4.4 光的干涉(Word教参)-【优化指导】2026-2027学年高中物理选择性必修第一册（教科版2019）

第4节　光的干涉 物理观念 科学探究 科学态度与责任 　　光的双缝干涉、薄膜干涉。 　　光的双缝干涉现象。 　　体会物理学的发展改变了人类对自然界的认识。 [对应学生用书P101] 一、光的双缝干涉 1．双缝干涉实验 (1)实验过程：让一束平行的单色光照射到有两条平行狭缝的挡板上，两狭缝相距很近，两狭缝相当于两个完全相同的光源，光在挡板后面的空间中会互相叠加而发生干涉现象。 (2)实验现象：在屏上得到明暗相间的条纹，且条纹间距相等。 2．干涉条件和干涉条纹 (1)干涉条件 两列光的频率相同、振动方向相同、相位差恒定。能发生干涉的两束光称为相干光。 (2)出现亮条纹的条件：光从两狭缝S1和S2到屏上某点P的路程差正好是波长的整数倍(即半波长的偶数倍)。 即|PS1－PS2|＝kλ＝2k·(k＝0，1，2，3，…) (3)出现暗条纹的条件：光从两狭缝S1和S2到屏上某点P的路程差正好是半波长的奇数倍。 即|PS1－PS2|＝(2k＋1)(k＝0，1，2，3，…) 3．物理意义 双缝干涉实验证明了光是一种波。 二、薄膜干涉 1．薄膜干涉中相干光的获得：单色光平行照射到薄膜上，由薄膜的前、后两个面分别反射回来，形成两列相干光。 2．薄膜干涉的原理：薄膜的厚度不均匀时，有些地方相互叠加的两束光是同相的，呈现亮条纹；有些地方相互叠加的两束光是反相的，呈现暗条纹。这样薄膜表面就出现了明暗相间的条纹或区域。 3．用途 (1)检查平面的平整程度 单色光在空气层的上、下两个表面发生反射，这两列光波发生干涉，在空气层厚度相同的地方，两列光波的路程差相同，其叠加时相互加强或削弱的情况也相同。如果被测表面是平整的，干涉条纹就是一组平行的直线；如果被测表面是不平整的，干涉条纹就会发生弯曲。 (2)增透膜 光在薄膜的前、后两个面上产生两列反射光，设增透膜的厚度为d，则两列反射光到某点的路程差为2d，控制d＝(λ为光在薄膜中的波长)，即2d＝(半波长的奇数倍)，则两列光相互抵消，从而减小反射光的强度。 1．光的双缝干涉示意图如图所示，图中的双缝起什么作用？ 提示：单色光平行照射到双缝上，一束光被分成两束频率相同和振动情况完全一致的相干光。 2．判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (1)用白光做双缝干涉实验时屏幕各处均是彩色条纹。(　　×　　) (2)频率不同的两列光波也能产生干涉现象，只是不稳定。(　　×　　) (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是光波长的整数倍时出现亮条纹。(　　√　　) (4)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是光波长的奇数倍时出现暗条纹。(　　×　　) [对应学生用书P103] 探究点一 双缝干涉图样的特点 图为双缝干涉的示意图，单缝发出的单色光投射到相距很近的两条狭缝S1和S2上，狭缝就成了两个波源，发出的光向右传播，观察后面的屏上的光的干涉情况。 [问题设计] (1)两条狭缝起什么作用？ (2)在屏上形成的光的干涉图样有什么特点？ 提示：(1)光线照到两狭缝上，两狭缝成为振动情况完全相同的光源。 (2)在屏上形成明暗相间、等间距的干涉条纹。 1．杨氏双缝干涉实验 (1)双缝干涉的装置示意图 实验装置如图所示，有光源、单缝、双缝和光屏。 (2)单缝的作用：获得一个线光源，使光源有唯一的频率和振动情况，也可用激光直接照射双缝。 (3)双缝的作用：将一束光分成两束频率相同且振动情况完全一致的相干光。 2．光产生干涉的条件 两束光的频率相同，相位差恒定，振动方向相同。杨氏双缝干涉实验是靠“一分为二”的方法获得两个相干光源的。 3．干涉图样 (1)单色光的干涉图样：干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹。 (2)白光的干涉图样：中央条纹是白色的，两侧干涉条纹是彩色条纹。 【例1】 用双缝干涉实验装置得到白光的干涉条纹，在光源与单缝之间加上红色滤光片后(　　) A．干涉条纹消失 B．彩色条纹中的红色条纹消失 C．中央条纹变成暗条纹 D．中央条纹变成红色 D　解析：在光源与单缝之间加上红色滤光片后，只能透过红光，屏上出现红光(单色光)的干涉条纹，中央条纹变成红色，D正确，A、B、C错误。 [练1] 在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏幕上观察到了彩色干涉条纹，若在双缝中的一缝前放一红色滤光片(只能透过红光)，另一缝前放一绿色滤光片(只能透过绿光)，已知红光与绿光的频率、波长均不相等，这时(　　) A．只有红色和绿色的双缝干涉条纹，其他颜色的双缝干涉条纹消失 B．红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其他颜色的干涉条纹依然存在 C．任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮 D．屏上无任何光亮 C　解析：分别用绿色滤光片和红色滤光片挡住两条缝后，红光和绿光频率不等，不能发生干涉，因此屏上不会出现干涉条纹，但仍有光亮，C正确，A、B、D错误。 探究点二 薄膜干涉的原理的应用 在酒精灯的灯芯上撒一些食盐，就能产生明亮的黄色灯焰。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。 [问题设计] 这个像与直接看到的灯焰有什么不同？如果用白光做实验情况又会如何？ 提示：灯焰的像由明暗相间的水平条纹组成。如果用白光做实验，肥皂膜上会出现彩色水平条纹。 1．形成原因 如图所示，照射到液膜上的光线从前、后两个表面反射回来，形成两列光波。由于这两列光波是由同一入射光波产生的，因此它们的频率相同，相位差恒定，满足干涉条件。 2．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。 (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)增透膜的原理 如图所示，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，两个表面反射的光互为反向，相互抵消，从而使反射的两列光波产生相消干涉，反射光的能量几乎等于零。一般取最小厚度d满足2d＝(此波长为光在该种介质中的波长)，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互抵消。 (2)增透膜的应用 为了减少光学装置中的反射光的损失，可在元件表面涂一层透明薄膜，一般是氟化镁。 【例2】 (2023·山东卷)一种干涉热膨胀仪原理图如图所示。G为标准石英环，C为待测柱形样品，C的上表面与上方标准平面石英板之间存在劈形空气层。用单色平行光垂直照射上方石英板，会形成干涉条纹。已知C的膨胀系数小于G的膨胀系数，当温度升高时，下列说法正确的是(　　) A．劈形空气层的厚度变大，条纹向左移动 B．劈形空气层的厚度变小，条纹向左移动 C．劈形空气层的厚度变大，条纹向右移动 D．劈形空气层的厚度变小，条纹向右移动 A　解析：由题知，C的膨胀系数小于G的膨胀系数，当温度升高时，G增长的高度大于C增长的高度，则劈形空气层的厚度变大，且同一厚度的空气膜向劈尖移动，则条纹向左移动，A正确。 [练2] (多选)如图甲所示，用单色光照射透明标准板M来检查平面N的上表面的平整情况，观察到的图像如图乙所示，这说明(　　) A．N的上表面A处向上凸起 B．N的上表面B处向上凸起 C．N的上表面A处向下凹陷 D．N的上表面B处向下凹陷 BC　解析：利用光的薄膜干涉来检查平面的情况，就是由标准样板平面和被检查平面间形成一个楔形的空气薄层，用单色光从上面照射，入射光在空气层的上、下表面反射形成的两列光波发生干涉。如果被检测的面是平的，那么空气层的厚度相同的各点的干涉条纹在一条直线上。若是被检测平面的某处凹陷，这时干涉条纹就不是直线，在凹陷处的干涉条纹将向楔形膜中薄的一侧弯曲，这是因为凹陷处的两束反射光的路程差变大，它只能与膜厚一些位置的两反射光的路程差相同而形成同一级的条纹(路程差相同的干涉条纹为同一级，一般路程差大的干涉条纹级别高，路程差小的干涉条纹级别低)，显然凹陷处的级别增大，将与膜厚一些位置的干涉条纹形成同一级别的条纹，B、C正确，A、D错误。 [对应学生用书P105] 1．在杨氏双缝干涉实验中，如果(　　) A．用白光作为光源，屏上将呈现黑白相间的条纹 B．用红光作为光源，屏上将呈现红黑相间的条纹 C．若仅将入射光由红光改为紫光，则条纹间距一定变大 D．用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上将呈现彩色干涉条纹 B　解析：用白光做杨氏双缝干涉实验，屏上将呈现彩色条纹，A错误；用红光作为光源，屏上将呈现红色亮条纹与暗条纹(即黑条纹)相间的条纹，B正确；若仅将入射光由红光改为紫光，波长变小，条纹间距变小，C错误；红光和紫光频率不同，不能产生干涉条纹，D错误。 2．双缝干涉实验中产生的条纹图样如图所示，甲图为用绿光进行实验的图样，乙图为换用另一种单色光进行实验的图样，下列说法正确的是(　　) A．乙图可能是用红光进行实验产生的条纹，表明红光波长较长 B．乙图可能是用紫光进行实验产生的条纹，表明紫光波长较长 C．乙图可能是用紫光进行实验产生的条纹，表明紫光波长较短 D．乙图可能是用红光进行实验产生的条纹，表明红光波长较短 A　解析：题图乙中的条纹的间距比题图甲中的大，故题图乙中所用光的波长较长，即比绿光的波长长。红光的波长比绿光的波长长，紫光的波长比绿光的波长短，A正确。 3．如图所示，用单色光做双缝干涉实验，P处为第二条暗条纹，若改用频率较低的单色光重做上述实验(其他条件不变，屏足够大)，则同侧第二条暗条纹(　　) A．仍在P处 B．在P点上方 C．在P点下方 D．要将屏向双缝方向移近一些才能看到 B　解析：由λ＝知，f变小，λ变大。若出现第二条暗条纹，则P到双缝的路程差Δx＝λ，当λ变大时，Δx也要变大，故第二条暗条纹的位置向上移，在P点上方，B正确。 4．有一个半径较大的透明玻璃球体，若截去其上面的一大部分，然后将这一部分放到标准的水平面上，再让单色光竖直射向截面，如图所示，在反射光中看到的是(　　) A．平行的明暗相间的干涉条纹 B．环形的明暗相间的干涉条纹 C．只能看到同颜色的平行反射光 D．一片黑暗 B　解析：薄膜干涉条纹可看作等厚线，题图中，厚度相同的空气薄膜应是以切点为圆心的一个个圆，故干涉条纹应是环形的条纹，又因为是用单色光照射，所以是明暗相间的环形条纹，故B正确，A、C、D错误。 5．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，若分别用频率为f1＝5.0×1014 Hz和f2＝7.5×1014 Hz的单色光垂直照射双缝，则P点出现亮、暗条纹的情况是(　　) A．用单色光f1和f2分别照射时，均出现亮条纹 B．用单色光f1和f2分别照射时，均出现暗条纹 C．用单色光f1照射时出现亮条纹，用单色光f2照射时出现暗条纹 D．用单色光f1照射时出现暗条纹，用单色光f2照射时出现亮条纹 C　解析：单色光f1的波长λ1＝＝ m＝0.6×10－6 m＝0.6 μm。单色光f2的波长λ2＝＝ m＝0.4×10－6 m＝0.4 μm。因P点到双缝的距离之差Δx＝0.6 μm＝λ1，所以用单色光f1照射时P点出现亮条纹。又Δx＝0.6 μm＝λ2，所以用单色光f2照射时P点出现暗条纹，C正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$