使學生了解抽運裝置的作用，理解如何產(chǎn)生粒子數(shù)反轉。 四、教學資源 演示原子躍遷過程吸收和釋放光子的課件，多媒體教學設備，紅寶石激光器、氦氖激光器的結構示意圖。 五、教學設計 教師活動 學生活動 點評 課題的引入 提出問題： 我們在選修3-4中學習過激光的特點及應用，請大家回憶一下激光的特點及相關應用。 我們知道，激光是一種人造光，那么激光是如何產(chǎn)生的呢？ 在教師的引導下回憶前面學過的知識，回答教師的提問：激光的特點及應用：相干性好、平行度高、亮度高。在全息、測距、信息儲存、醫(yī)療等方面都有廣泛的應用。 提出問題的形式引入，可以引發(fā)學生的思考，帶領學生進入主題。 一、激光產(chǎn)生的機理 前面我們學習了原子的能級理論，原子是如何在能級之間進行躍遷的呢？ 1、自發(fā)發(fā)射 提出問題，引導學生思考和分析： 對于普通的光源，如我們熟悉的白熾燈，它們是如何發(fā)光的呢？ 對學生的回答進行點評，并給出概念： 對，這就是自發(fā)發(fā)射。 課件演示自發(fā)發(fā)射過程。 教師活動 原子吸收能量后，從較低能級躍遷到較高能級，所吸收的能量等于兩能級之差；處于較高能級狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，會自發(fā)地躍遷到較低的能量態(tài)，同時放出光子，該光子的能量也等于能級之差。 學生討論： 燈絲原子吸收了電流做功產(chǎn)生的熱而被激發(fā)到能量較高的狀態(tài)；能量較高狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，會自發(fā)地躍遷到較低的能量態(tài)，同時放出光子。 學生活動 復習前面所學的知識，為后面解決問題作鋪墊。 學生對現(xiàn)象分析并進行歸納總結可以對相關的知識及規(guī)律加深理解，并能培養(yǎng)歸納推理的能力。 點評 在自發(fā)發(fā)射中，原子以隨機的方式回到基態(tài)，也就是說，每個原子發(fā)光的時刻、方向、初相位都是不確定的，發(fā)光的頻率一般也不一樣。因此普通光源發(fā)出的光不是相干光。 2、受激吸收 演示課件并解說： 常溫下處于熱平衡狀態(tài)的原子系統(tǒng)，多數(shù)原子都處在基態(tài)。如果一個人射光子的能量恰好等于原子基態(tài)與某個激發(fā)態(tài)的能量差，那么原子就很容易吸收這個光子而躍遷到這個激發(fā)態(tài)上。 這種躍遷不是自發(fā)產(chǎn)生的，是在入射光子的刺激下產(chǎn)生的，所以稱為受激吸收。 3、受激發(fā)射 演示課件并解說： 教師活動 觀看動畫演示，加深對自發(fā)發(fā)射的理解。 學生回憶光的干涉中相干光的特點，并與普通光源發(fā)出的光相比較，進一步理解相干光的含義。 觀看課件的動畫演示。 結合原子的能級理論，理解原子的這種躍遷過程，比較被吸收的光子的能量核能級差的關系。 學生活動 動畫演示可以使抽象的概念形象化，便于理解和記憶。 通過比較，能加深對概念的理解和記憶。 對所學知識進行及時的鞏固，并應用于實際問題的解決，培養(yǎng)學生應用知識及分析問題的能力。 點評 如果一個入射光子的能量正好等于原子的某一對能級的能量差額E2-E1，那么處于激發(fā)態(tài) E2的原子就可能受到這個光子的刺激而躍遷到能量較低的狀態(tài) E1，同時發(fā)射一個與入射光子完全相同的光子，這就是受激發(fā)射的過程。 教師：對，它們還具有相同的相位、偏振態(tài)，且沿同一方向發(fā)出。 教師：對，但是通常狀態(tài)下多數(shù)原子處于基態(tài)，怎么辦呢？ 是的，這種狀態(tài)就叫做粒子數(shù)反轉，是一種非熱平衡的狀態(tài)。這時，一個入射光子引起的受激發(fā)射要比它被吸收的概率大得多，可以形象地說，入射光被“放大”了。 大家可以閱讀書上的內(nèi)容并加以體會。 教師活動 學生邊觀察邊思考： 受激發(fā)射的光子與人射光子具有相同的能量（頻率）。 學生提問： 受激發(fā)射的光子與人射光子具有相同的能量（頻率），那么，其它的規(guī)律是否相同呢？ 學生提問： 如果這種光子能大量產(chǎn)生，這種光不就是相干光了嗎？ 學生：如果用一定的手段去激發(fā)原子體系，使得在激發(fā)態(tài)E2上的原子數(shù)多于低能態(tài) E1上的原子數(shù)就可以了。 學生閱讀，理解激光的含義： 激光的英文名字 laser 是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ”的第一個字母的縮寫，意思是：輻射的受激發(fā)射的光放大。 學生活動 學生根據(jù)已經(jīng)掌握的知識對新的知識和規(guī)律提出自己的想法和疑問，這是培養(yǎng)學生探究能力和創(chuàng)新精神的一種有效的方法。 學生提出的設想被肯定，會感到有成就感，這可以培養(yǎng)學生情感、態(tài)度、價值觀。 點評 二、激光器 1、激光器的原理 展示激光器的原理圖，并介紹各組成部分及作用。 根據(jù)激活介質的不同，激光器可以分為固體、液體、氣體、染料、半導體激光器等。 2、紅寶石激光器 展示紅寶石激光器的結構示意圖并介紹各部分的用途。 3、氦氖激光器 展示氦氖激光器的結構示意圖并介紹各部分的用途。 根據(jù)教師的介紹，認識激光器的各部分的作用。 1、激活介質 它能通過受激發(fā)射而使人射光放大。 2、抽運裝置 它是使激活介質產(chǎn)生粒子數(shù)反轉的裝置。 3、光學共振腔 激活介質放在其中，它能增加放大作用并對發(fā)射頻率進行選擇。 在教師的介紹下了解激光器的構造及工作原理，并參與討論。 學生間的討論及相互的交流，可以培養(yǎng)學生的團結協(xié)作精神。 聯(lián)系實際，對所學內(nèi)容進行相關應用，達到對知識的復習與鞏固，培養(yǎng)學生應用知識及進行科學探究和科學創(chuàng)新的能力。 作業(yè)布置： 完成問題與練習的1、2、3。 通過課后的訓練，使所學知識得到鞏固。