4.4光的干涉 课件-2025-2026学年高二上学期物理教科版（2019）选择性必修第一册

DISIZHANG 第四章 4　光的干涉 教学反思：平常班推条纹间距公式的时候可以快一点，顺畅一点，不然学生的畏难心理比较严重 1 光到底是什么？…………… 17世纪明确形成了两大对立学说 牛顿 惠更斯 微粒说 波动说 19世纪初证明了波动说的正确性 由于波动说没有数学基础以及牛顿的威望使得微粒说一直占上风 麦克斯韦：光是一种电磁波 17世纪指公元1601年1月1日至1700年12月31日的百年时段，中国经历了明朝和清朝的更替 微粒说：光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒流。能解释光的直线传播、反射和折射，但得出水中大于空气中光速的错误结论。 波动说：光是一种特殊弹性介质（以太）中传播的机械波，得出光在水中速度小于空气中速度结论。1850年傅科实验证实水中光速更小，因此19世纪波动学说战胜微粒说。 后来寻找“以太”的失败，量子理论产生。 双缝干涉 一 3 托马斯·杨 英国 1773—1829 屏 双缝 S1 S2 单色光 杨氏双缝干涉实验（侧视图） 实验结果 双缝干涉实验 图样特点： 明暗相间等间距的条纹 亮度从中间向两侧逐级递减 单缝到双缝一分为二；激光直接过双缝， 频率相同的两束光叠加，使某些区域的振动加强（形成亮条纹），某些区域的振动减弱（形成暗条纹），并且振动加强的区域和振动减弱的区域是相互隔开的。这种现象叫光的干涉，所形成的图样叫干涉图样。 为什么双缝干涉实验能证明光是一种波？ 干涉是波特有的现象 思考：为什么从未观察到教室里两盏相同的灯同时照明时出现干涉图样 光的干涉条件： 相干光源（振动方向相同、频率相等、相位差恒定的光源） 波的干涉是波的叠加的特殊情形，一切波都能发生干涉，反射、折射、干涉和衍射都是波的特有现象（包括机械波和电磁波）， 1.物理史实：1801年，英国物理学家__________成功地观察到了光的干涉现象，光的干涉现象充分表明光是一种____。 2.双缝干涉实验 (1)装置示意图 如图所示，由光源、单缝、双缝和光屏组成。 (2)实验过程：让一束平行的_________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______现象。 (3)实验现象：在屏上得到_________的条纹。 (4)实验结论：光是一种____。 托马斯·杨 波 完全相同 干涉 明暗相间 波 3.光的干涉的条件： (1)两列光的频率相同； (2)两列光的振动方向相同； (3)两列光的相位差恒定。 4.双缝干涉图样 如图所示，干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹。 思考：如何判断加强与减弱的位置？ 明条纹意味着两列光波在该位置加强，暗条纹意味着两列光波在该位置减弱 机械波的干涉知识回顾 S1、S2是同一种介质中两个振动情况完全一致的相干波源 现象判断法： 峰峰或谷谷相遇，振动加强； 峰谷相遇，振动减弱。 条件判断法： Δr＝|r2－r1|＝kλ(k＝0,1,2，…)时，振动加强； Δr＝|r2－r1|＝(2k＋1)λ/2(k＝0,1,2，…)时，振动减弱 振动方向相同、频率相等、相位差恒定两列波 S1 S2 d O P θ θ 如何通过计算判定明暗条纹位置 Ɩ ( ) 强基教材上有多种推导方法，小角近似。光程差表示出来，最终推出0级亮条纹 S1 S2 O ∆s=0， 加强，0级亮条纹 ∆s=λ， 加强，1级亮条纹 ∆s=λ， 加强，1级亮条纹 ∆s=nλ， 加强，n级亮条纹 ∆s=nλ， 加强，n级亮条纹 单色光干涉图样产生原因？ ∆s=λ， 减弱，1级暗条纹 ∆s=λ， 减弱，1级暗条纹 ∆s=(2n-1)λ，减弱，n级暗条纹 ∆s=(2n-1)λ，减弱，n级暗条纹 总结：频率相同、振动步调相同的两列光波产生亮、暗条纹的条件： (1)亮条纹的条件：屏上某点P到两狭缝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： 说明：k＝0时，PS1＝PS2，此时P点位于光屏上的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到两狭缝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…) 说明：k为暗条纹的级次，从第1级暗条纹开始向两侧展开。 S1 S2 O 相邻的两亮条纹间距为多少？相邻的两暗条纹间距为多少？ 中垂线 n级亮条纹 n+1级亮条纹 板书推导 6.影响双缝干涉条纹间距的因素 (1)由实验可知干涉条纹间距与光屏到双缝的距离l有关，l越大，条纹间距越大。 (2)与双缝间距d有关，d越大，条纹间距越小。 (3)与光的波长λ有关，λ越大，条纹间距越大。 思考：增大条纹间距的方法有哪些？ 思考：如果用白光做双缝干涉实验，会得到怎样的干涉条纹？为什么？ 保持L、d不变，用不同的单色光进行实验,红光的条纹间距最大，紫光的最小。 当用白光作为光源时，光屏上出现彩色的干涉条纹 1.明暗相间的彩色条纹； 2.中央为白色亮条纹； 3.干涉条纹是以中央亮纹为对称点排列的； 4.在每条彩色亮纹中红光总是在外侧，紫光在内侧。 　用如图所示的装置来观察光的双缝干涉现象时，以下推断正确的是 A.双缝干涉图样中亮条纹之间的距离相等， 暗条纹之间的距离不相等 B.若入射光是白光，则像屏上的条纹是黑 白相间的干涉条纹 C.像屏上某点到双缝的距离差为入射光波长的1.5倍时，该点处一定是亮 条纹 D.图中双缝屏的作用是使通过双缝的光形成两列相干光 例1 √ 单缝的目的：获得线光源 频率相同、振动步调总是相反的两列光波？ 1.托马斯·杨做实验时没有激光。他用强光照亮一条狭缝，通过这条狭缝的光再通过双缝，发生干涉。单缝、双缝分别起什么作用？ 答：光通过单缝获得一个线光源，再通过双缝可以获得两束振动情况一致的相干光。线光源是指发光部分可近似看作一条几何线的光源,由无数个点光源沿直线排列组成;单色光通过单缝后,因单缝宽度窄,光发生衍射,出射光仿佛从一条狭窄直线发出,故相当于线光源。线光源可保证光源的单色性和相干性。单色性意味着光源只发射一个波长的光线,而相干性则意味着光线的相位是相同的 2.频率相同、振动步调总是相反的两列光波到屏上某点的路程差Δs＝kλ时，此点出现什么条纹？ 　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的单色光垂直照射单缝，试分析判断P点应出现亮条纹还是暗条纹？分别为第几条亮条纹或暗条纹？(光在真空中的传播速度c＝3×108 m/s) 例2 答案　一级亮条纹 二级暗条纹 　(2023·眉山市高二期末)如图所示是双缝干涉实验的装置，黄光通过单缝S后，投射到具有双缝的挡板上，双缝S1和S2与单缝的距离相等，光通过双缝后在与双缝平行的屏上形成干涉条纹。屏上O点距双缝S1和S2的距离相等，P点是距离O点最近的第一条亮条纹。如果将入射的单色光换成红光或蓝光，屏上O点及其上方的干涉条纹的情况是 A.若入射单色光为蓝光，则O点是蓝光的亮条纹 B.若入射单色光为红光，则O点不是红光的亮条纹 C.若入射单色光为红光，则第一条亮条纹在P点的下方 D.若入射单色光为蓝光，则第一条亮条纹在P点的上方 例3 √ 　(1)若增大S1、S2两缝中心之间的距离，第一条亮条纹在P点的上方还是下方？ 拓展 答案　增大S1、S2两缝中心之间的距离，相邻两亮条纹的中心间距变小，因此第一条亮条纹在P点的下方。 (2)把光屏后移，第一条亮条纹在P点的上方还是下方？ 答案　把光屏后移，相邻两亮条纹的中心间距变大，第一条亮条纹在P点的上方。 薄膜干涉 二 20 单色光 反射光1 反射光2 d↑ ∆s不断增大 侧视图 由于重力原因 1.薄膜干涉中相干光的获得：光照射到薄膜上，在薄膜的前后两个面反射回来的两束光是相干光，它们相互叠加产生干涉。 2.薄膜干涉的原理：光照在厚度不同的薄膜上时，在薄膜的不同位置，前后两个面的反射光的路程差不同，在某些位置两 列波叠加后相互加强，于是出现亮条纹；在另一些 位置，两列波相遇后相互削弱，于是出现暗条纹。 梳理与总结 甲 　用单色光照射位于竖直平面内的肥皂液薄膜，所观察到的干涉条纹为 例4 √ 旋转90度后呢？图样不变，依旧出现平行于地面的彩色条纹，因为重力的因素不变。 3.薄膜干涉的应用 (1)检查平面平整度 如图乙所示，在利用薄膜干涉检查平面的平整度时，在被检查平面与透明样板间垫一个薄片，使其间形成一个楔形的空气薄层。 用单色光从上面照射，光线经空气薄膜的上、下两面的反射，得到两束相干光，如果被检测平面是光滑的，得到的干涉条纹是等间距的。如果被检测平面某处凹下，则对应条纹提前出现，如果某处凸起，则对应条纹延后出现。 板书画图 例题 在利用图乙装置检查平面的平整度时， (1)图丙为从上方看到的明暗相间的条纹，则P处对应的被检查平面______，Q处对应的被检查平面______(均选填“凹下”或“凸起”)。 (2)若仅增大单色光的频率，干涉条纹将_____；若仅减小薄片的厚度，干涉条纹将_____(选填“变密”或“变疏”)。 凹下 凸起 变密 变疏 　(多选)(2023·成都市高二月考)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)放在被检查工件上面，如图甲所示，在样板的左端垫薄片，使标准玻璃板与被检查工件平面之间形成一楔形空气膜。用平行单色光向下照射，检查不同平面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上表面的反 射光干涉形成的 B.当增加薄片厚度时，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.图丙条纹弯曲处对应着被检查平面处是凹陷的 例5 √ √ 反着放了 总结提升 1.由于薄膜干涉是经薄膜前、后表面反射的两束光叠加而形成的，所以观察时眼睛与光源应在膜的同一侧。 2.在光的薄膜干涉中，前、后表面反射光的路程差由膜的厚度决定，所以薄膜干涉中同一亮条纹或同一暗条纹应出现在厚度相同的地方，因此又叫等厚干涉。 单色光 反射光1 反射光2 d ∆s=2d ∆s=λ，即d=，加强，反射膜 ∆s=，即d=，减弱，增透膜 减小反射光强度、增加反射光强度 (2)增透膜 在增透膜的前、后表面反射的两列光波形成相干波，当路程差为半波长的奇数倍时，两光波相互削弱，反射光的能量几乎等于零。 (3)反射膜 均匀球面 非均匀球面 将一块半径很大的凸透镜与一块平板玻璃叠放在一起，二者之间便形成类似劈尖形的空气层。用单色平行光垂直照射，在空气层上表面两束反射光干涉，产生的干涉条纹称牛顿环。 内疏外密 同心圆 1.双缝干涉条纹间距公式不适用，关注变化快慢，光程差每增加一个波长，出现一级亮条纹。 2.牛顿环的间距是否相等？牛顿环实际上是等倾干涉条纹,越到凸透镜外缘斜率变化越大,于是条纹越密集 深度思考：牛顿环中心为什么是暗的？半波损失，高中不讲 |PS1－PS2|＝kλ＝2k·(k＝0,1,2,3…) Lavf58.29.100 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.49 当玻璃片表面镀上的透明薄膜厚度为入射光在薄膜中的波长的时，从介质薄膜前、后两个面反射的光的路程差为λ，两列光波相互加强，这就会增强反射光的强度，这样的膜叫反射膜。 $