新教材適用2023-2024學(xué)年高中物理第四章光及其應(yīng)用4.光的干涉課件教科版選擇性必修第一冊(cè)

4.光的干涉第四章內(nèi)容索引010203自主預(yù)習(xí)新知導(dǎo)學(xué)合作探究釋疑解惑隨堂練習(xí)課標(biāo)定位素養(yǎng)闡釋1.觀察光的干涉現(xiàn)象,了解這些現(xiàn)象產(chǎn)生的條件,知道其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。2.知道薄膜干涉現(xiàn)象,明確薄膜干涉的條件。1.通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察認(rèn)識(shí)光的干涉現(xiàn)象,知道從光的干涉現(xiàn)象說(shuō)明光是一種波,知道產(chǎn)生干涉條紋的條件,形成正確物理觀念。2.掌握光的雙縫干涉現(xiàn)象是如何產(chǎn)生的,何處出現(xiàn)亮條紋,何處出現(xiàn)暗條紋,培養(yǎng)科學(xué)思維。3.了解薄膜干涉現(xiàn)象,知道薄膜干涉條紋的特點(diǎn)。自主預(yù)習(xí)新知導(dǎo)學(xué)一、雙縫干涉1.雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。讓一束平行的單色光投射到一個(gè)有兩條狹縫S1和S2的擋板上,狹縫S1和S2相距很近,狹縫就成了兩個(gè)波源,它們的頻率、相位和振動(dòng)方向總是相同的。這兩個(gè)波源發(fā)出的光在擋板后面的空間互相疊加,發(fā)生干涉現(xiàn)象,擋板后面的屏上得到明暗相間的條紋。這種現(xiàn)象證明光是一種波。2.干涉圖樣。(1)若用單色光作光源,則干涉條紋是等間距的明暗相間的條紋。(2)若用白光作光源,則干涉條紋是彩色條紋,且中間條紋是白色的。3.出現(xiàn)明暗條紋的條件。(1)出現(xiàn)亮條紋的條件:如圖所示,屏上某點(diǎn)P到兩條縫S1和S2的路程差正好是波長(zhǎng)的整數(shù)倍或半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍。即k=0時(shí),PS1=PS2,此時(shí)P點(diǎn)位于屏上的O處,為亮條紋,此處的條紋叫中央亮條紋或零級(jí)亮條紋。k為亮條紋的級(jí)次。(2)出現(xiàn)暗條紋的條件:屏上某點(diǎn)P到兩條縫S1和S2的路程差正好是半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍。k為暗條紋的級(jí)次,從第1級(jí)暗條紋開始向兩側(cè)展開。4.如果光是一種波,要觀察到光的干涉現(xiàn)象需要滿足什么條件?答案:發(fā)生干涉現(xiàn)象需要兩列光波的頻率、振動(dòng)方向總是相同,相位差恒定等條件。二、薄膜干涉1.薄膜干涉:由薄膜兩個(gè)面反射的光波相遇而產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象。2.應(yīng)用(1)檢查平面的平整程度。(2)光學(xué)鏡頭上的增透膜。3.薄膜干涉是哪兩個(gè)面的光線疊加形成的?答案:薄膜的前后或上下兩個(gè)面反射的光線在第一個(gè)反射面處疊加形成的。【思考討論】

1.判斷下列說(shuō)法的正誤。(1)用單色光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí),在屏幕上出現(xiàn)明暗相間的條紋。(

)(2)中央亮條紋處到兩縫的路程差為零,因此不管光的波長(zhǎng)為多大,此處總為亮條紋。(

)(3)當(dāng)雙縫間距一定時(shí),屏幕上的條紋寬度與光的顏色沒(méi)有關(guān)系。(

)(4)用白光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí),因?yàn)椴煌庠诓煌恢眉訌?qiáng),故出現(xiàn)彩色條紋。(

)(5)用白光照射薄膜時(shí),會(huì)出現(xiàn)彩色條紋。(

)(6)薄膜干涉是通過(guò)兩個(gè)表面折射的光線產(chǎn)生的。(

)√×√√√×2.從兩只相同的手電筒射出的光,當(dāng)它們?cè)谀骋粎^(qū)域疊加后,看不到干涉圖樣,這是因?yàn)?

)A.手電筒射出的光不是單色光B.干涉圖樣太細(xì)小看不清楚C.周圍環(huán)境的光太強(qiáng)D.這兩束光為非相干光源答案:D解析:兩束光為非相干光源,不滿足干涉產(chǎn)生的條件。3.下圖是用干涉法檢查某塊厚玻璃板的上表面是否平整的裝置,所用單色光是用普通光源加濾光片產(chǎn)生的,檢查中所觀察到的干涉條紋是由下列哪兩個(gè)表面反射的光線疊加而成的(

)A.a的上表面和b的下表面B.a的上表面和b的上表面C.a的下表面和b的上表面D.a的下表面和b的下表面答案:C解析:干涉法的原理是利用單色光的薄膜干涉,這里的薄膜指的是樣板與待測(cè)玻璃板之間的空氣層。在空氣層的上表面和下表面分別反射的光會(huì)發(fā)生干涉,觀察干涉后形成的條紋是否為平行直線,可以斷定厚玻璃板的上表面是否平整。因此選項(xiàng)C正確。合作探究釋疑解惑知識(shí)點(diǎn)一干涉區(qū)域出現(xiàn)亮、暗條紋的條件問(wèn)題引領(lǐng)右圖為雙縫干涉的示意圖,單縫發(fā)出的單色光投射到相距很近的兩條狹縫S1和S2上,狹縫就成了兩個(gè)波源,發(fā)出的光向右傳播。兩條狹縫起什么作用?具備什么條件兩狹縫發(fā)出的光才能發(fā)生干涉?提示:光線照到兩狹縫上,兩狹縫成為振動(dòng)情況完全相同的光源。兩光源發(fā)出的光的頻率相同、振動(dòng)步調(diào)一致時(shí)能發(fā)生干涉。歸納提升1.雙縫干涉的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示,有光源、單縫、雙縫和光屏。(1)單縫的作用:獲得一個(gè)線光源,使光源有唯一的頻率和振動(dòng)情況。也可用激光直接照射雙縫。(2)雙縫的作用:一束光被分成兩束頻率相同和振動(dòng)情況完全一致的相干光。2.產(chǎn)生干涉的條件兩列光的頻率相同、相位相同、振動(dòng)方向相同。實(shí)驗(yàn)中可用“一分為二”的方法獲得兩個(gè)相干光源。3.分析雙縫干涉中明暗條紋問(wèn)題的步驟(1)由題設(shè)情況根據(jù)λ真=nλ介,求得光在真空(或空氣)中的波長(zhǎng)。(2)由屏上出現(xiàn)明暗條紋的條件判斷光屏上出現(xiàn)的是亮條紋還是暗條紋。(3)根據(jù)亮條紋的判斷式Δs=kλ(k=0,1,2,…)或暗條紋的判斷式4.雙縫干涉圖樣的特點(diǎn)(1)單色光的干涉圖樣若用單色光作光源,則干涉條紋是明暗相間的條紋,且條紋間距相等。中央為亮條紋,兩相鄰亮紋(或暗紋)間距離與光的波長(zhǎng)有關(guān),波長(zhǎng)越大,條紋間距越大。(2)白光的干涉圖樣若用白光作光源,則干涉條紋是彩色條紋,且中央條紋是白色的。這是因?yàn)?①?gòu)碾p縫射出的兩列光波中,各種色光都形成明暗相間的條紋,各種色光都在中央條紋處形成亮條紋,從而復(fù)合成白色條紋。②兩側(cè)條紋間距與各色光的波長(zhǎng)成正比,即紅光的亮紋間寬度最大、紫光的亮紋間寬度最小,即除中央條紋以外的其他條紋不能完全重合,這樣便形成了彩色干涉條紋。用白光做干涉實(shí)驗(yàn),從紅光到紫光其波長(zhǎng)由大到小,它們的干涉條紋間距也是從大到小,屏中央各色光都得到加強(qiáng),混合成白色,但兩側(cè)因條紋間距不同而分開成彩色,而且同一級(jí)條紋內(nèi)紫外紅。典型例題【例題1】

下圖是雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置,使用波長(zhǎng)為600nm的橙色光源照射單縫S,在光屏中央P處觀察到亮條紋,在位于P點(diǎn)上方的P1點(diǎn)出現(xiàn)第一條亮條紋中心(即P1到S1、S2的路程差為一個(gè)波長(zhǎng))。現(xiàn)換用波長(zhǎng)為400nm的紫光源照射單縫,則(

)A.P和P1仍為亮條紋B.P為亮條紋,P1為暗條紋C.P為暗條紋,P1為亮條紋D.P、P1均為暗條紋答案:B解析:從單縫S射出的光波被S1、S2兩縫分成兩束相干光,由題意知屏中央P點(diǎn)到S1、S2距離相等,即分別由S1、S2射出的光到P點(diǎn)的路程差為零,因此中央是亮條紋,因此,無(wú)論入射光是什么顏色的光,波長(zhǎng)多大,P點(diǎn)都是中央亮條紋。而分別由S1、S2射出的光到P1點(diǎn)的路程差剛好是橙光的一個(gè)波長(zhǎng),即|P1S1-P1S2|=600

nm=λ橙。當(dāng)換用波長(zhǎng)為400

nm的紫光時(shí),|P1S1-P1S2|=600

nm=λ紫,則兩列光波到達(dá)P1點(diǎn)時(shí)振動(dòng)情況完全相反,即分別由S1、S2射出的光到達(dá)P1點(diǎn)時(shí)相互削弱,因此,在P1點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋。綜上所述,選項(xiàng)B正確。判斷屏上某點(diǎn)為亮條紋還是暗條紋,要看該點(diǎn)到兩個(gè)光源(雙縫)的路程差與波長(zhǎng)的比值,要記住路程差等于波長(zhǎng)整數(shù)倍處出現(xiàn)亮條紋,等于半波長(zhǎng)奇數(shù)倍處出現(xiàn)暗條紋,還要注意這一結(jié)論成立的條件是兩個(gè)光源情況完全相同。【變式訓(xùn)練1】

用一束單色光做楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn),經(jīng)雙縫后光照射到光屏上,可觀察到的圖像是圖中的(

)答案:D解析:單色光做雙縫干涉,得到的是等寬的明、暗相間的直條紋,故D正確。【變式訓(xùn)練2】

如圖所示,用頻率為f的單色光(激光)垂直照射雙縫,在光屏的P點(diǎn)出現(xiàn)第3條暗條紋,已知光速為c,則P到雙縫S1、S2的路程差|r1-r2|應(yīng)為(

