5.1 光的干涉（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中物理选择性必修第一册（鲁科版2019）

第1节　光的干涉 核心 素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.了解光的干涉的内涵。 2．知道光的干涉的产生条件。 3．具有与光的干涉相关的运动与相互作用观念和能量观念。 1.能阐述光的干涉的成因及明暗条纹的位置和特点。 2．能将光的干涉与光波模型联系起来。 3．能分析和解释生活中与光的干涉相关的光的波动性问题。 有学习物理的内在动力与热情，能感受物理学之美。 [对应学生用书P83] 知识点一 光的干涉及其产生条件 1.干涉现象 两束光相遇时，如果满足一定的条件，就会产生干涉现象，在屏上出现明暗相间的干涉条纹。 2．相干条件 要使两列光波相遇时产生干涉现象，两列光波必须具有相同的频率和振动方向，还要满足相位差恒定。 3．结论 干涉是波特有的一种现象❶，光具有波的特性。 1．频率不相同的两束光不能发生干涉。(　　√　　) 2．两只手电筒射出的光束在空间相遇，能观察到光的干涉现象。(　　×　　) 3．光的干涉现象说明光是一种波。(　　√　　) 知识点二 光的双缝干涉❷公式 1.亮条纹的条件 如果两列光波到达某点时，路程差Δr为波长的整数倍，即满足Δr＝±nλ(n＝0，1，2，3，…)时，这两列光波互相加强，该点就出现亮条纹。 2．暗条纹的条件 如果两列光波到达某点时，路程差Δr为半个波长的奇数倍，即满足Δr＝±(2n＋1)(n＝0，1，2，3，…)时，就出现暗条纹。 3．相邻条纹间距公式 在双缝干涉实验中，相邻两条亮条纹或暗条纹中心间距Δy＝λ。式中，λ为光波的波长，d为双缝间距离，l为双缝到光屏的距离。 1．用单色光作光源，干涉条纹是明暗相间的条纹。(　　√　　) 2．用白光作光源，干涉条纹是明暗相间的条纹。(　　×　　) 3．用两个完全相同的相干光源做双缝干涉实验时，从两个狭缝到屏上的路程差Δr是波长的奇数倍时，出现暗条纹。(　　×　　) 知识点三 薄膜干涉及其应用 1.薄膜干涉 由薄膜两个面反射的光波相遇而产生的干涉现象❸。 2．薄膜干涉现象的应用 (1)劈尖干涉是一种劈形空气薄膜干涉，可用于检查平面的平整程度。 (2)在照相机、望远镜等高质量的光学仪器中，在其镜头的表面镀上透明的增透膜，用来增加透射光的能量。 1．薄膜干涉是两个表面折射的光线产生的。(　　×　　) 2．水面上的油膜呈现彩色条纹，是油膜表面反射光与入射光叠加的结果。(　　×　　) 批注❶：由于不同光源发出的光的频率一般不同，即使是同一光源，它的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，因此在一般情况下，很难找到那么小的狭缝和那些特殊的装置，也就很难观察到光的干涉现象。 批注❷：双缝干涉的实验装置如图所示，有光源、单缝、双缝和光屏。 在双缝干涉实验中，单缝的作用是获得一个线光源，使光源有唯一的频率和振动情况；双缝的作用是获得两个振动情况完全相同的相干光源。 批注❸：薄膜干涉是前、后表面反射的光叠加而成的。竖直放置的肥皂薄膜受到重力作用，下面厚，上面薄。因此在膜上不同的位置，来自前后两个面的反射光所走的路程不同。这两列波在一些地方叠加后相互加强，出现亮条纹；在另一些位置，叠加后相互削弱，出现暗条纹。 在演示竖直放置的薄膜干涉实验时，由于薄膜干涉是两列反射光叠加而成的，因此观察干涉条纹时，眼睛应和光源在薄膜的同一侧，如图所示。 [对应学生用书P84] ►情境探究 双缝干涉实验的示意图如下：单缝发出的单色光投射到相距很近的两条狭缝S1和S2上，S1与S2狭缝就成了两个新波源，发出的光向右传播，在后面的屏上就可以观察到明暗相间的条纹。 请问：做双缝干涉实验时，必须具备什么条件才能观察到干涉条纹？ 提示：必须是相干光源，且双缝间的间距必须很小。 ►探究归纳 1．屏上某处出现亮、暗条纹的条件 频率相同的两列波在同一点引起振动的叠加。如亮条纹处某点同时存在的两列波振动步调总是一致，即振动方向总是相同；而暗条纹处振动步调总相反。具体产生亮、暗条纹的条件为： (1)出现亮条纹的条件：屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍，即|PS1－PS2|＝kλ＝2k·(k＝0，1，2，3，…)。k＝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或零级亮条纹。k为亮条纹的级次。 (2)出现暗条纹的条件：屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是半波长的奇数倍，即|PS1－PS2|＝(2k－1)·(k＝1，2，3，…)。k为暗条纹的级次，从第1级暗条纹开始向两侧展开。 (3)时间上的关系 ①亮条纹：Δt＝kT(k＝0，1，2，…)； ②暗条纹：Δt＝(2k－1)·(k＝1，2，3，…)。 (式中Δt表示两列光波到同一点的时间差，T＝为光波的周期) 2．干涉图样的特点 (1)单色光干涉图样的特点：中央为亮条纹，两边是明、暗相间的条纹，且相邻亮条纹与亮条纹中心间、相邻暗条纹与暗条纹中心间的距离相等。 (2)白光干涉图样的特点：若用白光做实验，则中央亮条纹为白色，两侧出现彩色条纹，彩色条纹显示了不同颜色光的干涉条纹间距是不同的。 ►对点例练 (2021·浙江绍兴诸暨中学高二月考)如图所示，在某双缝干涉实验中，S1、S2为双缝，双缝的间距为d＝2 mm，光屏到双缝的距离为l＝1 m，P是光屏上的一点。已知P到S1、S2的距离之差为5.4×10－6 m，现用某单色光在真空环境中做双缝干涉实验。(光在真空中的传播速度为c＝3×108 m/s) (1)若该单色光在某介质中传播时的波长为3.6×10－7 m，波速为2×108 m/s，则P点是亮条纹还是暗条纹？ (2)相邻两亮条纹的中心间距为多大？ 答案：(1)亮条纹　(2)2.7×10－4 m 解析：(1)该单色光的频率为 f＝＝×1015 Hz， 该单色光在空气中的波长为 λ0＝＝5.4×10－7 m， 由于路程差为PS2 － PS1＝kλ0＝5.4×10－6 m， 解得k＝10，是整数， 因此，P点是亮条纹。 (2)根据Δx＝λ0， 解得Δx＝2.7×10－4 m。 [练1] (2021·辽宁阜蒙育才高级中学高二期中)在用双缝干涉实验测量光的波长时，激光投射到两条相距为d的狭缝上，双缝到屏的距离为l，P点为线段AB的中点。A、B两点分别为第2条和第5条亮条纹的中心位置，它们之间的距离为x，则下列关于该激光的波长和P点出现的条纹的描述中，正确的是(　　) A．λ＝，P点为亮条纹 B．λ＝，P点为暗条纹 C．λ＝，P点为暗条纹 D．λ＝，P点为亮条纹 B　解析：A、B两点分别为第2条和第5条亮纹的中心位置，它们的间距为x，则相邻两条纹的间距为Δx＝＝，根据Δx＝λ，可知激光的波长为λ＝，P点为线段AB的中点，则P点是出现在第3条和第4条亮纹之间的暗纹，B正确。 在双缝干涉实验中，判断光屏上某点是亮条纹还是暗条纹，要看该点到两个光源(双缝)的路程差与波长的关系：路程差是波长的整数倍处出现亮条纹；路程差是半波长的奇数倍处出现暗条纹。探究点二　薄膜干涉及应用　(科学思维之提升) ►情境探究 如图所示是几种常见的薄膜干涉图样，这些干涉图样是怎样形成的呢？ 提示：干涉条纹是由薄膜前、后或上、下表面的反射光束相遇而产生的。 ►探究归纳 1．薄膜干涉 (1)现象 ①每一条条纹均呈水平状态排列。 ②由于各种色光干涉后，相邻两亮纹中心的距离不同，所以若用白光做这个实验，会观察到彩色干涉条纹。 (2)成因 ①如图所示，竖直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用，下面厚、上面薄。 ②在薄膜上不同的地方，从膜的前、后表面反射的两列光波叠加，在某些位置这两列光波叠加后互相加强，出现亮条纹；在另一些位置，叠加后互相削弱，出现暗条纹。故在单色光照射下，就出现了明暗相间的干涉条纹。 ③若在白光照射下，则出现彩色干涉条纹。 2．用干涉法检查平面的平整度：如图甲所示放置样板，使两板之间形成一层空气膜，单色光从上向下照射，如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等间距的。如果被测表面某处凹下，则对应亮条纹(或暗条纹)提前出现，如图乙中 P条纹所示；如果某处凸起来，则对应条纹延后出现，如图乙中Q所示。(注：“提前”与“延后”不是指在时间上，而是指由左到右的位置顺序上) 3．增透膜 (1)为了减少光学装置中反射光的能量损失，可在元件表面涂一层透明薄膜(如氟化镁)。 (2)如图所示，在增透膜的前后表面反射的两列光波形成相干波，相互叠加，当路程差为半波长的奇数倍时，在两个表面反射的光产生相消干涉，反射光的能量几乎等于0。 增透膜的厚度d＝(k＝0，1，2，…)，最小厚度为。(λ为光在介质中传播时的波长) (3)由于白光中含有多种波长的光，所以增透膜只能使其中某一个波长的光相消。 (4)因为人对绿光最敏感，所以一般选择对绿光起增透作用的膜，则在反射光中绿光强度几乎为0，而其他波长的光并没有完全抵消，因此增透膜呈现淡紫色。 ►对点例练 (多选)(2021·山东东营胜利二中高二期末)利用光的干涉规律可以检测工件表面的平整度与设计要求之间的微小差异。现将精度很高的标准玻璃板(样板)，放在被检查工件的上面，并在样板的左端垫薄片，使标准玻璃板与被检查平面之间形成一楔形空气膜，如图甲所示。用平行单色光向下照射检查不同位置时，可观察到图乙或图丙的干涉条纹。下列说法正确的是(　　) A．干涉条纹是样板的上下两个表面的反射光干涉形成的 B．当稍向右移动图甲中的薄片时，条纹间距会变小 C．当换用频率更高的单色光照射时，条纹间距不变 D．图丙中，条纹弯曲处对应着被检查的位置是凹陷的 BD　解析：干涉条纹是样板的下表面和被检查工件的上表面的反射光干涉形成的，A错误；如图丁所示，当稍向右移动图甲中的薄片时，A、B两点之间的距离增大，因为Δx＝λ，所以相当于双缝之间的距离d增大，条纹间距Δx变小，B正确；根据Δx＝λ可知，当换用频率更高的单色光照射时，波长λ变短，条纹间距Δx变小，C错误；如图戊所示，在A、B两点的光程差相等，经过A点的两列相干光产生的亮条纹与经过B点的两列相干光产生的亮条纹是同一条亮条纹，所以图丙条纹弯曲处对应着被检查的位置是凹陷的，D正确。 [练2] 关于薄膜干涉现象及其应用，下列图示及对应说法正确的是(　　) A．如图甲所示，竖直放置的肥皂薄膜，来自前后两个面的反射光发生干涉，形成明暗相间的竖直条纹 B．如图乙所示，照相机的镜头表面常常镀一层透光膜，膜的外表面和玻璃表面反射的光发生干涉，从而使镜头看起来有颜色，膜的厚度为光在膜中波长的 C．如图丙所示，利用光的干涉检查平整度，用单色光从上面照射，空气膜的上下两个表面反射的两列光波发生干涉，图中条纹弯曲说明此处是凹下的 D．如图丁所示，把一个凸透镜压在一块平面玻璃上，让单色光从上方射入，从上往下看凸透镜，可以看到等间距且明暗相间的圆环状条纹 C　解析：如图甲所示，竖直放置的肥皂薄膜，来自前后两个面的反射光发生干涉，由于同一水平线上的薄膜厚度近似相同，所以干涉后会产生水平的明暗条纹，A错误；如图乙所示，照相机的镜头表面常常镀一层透光膜，从薄膜前后两表面反射的光发生干涉使镜头看起来有颜色，但膜的厚度为光在膜中波长的，B错误；如图丙所示，利用光的干涉检查平整度，用单色光从上面照射，空气膜的上下两个表面反射的两列光波发生干涉，如果某处凹下去，则对应亮纹(或暗纹)提前出现，所以图中条纹弯曲说明此处是凹下的，C正确；如图丁所示，把一个凸透镜压在一块平面玻璃上，让单色光从上方射入，从上往下看凸透镜，由于凸透镜下表面是曲面，所以空气膜厚度越往外越厚，因而看到的明暗相间的圆环状条纹越往外越密，D错误。 被测平面凹下或凸起的形象判断法 “矮人行走法”：即把干涉条纹看成“矮人”的直立行走轨迹。让一个小矮人在两板间沿着一条条纹直立行走，始终保持脚踏被测板，头顶样板，在行走过程中： (1)若遇一凹下，他必向薄膜的尖端去绕，方可按上述要求过去，即条纹某处弯向薄膜尖端，该处为凹下。 (2)若遇一凸起，他必向薄膜的底部去绕，方可按上述要求过去，即条纹某处弯向薄膜底部，该处为凸起。 因此，条纹向薄膜尖端弯曲时，说明被测平面在此处下凹；反之，上凸。 探究点三　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) [练3] (生活情景)(2021·浙江诸暨中学高二月考)市场上有种灯具俗称“冷光灯”，用它照射物品时能使被照物品处产生的热效应大大降低，所以被广泛地应用于博物馆、商店等处。如图所示，这种灯降低热效应的原因之一，是其在灯泡后面放置的反光镜玻璃表面上镀了一层薄膜(例如氟化镁)，而这种膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的热效应最显著的红外线。以λ表示红外线的真空波长，且膜对该光的折射率n＝2，则所镀薄膜的最小厚度应为(　　) A．λ B．λ C．λ D．λ A　解析：由所学知识可知，为实现增透膜两个界面上的反射光相干涉后互相抵消的目的，薄膜厚度d可取的最小值，为红外线在其中传播时波长的。设红外线在薄膜中的波长为λ′，则此时有d＝，因为红外线在薄膜中的波长为λ′＝，联立解得d＝，再将折射率n＝2代入，得厚度d的最小值为＝λ，A正确。 [练4] (生活情景)(2021·江苏淮安高二期末)利用薄膜干涉可检查工件表面的平整度。如图甲所示，现使透明标准板M和待检工件N之间形成一楔形空气薄层，并用单色光照射，可观察到如图乙所示的干涉条纹，条纹的弯曲处P和Q分别对应于A和B处，则下列判断中正确的是(　　) A．N的上表面A处向上凸起 B．N的上表面B处向下凹陷 C．若减小薄片的厚度，则干涉条纹间距会减小 D．c、d两点对应处的空气薄膜厚度相同 D　解析： 薄膜干涉是等厚干涉，即同一条亮条纹处空气膜的厚度相同，由弯曲的条纹可知，A处检查平面左边处的空气膜厚度与后面的空气膜厚度相同，可知A处凹陷，B处 检查平面右边处的空气膜厚度与后面的空气膜厚度相同，可知B处凸起，A、B错误；减小薄片的厚度，即减小空气薄层的宽度，会导致同级的光程差的间距变大，则干涉条纹间距会增大，C错误；由图可知，c、d两点在同一条纹的同一边界处，则c、d两点对应处的空气薄膜厚度也相同，D正确。 [练5] (实验情景)(2021·福建龙岩高二期末)某同学用单色光进行双缝干涉实验时，在屏上观察到如图甲所示的条纹，仅改变一个实验条件后，又在屏上观察到如图乙所示的条纹。则他改变的实验条件可能是(　　) A．减小双缝之间的距离 B．增大光源与双缝的距离 C．减小双缝到光屏间的距离 D．换用频率更高的单色光源 A　解析：双缝干涉实验中两相邻亮条纹的间距为Δx＝λ，由题意可知，条纹间距Δx变大，可能是减小了双缝之间的距离d或增大了双缝到光屏间的距离L，A正确，C错误；条纹间距和光源与双缝的距离无必然关系，B错误；由λ＝可知，换用频率更高的单色光源，波长变短，条纹间距变小，D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $$