第5章 第1节 光的干涉-【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册教用Word(鲁科版)

第1节　光的干涉 1．知道光的干涉现象，掌握光的干涉条件，知道光是一种波。　2.理解杨氏双缝干涉实验亮暗条纹产生的条件。　3.了解薄膜干涉现象，并了解薄膜干涉的应用。　 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。干涉是波____________的一种现象，光具有____________的特性。 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____________和____________________，还要满足相位差____________________________________________________。 3．物理史实：英国物理学家______________首次在实验室成功进行了光的干涉实验。即著名的_____________________________________________。 二、光的双缝干涉公式 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，在那里就出现亮条纹。 2．暗条纹的条件：光波到达某点时，若路程差Δr为____________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____________的距离，l为____________的距离。 三、薄膜干涉及其应用 1．薄膜干涉现象：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____________光的____________差不同，在某些位置两列波叠加后相互加强，于是出现____________；在另一些位置，两列波相遇后被相互削弱，于是出现__________。这类由薄膜两个面反射的光波相遇而产生的干涉现象称为薄膜干涉。 2．薄膜干涉的条纹：用单色光照射得到____________的条纹，用白光照射得到__________________________________________条纹。 3．薄膜干涉的应用 (1)用干涉法检查平面的_________________________________。 (2)光学仪器上的________________________________。 判断下列说法是否正确。 (1)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。(　　) (2)在干涉条纹中，相邻两条亮纹或暗纹之间的距离是相等的。(　　) (3)薄膜干涉是通过两个表面折射的光线产生的。(　　) (4)若用白光作光源，干涉条纹是明暗相间的条纹。(　　) (5)当两光源与屏上某点的距离之差等于半波长的偶数倍时出现亮条纹。(　　) (6)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。(　　) 提示：(1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)√　(6)× [答案自填] 特有　波　频率　振动方向　恒定　托马斯·杨　杨氏双缝干涉实验　半个波长　双缝间　双缝到光屏　反射　路程　亮条纹　暗条纹　明暗相间　彩色　平整度 增透膜 知识点一　光的双缝干涉现象 1．干涉条件 两列光的频率相同、振动方向相同和相位差恒定这三个条件称为光的相干条件。符合这三个条件的光源称为相干光源，相干光源可用同一束光分成两列来获得。 2．托马斯·杨的双缝干涉实验 (1)双缝干涉的装置示意图(如图所示)，有光源、单缝、双缝和光屏。 (2)单缝屏的作用 获得一个线光源，使光源有唯一的频率和振动情况，如果用激光直接照射双缝，可省去单缝屏。杨氏那时没有激光，因此他用强光照射一条狭缝，通过这条狭缝的光再通过双缝产生相干光。 (3)双缝屏的作用 平行光照射到单缝S上，又照射到双缝S1、S2上，这样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。 3．干涉图样 若用单色光作为光源，则干涉条纹是明暗相间的条纹，且条纹间距相等。 若用白光作为光源，则干涉条纹是彩色条纹，且中央条纹是白色的。 4．研究表明，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。 角度1　单色光的干涉 图甲为双缝干涉实验的装置示意图。图乙为用绿光进行实验时，在屏上观察到的条纹情况，a为中央亮条纹，图丙为换用另一颜色的单色光做实验时观察到的条纹情况，a′为中央亮条纹。若已知红光、绿光和紫光的波长大小关系为红光的波长最长，紫光的波长最短。则以下说法正确的是(　　) A．图丙可能为用红光实验产生的条纹，表明红光波长较长 B．图丙可能为用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较长 C．图丙可能为用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较短 D．图丙可能为用红光实验产生的条纹，表明红光波长较短 [解析]　根据双缝干涉图样的特点，入射光的波长越长，同一装置产生的双缝干涉图样中条纹的间距就越大。 由本题的条件可确定另一种颜色的单色光比绿光的波长长，A正确，B、C、D错误。 [答案]　A 角度2　复色光的干涉 在光的双缝干涉现象里，下列描述正确的是(　　) A．用白光做光的干涉实验时，偏离中央亮条纹较远的是波长较长的红光 B.用白光做光的干涉实验时，偏离中央亮条纹较远的是波长较短的紫光 C．相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是不等的 D．在双缝干涉现象里，把入射光由红光换成紫光，相邻两个亮条纹间距将变宽 [解析]　条纹间距与光的波长成正比，在可见光中，红光波长最长，紫光波长最短，故偏离中央亮条纹最远的是红光，A正确，B错误；双缝干涉现象中，相邻两亮条纹或两暗条纹是等间距的，C错误；红光的波长比紫光的波长长，所以换成紫光后，相邻两亮条纹间距将变窄，D错误。 [答案]　A 知识点二　屏上出现明条纹和暗条纹的判断 1．两相邻亮条纹(或暗条纹)间距离与光的波长有关，波长越长，条纹间距越大。 2．亮、暗条纹的判断 如图所示，设屏上的一点P到双缝的距离分别为r1和r2，路程差Δr＝r2－r1。 (1)若满足路程差为波长的整数倍，即Δr＝kλ(其中k＝0，1，2，3…)，则P处出现亮条纹。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)若满足路程差为半波长的奇数倍，即Δr＝λ(其中k＝1，2，3…)，则P处出现暗条纹，k为暗条纹的级次，从第1级暗条纹开始向两侧展开。 (2024·广东佛山统考期末)某同学用三根黑色的细塑料条制成一个如图甲所示的简易的双缝，用激光笔射出的激光穿过双缝到达平整的墙面，在墙面上呈现出如图乙中所示的明暗相间的条纹，下列相关说法正确的是(　　) A．仅增大墙面与双缝的距离，条纹间距变小 B．仅增大激光笔与双缝的距离，条纹间距变大 C．仅减小双缝间距，条纹间距变大 D．条纹间距与所使用的激光颜色无关 [解析]　根据条纹间距表达式Δx＝λ，可知仅增大墙面与双缝的距离l，条纹间距变大，A错误；仅增大激光笔与双缝的距离，条纹间距不变，B错误；仅减小双缝间距d，条纹间距变大，C正确；条纹间距与所使用的激光的波长有关，即与激光的颜色有关，D错误。 [答案]　C 在双缝干涉实验中，若双缝处的两束光的频率均为6×1014 Hz，两光源S1、S2的振动情况恰好相反，光屏上的P点到S1与到S2的路程差为3×10－6 m，如图所示，则： (1)P点是亮条纹还是暗条纹？ (2)设O为到S1、S2路程相等的点，则P、O间还有几条亮条纹，几条暗条纹？(不包括O、P两处的条纹) [解析]　(1)光的波长为 λ＝＝ m＝5.0×10－7 m 路程差为Δr＝3×10－6 m n＝＝＝6 由于两光源的振动情况恰好相反，所以P点出现暗条纹。 (2)O点的路程差为0，也是暗条纹，OP间还有5条暗条纹，6条亮条纹。 [答案]　(1)暗条纹　(2)5条暗条纹，6条亮条纹 知识点三　薄膜干涉及其应用 1．薄膜干涉的成因 如图所示，竖直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用使下面厚、上面薄，因此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，若两列波叠加后互相加强，则出现亮纹；在另一些地方，叠加后互相减弱，则出现暗纹。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。 2．薄膜干涉的应用 (1)检查平面的平整程度 如图所示，被检查平面B与标准样板A之间形成了一个楔形的空气薄膜，用单色光照射，入射光从空气膜的上、下表面反射出两列光波，形成干涉条纹。被检查平面若是平的，空气膜厚度相同的各点就位于一条直线上，干涉条纹平行；若被检查表面某些地方不平，那里空气膜产生的干涉条纹将发生弯曲。 (2)光学镜头上的增透膜 光学镜头表面常常镀一层透光的膜称为增透膜。因增透膜的厚度为入射光在薄膜中波长的，从介质膜前后两个面反射的光的路程差为，所以两列光波相互削弱，使反射光的强度大大降低，透射光的强度得到加强。 角度1　薄膜干涉的分析 (2024·江苏扬州统考期末)阳光下，观察到水面上的油膜呈现彩色，这种现象是(　　) A．光的折射　　　　 　 B．光的衍射 C．光的干涉 D．光的偏振 [解析]　阳光下，观察到水面上的油膜呈现彩色，这种现象是薄膜干涉，属于光的干涉，故C符合题意。 [答案]　C 劈尖干涉是一种薄膜干涉，如图所示。将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜，当光从上方入射后，从上往下看到的干涉条纹有如下特点： (1)任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等； (2)任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定。 现若在如图所示装置中抽去一张纸片，则当光入射到劈形空气薄膜后，从上往下可以观察到干涉条纹发生了怎样的变化？ [解析]　光线在空气膜的上、下表面处反射，并发生干涉，从而形成干涉条纹。设空气膜顶角为θ，Δl为两相邻亮条纹的间距，如图所示，两处光的路程差分别为δ1＝2d1，δ2＝2d2 因为δ2－δ1＝λ，所以d2－d1＝ 由几何关系可得＝tan θ，即Δl＝ 当抽去一张纸片时，θ减小，Δl增大，即条纹变疏。 [答案]　见解析 角度2　薄膜干涉的应用 劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图甲所示。 将单色红光从上方射入，俯视可以看到图乙所示的条纹，利用此装置可以检查工件的平整度，下列说法正确的是(　　) A．图乙中条纹弯曲处表明被检查的平面在此处是凹的 B．若用单色紫光从上方射入，条纹变疏 C．若装置中抽去一张纸片，条纹变密 D．若装置中抽去一张纸片，条纹向左移动 [解析]　题图乙中条纹弯曲处表明左侧空气膜厚度与右侧一致，说明此处是凹的，故A正确；从空气膜的上、下表面分别反射的两列光是相干光，其光程差Δx＝2d，即光程差为空气层厚度的2倍，当光程差Δx＝2d＝nλ时此处表现为亮条纹，故相邻亮条纹之间的空气层的厚度差为λ ，若把红光换成紫光，波长变短，相邻亮条纹(或暗条纹)之间的距离变小，干涉条纹间距变小，条纹变密，故B错误；抽去一张纸片后空气层的倾角变小，故相邻亮条纹(或暗条纹)之间的距离变大，干涉条纹间距变大，条纹变疏，条纹向右移动，C、D错误。 [答案]　A 1．(双缝干涉图样)(2024·广东茂名统考期末)某同学用单色光做双缝干涉实验时，观察到条纹如甲图所示，改变一个实验条件后，观察到的条纹如乙图所示。他改变的实验条件可能是(　　) A.增大了单色光的波长 B．减小了双缝之间的距离 C．减小了光源到单缝的距离 D．减小了双缝到光屏之间的距离 解析：选D。由Δy＝λ，可得要想减小条纹间距，需要减小单色光的波长或增大双缝之间的距离或减小双缝到光屏之间的距离，故D符合题意。 2．(明条纹和暗条纹的判断)(多选)双缝干涉实验中，下列说法正确的有(n为自然数，λ为光波波长)(　　) A.在与双缝的距离之差相等的点形成暗条纹 B．在与双缝的距离之差为nλ的点形成亮条纹 C．在与双缝的距离之差为n的点形成亮条纹 D．在与双缝的距离之差为(n＋)λ的点形成暗条纹 解析：选BD。在双缝干涉实验中，当某处与双缝距离之差Δr为波长的整数倍，即Δr＝nλ(n＝0，1，2…)时，这点为振动加强点，该处出现亮条纹；当Δr为半波长的奇数倍，即Δr＝(2n＋1)(n＝0，1，2…)时，这点为振动减弱点，该处出现暗条纹。 3．(薄膜干涉)(2024·江苏常州高级中学校考期末)把一个凸透镜压在一块平面玻璃上(如图甲)，在透镜的下表面和平面玻璃的上表面之间形成一个很薄的圆形狭缝层。让单色光从上方射入(示意图如图乙，其中R为凸透镜的半径)，从上往下看凸透镜，可以观察到环状圆形条纹，这些条纹叫作牛顿环，则下列说法正确的是(　　) A．牛顿环是由凸透镜上、下两表面的反射光叠加产生的 B．凸透镜的半径越大，条纹越疏 C．离中心越远，条纹间距越大 D．若条纹不圆，则一定是同一条亮纹正下方的狭缝层厚度不同 解析：选B。牛顿环是两个玻璃表面之间的空气膜上下表面反射的两列光引起的薄膜干涉造成的，故A错误；凸透镜的半径越大，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间距越大，条纹越疏，故B正确；圆环状条纹的间距不相等，从中心向外条纹越来越密集，条纹间距越小，故C错误；若条纹不圆，不一定是同一条亮纹正下方的狭缝层厚度不同，也可能是凸透镜不规则导致光程差不等，故D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $