高中物理 第5章 光的干涉 衍射 偏振 第1节 光的干涉知识导航素材 鲁科版选修3-4（通用）

高中物理 第5章 光的干涉 衍射 偏振 第1节 光的干涉知识导航素材 鲁科版选修3-4（通用）

第1节 光的干涉 ‎ 思维激活 ‎1.从上章的折射定律知:光的折射与波的折射遵守同样的规律,光是否也是一种波?若是一种波,它一定能发生干涉,光的干涉又有哪些现象和条件?‎ 提示:光是一种波,只是满足相干条件的光源不易获得和发现,只有用巧妙的方法和特制的仪器才能获得相干光源、观察到光的干涉现象.如双缝干涉和肥皂泡薄膜干涉等现象.‎ ‎2.观察照相机、望远镜等高质量光学仪器的镜头,你会发现它们的颜色有什么特点?为什么会呈现这种特点?‎ 提示:镜头呈现淡紫色,这是因为镜头表面涂有一层增透膜,膜的上表面与玻璃表面反射的光发生干涉.由于只有一定波长(一定颜色)的光干涉时才会相互加强,所以镀膜镜头看起来是有颜色的.‎ 自主整理 一、光的干涉及其产生条件 ‎1.干涉现象 若两束光波在空间传播时相遇,将在相遇区域发生___________,如果在某些区域光被___________,而在另一些区域光被,且加强区域和减弱区域是___________,这种现象称为光的干涉现象.光的干涉图样是___________的条纹.‎ ‎2.产生条件 产生干涉现象的两束光必须符合的3个条件分别是(1)___________;(2)___________;(3) ___________.这种光源被称为___________.‎ 二、科学探究——测定光的波长 ‎1.在双缝干涉实验中,相邻两条亮纹或暗纹之间的距离:Δy=______,其中,l表示____________,d表示___________,λ表示___________.‎ ‎2.测量光屏上亮(暗)条纹的宽度,为了减小误差,测出n个条纹间的距离a,然后取平均值求出Δy,则___________.‎ 三、薄膜干涉及其应用 ‎1.身边的光的干涉现象——薄膜干涉实例有:(1)_________________________________;(2) _________________________________;(3)_________________________________;等等.‎ ‎2.薄膜干涉现象具有广泛的实用价值:(1)劈尖干涉是一种劈形空气薄膜干涉,可用于__________________;(2)在照相机、望远镜等高质量的光学仪器中,在其镜头的表面镀上透明的___________,用来增加____________________________________________.‎ 高手笔记 光的双缝干涉和薄膜干涉 ‎(1)光的干涉说明光是一种波,光程差为半波长奇数倍的位置,两光相互削弱,为暗纹;光程差为半波长偶数倍的位置,两光相互加强,为亮纹.‎ ‎(2)测定单色光的波长可根据λ=,通过观察单色光的干涉图样测得条纹间距离Δx,再测得双缝间距离d和双缝到屏的距离L,算得λ.‎ ‎(3)测条纹间距Δx,不能单测一条,而是测多条的间距,再推算得一条的间距,以达到减小误差的目的.‎ ‎(4)白光通过双缝干涉和薄膜干涉都能分解成单色光发生干涉,出现彩色条纹.‎ 名师解惑 ‎1.在双缝干涉实验中,屏上出现明、暗条纹的条件是什么?‎ 剖析:如图‎5-1-1‎所示,S1、S2是两个狭缝,=d,缝到屏的距离为l,ld,O是S1、S2的中垂线与屏的相交点.‎ 图‎5-1-1‎ 若两列光波到屏上某点的光程差为半波长的偶数倍,这一点将出现亮纹;若两列光波到某点的光程差为半波长的奇数倍,该点就出现暗纹,即δ=±nλ(n=0,1,2,…),出现亮条纹:δ=±(2n+1) (n=0,1,2,…),出现暗条纹.‎ 说明:(1)当n=0时,即图中O点,S1和S2到达O点的光程差为零,O点是振动加强点,出现亮条纹,为中央亮纹.‎ ‎(2)k=±1时,为第一亮纹,……可知在O点上、下方有对称的亮条纹.‎ ‎2.如何获得相干光源?‎ 剖析:两列波要产生干涉,它们的频率必须相同,而且相位差要保持不变.只有这样,一旦它们在空间某点产生的振动相互加强,才会一直是相互加强的关系,否则不可能出现干涉现象.