)答案:D知識(shí)點(diǎn)二薄膜干涉及其應(yīng)用問(wèn)題引領(lǐng)小朋友吹出的肥皂泡、熱菜湯表面的油花、馬路上積水表面的油膜,都會(huì)看到彩色的條紋,這些彩色條紋是如何形成的呢?提示:由薄膜干涉造成的。白光照射在肥皂泡膜、油膜表面,被薄膜前、后表面反射的兩列反射光疊加,形成干涉條紋。由于白光中的各色光波長(zhǎng)不同,干涉后的條紋間距不同,薄膜上就會(huì)出現(xiàn)彩色條紋。歸納提升1.薄膜干涉的成因(1)如圖(a)所示,豎直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用,下面厚、上面薄。因此,在薄膜上不同的地方,從膜的前、后表面反射的兩列光波疊加,在某些位置,這兩列波疊加后互相加強(qiáng),出現(xiàn)亮條紋;在另一些地方,疊加后互相削弱,出現(xiàn)暗條紋。(a)(2)在單色光照射下,就出現(xiàn)了明暗相間的干涉條紋。若在白光照射下,則出現(xiàn)彩色干涉條紋。(3)當(dāng)光程差等于該光在薄膜中波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),兩列反射光疊加會(huì)加強(qiáng)。當(dāng)光程差等于半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí),兩列光疊加會(huì)互相減弱。2.薄膜干涉的特點(diǎn)如圖(b)甲所示,兩板之間形成一層空氣膜,用單色光從上向下照射,如果被檢測(cè)平面是平滑的,得到的干涉圖樣必是等間距的。如果被測(cè)表面某處凹下,則對(duì)應(yīng)亮條紋(或暗條紋)提前出現(xiàn),如圖(b)乙中P條紋所示;如果某處凸起來(lái),則對(duì)應(yīng)條紋延后出現(xiàn),如圖(b)乙中Q所示。(b)(注:“提前”與“延后”不是指在時(shí)間上,而是指由左到右的位置順序上)3.薄膜干涉現(xiàn)象的應(yīng)用(1)等傾法檢查平面平整度原理:如圖(c)所示,在被測(cè)平面上放一個(gè)透明的樣板,在樣板的一端墊一個(gè)薄片,使樣板的標(biāo)準(zhǔn)平面與被測(cè)平面之間形成一個(gè)楔形空氣薄層。用單色光照射時(shí),空氣層的上、下兩個(gè)表面反射的兩列光波發(fā)生干涉?？諝夂穸认嗤牡胤?兩列波的路程差相同,兩列波疊加時(shí)互相加強(qiáng)或減弱的情況相同,因此若被測(cè)面是平的,干涉條紋就是一組平行的直線,如果干涉條紋是彎曲的,就表明被測(cè)平面不平整,如圖(d)所示。(2)增透膜為了減少光學(xué)裝置中的反射光的損失,可在元件表面涂一層透明薄膜,一般是氟化鎂。如圖(e)所示,在增透膜的前后表面反射的兩列光波形成相干波,相互疊加,當(dāng)路程差為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí),在兩個(gè)表面反射的光相互抵消,反射光幾乎等于零。(e)一般取最小厚度d滿足2d=

(此波長(zhǎng)為光在該種介質(zhì)中的波長(zhǎng))。由于白光中含有多種波長(zhǎng)的光,所以增透膜只能使其中一定波長(zhǎng)的光相互抵消。因?yàn)槿藢?duì)綠光最敏感,一般選擇對(duì)綠光起增透作用的膜,所以在反射光中綠光強(qiáng)度幾乎為零,而其他波長(zhǎng)的光并沒(méi)有完全抵消,所以增透膜呈現(xiàn)淡紫色。典型例題【例題2】

圖(a)為用薄膜干涉檢查某塊厚玻璃板的上表面是否平整的裝置。待檢板的上表面平整,則當(dāng)平行的單色光照射到標(biāo)準(zhǔn)板上時(shí),可從標(biāo)準(zhǔn)板上方觀察到平行的、明暗相間的干涉條紋。若觀察到的條紋如圖(b)所示,則說(shuō)明待檢板的上表面(

)(a)(b)A.有一個(gè)凸起的圓臺(tái)B.有一個(gè)凹陷的圓坑C.有一個(gè)沿ab方向凸起的高臺(tái)D.有一個(gè)沿ab方向凹陷的溝答案:B解析:由薄膜干涉原理知,如果被檢玻璃板表面是平整的,則干涉條紋疏密均勻,薄膜同一厚度處出現(xiàn)同一條紋,相鄰干涉條紋的路程差等于入射光的波長(zhǎng)。從題圖(b)所示情況來(lái)看,明條紋向左彎曲,說(shuō)明彎曲處路程差與該條紋上其他位置的路程差相同,因此彎曲處比原薄膜厚,即玻璃表面向下凹陷,A、C錯(cuò)誤;如果有一個(gè)沿ab方向凹陷的溝,那么所有條紋都應(yīng)向同一方向彎曲,因此D錯(cuò)誤,B正確。被測(cè)平面凹下或凸起的判斷方法把干涉條紋看成“矮人”的行走軌跡。讓一個(gè)小矮人在兩板間沿著一條條紋直立行走,始終保持腳踏被測(cè)板,頭頂樣板,在行走過(guò)程中:若遇凹下,他必向薄膜的尖端去繞,方可按上述要求行走,即條紋某處彎向薄膜尖端,該處為一凹下;若遇一凸起,他必向薄膜的底部去繞,方可按上述要求行走,即條紋某處彎向薄膜底部,該處為一凸起?！咀兪接?xùn)練3】

如圖(a)、(b)所示,將一塊平板玻璃ABCD放置在另一平板玻璃之上,在CD下夾入兩張紙片,當(dāng)光豎直向下射入后,從上往下看,下列說(shuō)法正確的是(

)A.觀察到的條紋如圖(c)所示B.干涉條紋由空氣薄膜上下兩個(gè)表面反射的光線疊加而成C.抽去一張紙片,干涉條紋變密D.更換波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光,重新觀察,干涉條紋變密答案:B解析:任意一條明條紋或暗條紋所在位置下面的薄膜厚度相等,故干涉條紋如題圖(d)所示,故A錯(cuò)誤;劈尖干涉是由空氣薄膜上下兩個(gè)表面反射的光線疊加而成,故B正確;抽去一張紙片后,空氣薄膜的厚度變化范圍減小,以致干涉時(shí)的光程差的變化范圍減小,故條紋數(shù)減少,條紋變疏,故C錯(cuò)誤;同理,更換波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光后,干涉時(shí)的光程差的變化范圍減小,故條紋數(shù)減少,條紋變疏,故D錯(cuò)誤?！咀兪接?xùn)練4】

(多選)如圖所示,用單色光照射透明標(biāo)準(zhǔn)板M來(lái)檢查平面N的上表面的平滑情況,觀察到如圖所示條紋中的P和Q情況,這說(shuō)明(

)A.N的上表面A處向上凸起B(yǎng).N的上表面B處向上凸起C.N的上表面A處向下凹陷D.N的上表面B處向下凹陷答案:BC解析:空氣厚度從左向右依次增大,則兩表面的反射光的路程差自左向右依次增大。同一條紋上的各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的厚度相同(類比于地理上的等高線),當(dāng)條紋向左彎曲(P)說(shuō)明等高線向左移動(dòng),即現(xiàn)在A處的高度和A處右邊點(diǎn)的高度相同,因此高度變大,A處下凹。當(dāng)條紋向右彎曲(Q),說(shuō)明等高線右移,即現(xiàn)在B處的高度和左邊點(diǎn)的高度相同,B處上凸。B、C正確。課堂小結(jié)隨堂練習(xí)1.(雙縫干涉實(shí)驗(yàn))在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中,如果(

)A.用白光作為光源,屏上將呈現(xiàn)黑白相間的條紋B.用紅光作為光源,屏上將呈現(xiàn)紅黑相間的條紋C.若僅將入射光由紅光改為紫光,則條紋間距一定變大D.用紅光照射一條狹縫,用紫光照射另一條狹縫,屏上將呈現(xiàn)彩色干涉條紋答案:B解析:用白光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn),屏上將呈現(xiàn)彩色條紋,A錯(cuò)誤;用紅光作為光源,屏上將呈現(xiàn)紅色亮條紋與暗條紋(即黑條紋)相間的條紋,B正確;若僅將入射光由紅光改為紫光,波長(zhǎng)變小,條紋間距變小,C錯(cuò)誤;紅光和紫光頻率不同,不能產(chǎn)生干涉條紋,D錯(cuò)誤。2.(決定條紋間距的條件)下圖為雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的條紋圖樣,圖(a)為綠光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的圖樣,