第4章 第3节 光的干涉-【创新教程】2025-2026学年高中物理选择性必修第一册五维课堂同步Word教案（人教版2019）

第3节　光的干涉 素养目标 知识图解 物理观念 了解光的干涉条纹形成原理，认识干涉条纹的特征 科学思维 学会观察实验，并能将观察到的现象与以前学过的机械波的干涉进行类比学习 科学探究 通过观察实验，培养学生对物理现象的观察、表述、概括能力 科学态度与责任 通过对干涉图样的观察，让学生在学习中体会物理知识之美 [基础梳理] [知识点一]　光的双缝干涉　 1．物理史实 1801年，英国物理学家　托马斯·杨　成功地观察到了光的干涉现象，开始让人们认识到光的波动性． 2．双缝干涉实验 (1)实验过程：让一束平行的　单色　光投射到一个有两条狭缝S1和S2的挡板上，两狭缝相距很近，两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，两个光源发出的光在挡板后面的空间互相叠加发生　干涉　. (2)实验现象：在屏上得到　明暗相间　的条纹． (3)实验结论：光是一种波． ①双缝干涉的条件必须有相干光源，且双缝间的距离必须很小． ②杨氏干涉实验采用将一束光一分为二的方法获得相干光源． 3．决定条纹明暗的条件 (1)当两个光源与屏上某点的距离之差等于波长λ的　整数　倍时，两列光波在这点相互加强，出现　明条纹　. (2)当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的　奇数　倍时，两列光波在这点相互减弱，出现　暗条纹　. 4．干涉条纹和光的波长之间的关系 (1)亮条纹中心的位置：x＝　nλ　(n＝0，±1，±2…) (2)相邻两条亮条纹或暗条纹的中心间距是： Δx＝　λ　. [知识点二]　薄膜干涉　 1．不同位置的液膜，厚度不同，因此在膜上不同的位置，一束自前后两个面的反射光的　路程差　不同．在某些位置，这两列波叠加后相互加强，出现了　亮　条纹；在另一位置，叠加后相互削弱，出现了　暗　条纹． 2．薄膜干涉在技术上的应用．可以在光学元件的表面镀一层特定厚度的薄膜，增加光的　透射　或者　反射　，还可以利用　薄膜干涉　的原理对镜面或其他精密的光学平面的平滑度进行检测． [自我检测] 1．思维辨析 (1)直接用强光照射双缝，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)用单色光作光源，干涉条纹是明暗相间的条纹．( √ ) (4)若用白光作光源，干涉条纹是明暗相间的条纹．( × ) 2．基础理解 (1)(多选)以下光源不可作为相干光源的是(　　) A．两个相同亮度的烛焰 B．双丝灯泡 C．出自一个光源的两束光 D．一束平行单色光经双缝后分为两束 解析：AB　[相干光的条件，必须是频率相同，相位差恒定．] (2)(多选)关于光的干涉，下列说法不正确的是(　　) A．只有频率相同的两列光波才能产生干涉 B．频率不同的两列光波也能产生干涉现象，只是不稳定 C．频率相同、振幅相同的两束光才能产生干涉 D．两个完全相同的相干光源做双缝干涉实验时，从两个狭缝到达屏上的路程差是光波长的整数倍时出现亮条纹 解析：BC　[发生干涉现象时两列光的频率必须相同，振幅不一定相同，选项A正确，C错误；频率不同不能产生干涉，而不是干涉不稳定，选项B错误；干涉发生时出现亮条纹的条件是路程差是波长的整数倍或者半波长的偶数倍，选项D正确．] 光的双缝干涉 ◆[探究导引] 为什么会出现双缝干涉现象？ 提示：灯泡发出的光经挡板上的双缝后形成两个波源，它们的频率、相位和振动方向总是相同的，这两个光源在空中的叠加区域出现振动加强和振动减弱交替分布的现象，这就是双缝干涉现象． ◆[探究归纳] 1．光的干涉现象 两列光波在空间相遇时发生叠加，在某些区域总加强，在另外一些区域总减弱，且加强区和减弱区相互间隔，从而出现明暗相间条纹的现象叫光的干涉现象． 2．干涉条件 两列光的频率相同，振动方向相同且相位差恒定．能发生干涉的两列波称为相干波，两个光源称为相干光源，相干光源通常可用同一束光分成两列而获得，称为分光法． 3．杨氏干涉实验法 利用如图所示装置，让一束平行的单色光(例如激光)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(约0.1 mm)．如果光是一种波，这样的两条狭缝即成为振动情况总相同的两个波源．两个波源发出来的光在挡板后面的空间相互叠加，观察到的现象：光在一些位置相互加强，在另一些位置相互减弱，在挡板后面的屏上得到明暗相间的条纹． 4．杨氏实验的意义：证明了光的确是一种波． [例1]　某同学利用如图所示实验观察光的干涉现象，其中A为单缝屏，B为双缝屏，C为光屏．当让一束阳光照射A屏时，C屏上并没有出现干涉条纹，移走B后，C上出现一窄亮斑．分析实验失败的原因可能是(　　) A．单缝S太窄 B．单缝S太宽 C．S到S1和S2距离不相等 D．阳光不能作为光源 [解析]　B　[双缝干涉中单缝的作用是获得线光源，而线光源可以看成是由许多个点光源沿一条线排列组成的，这里观察不到光的干涉现象是由于单缝太宽，得不到线光源．故选项B正确．] ◆[跟进训练] 1．如图所示是水面上两列频率相同的波在某时刻的叠加情况，以波源S1、S2为圆心的两组同心圆弧分别表示同一时刻两列波的波峰(实线)和波谷(虚线)．S1的振幅A1＝4 cm，S2的振幅A2＝3 cm，则下列说法正确的是(　　) A．质点D是振动减弱点 B．质点A、D在该时刻的高度差为14 cm C．再过半个周期，质点B、C是振动加强点 D．质点C的振幅为1 cm 答案：BD 干涉条纹和光的波长之间的关系 ◆[探究归纳] 1.亮暗纹的产生条件如图所示，S1、S2是两条狭缝，缝到屏的距离远大于两缝的间距，P是S1S2的中垂线与屏的交点．从S1和S2发出的两列波到达P点的路程差Δx＝0，因此两列波总是波峰(或波谷)同时到达P点，使P点的光波得到加强，形成中央亮条纹．由波动理论还可知，若两列光波到屏上某点的路程差Δx为波长λ的整数倍，这一点处也将出现亮纹；若路程差Δx为半波长的奇数倍，该点处就出现暗纹．即 Δx＝±nλ(n＝0,1,2，…)，出现亮纹； Δx＝±(2n＋1)(n＝0,1,2，…)，出现暗纹． 2．单色光的干涉图样特点 (1)中央出现的总为亮纹，两边则为明暗相间的条纹． (2)两相邻亮纹(或暗纹)间的距离相等，且波长越长，这个间距越大．因此，比较相邻亮(暗)纹的间距，红光的最大，紫光的最小． [例2]　在双缝干涉实验中，双缝到光屏上P点的距离之差为0.6 μm，若两次实验分别用频率为f1＝5.0×1014 Hz的单色光a和f2＝7.5×1014 Hz的单色光b进行实验，则P点出现明、暗条纹的情况是(　　) A．单色光a和b分别照射时，均出现明条纹 B．单色光a和b分别照射时，均出现暗条纹 C．单色光a照射时出现明条纹，单色光b照射时出现暗条纹 D．单色光a照射时出现暗条纹，单色光b照射时出现明条纹 思路点拨：解答本题的关键是理解干涉现象中产生明条纹与暗条纹的条件． [解析]　C　[根据λ＝，单色光a的波长λ1＝＝ m＝0.6×10－6 m＝0.60 μm；单色光b的波长λ2＝＝ m＝0.4×10－6 m＝0.40 μm.则Δx＝0.60 μm＝λ1，Δx＝0.60 μm＝λ2＝3×，可得出选项C正确．] [规律方法]　在双缝干涉实验中，判断光屏上某点是明条纹还是暗条纹，要看该点到两个光源(双缝)的路程差与波长的关系．光程差是波长的整数倍处出现明条纹；光程差是半波长的奇数倍处出现暗条纹． ◆[跟进训练] 2．如图所示，在杨氏双缝干涉实验中，激光的波长为7.30×10－7 m，屏上P点距双缝S1和S2的路程差为7.30×10－7 m．则在这里出现的应是　________　(选填“明条纹”或“暗条纹”)． 解析：屏上P点距双缝S1和S2的路程差为7.30×10－7 m，则n＝＝＝2，故在P点出现明条纹． 答案：明条纹 薄膜干涉 ◆[探究导引] 在日常生活中我们常常看到肥皂膜是彩色的，路面的油膜也经常呈现出彩色条纹，这些都是什么现象造成的？ 提示：这些都是薄膜干涉现象． ◆[探究归纳] 1．薄膜干涉现象 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，会发现像上有明暗相间的水平干涉条纹． 2．薄膜干涉的成因 如图所示，竖直放置的肥皂液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位置，从膜的前后表面反射的两列光波叠加．若两列波叠加后互相加强，则出现亮条纹；在另一些地方，叠加后互相减弱，则出现暗条纹．故在单色光照射下，就出现了明暗相间的干涉条纹；若在白光照射下，则出现彩色干涉条纹． 3．条纹是水平方向的． 4．光的波长(λ)与膜厚度d的关系 (1)明纹处薄膜的厚度为d，薄膜中光波的波光为λ，则 Δx1＝2d1＝nλ(n＝1,2,3…) 得d1＝n(n＝1,2,3…)． (2)暗纹处薄膜的厚度为d2，薄膜中光波的波长为λ，则 Δx2＝2d2＝(2n＋1)(n＝0,1,2,3…) 得d2＝(2n＋1)(n＝0,1,2,3…)． [例3]　(多选)如图所示，把一个表面是平面、下表面是凸面的凸透镜压在一块平面玻璃上，让单色光从上方垂直射入，从上往下看凸透镜，可以看到亮暗相间的圆环状条纹，则(　　) A．圆环状条纹是光在凸透镜上下两个玻璃表面的反射光的干涉造成的 B．圆环状条纹是平面玻璃和凸透镜之间的空气膜引起的薄膜干涉造成的 C．如果将凸透镜的凸面曲率半径增大而其他条件保持不变，则圆环状条纹的亮纹间距变大 D．如果改用波长更长的单色光照射而其他条件保持不变，则圆环状条纹的亮纹间距变小 [解析]　BC　[当单色光垂直照射到凸透镜上时，光的传播方向不变，而当光从玻璃射入空气时一部分光发生反射，另一部分光透射进入空气，当该部分光从空气进入下面的平面玻璃时又有一部分光发生反射，这样两列反射光是相干光，它们在凸透镜的下表面相遇，当这两列光的光程差为波长的整数倍时是亮条纹，当光程差为半个波长的奇数倍时是暗条纹，故出现亮暗相间的圆环状干涉条纹，A错误，B正确；若换一个曲率半径更大的凸透镜，相同位置处的空气层的厚度变小，所以观察到的圆环状条纹的亮纹间距变大，C正确；如果改用波长更长的单色光照射而其他条件保持不变，则观察到的圆环条纹的亮纹间距变大，D错误．] ◆[跟进训练] 3．如图所示是用干涉法检查某块厚玻璃板的上表面是否平整的装置，所用单色光是用普通光源通过滤光片产生的，检查中所观察到的干涉条纹是由下列哪两个表面反射的光波叠加而成的(　　) A．a的上表面和b的下表面 B．a的上表面和b的上表面 C．a的下表面和b的上表面 D．a的下表面和b的下表面 解析：C　[用干涉法检查玻璃板上表面的平整度的原理是利用单色光的薄膜干涉，这里的薄膜指的是样板与待测玻璃板之间的空气层．空气层的上和下表面分别反射的光会发生干涉，观察干涉形成的条纹是否为平行直线，可以判定厚玻璃板的上表面是否平整．故选项C正确．] ◆[课堂小结] [易错]　对干涉条件认识不清导致错误 [案例]　由两个不同光源所发出的两束白光落在同一点上，不会产生干涉现象．这是因为(　　) A．两个光源发出光的频率不同 B．两个光源发出光的强度不同 C．两个光源的光速不同 D．这两个光源是彼此独立的，不是相干光源 [错答]　A [错因分析]　对相干光源认识不清，误认为发生干涉的条件只有频率相同，因此不会产生干涉，即为频率不同． [正答]　D [解析]　题中两光源发出的光都是白光，频率不确定没法比较，选项A错误．光的强度对光是否产生干涉没有影响，所以选项B错误．光速在真空中是确定的，但它对光的干涉也没影响，选项C错误．题中是两个独立光源，二者产生的不是相干光源，选项D正确． [满分策略]　一般情况下，两个不同的光源发出的光或同一光源的不同部分发出的光振动情况往往不同，而点光源发出的光或经同一束光分出的两束光的振动情况是相同的． 附：教材问题解答： 1．教材第90页问题提示：这些彩色条纹是通过发生干涉产生的． 2．教材第92页“思考与讨论(1)”答案提示：能． 3．教材第92页“思考与讨论(2)”答案提示：不同颜色的光，波长不同，发生干涉后，条纹之间的距离不一样. [知识点一]　光的干涉现象 1．(多选)对两列光波在空中叠加，以下说法中正确的是(　　) A．不同的色光有可能发生干涉现象 B．不同的色光不可能发生干涉现象 C．光的强度不同有可能发生干涉现象 D．是否发生干涉现象与光的强度无关 解析：BCD　[两列光波叠加是否发生干涉现象关键看两列光波是否是相干光，即是否满足频率相同、相位差恒定的条件，不同的色光频率不同，所以不可能发生干涉现象，故B项正确；光的强度不同，但仍有可能满足相干条件，也就是有可能发生干涉现象，故选项C、D正确．] [知识点二]　干涉条纹与光的波长之间的关系 2．(多选)关于光的干涉，下列说法中正确的是(　　) A．在双缝干涉现象里，相邻两明条纹和相邻两暗条纹的间距是相等的 B．在双缝干涉现象里，入射光波长变短，相邻两个明条纹间距将变窄 C．只有频率相同的两列光波才能产生干涉 D．频率不同的光不可能叠加 解析：ABC　[在双缝干涉现象中，相邻两明条纹和相邻两暗条纹的间距是相等的，入射光的波长越长，相邻两个明条纹的间距越大；两列波产生干涉时，频率必须相同．任何两列光波都能叠加．] 3．如图所示，用一束平行的白光经图示装置垂直照到挡光板Q上，板上开两条靠得很近的平行狭缝S1、S2，在屏P上可以看到干涉条纹，O点是屏上到两狭缝距离相等的一点，则干涉条纹是　________　的，O点是　________　点． 解析：不同颜色的光波长不同，白色光含有不同颜色的光，各种色光形成的干涉条纹间距不同，故显示的条纹是彩色的．O到S1、S2的距离相同，所以各色光在此处均为亮纹． 答案：彩色　亮 [知识点三]　薄膜干涉 4．如图甲所示，把酒精灯放在肥皂液薄膜前，从薄膜上可看到明暗相间的条纹，能解释这一现象产生原因的是示意图乙中的(图中实线、虚线为光照射到薄膜上时，从膜的前后表面分别反射形成的两列波)(　　) 解析：C　[看到明暗条纹是膜前后表面分别反射形成的两列相干波发生干涉形成的，而肥皂膜中的液体在重力作用下导致从上至下的薄膜厚度不同，反射回来的两列波的同步性不同，明条纹是相干加强形成的，暗条纹是相干减弱形成的，C项正确．] 5．为了减少光在透镜表面由于反射带来的损失，可在透镜表面涂上一层增透膜，一般用折射率为1.38的氟化镁，为了使波长为5.52×10－7m的绿光在垂直表面入射时使反射光干涉相消，求所涂的这种增透膜的厚度． 解析：由于人眼对绿光最敏感，所以通常所用的光学仪器其镜头表面所涂的增透膜的厚度只使反射的绿光干涉相消，但薄膜的厚度不宜过大，只需使其厚度为绿光在膜中波长的，使绿光在增透膜的前后两个表面上的反射光互相抵消．而光从真空进入某种介质后，其波长会发生变化．若绿光在真空中波长为λ0，在增透膜中的波长为λ，由折射率与光速的关系和光速与波长及频率的关系得n＝＝，即λ＝，那么增透膜厚度h＝λ＝＝m＝1×10－7m. 答案：1×10－7m 学科网（北京）股份有限公司 $$