第4节 光的干涉（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册（粤教版2019）

第四节　光的干涉 核心素养导学 物理观念 知道光的干涉条件，知道双缝干涉和薄膜干涉现象。 科学思维 掌握双缝干涉条纹间距公式，知道影响条纹间距的因素，并能解释相关的物理现象。 科学探究 实验观察和探究双缝干涉。 1．光的双缝干涉现象：将一支激光笔发出的光照射在双缝上，双缝平行于屏，在屏上观察到了___________的条纹。 2．光产生干涉的条件：两列光波的______相同，相位差恒定，振动______相同，即光波为相干光波。 明暗相间 频率 方向 5．双缝干涉条纹特点 (1)不同颜色的光产生的双缝干涉条纹间距不同，光的波长越长，干涉条纹间距______。 (2)如果是复色光，在屏上除了与双缝对称的中线上是复色光，其余地方各种颜色的光将分开，从而呈现______。 二、薄膜干涉 1．薄膜干涉：由膜的前、后表面______回来的两组光波相遇后形成的。 2．应用：照相机的镜头上通过镀上增透膜产生干涉，增加_____，减少______。 越大 彩色 反射 透射 反射 1．如图为某单色光通过双缝在屏上产生的干涉图样，试结合该实验判断下列说法是否正确： (1)光的干涉现象说明光是一种波。 ( ) (2)如果两列光波到达某点时，路程差为波长的整数倍，这两列波互相加强， 在那里就出现亮条纹。 ( ) (3)光的干涉现象中，亮条纹是光波振动加强的区域。 ( ) (4)光波的波长λ越大，相邻两条纹间的距离越小。 ( ) (5)在干涉条纹中，相邻两条亮纹或暗纹之间的距离是相等的。 ( ) √ √ √ × √ 2．如图所示为一显示薄膜干涉现象的实验装置，P是附有肥皂膜的铁丝圈，S是一点燃的酒精灯。往火焰上撒些盐后，在肥皂膜上就会观察到干涉图样。 (1)观察者应该位于P的左侧还是右侧？ (2)观察者观察到的干涉条纹是竖直的还是水平的？ 提示：(1)观察者应该位于P的右侧进行观察。(2)干涉条纹是水平的。 新知学习(一)|光的双缝干涉 [任务驱动] 如图所示，灯泡发出的光经挡板上的双缝后在屏上形成明 暗相间的条纹，请问是什么现象？ 提示：是光的双缝干涉现象。灯泡发出的光经挡板上的双缝后形成两个光源，它们的频率、相位总是相同的，这两个光源在空中的叠加区域出现加强和减弱交替分布的现象，从而在屏上形成明暗相间的条纹。　　　　 3．白光的干涉图样 若用白光作光源，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外形成亮条纹，从而复合成白色条纹。 (2)两侧条纹间距与各色光的波长成正比，即红光的亮条纹间距宽度最大，紫光的亮条纹间距宽度最小，即除中央条纹以外的其他条纹不能完全重合，这样便形成了彩色干涉条纹。 [典例体验] [典例]　 如图所示，在杨氏双缝干涉实验中，用波长为5.30× 10－7m的激光，屏上P点距双缝S1和S2的路程差为7.95×10－7m，则 在这里出现的应是________(选填“亮条纹”或“暗条纹”)。现改用波长为6.30×10－7 m的激光进行上述实验，保持其他条件不变，则屏上的条纹间距将________(选填“变宽”“变窄”或“不变”)。 [答案]　暗条纹　变宽 /方法技巧/ 双缝干涉实验中明暗条纹的判断方法 (1)判断屏上某点为亮条纹还是暗条纹，要看该点到两个光源(双缝)的路程差(光程差)与波长的比值。 (2)要记住光程差等于波长的整数倍处出现亮条纹，等于半波长奇数倍处为暗条纹。 (3)还要注意这一结论成立的条件是两个光源情况完全相同。 [针对训练] 1．关于双缝干涉实验，下列说法正确的是(　 ) A．用复色光投射就看不到条纹 B．明暗相间条纹是两列光在屏上叠加的结果 C．把光屏前移或后移，不能看到明暗相间条纹 D．蓝光干涉条纹的间距比红光的大 答案：B　 答案：A　 新知学习(二)|薄膜干涉的理解和应用 [任务驱动] 如图所示，一铁丝环中有肥皂液膜，当日光照射肥皂液膜时会 出现彩色条纹。请分析原因。 提示：来自肥皂膜前、后表面的反射光发生干涉出现条纹，由于肥皂液膜上面薄、下面厚，不同颜色的光波长不同，因此发生干涉的明暗条纹的位置不同，出现的条纹为彩色条纹。　　　 15 2．竖放肥皂液膜的干涉现象 (1)白光照射图样是彩色的 如图所示，竖直放置的肥皂液膜，因重 力的作用，上面薄、下面厚，由于不同颜色的光的波长不同， 从前、后两个表面反射的光，在不同的位置被加强，换句话说， 不同颜色的光对应亮条纹的位置不同，不能完全重合，因此看起来是彩色的。 (2)条纹是水平方向的 因为在同一水平高度处，薄膜的厚度相同，从前、后两表面反射的光的路程差均相同，如果此时两反射光互相加强，则此高度水平方向各处均加强，因此，明暗相间的干涉条纹应为水平方向的。 (3)观察薄膜干涉，应从光源这一侧观察。 3．用干涉法检查平面平整度 如图甲所示，两板之间形成一层空气膜，用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。 [典例体验] [典例]　 (多选)肥皂膜的干涉条纹如图所示，条纹间距上 面宽、下面窄。下列说法正确的是 (　 ) A．过肥皂膜最高和最低点的截面一定不是梯形 B．肥皂膜上的条纹是前后表面反射光形成的干涉条纹 C．肥皂膜从形成到破裂，条纹的宽度和间距不会发生变化 D．将肥皂膜外金属环左侧的把柄向上转动90°，条纹也会跟着转动90° [解析]　肥皂膜因为自重会上面薄而下面厚，因表面张力的原因其截面应是一个圆滑的曲面而不是梯形，A正确；薄膜干涉是等厚干涉，其原因为肥皂膜上的条纹是前后表面反射光形成的干涉条纹，B正确；形成条纹的原因是前后表面的反射光叠加出现了振动加强点和振动减弱点，肥皂膜从形成到破裂的过程上面越来越薄，下面越来越厚，因此出现加强点和减弱点的位置发生了变化，条纹宽度和间距发生变化，C错误；将肥皂膜外金属环左侧的把柄向上转动90°，由于重力，表面张力和粘滞力等的作用，肥皂膜的形状和厚度会重新分布，因此并不会跟着旋转90°，D错误。 [答案]　AB [针对训练] 1．铁丝圈上附有肥皂膜，竖直放置时，肥皂膜上的彩色条纹上疏下密，由此推测肥皂膜前后两个面的侧视形状应当是 (　 ) 解析：薄膜干涉为前后两个面反射回来的光发生干涉形成干涉条纹，在入射光为复色光时，出现彩色条纹，由于重力作用，肥皂膜前后表面的厚度从上到下逐渐增大，由于干涉条纹的间距上疏下密，故越向下肥皂膜厚度变化越来越大，故C正确，A、B、D错误。 答案：C　 2．如图所示，把一平凸透镜置于一平板玻璃上方，如果用平行单色光 垂直照射到平凸透镜上，顺着平行光入射的方向观测可看到透镜中 央出现明暗相间的条纹，这种现象最早是牛顿发现的，因此称为牛 顿环。以下说法正确的是 (　 ) A．牛顿环是光的衍射现象 B．牛顿环是明暗相间、半径均匀增大的同心圆条纹 C．若在透镜AB面施加向下的微小压力，则可看到同心圆向外扩展 D．若在C处不小心沾上了灰尘，明暗相间的同心圆条纹排列将比没有灰尘时疏 解析：空气薄层是两个反射面，两束光在圆弧面与平面反射形成牛顿环，干涉条纹的间距不是均匀增加，而是随着空气薄层的厚度越向外增加得越快，所以干涉条纹不是疏密均匀的同心圆，故A、B错误；若在透镜AB面上施加向下的微小压力，满足产生这一亮条纹的厚度向外移，即亮环向远离圆心的方向平移，则可看到同心圆向外扩展，故C正确； 若在C处不小心沾上了灰尘，空气膜厚度并未发生改变，明暗相间的同心圆条纹排列不变，故D错误。 答案：C 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——三种干涉条纹的比较 1．(选自鲁科版新教材“物理聊吧”)同一实验装置，用不同的色光来做双缝干涉实验，所产生的干涉条纹是不同的。下图是由三种色光产生的干涉条纹，请比较它们有什么异同，并说明原因。 科学探究——用肥皂膜做薄膜干涉实验 2．(选自人教版新教材“做一做”) 在酒精灯的灯芯上撒一些食 盐，灯焰就能发出明亮的黄光。把铁丝圈在肥皂水中蘸一下， 让它挂上一层薄薄的液膜。把这层液膜当作一个平面镜，用它 观察灯焰的像(如图所示)。 这个像与直接看到的灯焰有什么不同？ 提示：在液膜上看到了的是明暗相间水平的干涉条纹。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 解析：题述现象是由于光的干涉造成的，彩虹的形成原理主要为光的折射，题述现象与彩虹的形成原理不相同，故A错误；硅片呈现深紫色的原因是薄膜的厚度正好使紫光在薄膜上下表面的反射光发生干涉，振动加强，故B错误，C正确；根据光的干涉中相互加强的条件，可知当薄膜的厚度发生变化时，满足加强条件的波长也会发生改变，导致硅片呈现不同的颜色，故D错误。 答案：C　 答案：B　 3．如图所示，由波长为λ1和λ2的单色光组成的一束复色 光，经半反半透镜后分成透射光和反射光。透射光 经扩束器后垂直照射到双缝上并在屏上形成干涉 条纹。O是两单色光中央亮条纹的中心位置，P1和 P2分别是波长为λ1和λ2的光形成的距离O点最近的亮条纹中心位置。反射光入射到三棱镜一侧面上，从另一侧面M和N位置出射，则 (　 ) A．λ1<λ2，M是波长为λ1的光出射位置 B．λ1<λ2，N是波长为λ1的光出射位置 C．λ1>λ2，M是波长为λ1的光出射位置 D．λ1>λ2，N是波长为λ1的光出射位置 答案：D 3．产生明暗条纹的条件 (1)两列相干光波到达明条纹的位置的路程差Δr是波长的整数倍，即满足：Δr＝kλ，k＝0，±1，±2，… (2)两列相干光波到达暗条纹的位置的路程差Δr是半波长的奇数倍，即满足：Δr＝(2k＋1)，k＝0，±1，±2，… (3)若两列相干光在绝对折射率为n的介质中传播，则两列相干光到达明(暗)干涉条纹处的路径与绝对折射率的乘积的差值叫作光程差。 4．双缝干涉条纹间距公式：相邻明条纹(或暗条纹)间的距离Δx＝λ，其中观察屏到双缝挡板的距离为L，双缝之间的距离为d，光的波长为λ。 [重点释解] 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的振动的叠加，如亮条纹处某点同时参与的两个振动步调总是一致，即振动方向总是相同；暗条纹处振动步调总相反。具体产生亮、暗条纹的条件为： (1)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)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。 2．单色光的干涉图样 若用单色光作光源，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，两相邻亮条纹(或暗条纹)间距离与光的波长有关，波长越大，条纹间距越大。 [解析]　屏上P点距双缝S1和S2的路程差为7.95×10－7 m，则n＝＝＝3,3是奇数，故在P点出现暗条纹。