第3節(jié)　光的干涉 教學設計

第3節(jié)光的干涉[學習目標]1．知道光的干涉現(xiàn)象和干涉條件，并能從光的干涉現(xiàn)象中說明光是一種波．(重點)2．理解楊氏雙縫干涉實驗亮暗條紋產(chǎn)生的條件．(難點)3．了解薄膜干涉現(xiàn)象，并了解薄膜干涉的應用．知識點1光的雙縫干涉1．物理史實1801年，英國物理學家托馬斯·楊成功地觀察到了光的干涉現(xiàn)象．2．實驗示意圖如圖所示3．實驗過程如圖，讓一束平行的單色光投射到一個有兩條狹縫S1和S2的擋板上，狹縫S1和S2相距很近，兩條狹縫就產(chǎn)生兩個光源，它們的振動情況總是相同的，兩光源發(fā)出的光在擋板后面的空間互相疊加．4．實驗現(xiàn)象在屏上得到明暗相間的條紋．5．實驗結論證明光是一種波．6．現(xiàn)象解釋當兩個光源與屏上某點的距離之差等于半波長的偶數(shù)倍時(即恰好等于波長的整數(shù)倍時)，兩列光在這點相互加強，這里出現(xiàn)亮條紋；當兩個光源與屏上某點的距離之差等于半波長的奇數(shù)倍時，兩列光在這一點相互削弱，這里出現(xiàn)暗條紋．[判一判]1．(1)直接用強光照射雙縫，發(fā)生干涉．()(2)若用白光作光源，干涉條紋是明暗相間的條紋．()(3)若用單色光作光源，干涉條紋是明暗相間的條紋．()提示：(1)×(2)×(3)√[想一想](1)兩只手電筒射出的光束在空間相遇，能否觀察到光的干涉現(xiàn)象？(2)為什么一般情況下很難觀察到光的干涉現(xiàn)象？提示：(1)不能．兩只手電筒射出的光束在空間相遇，不滿足光發(fā)生干涉的條件，不能觀察到光的干涉現(xiàn)象．(2)由于不同光源發(fā)出的光的頻率一般不同，即使是同一光源，它的不同部位發(fā)出的光也不一定有相同的頻率和恒定的相位差，在一般情況下，很難找到那么小的縫和那些特殊的裝置．知識點2干涉條紋和光的波長之間的關系1．干涉條紋間距和光的波長之間的關系如圖所示，與兩縫之間的距離d相比，每個狹縫都很窄，寬度可以忽略．兩縫S1、S2的連線的中垂線與屏的交點為P0，雙縫到屏的距離OP0＝L相鄰兩個亮條紋或暗條紋的中心間距是Δx＝eq\f(\a\vs4\al(L),d)λ已知雙縫間距d，再測出雙縫到屏的距離L和條紋間距Δx，就可以求得光波的波長．2．干涉條紋兩相鄰亮條紋(或暗條紋)間距離與光的波長有關，波長越大，條紋間距越大．[判一判]2．(1)當兩光源與屏上某點的距離之差等于半波長的偶數(shù)倍時出現(xiàn)亮條紋．()(2)波長越長，條紋間距越大．()提示：(1)√(2)×知識點3薄膜干涉1．薄膜干涉的原理光照在厚度不同的薄膜上時，在薄膜的不同位置，前后兩個面的反射光的路程差不同，在某些位置兩列波疊加后相互加強，于是出現(xiàn)亮條紋；在另一些位置，兩列波相遇后被相互削弱，于是出現(xiàn)暗條紋．2．薄膜干涉條紋用單色光照射得到明暗相間的條紋，用白光照射得到彩色條紋．3．薄膜干涉的應用(1)用干涉法檢查平面的平整度．(2)光學儀器上的增透膜．[判一判]3．(1)水面上的油膜呈現(xiàn)彩色條紋，是油膜表面反射光與入射光疊加的結果．()(2)肥皂泡看起來呈彩色和照相機鏡頭呈淡紫色，都是薄膜干涉現(xiàn)象．()提示：(1)×(2)√1．(楊氏雙縫干涉實驗)(多選)楊氏干涉實驗證明光的確是一種波，一束單色光投射在兩條相距很近的狹縫上，兩狹縫就成了兩個光源，它們發(fā)出的光波發(fā)生干涉，產(chǎn)生的干涉圖樣如圖所示，在這兩列光波相遇的區(qū)域中，實線表示波峰，虛線表示波谷，如果放置光屏，則下列說法正確的是()A．A點出現(xiàn)明條紋 B．B點出現(xiàn)明條紋C．C點出現(xiàn)暗條紋 D．C點出現(xiàn)明條紋解析：選ABC.波峰與波峰或者波谷與波谷相疊加振動加強，所以A點與B點出現(xiàn)明條紋，波峰與波谷疊加振動減弱，所以C點出現(xiàn)暗條紋，故A、B、C正確，D錯誤．2.(雙縫干涉實驗規(guī)律)如圖所示，用單色光做雙縫干涉實驗，P處為第二暗條紋，改用頻率較低的單色光重做上述實驗(其他條件不變)時，則同側第二暗條紋的位置()A．仍在P處B．在P點上方C．在P點下方D．要將屏向雙縫方向移近一些才能看到解析：選B.頻率越低，波長越大，在干涉圖樣中相鄰兩暗條紋間的距離越大，故選B.3．(雙縫干涉的應用)瓦斯在隧道施工、煤礦采掘中危害極大，某同學查資料得知含有瓦斯的氣體的折射率大于干凈空氣的折射率，于是他根據(jù)雙縫干涉現(xiàn)象設計了一個監(jiān)測儀，其原理如圖所示，在雙縫前面放置兩個完全相同的透明容器A、B，容器A與干凈的空氣相通，在容器B中通入礦井中的氣體，觀察屏上的干涉條紋，就能夠監(jiān)測瓦斯?jié)舛龋绻恋恼醒隣點變?yōu)榘导y，說明B中氣體()A．一定含瓦斯 B．一定不含瓦斯C．不一定含瓦斯 D．無法判斷解析：選A.如果屏的正中央O變?yōu)榘导y，說明從兩個子光源到屏的光程差發(fā)生變化，所以B中氣體一定含瓦斯．4．(薄膜干涉)關于薄膜干涉，下列說法中正確的是()A．只有厚度均勻的薄膜，才會發(fā)生干涉現(xiàn)象B．只有厚度不均勻的楔形薄膜，才會發(fā)生干涉現(xiàn)象C．厚度均勻的薄膜會形成干涉條紋D．觀察肥皂液薄膜的干涉現(xiàn)象時，觀察者應和光源在薄膜的同一側解析：選D.當光從薄膜的一側照射到薄膜上時，只要前后兩個面反射回來的光波的路程差滿足振動加強的條件，就會出現(xiàn)明條紋，滿足振動減弱的條件就會出現(xiàn)暗條紋，這種情況在薄膜厚度不均勻時才會出現(xiàn)．當薄膜厚度均勻時，不會出現(xiàn)干涉條紋，但也發(fā)生干涉現(xiàn)象，如果是單色光照射，若滿足振動加強的條件，整個薄膜前方都是亮的，否則整個薄膜的前方都是暗的，故A、B、C錯誤；觀察薄膜干涉條紋時，是兩列頻率相同的反射光在薄膜上出現(xiàn)的現(xiàn)象，因此在入射光的同一側，故D正確．探究一楊氏雙縫干涉實驗1．雙縫干涉的裝置示意圖實驗裝置如圖所示，有光源、單縫、雙縫和光屏．2．單縫屏的作用獲得一個線光源，使光源有唯一的頻率和振動情況，如果用激光直接照射雙縫，可省去單縫屏．托馬斯·楊那時沒有激光，因此他用強光照射一條狹縫，通過這條狹縫的光再通過雙縫產(chǎn)生相干光．3．雙縫屏的作用平行光照射到單縫S上，又照射到雙縫S1、S2上，這樣一束光被分成兩束頻率相同、振動情況完全一致的相干光．4．屏上某處出現(xiàn)亮、暗條紋的條件(1)亮條紋的條件：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·eq\f(λ,2)(k＝0，1，2，3…)．(2)暗條紋的條件：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)·eq\f(λ,2)(k＝1，2，3…)．【例1】雙縫干涉實驗裝置如圖所示，當使用波長為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[解析]eq\f(λ橙,λ紫)＝eq\f(6×10－7m,4×10－7m)＝eq\f(3,2).P1點對橙光：Δr＝nλ橙，對紫光：Δr＝nλ橙＝n·eq\f(3,2)λ紫＝3n·eq\f(λ紫,2)，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．[答案]B[針對訓練1]在雙縫干涉實驗中，光屏上P點到雙縫S1、S2的距離之差Δs1＝0.75μm，光屏上Q點到雙縫S1、S2的距離之差Δs2＝1.5μm，如果用頻率為6.0×1014Hz的黃光照射雙縫，則()A．P點出現(xiàn)明條紋，Q點出現(xiàn)暗條紋B．Q點出現(xiàn)明條紋，P點出現(xiàn)暗條紋C．兩點均出現(xiàn)明條紋D．兩點均出現(xiàn)暗條紋解析：選B.由c＝λf知黃光的波長為λ＝eq\f(c,f)＝eq\f(3×108,6×1014)m＝0.5μm，到P點的光程差與黃光的半波長相比為eq\f(Δs1,\f(λ,2))＝eq\f(0.75,\f(0.5,2))＝3，即為半波長的奇數(shù)倍，所以P點出現(xiàn)暗條紋．到Q點的光程差與黃光的半波長相比為eq\f(Δs2,\f(λ,2))＝eq\f(1.5,\f(0.5,2))＝6，即為半波長的偶數(shù)倍，所以Q點出現(xiàn)明條紋．探究二雙縫干涉圖樣的特點【問題導引】用白光做雙縫干涉實驗，彩紋的特點如何？提示：用白光做雙縫干涉實驗，從紅光到紫光其波長由大到小，它們的干涉條紋間距也是從大到?。林醒敫魃舛嫉玫郊訌?，混合成白色，但兩側因條紋間距不同而分開成彩色，而且同一級條紋內紫外紅．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，兩相鄰亮條紋(或暗條紋)間距離與光的波長有關，波長越大，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．這是因為：(1)從雙縫射出的兩列光波中，各種色光都能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，從而復合成白色條紋；(2)兩側條紋間距與各色光的波長成正比，即紅光的亮條紋間距寬度最大，紫光的亮條紋間距寬度最小，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．【例2】雙縫干涉實驗如圖所示，用綠光照射單縫S時，在光屏P上觀察到干涉條紋，要得到相鄰條紋間距更大的干涉圖樣，可以()A．增大S1與S2的間距B．減小雙縫屏到光屏的距離C．將綠光換為紅光D．將綠光換為紫光[解析]雙縫干涉的條紋間距公式：Δx＝eq\f(l,d)λ，增大S1與S2的間距就是增大d，所以條紋間距變小，A錯誤；減小雙縫屏到光屏的距離就是減小l，條紋間距變小，B錯誤；紅光波長比綠光波長長，紫光波長比綠光波長短，所以將綠光換為紅光，條紋間距增大，C正確，D錯誤．[答案]C[針對訓練2](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光的波長較大解析：選BC.由干涉圖樣可知a光的干涉條紋間距大于b光的條紋間距，由Δx＝eq\f(l,d)λ知a光的波長大于b光的波長，又由c＝λf知，b光的頻率大于a光的頻率，A、D錯誤，B、C正確．探究三薄膜干涉及其應用【問題導引】1.很多攝影愛好者在掃描貼在玻璃板表面的底片時常會在掃描后的圖像上看到一圈圈明暗相間的光環(huán)，如圖所示．這就是光的干涉現(xiàn)象——牛頓環(huán)．你知道牛頓環(huán)是怎樣形成的嗎？2．觀察薄膜干涉現(xiàn)象時，要在有光照的一側觀察還是在無光照的一側觀察？提示：1.是由光的干涉現(xiàn)象形成的．2．在有光照的一側，因為薄膜干涉是前后兩個面的反射光發(fā)生的干涉．1．薄膜干涉的成因如圖所示，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，若兩列波疊加后互相加強，則出現(xiàn)亮紋；在另一些地方，疊加后互相減弱，則出現(xiàn)暗紋．故在單色光照射下，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．2．薄膜干涉的應用(1)檢查平面的平整程度如圖所示，被檢查平面B與標準樣板A之間形成了一個楔形的空氣薄膜，用單色光照射，入射光從空氣膜的上、下表面反射出兩列光波，形成干涉條紋．被檢查平面若是平的，空氣膜厚度相同的各點就位于一條直線上，干涉條紋平行；若被檢查表面某些地方不平，那里空氣膜產(chǎn)生的干涉條紋將發(fā)生彎曲．(2)光學鏡頭上的增透膜光學鏡頭表面常常鍍一層透光的膜稱為增透膜．因增透膜的厚度為入射光在薄膜中波長的eq\f(1,4)，從介質膜前后兩個面反射的光的路程差為eq\f(λ,2)，所以兩列光波相互削弱，使反射光的強度大大降低，透射光的強度得到加強．【例3】(多選)如圖甲所示，用單色光照射透明標準板M來檢查平面N的上表面的平滑情況，觀察到的圖像的條紋中的P和Q的情況如圖乙所示，這說明()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[解析]利用光的薄膜干涉來檢查平面的平滑情況，就是由標準樣板平面和被檢查平面間形成一個楔形的空氣薄層，用單色光從上面照射，入射光在空氣層的上、下表面反射形成兩列相干光束．如果被檢測的平面是平的，那么空氣層的厚度相同的各點的干涉條紋在一條直線上．若是被測平面的某處凹下去了，這時干涉條紋就不在一條直線上，將與膜厚一些位置的干涉條紋形成同一級別的條紋．這是因為凹處的兩束反射光的路程差變大，它只能與膜厚一些位置的兩反射光的路程差相同而形成同一級的條紋(路程差相同的干涉條紋為同一級，一般路程差大的干涉條紋級別高，路程差小的干涉條紋級別低)，顯然凹處的級別增大，將與膜厚一些位置的干涉條紋形成同一級別的條紋，故C正確．同理，若是被測平面某處凸起來了，則該處的干涉條紋將與膜薄一些位置的干涉條紋形成同一級別的條紋，故B正確．[答案]BC[針對訓練3]劈尖干涉是一種薄膜干涉，其裝置如圖(a)所示．將一塊平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夾入兩張紙片，從而在兩玻璃表面之間形成一個劈形空氣薄膜．當光垂直入射后，從上往下看到的干涉條紋如圖(b)所示，干涉條紋有如下特點：(1)任意一條明條紋或暗條紋所在位置下面的薄膜厚度相等；(2)任意相鄰明條紋或暗條紋所對應的薄膜厚度差恒定．現(xiàn)若在圖(a)裝置中抽去一張紙片，則當光垂直入射到新的劈形空氣薄膜后，從上往下觀察到的干涉條紋()A．變疏 B．變密C．不變 D．消失解析：選A.干涉條紋是由空氣薄膜的上下兩個表面反射的光線疊加而成的，當抽去一張紙片后，劈形空氣薄膜傾角減小，相鄰明條紋(或暗條紋)必須變疏才能符合所在位置下面對應的薄膜厚度差跟原先一樣，故A正確．(建議用時：20分鐘)[基礎鞏固練]1．下列關于雙縫干涉實驗的說法中正確的是()A．單縫的作用是獲得頻率保持不變的相干光源B．雙縫的作用是獲得兩個振動情況相同的相干光源C．光屏上距兩縫的路程差等于半波長的整數(shù)倍處出現(xiàn)暗條紋D．在光屏上能看到光的干涉圖樣，但在雙縫與光屏之間的空間卻沒有干涉發(fā)生解析：選B.在雙縫干涉實驗中，單縫的作用是獲得一個線光源，使光源有唯一的頻率和振動情況，雙縫的作用是獲得兩個振動情況完全相同的相干光源，A錯誤，B正確；在兩個相干光源完全相同的情況下，光屏上距兩縫的路程差為半波長的奇數(shù)倍處出現(xiàn)暗條紋，C錯誤；兩列光波只要相遇就會疊加，滿足相干條件就能發(fā)生干涉，所以在雙縫與光屏之間的空間也會發(fā)生光的干涉，用光屏接收只是為了肉眼觀察方便，D錯誤．2．(多選)對兩列光波在空中疊加，以下說法中正確的是()A．不同的色光有可能發(fā)生干涉現(xiàn)象B．不同的色光不可能發(fā)生干涉現(xiàn)象C．光的強度不同有可能發(fā)生干涉現(xiàn)象D．光的強度不同不可能發(fā)生干涉現(xiàn)象解析：選BC.兩列光波疊加是否發(fā)生干涉現(xiàn)象關鍵看兩列光波是否是相干光，即是否滿足頻率相同、相位差恒定的條件，不同的色光頻率不同，所以不可能發(fā)生干涉現(xiàn)象，故A錯誤，B正確；光的強度不同，但仍有可能滿足相干條件，也就是有可能發(fā)生干涉現(xiàn)象，故C正確，D錯誤．3．在光的雙縫干涉現(xiàn)象里，下列描述正確的是()A．用白光做光的干涉實驗時，偏離中央亮條紋較遠的是波長較長的紅光B．用白光做光的干涉實驗時，偏離中央亮條紋較遠的是波長較短的紫光C．相鄰兩亮條紋和相鄰兩暗條紋的間距是不等的D．在雙縫干涉現(xiàn)象里，把入射光由紅光換成紫光，相鄰兩個亮條紋間距將變寬解析：選A.條紋間距與光的波長成正比，在可見光中，紅光波長最長，紫光波長最短，故偏離中央亮條紋最遠的是紅光，A正確，B錯誤．雙縫干涉現(xiàn)象中，相鄰兩亮條紋或兩暗條紋是等間距的，C錯誤．紅光的波長比紫光的波長大，所以換成紫光后，相鄰兩亮條紋間距將變窄，D錯誤．4．一束白光通過雙縫后在屏上觀察到干涉條紋，除中央白色條紋外，兩側還有彩色條紋，其原因是()A．各色光的波長不同，因而各色光分別產(chǎn)生的干涉條紋間距不同B．各色光的速度不同，造成條紋的間距不同C．各色光的強度不同，造成條紋的間距不同D．各色光通過雙縫到達一確定點的距離不同解析：選A.各色光的頻率不同，波長不同，在屏上得到的干涉條紋的寬度不同，各種顏色的條紋疊加后得到彩色條紋．5．圖甲為雙縫干涉實驗的裝置示意圖．圖乙為用綠光進行實驗時，在屏上觀察到的條紋情況，a為中央亮條紋，圖丙為換用另一顏色的單色光做實驗時觀察到的條紋情況，a′為中央亮條紋．若已知紅光、綠光和紫光的波長大小關系為紅光的波長最長，紫光的波長最短．則以下說法正確的是()A．圖丙可能為用紅光實驗產(chǎn)生的條紋，表明紅光波長較長B．圖丙可能為用紫光實驗產(chǎn)生的條紋，表明紫光波長較長C．圖丙可能為用紫光實驗產(chǎn)生的條紋，表明紫光波長較短D．圖丙可能為用紅光實驗產(chǎn)生的條紋，表明紅光波長較短解析：選A.根據(jù)雙縫干涉圖樣的特點，入射光的波長越長，同一裝置產(chǎn)生的雙縫干涉圖樣中條紋的間距就越大．由本題的條件可確定另一種顏色的單色光比綠光的波長長，因此A正確，B、C、D錯誤．6．在雙縫干涉實驗中，以白光為光源，在屏幕上觀察到了彩色干涉條紋，若在雙縫中的一縫前放一紅色濾光片(只能透過紅光)，另一縫前放一綠色濾光片(只能透過綠光)，這時()A．只有紅色和綠色的雙縫干涉條紋，其他顏色的雙縫干涉條紋消失B．紅色和綠色的雙縫干涉條紋消失，其他顏色的干涉條紋依然存在C．任何顏色的雙縫干涉條紋都不存在，但屏上仍有光亮D．屏上無任何光亮解析：選C.紅光和綠光的頻率不同，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，故不能產(chǎn)生干涉條紋．7.(多選)在研究材料A的熱膨脹特性時，可采用如圖所示的干涉實驗法，A的上表面是一光滑平面，在A的上方放一個透明的平行板B，B與A上表面平行，在它們間形成一個厚度均勻的空氣膜．現(xiàn)在用波長為λ的單色光垂直照射，同時對A緩慢加熱，在B上方觀察到B板的亮度發(fā)生周期性變化，當溫度為t1時最亮，然后亮度逐漸減弱至最暗；當溫度升到t2時，亮度再一次回到最亮．則()A．出現(xiàn)最亮時，B下表面反射光與A上表面反射光疊加后加強B．出現(xiàn)最亮時，B下表面反射光與A上表面反射光疊加后相抵消C．溫度從t1升到t2的過程中，A的高度增加eq\f(λ,4)D．溫度從t1升到t2的過程中，A的高度增加eq\f(λ,2)解析：選AD.出現(xiàn)最亮時，是B下表面反射光與A上表面反射光發(fā)生干涉，疊加后加強，故A正確，B錯誤．溫度從t1升到t2的過程中，亮度由最亮變暗又變到最亮，當路程差(即薄膜厚度的2倍)等于半波長的偶數(shù)倍時，出現(xiàn)明條紋，知路程差減小λ，則A的高度增加eq\f(λ,2)，故C錯誤，D正確．[綜合提升練]8．某同學利用如圖所示實驗觀察光的干涉現(xiàn)象，其中A為單縫屏，B為雙縫屏，C為光屏．當他讓一束陽光照射A屏時，C屏上并沒有出現(xiàn)干涉條紋，他移走B后，C上出現(xiàn)一窄亮斑．分析實驗失敗的原因可能是()A．單縫S太窄B．單縫S太寬C．S到S1和S2距離不相等D．陽光不能作光源解析：選B.雙縫干涉中單縫的作用是獲得線光源，而線光源可以看作是由許多個點光源沿一條線排列組成的，這里觀察不到光的干涉現(xiàn)象是由于單縫太寬，得不到線光源，故B正確．9．在楊氏干涉實驗中，從兩個狹縫到達屏上的某點的光走過的路程相等，該點