第50讲 光的干涉及用双缝干涉测量光的波长实验-【划重点】2024年高考物理一轮复习精细讲义

第50讲 光的干涉及用双缝干涉测量光的波长实验 ——划重点之精细讲义系列 考点一 光的双缝干涉 1.光的干涉 (1)干涉现象：若两列相干光在空间传播时相遇，将在相遇区域发生波的叠加，如果在某些区域加强，而在另一些区域减弱，且加强区域和减弱区域是相互间隔的，这种现象称为光的干涉现象.产生的图样叫作干涉图样 (2)干涉条件：两列光的频率相同、相位差恒定、振动方向相同. 能发生干涉的两列光称为相干光，两个光源称为相干光源.相干光源可用同一束光分成两列而获得，称为分光法. ①根据相干光的条件，两列光的频率必须相同，相位差恒定，可知两个相同亮度的烛焰、两个相同规格的灯泡、双丝灯泡的光源不能作为相干光源.出自一个光源的两来光、一束平行单色光经双缝后分为两束，可以作为相干光源. 2.光的双缝干涉实验 (1)实验过程 如图所示，让一束单色光投射到一个有两条狭缝S1和S2的挡板上，狭缝S1和S2相距很近，如果光是一种波，狭缝就成了两个波源，它们的频率、相位和振动方向总是相同的.这两个波源发出的光在挡板后面的空间互相叠加，发生干涉现象. (2)实验现象：①光屏上出现等宽度、等间距的明暗相间的条纹；②波峰与波峰、波谷与波谷叠加的区域振动最强，出现亮条纹，波峰与波谷叠加的区域振动最弱，出现暗条纹. (3)实验结论：光的干涉现象证明光是一种波. 1.白光与单色光 (1)白光是一种自然光，是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种单色光组成的。不同单色光的频率不同，所以本实验要用单色光。 (2)七种单色光的频率、光速关系：①同一介质对不同的色光有不同的折射率，介质对频率大的光折射率大，对频率小的光折射率小.②在同一介质中，不同色光的传播速度不同，红光的折射率小，传播速度大；紫光的折射率大，传播速度小。 2.单缝屏和双缝屏作用 （1）单缝屏是为了获得一个线光源，使光源有唯一的频率和相同振动情况及恒定的相位差，如果用激光直接照射双缝，可省去单缝屏. （2）平行光照射到单缝S上后，又照到间距很小的双缝S1、S2上，这样一束光被分成两束频率相同、振动情况完全一致的相干光.即杨氏双缝干涉实验采用将一束光“一分为二”的方法获得相干光源. 3.由于不同光源发出的光的频率不同，即使是同一光源，不同部位发出的光也不一定有相同的频率和恒定的相位差，故一般情况下不易观察到光的干涉现象. 3.光的干涉图样 (1)振动加强的地方出现亮条纹，振动减弱的地方出现暗条纹. (2)亮条纹和暗条纹相互间隔. (3)亮条纹的位置和暗条纹的位置不随时间的变化而变化. 两列相干光相遇处，只要是两列光的振动方向始终相同，就出现亮条纹，在波峰和波峰、波谷和波谷相遇处，振动最强；两列光的振动方向始终相反，就出现暗条纹，在波峰和波谷相遇处，振动最弱。 4.决定条纹亮暗的条件 类比波的干涉可得，时出现亮条纹，，时出现暗条纹，如图所示，S1和S2是两个狭缝，S1S2=d，缝到屏的距离为l，l≫d，O是S1S2的中垂线与屏的交点，P点为屏上一点，光的波长为λ. (1)出现亮条纹的条件 两个光源与屏上某点P的距离差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍，即 (2)出现暗条纹的条件 两个光源与屏上某点P的距离差正好是半波长的奇数倍，即 ①由波速公式可求得光波的波长为. ②如图所示，若P1是亮条纹，则r₂-r1=nλ(n=0,±1,±2,…). 由图可知，则；由于d和x都很小，可近似认为所以。 ③n=0时，PS1=PS2,此时P点位于屏上的O处，为亮条纹，此处的条纹叫中央亮条纹. ④两个相干光源发出的光在屏上的特征是在中央亮条纹两侧对称地分布着明暗相间的各级干涉条纹，且相邻亮条纹和相邻暗条纹的间距相等.光屏上出现亮条纹或暗条纹的位置是由两束光到达光屏上P点的路程差决定的，测量条纹间距时可以测出第1条到第n条亮条纹中心间的距离为a,相邻两条亮条纹间距为 ⑤光的干涉只是光能量的重新分配，遵循能量守恒定律.明暗相间的条纹反映了光能量在空间的分布情况.暗条纹处光能量几乎为零，表明此处两列光波叠加相互抵消，并不是光能量损耗了或变成其他形式的能量，而是按波的传播规律，没有能量传到该处；亮条纹处光能量较强，表明此处两列光波叠加相互加强，并不是光的干涉可以产生能量，而是按波的传播规律，到达该处的能量比较集中. 5.双缝干涉图样的特点 1.单色光的干涉图样 若用单色光做光源，则干涉条纹是明暗相间的条纹，且条纹间距相等.中央为亮条纹，实验装置相同时，两相邻亮条纹(或暗条纹)间的距离与光的波长有关，波长越大，条纹间距越大. 2.白光的干涉图样 若用白光做光源，则干涉条纹是彩色条纹，且中央条纹是白色的.这是因为： (1)从双缝射出的两列光波中，各种色光都能形成明暗相间的条纹，各种色光都在中央条纹处形成亮条纹，从而复合成白色条纹. (2)两侧条