第4章 第4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(教科版)

第4节　光的干涉 1．知道光的干涉现象和干涉条件，并能从光的干涉现象中说明光是一种波。　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、双缝干涉 1．物理史实：1801年，英国物理学家托马斯·杨在实验室里成功地观察到了光的干涉现象。 2．如图甲所示，红色激光束垂直射到两条狭缝S1和S2时，S1和S2就相当于两个完全相同的光源。如果光是一种波，则从S1和S2发出的光在挡板后面的空间中就会叠加而发生干涉现象：光在一些地方互相加强，在另一些地方互相削弱，在屏幕上就能看到________________的条纹。实验中，我们果然在两个狭缝后的屏幕上看到了______________的条纹，且条纹间距____________，这表明两束光在叠加区域内发生了__________。 3．图乙中的O点，与狭缝S1和S2的距离相等，从S1和S2到O点，两列光波经过的路程相等，由于S1和S2两个光源的光相位相同，因此在O点总是波峰与波峰叠加，波谷与波谷叠加，在O点出现的是____________。 4．当光从两狭缝到屏上某点的路程差为半波长的偶数倍(即波长λ的整数倍)时，这些点出现____________；当路程差为半波长的奇数倍时，这些点出现____________。 5．光干涉的必要条件是两列光的________相同。能发生干涉的两束光称为___________________________________________。 光的干涉现象充分表明光是______________。 二、薄膜干涉 1．薄膜干涉的原理：单色光平行入射到肥皂泡液薄膜上，由液膜前后两个表面________回来的两束光是__________，它们相互叠加产生________。液膜的厚度不均匀，有些地方相互叠加的两束光是同相的，呈现__________；有些地方相互叠加的两束光是反相的，呈现__________。这样肥皂泡表面就出现了__________的条纹或区域。 2．薄膜干涉条纹 用不同波长的单色光照射肥皂泡，条纹的间距________，如果用白光照射肥皂泡，由于各色光干涉后的条纹间距________，液膜上就会出现________________。 3．薄膜干涉的应用 光的干涉现象在技术中有重要应用，例如，在磨制各种镜面或其他精密的光学平面时，可以用干涉法检查平面的平整程度。 判断下列说法是否正确。 (1)若用白光作为光源，干涉条纹是明暗相间的条纹。(　　) (2)若用单色光作光源，干涉条纹是明暗相间的条纹。(　　) (3)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。(　　) (4)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。(　　) (5)肥皂泡看起来呈彩色和照相机镜头呈淡紫色，都是薄膜干涉现象。(　　) 提示：(1)×　(2)√　(3)√　(4)×　(5)√ [答案自填] 明暗相间　明暗相间　相等　干涉　亮条纹　亮条纹　暗条纹　频率　相干光 一种波　反射　相干光　干涉　亮条纹　暗条纹　明暗相间　不同　不同　彩色条纹 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、相位差恒定或两列光振动情况总是相同。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。若用白光作光源，则干涉条纹是彩色条纹，且中央条纹是白色的。 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的波长比绿光的波长长，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。 在双缝干涉实验中，光屏上P点到双缝S1、S2的距离之差Δs1＝0.75 μm，光屏上Q点到双缝S1、S2的距离之差Δs2＝1.5 μm，如果用频率为6.0×1014 Hz的黄光照射双缝，则(　　) A．P点出现明条纹，Q点出现暗条纹 B．Q点出现明条纹，P点出现暗条纹 C．两点均出现明条纹 D．两点均出现暗条纹 [解析]　由c＝λf知黄光的波长λ＝＝ m＝0.5 μm，到P点的光程差与黄光的半波长之比＝＝3，即为半波长的奇数倍，所以P点出现暗条纹。到Q点的光程差与黄光的半波长之比 ＝＝6，即为半波长的偶数倍，所以Q点出现明条纹。 [答案]　B 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3×10－6m，如图所示。 (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λ＝＝ m＝5.0×10－7m 路程差Δr＝3×10－6m 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　薄膜干涉现象及应用 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。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．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。 (2024·浙江余姚中学期中)有种灯具俗称“冷光灯”，用它照射物品能使被照物品产生的热效应大大降低，从而被广泛地应用。这种灯降低热效应的原理是灯泡后面放置的反光镜的表面上镀有一层薄膜(如氟化镁)，该膜能消除不镀膜时表面反射回来的热效应最显著的红外线，以λ表示红外线在真空中的波长，n表示薄膜对该红外线的折射率，则所镀薄膜的厚度最小应为(不计半波损失)(　　) A．　　　 B．　　　 C．　　　 D． [解析]　当薄膜前、后表面反射光线的光程差为半波长的奇数倍时，薄膜两个界面上的反射光干涉后互相削弱，减少了反射光中的红外线，从而减少了反射光的能量，设λ′为红外线在薄膜中的波长，薄膜厚度为d，则λ′＝，薄膜前、后表面反射光线的光程差满足(2N＋1)＝2d(N＝0，1，2，…)，故薄膜厚度d＝(2N＋1)(N＝0，1，2，…)，所镀薄膜的厚度最小应为d＝ 。 [答案]　A (2024·辽宁实验中学校考)甲、乙两同学在实验室做薄膜干涉实验。甲将有肥皂膜的铁丝圈竖直放置，形成图甲所示的肥皂膜侧视图，用黄色光从左侧照射薄膜，会观察到明暗相间的干涉条纹。乙用平行单色光垂直照射透明薄膜，观察到图乙所示明暗相间的干涉条纹。关于甲、乙两实验下列说法正确的是(　　) A．甲应该从薄膜右侧观察干涉图样 B．任意两相邻亮条纹处对应的薄膜厚度之差相同 C．乙实验中薄膜层厚度的变化率不随坐标x变化而变化 D．乙实验中薄膜层厚度的变化率随坐标x增大而逐渐增大 [解析]　薄膜干涉是薄膜前、后两个面的反射光叠加产生的，故甲应该从薄膜左侧观察干涉图样，故A错误；任意两相邻亮条纹处对应的薄膜厚度之差是黄色光波长的一半，故B正确；从薄膜的前、后表面分别反射的两列光是相干光，其光程差Δx＝2d, 即光程差为薄膜厚度的2倍，当光程差Δx＝nλ(n＝1，2，3，…) 时，表现为亮条纹，故相邻亮条纹之间的薄膜的厚度差为，在题图乙中相邻亮条纹(或暗条纹)之间的距离变大，可知薄膜厚度变化所用的距离逐渐变大，即乙实验中薄膜层厚度的变化率随坐标x增大而逐渐减小，故C、D错误。 [答案]　B (2024·江苏南通统考)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．(光的双缝干涉现象)(多选)用红光做光的双缝干涉实验，如果将其中一缝改用蓝光，下列说法正确的是(　　) A．在光屏上出现红蓝相间的干涉条纹 B．只有相干光源发出的光才能在叠加时产生干涉现象，此时不产生干涉现象 C．频率不同的两列光也能发生干涉现象，此时出现彩色条纹 D．尽管亮暗条纹都是光波相互叠加的结果，但此时红光与蓝光只叠加不产生干涉现象 解析：选BD。频率相同、相位差恒定是产生干涉现象的条件，红光和蓝光频率不同，不能产生干涉现象，不会产生干涉条纹，A、C错误，B、D正确。 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)(2023·福建厦门高二期中)一竖立肥皂液薄膜的横截面如图所示，关于在竖直放置的肥皂膜上产生的干涉现象，下列说法不正确的是(　　) A．干涉条纹的产生是由于光线在膜前后表面反射形成的两列光波的叠加 B．用蓝光照射产生的干涉条纹间距比黄光照射时产生的条纹间距窄 C．干涉条纹间的亮纹是由两反射光叠加减弱产生的 D．薄膜上干涉条纹基本上是水平的 解析：选C。由于重力的作用，肥皂膜形成了上薄下厚的薄膜，干涉条纹的产生是由于光线在薄膜前后两表面反射形成的两列光波的叠加，故A正确；条纹间距与光的波长成正比，由于蓝光波长比黄光短，故蓝光条纹间距窄，故B正确；干涉条纹间的亮纹是由两反射光叠加增强产生的，故C错误；薄膜的干涉是等厚干涉，同一条纹厚度相同，故条纹是水平的，故D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 解析：选B。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，又因是单色光照射，所以是明暗相间的条纹，故B正确，A、C、D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $