5.5 激光与全息照相 课时教案-2025-2026学年高二上学期物理鲁科版选择性必修第一册

5.5《激光与全息照相》课时教案

学科

物理

年级册别

高二上册

共1课时

教材

鲁科版选择性必修第一册

授课类型

新授课

第1课时

教材分析

教材分析
本节内容位于鲁科版高中物理选择性必修第一册第五章“光的波动性”的最后一节，是光学知识在现代科技中的重要应用延伸。教材通过介绍激光的产生原理、基本特性及其在全息照相中的独特作用，帮助学生理解光的干涉、衍射等波动性质的实际应用。本节内容既是对前几节光的干涉与衍射知识的深化，也为后续学习现代光学技术打下基础，在整个光学模块中具有承上启下的关键地位。

学情分析
高二学生已掌握光的干涉、衍射和偏振等波动现象的基本规律，具备一定的实验观察能力和抽象思维能力。但对“激光”这一现代物理概念多停留在生活认知层面，缺乏对其物理本质的理解；对“全息照相”更是陌生，难以想象其成像原理。学生的空间想象能力和波的叠加理解仍存在障碍。因此，教学中需借助直观演示、动画模拟和类比推理，降低认知难度，激发探究兴趣。

课时教学目标

物理观念
1. 理解激光的产生机制——受激辐射，掌握激光的四大基本特性：单色性好、方向性强、相干性高、亮度高。
2. 掌握全息照相的基本原理，理解其利用光的干涉记录物体三维信息的过程，认识其与普通照相的本质区别。

科学思维
1. 通过对比普通光源与激光的差异，运用归纳与比较的方法提炼激光的特性，提升抽象概括能力。
2. 借助光路图和干涉原理分析全息照相的拍摄与再现过程，发展逻辑推理与模型建构能力。

科学探究
1. 能够设计简单的实验方案验证激光的方向性和相干性，如用激光笔照射狭缝观察衍射条纹。
2. 在教师引导下模拟全息照相的光路搭建过程，体验科学探究的步骤与方法。

科学态度与责任
1. 感受激光技术在医疗、通信、制造等领域的广泛应用，增强科技服务于社会的责任意识。
2. 认识我国在激光技术领域的发展成就（如“神光”装置），激发民族自豪感与科学探索热情。

教学重点、难点

重点
1. 激光的四大特性及其物理含义。
2. 全息照相的基本原理——利用干涉记录物光与参考光的相位差。

难点
1. 理解“受激辐射”这一量子过程，建立激光产生的微观图像。
2. 理解全息图如何通过衍射再现三维立体像，尤其是相位信息的恢复过程。

教学方法与准备

教学方法
情境探究法、讲授法、合作探究法、实验演示法
 

教具准备
激光笔、分束镜、平面镜、全息底片（或模拟视频）、多媒体课件、干涉演示动画

教学环节

教师活动

学生活动

创设情境，导入新课
【5分钟】

一、光影魔术：从“死光”到“生命之光”

（一）、播放科幻片段，引发好奇。
教师播放电影《星球大战》中光剑对决的精彩片段，并提问：“同学们，这种能切割金属、发出炫目光芒的‘死光’，现实中是否存在？”待学生讨论后，引出：“其实，这正是我们今天要学习的主角——激光！它不仅是科幻的象征，更是现代科技的基石。”接着展示一组真实应用场景图片：激光手术矫正视力、光纤通信传输数据、激光切割金属板材、超市扫码枪识别商品。
（二）、提出核心问题，构建任务主线。
教师设问：“为什么普通的灯光无法做到这些？激光究竟有何神奇之处？”进而提出本节课的驱动性任务：“假如你是一名青年科学家，受邀参与一项‘未来影像计划’，任务是研发一种能真实还原物体三维立体形态的新型摄影技术。你将如何利用光的特性来实现这一目标？”由此引出全息照相的概念，明确学习目标——揭开激光与全息照相背后的物理奥秘。

1. 观看视频，感受激光的神奇应用。
2. 思考并回答教师提出的问题。
3. 明确本节课的学习任务与目标。
4. 产生探究激光特性的兴趣。

评价任务

兴趣激发：☆☆☆
问题意识：☆☆☆
任务理解：☆☆☆

设计意图

通过科幻与现实的对比，创设真实而富有吸引力的情境，迅速抓住学生注意力。以“未来影像计划”为项目式学习任务主线，赋予学习明确的目标感和使命感，激发内在探究动机，自然引出课题。

探究新知，层层深入
【18分钟】

一、追根溯源：激光是如何诞生的？

（一）、回顾原子发光机制，铺垫知识基础。
教师引导学生回忆原子能级结构：“我们知道，原子中的电子处于不同的能级。当电子从高能级跃迁到低能级时，会释放一个光子，这就是自发辐射。”在黑板上画出能级图，标出E₂和E₁，并标注“自发辐射”。接着提问：“如果有一个光子恰好能量等于E₂-E₁，它经过一个处于E₂能级的原子附近，会发生什么？”引导学生思考可能的相互作用。
（二）、引入受激辐射，揭示激光核心。
教师讲解爱因斯坦提出的“受激辐射”概念：“这个外来光子会‘刺激’高能级的电子跃迁至低能级，并发射出一个与入射光子完全相同的光子——同频率、同方向、同相位、同偏振态。”在能级图旁补充“受激辐射”箭头，并强调“全同性”。指出这是激光产生的理论基础。进一步解释，要实现持续的激光输出，必须使高能级粒子数多于低能级，即“粒子数反转”，通常通过外部能量泵浦（如电激励、光照射）实现。
 

二、火眼金睛：激光到底“特”在哪里？

（一）、对比实验观察，归纳四大特性。
教师先后打开普通手电筒和红色激光笔，分别照射远处墙面。引导学生观察光斑大小变化：“手电筒的光散开很大，而激光几乎是一个小点。”由此总结“方向性强”。再用三棱镜分别分解两者光线，发现激光几乎不色散，说明“单色性好”。随后播放一段实验室中

1. 回忆原子能级与自发辐射知识。
2. 理解受激辐射的概念及其“全同性”特点。
3. 观察实验现象，归纳激光的四大特性。
4. 结合实例，理解特性与应用的关系。

激光干涉条纹清晰稳定的视频，对比普通光源干涉条纹模糊晃动，说明“相干性高”。最后展示工业激光器切割钢板的画面，说明“亮度高”。师生共同归纳：
① 单色性好——频率单一，波长范围极窄；
② 方向性强——发散角小，能量集中；
③ 相干性高——波列长，相位关系稳定；
④ 亮度高——单位面积功率大。
（二）、联系实际应用，深化理解。
教师提问：“为什么光纤通信要用激光而不是普通光？”引导学生从方向性和单色性角度回答：方向性好可减少传输损耗，单色性好可避免色散导致信号失真。又问：“为什么激光可用于精密测距？”学生可答：方向性强、相干性高，便于形成清晰干涉条纹进行测量。

评价任务

概念理解：☆☆☆
特性归纳：☆☆☆
应用关联：☆☆☆

设计意图

从原子物理出发，循序渐进地引入“受激辐射”这一微观机制，帮助学生建立激光产生的物理图景。通过直观的对比实验和视频，让学生亲历“观察—归纳—总结”的过程，主动建构知识。结合实际应用反哺理论理解，体现“从物理走向社会”的课程理念。

突破难点，深度建构
【15分钟】

一、破解谜题：全息照相为何能“看见”三维？

（一）、剖析普通照相局限，引出全息需求。
教师展示一张普通照片，提问：“这张照片记录了物体的哪些信息？”学生回答：“颜色、形状、明暗。”教师补充：“但它丢失了最关键的——深度信息，也就是光的相位。我们看到的是二维平面像。”进而设问：“如果有一种技术，不仅能记录光的强度，还能记录光到达底片时的‘时间差’（即相位），就能还原出真实的三维立体感，这就是全息照相。”
（二）、解析全息拍摄原理，绘制光路图。
教师利用PPT动态演示全息照相拍摄过程：一束激光被分束镜分成两束——参考光直接照射到全息底片，物光照射物体后反射或透射再到达底片。两束光在底片上发生干涉，形成复杂的干涉条纹。强调：“这些条纹不仅记录了物光的强度，更重要的是记录了物光与参考光之间的相位差，即物体各点的空间位置信息。”
 

（三）、揭秘全息再现过程，理解衍射成像。
教师继续演示：“拍摄完成后，用原来的参考光照射全息底片。由于底片上的干涉条纹相当于一个复杂的衍射光栅，参考光经过衍射后，会‘重建’出原来的物光波前。”此时，人眼接收到的就是从原始物体发出的光，因此能看到立体的虚像。“就像河流遇到礁石会产生特定的波纹，当我们重现同样的水流冲击礁石时，就会再现相同的波纹图案。”通过

1. 认识普通照相的信息缺失。
2. 理解全息照相记录相位的核心。
3. 观察光路图，理解干涉记录过程。
4. 理解衍射再现三维像的机制。