‎ 由于不同光源发出的光频率一般不同,即使是同一光源,它的不同部位发出的光也不一定有相同的频率和恒定的相差,故一般情况下不易观察到光的干涉现象.‎ 为了获得相干光源,科学家们采用了“一分为二”的方法,将同一列光波分解成两列(或几列)光波,使各分光束经过不同的路程,然后相遇,产生稳定的干涉现象.课本杨氏实验的相干光源就是这样获得的,在薄膜干涉中,由薄膜的两个面形成的两束反射光也是相干光源.‎ 讲练互动 ‎【例题1】如图‎5-1-2‎所示,在用单色光做双缝干涉实验时,若单缝S从双缝S1、S2的中央对称轴位置处稍微向上移动,则（ ）‎ 图‎5-1-2‎ A.不再产生干涉条纹 B.仍可产生干涉条纹,且中央亮纹P的位置不变 C.仍可产生干涉条纹,中央亮纹P的位置略向上移 D.仍可产生干涉条纹,中央亮纹P的位置略向下移 解析：本实验中单缝S的作用是形成频率一定的线光源,双缝S1、S2‎ 的作用是形成相干光源,稍微移动S后,没有改变传到双缝的光的频率,由S1、S2射出的仍是相干光,由单缝S发出的光到达屏上P点下方某点的光程差为零,故中央亮纹下移.‎ 答案：D 绿色通道 本题主要考查是否了解双缝干涉中单缝和双缝的作用,知道托马斯·杨巧妙获得相干光源的方法及产生中央明纹的条件.‎ 变式训练 ‎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 解析:两列光波发生干涉的条件之一是频率相等,利用双缝将一束光分成能够发生叠加的两束光,在光屏上形成干涉条纹,但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,因为屏上不会出现干涉条纹,故A、B错.狭缝相当于两个光源,故红光和绿光可以到达屏上,在屏上看到的是红光和绿光叠加后的光,故C对,D错.‎ 答案:C ‎【例题2】某同学在做双缝干涉实验时,测得双缝间距d=3.0×10‎-3 m,双缝到光屏间的距离为‎1 m,前两次测量手轮上的示数分别为0.6×10‎-3 m和6.6×10‎-3 m,两次分划板中心刻线间有5条暗条纹,求该单色光的波长.‎ 解析：相邻两暗条纹间距:Δy=‎ ‎=‎ ‎=1.5×10‎‎-3 m 由Δy=λ得,该单色光的波长为:‎ λ=m=2.4×10‎-3 m.‎ 答案：2.4×10‎‎-3 m 绿色通道 Δx应等于m=1.5×10‎-3 m,不是等于,因为分划板中心刻线位于亮条纹中心,如图‎5-1-3‎所示,分划板两次中心刻线间有两个半宽度的亮条纹,所以Δx=.‎ 分划板中心刻线 图‎5-1-3‎ 变式训练 ‎2.在双缝干涉实验中,双缝到光屏上P点的距离之差Δx=0.6 μm;若分别用频率为f1=5.0×1014Hz和f2=7.5×1014 Hz的单色光垂直照射双缝,则P点出现明、暗条纹的情况为（ ）‎ A.用频率为f1的单色光照射时,出现明条纹 B.用频率为f2的单色光照射时,出现明条纹 C.用频率为f1的单色光照射时,出现暗条纹 D.用频率为f2的单色光照射时,出现暗条纹 解析:根据c=λf,可得两种单色光的波长分别为 λ1==m=0.6 μm λ2=m=0.4 μm 与题给的条件(Δx=0.6 μm)比较可知 Δx1=λ1 Δx2=λ2‎ 故用频率为f1的光照射双缝时,P点出现明条纹;用频率为f2的光照射双缝时,P点出现暗条纹,该题的正确选项为A、D.‎ 答案:AD ‎【例题3】(经典回放)劈尖干涉是一种薄膜干涉,其装置如图‎5-1-4‎甲所示,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.当光垂直入射后,从上往下看到的干涉条纹如图乙所示,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.现若在图甲装置中抽去一张纸片,则当光垂直入射到新劈形空气薄膜后,从上往下观察到的干涉条纹…（ ）‎ 图‎5-1-4‎ A.变疏 B.变密 C.不变 D.消失 解析：当光垂直入射到劈形空气薄膜后,是空气薄膜的上、下两个表面的反射光相遇叠加,干涉的条件是两束光的路程差要符合一定的条件才能产生干涉现象.从装置中抽出一张纸片,光干涉的条件不变,即形成明暗条纹时空气膜的厚度不变,相同水平距离上,劈势厚度变化减小,导致波程差变化减小,条纹变宽,条纹数量变少.即A正确.‎ 答案：A 绿色通道 劈尖产生的干涉条纹是由劈形空气薄膜的上下两表面反射光叠加形成的,干涉条纹的疏密取决于楔形空气层厚度变化.空气层的厚度越小(θ变小)干涉条纹越稀疏;空气层的厚度越大(θ变大)干涉条纹越密.本题主要考查光的干涉,真正体现了题在书外而理在书中,应用物理规律解答现实现象是一个永恒的主题.‎ 变式训练 ‎3.如图‎5-1-5‎所示,一束白光从左侧射入肥皂薄膜,下列说法中正确的是（ ）‎ 图‎5-1-5‎ A.人从右侧向左看,可看到彩色条纹 B.人从左侧向右看,可看到彩色条纹 C.彩色条纹水平排列 D.彩色条纹竖直排列 解析:一束白光照到薄膜上,经薄膜前后两个界面上反射回来的光再相遇时产生干涉现象,这样人从左侧向右看时,可以看见干涉条纹,故B项正确.由于重力作用薄膜自上向下逐渐加厚,在同一水平线上的厚度相同,故彩色条纹是水平排列的,故C正确.‎ 答案:BC 体验探究 ‎【问题】用双缝干涉测光的波长.实验装置如图‎5-1-6‎(甲)所示,已知单缝与双缝间的距离L1=‎100 mm,双缝与屏的距离L2=‎700 mm,双缝间距d=‎0.25 mm.用测量头来测量亮纹中心的距离.测量头由分划板、目镜、手轮等构成,转动手轮,使分划板左右移动,让分划板的中心刻线对准亮纹的中心〔如图(乙)所示〕,记下此时手轮上的读数,转动测量头,使分划板中心刻线对准另一条亮纹的中心,记下此时手轮上的读数.‎ ‎(1)分划板的中心刻线分别对准第1条和第4条亮纹的中心时,手轮上的读数如图(丙)所示,则对准第1条时读数x1=__________mm,对准第4条时读数x2=__________mm.‎ ‎(2)写出计算波长λ的表达式:λ=__________(用符号表示),λ=__________nm.‎ ‎(甲)‎ ‎(乙)‎ ‎(丙)‎ 图5-1-6‎ 导思:正确调节测量头得到清晰的干涉图样,并学会利用螺旋测微器原理读手轮刻度,是本实验成功的关键.在具体实验操作中要亲自实践、观察、体会.‎ Δy的测量可用测量头完成,测量头由分划板、目镜、手轮等构成,通过测量头可清晰看到干涉条纹,分划板上中心有刻线,以此为标准,并根据手轮的读数可求得Δy.由于Δy较小,可测出几条亮(或暗)条纹的间距a,则相邻亮条纹间的距离Δy=.‎ 探究:(1)手轮的读数类似于螺旋测微器的读数方法,如图丙所示,固定刻度线上方半毫米刻度线未露出,所以不足‎2.5 mm,即图中第一条读数固定刻度读为‎2 mm,手轮刻度为‎0.19 mm,加上估读刻度,即第1条读数为‎2.190 mm;第四条由于固定刻度线上方半毫米刻度露出,所以固定刻度读数为‎7.5 mm,手轮刻度为‎0.36 mm,估读刻度为‎0.008 mm,加在一起,第四条时读数为‎7.868 mm.所以读数为x1=‎2.190 mm,x2=‎7.868 mm.即 答案:2.190;7.868.‎ ‎(2)要测单色光的波长,单色光通过双缝干涉后产生明暗相间的等间距直条纹,条纹的间距与相干光源的波长有关,设双缝宽d,双缝到屏间的距离为L,相干光源的波长为λ,则产生干涉图样中相邻两条亮(或暗)条纹之间的距离Δy=λ,由此得:λ=,代入数据得λ=676 nm.即 答案:;676 nm.‎ 教材链接 ‎【讨论与交流】‎ 通过对课本中第91页的图5-6的认识,总结干涉图样的特点.‎ 答:用单色光做实验,中央为亮纹,两边是明暗相间的条纹,且亮纹与亮纹间、暗纹与暗纹间的间距相等,等于Δy=λ,因为λ红>λ蓝,所以Δy红>Δy蓝.‎ 用白光做实验,中央亮纹为白色,是因为七种单色光经过双缝干涉后在中央都是亮纹,结果这些光的条纹又重合在一起,复合成白色.但是由于不同的光频率不同,波长不同,在中央形成的条纹宽度不同.其中红光波长最长,形成的条纹宽度最大,边缘处不与其他光重合,所以中央亮纹的边缘处为红色.紫光波长最短,最靠近中央.彩色条纹显示出了不同颜色的干涉条纹间距是不同的.‎