4.3 光的干涉 课件 -2025-2026学年高二上学期物理人教版选择性必修第一册

4.3 光的干涉 新课引入 肥皂膜看起来常常是彩色的， 雨后公路积水上面漂浮的油膜，经常显现出彩色条纹。 这些彩色条纹或图样是怎样形成的？ 1、干涉的条件 (1)两波源的频率相同。 (3)振动方向相同。 (2)相位差恒定。 振动加强点的位置 振动减弱点的位置 2、加强点和减弱点的判断（振动步调完全相同） 复习回顾 1.光要发生干涉现象需要满足什么条件？ 2.该怎样获得相干光呢？ 频率相同，相位差恒定，振动方向相同 思考：怎样才能观察到光的干涉现象呢？ 光是一种电磁波 人们知道，干涉是波特有的性质，只要是波都可以发生干涉 托马斯·杨 英国物理学家托马斯-杨，首次利用双缝实验得到了光的干涉图样 颜色相同 同一束光 一、光的双缝干涉 相干光源 1801年托马斯·杨寻找到的相干光源 (1)单缝作用：获得一束线光源，使光源有唯一频率(单色光)和振动情况，也可用激光直接照射双缝。 (2)双缝作用：把一束光分成两列频率相同、相位差恒定、振动方向相同的相干光。双缝间距为 0.1mm。 光束 单缝 双缝 红滤色片 (激光) 屏幕 s0 s1 s2 2005年 杨氏双缝实验被评为历史上十大最美丽实验之一。 单缝的作用（见教材） 5 3.演示实验：观察光的干涉现象 在暗室中用氦氖激光器发出的红色激光照射金属挡板上的两条平行的狭缝，在后面的屏上观察光的干涉情况。 （1）实验过程 如图，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，狭缝S1和S2相距很近，两条狭缝就产生两个光源，它们的振动情况总是相同的，两光源发出的光在挡板后面的空间互相叠加。 双缝干涉的示意图 （4）实验结论：证明光是一种波 （2）实验现象：屏上形成的明暗相间条纹叫做干涉图样 （3）干涉图样的特点： 等间距、 中央为亮条纹 明暗相间、 讨论1：为什么有的地方亮一些有些地方暗一些？ 红滤色片 单缝 S 1 S 2 S * * * 屏幕 实验现象解读 亮条纹为波峰与波峰（波谷与波谷）相遇，即振动加强点 暗条纹为波峰波谷相遇，即振动减弱点 （类比机械波的干涉现象，分析） 双缝 S1 S2 屏幕 P1 第一亮纹 Δr=λ P 中央亮纹 Δr=0 P2 第二亮纹 Δr=2λ P3 / 第三亮纹 Δr=3λ P3 第三亮纹 Δr=3λ P3 / 第二亮纹 Δr=2λ P3 / 第一亮纹 Δr=λ Q2 第二暗纹 Q 1 第一暗纹 Q3 第三暗纹 Q3 / 第三暗纹 Q2 / 第二暗纹 Q1 / 第一暗纹 Δr=5λ/2 Δr=λ/2 Δr=3λ/2 Δr=5λ/2 Δr=3λ/2 Δr=λ/2 讨论2：亮纹和暗纹依次出现满足什么规律呢？ 振动加强点条件：（亮条纹） 振动减弱点条件：（暗条纹） n=0、1、2、3…… n=0、1、2、3…… n=0、1、2……分别对应中央亮条纹 第一级亮条纹 第二级亮条纹 n=0、1、2……分别对应第一级暗条纹、第二级暗条纹、第三级暗条纹 9 P 中央亮纹 由于从S1S2发出的光是振动情况完全相同，又经过相同的路程到达P点，其中一条光传来的是波峰，另一条传来的也一定是波峰，其中一条光传来的是波谷，另一条传来的也一定是波谷，在P点激起的振动总是波峰与波峰相遇或波谷与波谷相遇，振幅A＝A1+A2为最大，P点总是振动加强的地方，故应出现亮纹，这一条亮纹叫中央亮纹。 双缝 S1 S2 屏幕 讨论3：中央P处为什么一定是亮纹 P0 S1 S2 双缝 1．如图所示，用频率为f的单色光（激光）垂直照射双缝，在光屏的P点出现第2条暗条纹，已知光速为c，则P到双缝S1、S2的距离之差|r1－r2|应为（　　） B 二、干涉条纹和光的波长之间的关系 双缝 S1 S2 屏幕 什么是干涉条纹的间距(条纹宽度)? △x △x 条纹间距的含义：相邻两条亮纹（或暗纹）中心之间的距离叫做条纹间距。 我们所说的亮纹是指最亮的地方，暗纹是最暗的地方，从最亮到最暗有一个过渡，条纹间距实际上是最亮和最亮或最暗和最暗之间的距离。 它可能与哪些因素有关？ △x影响因素：双缝到屏的距离d、双缝间的距离L、入射光的波长λ 如图所示，双缝间距为d，双缝到屏的距离为l。双缝S1、S2的连线的中垂线与屏的交点为P 。对屏上与P距离为x的一点 P1，两缝与P1的距离P1 S1＝r1， P1 S2＝r2。 S1 S2 P1 P l d x r2 r1 M 当两列波的路程差为波长的整数倍，即 相邻两个明(或暗)条纹之间的距离为 在线段P1 S2上作P1 M＝ P1 S1，则S2M＝r2－r1， 因d≪l，三角形S1S2M可看做直角三角形。 有：r2－r1＝dsin θ(令∠S2S1M＝θ) ① 另：x＝ltan θ≈lsin θ ② 时才会出现亮条纹，亮条纹位置为： d ＝ n λ (n ＝ 0，±1，±2 …) x ＝ nλ θ 相邻明（暗）纹间的距离大小的影响因素： （2）双缝之间的距离d: （3）双缝与屏间的距离L : S1 S2 P1 P l 波长越大，相邻的亮纹间距越大 （1）波长λ: d越小，相邻的亮纹间距越大 L越大，相邻的亮纹间距越大 d 1、双缝干涉亮（暗）纹间距的公式 对于同一干涉装置和同一单色光，条纹之间的距离相等. 14 （2）不同颜色的光频率不同：f红<f橙<f黄<f绿<f青<f蓝<f紫 （1）相同介质中，不同的光波长不同：λ红>λ橙>λ黄>λ绿>λ青>λ蓝>λ紫 （3）相同双缝干涉装置，不同颜色的光条纹间距不同: Δx红>Δx橙>Δx黄>Δx绿>Δx青>Δx蓝>Δx紫 2.不同单色光干涉条纹宽度： 红光干涉条纹 紫光干涉条纹 蓝光干涉条纹 各色光在真空中的波长 光的 颜色 波长 nm 光的 颜色 波长 nm 红 770－620 绿 580－490 橙 620－600 蓝－靛 490－450 黄 600－580 紫 450－400 由公式可知：红光的干涉条纹间距最大，紫光最小 15 3.白光的干涉图样特点： （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。 17 会得到中央条纹是白色两侧为彩色条纹的干涉条纹，而且同一级条纹内紫外红。因为白光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色组成的复色光，且从红光到紫光波长逐渐变短。各种色光都能形成明暗相间的条纹，都在中央条纹处形成亮条纹，从而复合成白色条纹。两侧条纹间距与各色光的波长成正比，条纹不能完全重合，这样便形成了彩色干涉条纹。 2.一束白光通过双缝后在屏上观察到干涉条纹，除中央白色条纹外，两侧还有彩色条纹，是因为（　　） A．各色光的波长不同，因而各色光产生的干涉条纹间距不同 B．各色光的速度不同，造成条纹间距不同 C．各色光的强度不同 D．各色光通过双缝的距离不同 【正确答案】A 3．（多选）如图是杨氏双缝干涉实验示意图，其中S1、S2为双缝，D为光屏，实验中观察到屏上O点为中央亮纹的中心，P1为第一级亮纹的中心，若将双缝间的距离变小，其他条件不变，则（　　） A．屏上干涉条纹的间距将变小 B．屏上O点仍然为中央亮条纹的中心 C．屏上P1位置仍然可能为亮条纹的中心 D．屏上P1位置可能为暗条纹的中心 BD 由于重力的作用，肥皂薄膜将形成上薄下厚的楔形。 光从薄膜的前后两个表面反射出来两个光波，这两列光波的频率相同，产生干涉。 薄膜干涉成因 光程差为波长的整数倍，两列波叠加加强形成亮条纹。 光程差为半波长的奇数倍，两列波叠加减弱，形成暗条纹。 三、薄膜干涉 前表面 后表面 光程差 δ=2d 切面模型 d =n 亮纹： 暗纹： 思考：我们应该在哪一侧观察薄膜干涉？是在光源一侧？还是在无光源一侧？ 观察方向：是在光源一侧，观察反射光 注意：λ是光在介质中的波长 薄膜干涉的光程差： (d为薄膜厚度) 白光照射时是彩色条纹 厚度相同 竖直肥皂薄膜 等厚线 同一级亮（暗）条纹在厚度相同的地方出现，故薄膜干涉也称为等厚干涉。 薄膜（劈尖）干涉的条纹间距 d1 d2 l θ θ 两处光程差为1=2d1， 2=2d2 2－ 1=，所以d2－d1=/2 结论：劈尖的θ角越小，l 越大，即条纹越稀疏。 亮纹1 亮纹2 取一个透明的标准样板，放在待检查的部件表面并在一端垫一薄片，使样板的平面与被检查的平面间形成一个楔形空气膜，用单色光从上面照射，入射光从空气层的上下表面反射出两列光形成相干光，从反射光中就会看到干涉条纹. 标准样板 待检部件 空气薄层 应用一：检查表面的平整程度 如果被检表面是平的，产生的干涉条纹就是平行的，如图乙；如果观察到的干涉条纹如图丙，则表示被检测表面微有凸起或凹下，这些凸起或凹下的地方的干涉条纹就弯曲。从弯曲的程度就可以了解被测表面的平整情况。这种测量精度可达10-6cm。 甲 乙 丙 被检测平面 薄片 标准样板 单色光 增透膜 薄膜厚度 在透镜表面涂上一层薄膜，当薄膜的厚度等于入射光在薄膜中的波长的1/4时，从薄膜前后两表面反射回来的光的路程差恰好等于半个波长。它们干涉相消，减小了反射光的能量，增强了透射光的能量，称为增透膜。 增透膜厚度： 应用二：照相机的增透膜 由于人眼对绿色最敏感，所以一般增透膜增强的是绿光 将一块半径很大的平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。 空气薄膜厚度相同处光程差相同，所以牛顿环为一系列同心圆环。 应用三：牛顿环 Lavf58.29.100 Lavf58.51.100 Lavf57.83.100 Lavf57.83.100 $