新教材同步系列2024春高中物理第4章光及其應(yīng)用第4節(jié)光的干涉學(xué)生用書粵教版選擇性必修第一冊

第四節(jié)光的干涉1．理解光的干涉的形成條件與干涉條紋的特點．2．理解產(chǎn)生明暗條紋的條件，理解條紋間距與波長的關(guān)系．3．了解薄膜干涉的現(xiàn)象、原理和應(yīng)用．知識點一光的雙縫干涉現(xiàn)象1．將一支激光筆發(fā)出的光照射在雙縫上，雙縫平行于屏，在屏上觀察到了________的條紋．2．光的干涉實驗最早是英國物理學(xué)家________在1801年成功完成的，楊氏實驗直接證明了光的________特性．知識點二光產(chǎn)生干涉的條件1．產(chǎn)生穩(wěn)定干涉圖樣的條件兩列光波的頻率________，相位差________，振動方向________，即光波為________，而且兩列相干光波到達明(暗)干涉條紋的位置的路程差Δr是波長的________倍(或半波長的________倍)，即滿足Δr＝kλ，k＝0，±1，±2，…(明條紋)Δr＝(2k＋1)λ2，k＝0，±1，±2，…(暗條紋2．干涉條紋間距公式(1)屏上相鄰明條紋(或暗條紋)間的距離Δx＝________，式中L為觀察屏到雙縫擋板的距離，d為________的距離，λ為光的波長．(2)用不同顏色的光進行干涉實驗，條紋間距________，紅光條紋間距________，黃光條紋間距比____________小，用藍光時更小．光的波長越長，干涉條紋的間距________．知識點三薄膜干涉1．定義薄膜干涉是光通過薄膜時產(chǎn)生的干涉．薄膜可以是透明________、________或由兩塊玻璃所夾的________薄層．2．薄膜干涉是液膜前后兩個面________的光相遇后形成的．3．不同位置液膜前后兩個面的反射光的________不同，某些位置兩列反射光疊加后相互________，出現(xiàn)亮條紋；另一些位置，兩列反射光疊加后相互________，出現(xiàn)暗條紋．4．應(yīng)用舉例(1)在相機的鏡頭上通過鍍上增透膜產(chǎn)生干涉，增加________，減少________．(2)航天員的頭盔和面罩表面都鍍有一層增反膜，以削弱紅外線對人體的________．1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)．(1)如果兩列光波到達某點時，路程差為波長的整數(shù)倍，這兩列波互相加強，在那里就出現(xiàn)亮條紋． ()(2)在干涉條紋中，相鄰兩條亮紋或暗紋之間的距離是相等的． ()(3)薄膜干涉是通過兩個表面折射的光線產(chǎn)生的． ()(4)增透膜的厚度應(yīng)等于光在空氣中的波長的二分之一． ()2．從兩只相同的手電筒射出的光，當(dāng)它們在某一區(qū)域疊加后，看不到干涉圖樣，這是因為()A．手電筒射出的光不是單色光B．干涉圖樣太細小看不清楚C．周圍環(huán)境的光太強D．這兩束光為非相干光源3．(多選)楊氏雙縫干涉實驗中，下列說法正確的是(n為自然數(shù)，λ為光波波長)()A．在距雙縫的路程相等的點形成暗條紋B．在距雙縫的路程差為nλ的點形成亮條紋C．在距雙縫的路程差為nλ2D．在距雙縫的路程差為n+1如圖所示是楊氏雙縫干涉實驗的示意圖，請問在該實驗中單縫屏和雙縫屏分別所起的作用是什么？楊氏雙縫干涉1．雙縫干涉的示意圖2．屏上某處出現(xiàn)亮、暗條紋的條件頻率相同的兩列波在同一點引起的振動的疊加，如亮條紋處某點同時參與的兩個振動步調(diào)總是一致，即振動方向總是相同；暗條紋處振動步調(diào)總是相反．具體產(chǎn)生亮、暗條紋的條件為：(1)亮條紋產(chǎn)生的條件：屏上某點P到兩條縫S1和S2的路程差正好是波長的整數(shù)倍或半波長的偶數(shù)倍．即|PS1－PS2|＝kλ＝2k·λ2(k＝0，1，2，3，…)k＝0時，PS1＝PS2，此時P點位于屏上的O處，為亮條紋，此處的條紋叫中央亮條紋或零級亮條紋．k為亮條紋的級次．(2)暗條紋產(chǎn)生的條件：屏上某點P到兩條縫S1和S2的路程差正好是半波長的奇數(shù)倍．即|PS1－PS2|＝(2k＋1)·λ2(k＝0，1，2，3，…)k為暗條紋的級次，從第1級暗條紋開始向兩側(cè)展開．3．干涉圖樣的特點(1)單色光的干涉圖樣特點：中央為亮條紋，兩邊是明、暗相間的條紋，且相鄰亮條紋與亮條紋中心間、相鄰暗條紋與暗條紋中心間的距離相等．(2)白光的干涉圖樣：若用白光做實驗，則中央亮條紋為白色，兩側(cè)出現(xiàn)彩色條紋，彩色條紋顯示不同顏色光的干涉條紋間距是不同的．這是因為：各種色光都能形成明暗相間的條紋，都在中央條紋處形成亮條紋，從而復(fù)合成白色條紋，兩側(cè)條紋間距與各色光的波長成正比，條紋不能完全重合，這樣便形成了彩色干涉條紋．【典例1】如圖所示為雙縫干涉實驗裝置，當(dāng)使用波長為6×10-7m的橙色光做實驗時，光屏P點及上方的P1點形成相鄰的亮條紋．若使用波長為4×10-7m的紫光重復(fù)上述實驗，在P和P1點形成的亮、暗條紋的情況是()A．P和P1都是亮條紋B．P是亮條紋，P1是暗條紋C．P是暗條紋，P1是亮條紋D．P和P1都是暗條紋[思路點撥](1)光的路程差為半波長的偶數(shù)倍時出現(xiàn)亮條紋．(2)光的路程差為半波長的奇數(shù)倍時出現(xiàn)暗條紋．[聽課記錄]分析雙縫干涉中明暗條紋問題的步驟(1)由題設(shè)情況依λ真＝nλ介，求得光在真空(或空氣)中的波長．(2)由屏上出現(xiàn)明暗條紋的條件判斷光屏上出現(xiàn)的是明條紋還是暗條紋．(3)根據(jù)明條紋的判斷式Δr＝kλ(其中k＝0，1，2，…)或暗條紋的判斷式Δr＝(2k＋1)λ2(其中k＝0，1，2，…)，判斷出k[跟進訓(xùn)練]1．(多選)在雙縫干涉實驗中，雙縫到光屏上P點的距離之差d＝0.6μm.若分別用頻率為f1＝5.0×1014Hz和頻率為f2＝7.5×1014Hz的單色光垂直照射雙縫，則P點出現(xiàn)條紋的情況是()A．用頻率為f1的單色光照射時，P點出現(xiàn)暗條紋B．用頻率為f1的單色光照射時，P點出現(xiàn)明條紋C．用頻率為f2的單色光照射時，P點出現(xiàn)暗條紋D．用頻率為f2的單色光照射時，P點出現(xiàn)明條紋薄膜干涉及應(yīng)用1．薄膜干涉現(xiàn)象(1)薄膜干涉相干光的獲得．光照射到薄膜上，在膜的前、后兩個面反射的光是由同一個實際光源分解而成的，它們具有相同的頻率，恒定的相位差，是相干光．(2)薄膜干涉的原理．光照在厚度不同的薄膜上時，前、后兩個面的反射光的光程差等于相應(yīng)位置膜厚度的2倍．若光程差Δr＝kλ(k＝0，1，2，3…)，兩列光波疊加后相互加強，出現(xiàn)亮條紋；若光程差Δr＝2k+12λ(k＝0，1，2，32．用干涉法檢查平面平整度如圖甲所示，兩板之間形成一層空氣膜，用單色光從上向下照射，如果被檢測平面是光滑的，得到的干涉圖樣必是等間距的．如果被測表面某處凹下，則對應(yīng)亮條紋(或暗條紋)提前出現(xiàn)，如圖乙中P條紋所示；如果某處凸起來，則對應(yīng)條紋延后出現(xiàn)，如圖乙中Q所示．(注意：“提前”與“延后”不是指在時間上，而是指由左到右的位置順序上)3．增透膜(1)為了減少光學(xué)裝置中的反射光的能量損失，可在元件表面涂一層透明薄膜，一般是氟化鎂．(2)如圖所示，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)路程差為半波長的奇數(shù)倍時，在兩個表面反射的光產(chǎn)生相消干涉，反射光的能量幾乎等于零．增透膜的最小厚度：增透膜厚度d＝2k+1λ4(k＝0，1，2，3，…)，最小厚度為λ4(3)由于白光中含有多種波長的光，所以增透膜只能使其中一定波長的光相消．(4)因為人對綠光最敏感，一般選擇對綠光起增透作用的膜，所以在反射光中綠光強度幾乎為零，而其他波長的光并沒有完全抵消，所以增透膜呈現(xiàn)淡紫色．【典例2】(多選)光的干涉現(xiàn)象在技術(shù)中有重要應(yīng)用．例如，在磨制各種鏡面或其他精密的光學(xué)平面時，可以用干涉法檢查平面的平整程度．如圖所示，在被測平面上放一個透明的樣板，在樣板的一端墊一個薄片，使樣板的標(biāo)準(zhǔn)平面與被測平面之間形成一個楔形空氣薄層．用單色光從上面照射，在樣板上方向下觀測時可以看到干涉條紋．如果被測表面是平整的，干涉條紋就是一組平行的直線(如圖甲)，下列說法正確的是()A．這是空氣層的上下兩個表面反射的兩列光波發(fā)生干涉B．空氣層厚度相同的地方，兩列波的路程差相同，兩列波疊加時相互加強或相互削弱的情況也相同C．如果干涉條紋如圖乙所示發(fā)生彎曲，就表明被測表面彎曲對應(yīng)位置向下凹D．如果干涉條紋如圖乙所示發(fā)生彎曲，就表明被測表面彎曲對應(yīng)位置向上凸[聽課記錄]被測平面凹下或凸起的形象判斷法被測平面凹下或凸起的形象判斷法——矮人行走法．即把干涉條紋看成“矮人”的行走軌跡．讓一個小矮人在兩板間沿著一條條紋直立行走，始終保持腳踏被測板，頭頂樣板，在行走過程中：(1)若遇一凹下，他必向薄膜的尖端去繞，方可按上述要求過去，即條紋某處彎向薄膜尖端，該處為一凹下．(2)若遇一凸起，他必向薄膜的底部去繞，方可按上述要求過去，即條紋某處彎向薄膜底部，該處為一凸起．因此，條紋向薄膜尖端彎曲時，說明下凹，反之，上凸．[跟進訓(xùn)練]訓(xùn)練角度1肥皂膜干涉2．用如圖所示的實驗裝置觀察光的薄膜干涉現(xiàn)象．圖甲是點燃的酒精燈(在燈芯上撒些鹽)，圖乙是豎立的附著一層肥皂液薄膜的金屬絲圈．將金屬絲圈在其所在的豎直平面內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn)，觀察到的現(xiàn)象是()A．當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)30°時干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)30°B．當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)45°時干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)90°C．當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)60°時干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)30°D．干涉條紋保持原來狀態(tài)不變訓(xùn)練角度2增透膜3．市場上有種燈具俗稱“冷光燈”，用它照射物品時能使被照物品處產(chǎn)生的熱效應(yīng)大大降低，從而廣泛地應(yīng)用于博物館、商店等處．這種燈降低熱效應(yīng)的原因之一是在燈泡后面放置的反光鏡玻璃表面上鍍一層折射率為n的薄膜，這種膜能消除玻璃表面反射回來的熱效應(yīng)最顯著的紅外線．以λ表示此紅外線在真空中的波長，則所鍍薄膜的厚度最小應(yīng)為()A．λ4B．λ2C．λ4n1．(多選)在雙縫干涉實驗中，下列說法正確的是()A．相鄰兩明條紋和相鄰兩暗條紋的間距是相等的B．把入射光由紅光換成紫光，相鄰兩明條紋間距變寬C．只有頻率相同、相位差恒定、振動方向相同的兩列光才能發(fā)生明顯的干涉現(xiàn)象D．頻率不同的兩列光波也能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，只是不穩(wěn)定2．如圖所示是用干涉法檢查某塊厚玻璃板的上表面是否平整的裝置，所用單色光為普通光加濾光片產(chǎn)生的，檢查中所觀察到的條紋是由下列哪兩個表面反射的光線疊加而成的()A．a(chǎn)的上表面和b的下表面B．a(chǎn)的上表面和b的上表面C．a(chǎn)的下表面和b的上表面D．a(chǎn)的下表面和b的下表面3．(多選)a光經(jīng)過某干涉儀形成的光的干涉圖樣如圖甲所示，若只將a光換成b光照射同一干涉儀，形成的光的干涉圖樣如圖乙所示．則下述正確的是()A．a(chǎn)光的頻率較大 B．b光的頻率較大C．a(chǎn)光的波長較大 D．b光的波長較大4．利用薄膜干涉的原理可以檢查平面的平整度和制成鏡頭增透膜．圖甲中，讓單色光從上方射入，這時從上方看可以看到明暗相間的條紋，下列說法正確的是()A．圖甲中將薄片向著劈尖方向移動使劈角變大時，條紋變疏B．圖甲中將樣板微微平行上移，條紋疏密不變C．在圖甲中如果看到的條紋如圖乙所示，說明被檢平面在此處是凸起D．圖丙中鍍了增透膜的鏡頭看起來是有顏色的，那是增透了這種顏色的光的緣故5．在雙縫干涉實驗中，光屏上某點P到雙縫S1和S2的路程差為7.5×10-7m，如果用頻率為6.0×1014Hz的黃光照射雙縫，試問：(1)該黃光的波長是多少？(2)試通過計算分析P點出現(xiàn)亮條紋還是暗條紋？回顧本節(jié)內(nèi)容，自主完成以下問題：1．產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋的條件是什么？2．干涉條紋間距大小與什么有關(guān)？3．用白光做實驗是什么樣的條紋？第四節(jié)光的干涉[必備知識·自主預(yù)習(xí)儲備]知識梳理知識點一1.明暗相間2．托馬斯·楊波動知識點二1.相同恒定相同相干波整數(shù)奇數(shù)2．(1)Ldλ雙縫之間(2)知識點三1.固體液體氣體2．反射3．光程差加強削弱4．(1)透射反射(2)透射基礎(chǔ)自測1．答案：(1)√(2)√(3)×(4)×2．D[本題雖然強調(diào)兩只相同的手電筒，但它們發(fā)出的光仍然頻率不同．不滿足干涉產(chǎn)生的條件，看不到干涉圖樣，所以D正確，A、B、C錯誤．]3．BD[在雙縫干涉實驗中，當(dāng)某處距雙縫距離之差Δx為波長的整數(shù)倍時，即Δx＝kλ，k＝0，1，2，3，…這些點為加強點，該處出現(xiàn)亮條紋；當(dāng)某處距雙縫距離之差Δx為半波長的奇數(shù)倍時，即Δx＝(2k＋1)λ2，k＝0，1，2，3…這些點為減弱點，該處出現(xiàn)暗條紋；故B、D正確，A、C錯誤．[關(guān)鍵能力·情境探究達成]情境探究提示：單縫屏是為了獲得具有唯一頻率和振動情況的線光源；雙縫屏是為了獲得兩束頻率相同、振動情況完全一致的相干光．典例1B[λ橙λ紫＝6×P1點對橙光，有Δr＝n·λ橙，對紫光，有Δr＝nλ橙＝n·32λ紫＝3n·因為P1與P相鄰，所以n＝1，P1點是暗條紋．對P點，因為Δr＝0，所以仍是亮條紋，B正確．]跟進訓(xùn)練1．BC[由c＝λf可得λ＝cf，故單色光的波長分別為λ1＝cf1＝3.0×1085.0×1014m＝6×10-7m，λ2＝cf2＝3.0×1087.5×1014m＝4×10-7m；故雙縫到光屏上P點的距離之差d分別是兩種單色光波長的倍數(shù)n1＝dλ1＝6×10-76×10-7＝典例2ABC[在標(biāo)準(zhǔn)樣板平面和被測平面間形成了很薄的空氣薄膜，用單色光從標(biāo)準(zhǔn)平面上面照射，從空氣薄膜的上下表面分別反射的兩列光波頻率相等，符合相干條件，在樣板平面的下表面處發(fā)生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)明暗相間的條紋，A正確；在空氣層厚度d相等的地方，兩列波的波程差均為2d保持不變，疊加時相互加強和削弱的情況是相同的，屬于同一條紋，故薄膜干涉也叫等厚干涉，B正確；薄膜干涉條紋，又叫等厚條紋，厚度相同的地方，應(yīng)該出現(xiàn)在同一級條紋上．題圖乙中條紋向左彎曲，說明后面較厚的空氣膜厚度d，在左面提前出現(xiàn)，故左方存在凹陷現(xiàn)象，C正確，D錯誤．故本題選ABC.]跟進訓(xùn)練2．D[豎直肥皂液薄膜是由于重力作用產(chǎn)生的上薄下厚的薄膜，所以金屬絲圈的緩慢轉(zhuǎn)動，改變不了肥皂液薄膜的上薄下厚的形狀，由干涉原理可知，同一厚度處的干涉條紋在同一級次上，所形成的干涉條紋都是水平的，與金屬絲圈在該豎直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動無關(guān)，仍然是水平的干涉條紋，D正確．]3．C[增透膜的原理是利用薄膜干涉，使入射光在薄膜前后表面的反射光發(fā)生干涉時恰好能夠形成峰谷疊加．滿足這一效果的條件是薄膜前后表面反射光的光程差是光在薄膜中傳播時半波長的奇數(shù)倍．即