根据Δx＝λ知，波长变大，则条纹间距变宽。 解析：用复色光投射同样能看到条纹，A错误；双缝干涉实验中，明暗相间条纹是两列光在屏上叠加的结果，B正确；由条纹间距公式Δx＝λ知，把光屏前移或后移，改变了L，从而改变了条纹间距，但还可能看到明暗相间条纹，C错误；由条纹间距公式Δx＝λ，且λ蓝<λ红，可知蓝光干涉条纹的间距比红光的小，D错误。 2．在图示的双缝干涉实验中，光源S到缝S1、S2距离相等，P0为S1S2连线中垂线与光屏的交点。用波长为400 nm的光实验时，光屏中央P0处呈现中央亮条纹(记为第0条亮条纹)，P处呈现第3条亮条纹。当改用波长为600 nm的光实验时，P处将呈现 (　 ) A．第2条亮条纹 B．第3条亮条纹 C．第2条暗条纹 D．第3条暗条纹 解析：由Δl＝×3×2可得Δl＝3λ1＝1 200 nm，所以Δl＝nλ2＝2×600 nm，P处将呈现第2条亮条纹，选项A正确。 [重点释解] 1．薄膜干涉的成因 (1)由薄膜的前、后表面的反射光叠加而形成明暗相间的条纹。 (2)如果膜的厚度为h，折射率为n，入射光在空气中的波长为λ，前、后表面的反射光的路程差为2h。若满足2h为膜中波长的整数倍时，该处出现亮条纹；若满足2h为膜中半波长的奇数倍时，该处出现暗条纹。 (3)若换用白光，将得到彩色条纹。 4．增透膜 (1)为了减少光学装置中的反射光的能量损失，可在元件表面涂一层透明薄膜，一般是氟化镁。 (2)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零。增透膜厚度d＝(k＝0,1,2,3，…)，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一定波长的光相消。 (4)因为人对绿光最敏感，一般选择对绿光起增透作用的膜，所以在反射光中绿光强度几乎为零，而其他波长的光并没有完全抵消，所以增透膜呈现淡紫色。 提示：相同点：相邻两亮条纹或暗条纹间距相等。 不同点：不同色光的干涉条纹间距不同，红光间距大，蓝光间距小，白光是复色光，其中不同的波长的单色光条纹之间的距离不同，所以白光呈现彩色条纹。 原因：同一实验装置，双缝间距d及屏到双缝的距离l相同，不同色光的波长λ不同，由Δx＝λ可知，相邻两亮条纹或暗条纹间距不同，红光波长大，条纹间距大。 1．(2023·河北高考)制造某型芯片所使用的银灰色硅片覆上一层厚度均匀的无色透明薄膜后，在自然光照射下硅片呈现深紫色。关于此现象，下列说法正确的是(　 ) A．上述现象与彩虹的形成原理相同 B．光在薄膜的下表面发生了全反射 C．薄膜上下表面的反射光发生了干涉 D．薄膜厚度发生变化，硅片总呈现深紫色 2．激光散斑测速是一种崭新的测速技术，它应用了光的干涉原理。用二次曝光照相所获得的“散斑对”相对于双缝干涉实验中的双缝，待测物体的速度v与二次曝光时间间隔Δt的乘积等于双缝间距。实验中可测得二次曝光时间间隔Δt、双缝到屏的距离l以及相邻两条亮纹间距Δx。若所用激光波长为λ，则该实验确定物体运动速度的表达式是 (　 ) A．v＝ B．v＝ C．v＝ D．v＝ 解析：根据题目条件，vΔt相当于双缝间距，即d＝vΔt，由Δx＝λ知：v＝，故B正确。 解析：由双缝干涉条纹间距的公式Δx＝可知，当两种色光通过同一双缝干涉装置时，波长越长条纹间距越宽，由屏上亮条纹的位置可知λ1>λ2，反射光经过三棱镜后分成两束色光，由题图可知入射时M光的折射角小，又由折射定律可知，入射角相同时，折射率越大的色光折射角越小，由于λ1>λ2，则n1<n2，所以N是波长为λ1的光出射位置，故D正确，A、B、C错误。 $$