5.1光的干涉(教科版选修3-4)(2012版高中物理学习方略学生用书)

第五章 光的波动性

(1

)学习 【原文】遗子黄金满籝,不如一经三出自‘汉书四韦贤传“三【大意】指留下满筐的金银,不如传授一经三(2)孝道 【原文】惟孝顺父母,可以解忧三出自孟子三【大意】父母是我们的精神支柱,只有父母心情舒畅,我们才觉得没有忧愁三

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第五章 光的波动性

1 光的干涉

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重点提示

1.

认识光的干涉现象及光发生干涉的条件.2.

理解光的干涉条纹的形成原因及干涉现象的本质,认识干涉条纹的特征.3.

了解光的干涉条纹的特点,理解用双缝干涉测光波波长的原理.

4.

了解薄膜干涉产生的原因,知道薄膜干涉的应用.重点:光发生干涉的条件及干涉现象的本质.难点:1.

亮纹(或暗纹)位置的确定.2.

亮纹(或暗纹)间距公式的推导.3.

薄膜干涉产生的原因

.一二双缝干涉

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,用实验方法证实了光的波动性.2.

双缝干涉让一束平行的 垂直照射到一个有两条狭缝S 1和S 2的挡板上,两狭缝相距很近,两狭缝就相当于两个完全 的光源,

两个光源发出的光在挡板后面的空间互相叠加发生 .在屏上得到 的条纹.光的干涉现象表明光是一种 .

3.

出现明暗条纹的条件S 1和S 2相当于两个相干波源,

当两个光源与屏上某点的距离之差等于波长λ的 倍时,两列光波在这点相互加强,出现 ;当两个光源与屏上某点的距离之

差等于半波长λ2

的 倍时,两列光波在这点相互减

弱,出现

.

从红光到紫光,频率是如何变化的?频率由谁决定?

二二薄膜干涉

1.

薄膜干涉:由薄膜两个面 的光波相遇而产生的干涉现象.2.

应用:检查平面的 .(1)薄膜干涉是由空气膜或液体膜的透射光形成的.( )

(2

)观察薄膜干涉条纹,要从光源的同侧.( )(3

)雨过天晴,看到的彩虹是薄膜干涉现象.( )

杨氏双缝干涉实验透析

1.

双缝屏的作用红色平行光照射到双缝S 1二S 2上,这样一束光被分成两束振动情况完全一致的相干光

.

2.

屏上某处出现亮二暗条纹的条件频率相同的两列波在同一点引起振动的叠加,如亮条纹处某点同时参与的两个振动总是同相;暗条纹处总是振动反相.具体产生亮二暗条纹的条件为:

(1)产生亮条纹的条件:屏上某点P 到两条缝S 1和S 2的路程

差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍.即:

|P S 1-P S 2

|=k λ=2k 四λ2

(k =0,1,2,3 )k =0时,P S 1=P S 2,此时P 点位于屏上的O 处,产生亮条纹,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.

高中全程学习夺冠方略 物理(F 四选修3-4

)80

光干涉实验 由于牛顿在科学界影响甚大,科学界接受牛顿的观点:光是由微粒组成的,而不是一种波三但牛顿也不是永远正确的三英国物理学家托马斯四杨用在百叶窗上开一个小洞的简单方法,看到了干涉条纹三这说明两束光线可以像波一样相互干涉三这个实验为一个世纪后量子学说的创立起到了至关重要的作用三

(2)产生暗条纹的条件:屏上某点P 到两条缝S 1和S 2的路程

差正好是半波长的奇数倍.即:|P S 1-P S 2

|=(2k -1)四λ2

(k =1,2,3 )k 为暗条纹的级次,

从第1级暗条纹开始向两侧展开.3.

屏上某处出现亮二暗条纹的判断(1

)屏上出现亮二暗条纹的位置计算①当Δr =±k λ(k =1,2 )

时,该位置出现亮条纹.②当Δr =±(2k -1)λ2

(k =1,2 )时,

该位置出现暗条纹.(2

)单色光的干涉实验中,亮条纹二暗条纹之间的距离总是相等的.其距离大小Δx 与双缝之间的距离d 二

双缝到光屏的距离l 及光的波长λ有关,即Δx =l d

λ.在l 和d 不变的情况下,Δx

和波长λ成正比,应用关系式λ=Δx 四d l 得到光的波长

.(1

)双缝干涉的条件是必须有相干光源,且双缝间的间距必须很小.

(2

)光源不同部位发出的光不一定具有相同的频率和恒定的相位差.所以,一般情况下很难观察到光的干涉现象,杨氏双缝干涉实验采用将一束光 一分为二”的方法获得相干光源.

【典例1】在双缝干涉实验中,双缝到光屏上P 点的距离之差Δx =0.6μm ;若分别用频率为f 1=5.0×1014

H z 和f 2=

7.5×1014

H z 的单色光垂直照射双缝,

则P 点出现明二暗条纹的情况是( )

A .用频率为f 1的单色光照射时,

出现明条纹B .用频率为f 2的单色光照射时,出现明条纹C .用频率为f 1的单色光照射时,出现暗条纹D .用频率为f 2的单色光照射时,出现暗条纹【思路点拨】解答本题可按以下思路分析:

【规范解答】选A 二D .根据c =λf ,

可得两种单色光的波长分别为:λ1=c f 1=3×108

5.

0×1014m=0.6μm λ2=c f 2=3×108

7.

5×1014m=0.4μm 与题给条件Δx =0.6μm 比较可知Δx =λ1,Δx =32

λ2.

故用频率为f 1的光照射双缝时,

P 点出现明条纹;用频率为f

2的光照射双缝时,P 点出现暗条纹.正确选项是A 二D .【总结提升】判断条纹级数的方法

(1

)利用λ=c f

计算光波波长.(2

)计算屏上某点到两个光源(双缝)的路程差(光程差)与波长的比值.

(3)第n 条亮纹处对应的Δx =n λ,第n 条暗纹处对应的Δx =2n -1

2

λ.【变式训练】用波长为λ的单色光照射单缝O ,经过双缝M 二N 在屏上

产生明暗相间的干涉条纹,如图所示.图中a 二b 二c 二d 二e 为相邻亮条纹的位置,c 为中央亮条纹,

则( )

A.O 到达a 二b 的路程差为零B .M 二N 到达b 的路程差为λC .O 到达a 二c 的路程差为4λ

D.M 二N 到达e 的路程差为2λ

双缝干涉图样的特点

1.

单色光的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.中央为亮条纹,两相邻亮条纹(或暗条纹)间距与光的波长有关,波长越大,条纹间距越大.

2.

白光的干涉图样若用白光作光源,则干涉条纹是彩色条纹,且中央条纹是白色

的.这是因为:

(1

)从双缝射出的两列光波中,各种色光都能形成明暗相间的条纹,各种色光都在中央条纹处形成亮条纹,从而复合成白色条纹.

(2

)两侧条纹间距与各色光的波长成正比,即红光的亮条纹间距宽度最大,紫光的亮条纹间距宽度最小,即除中央条纹以外的其他条纹不能完全重合,这样便形成了彩色干涉条纹

.

(1

)用白光做双缝干涉实验,从红光到紫光其波长由大到小,它们的干涉条纹间距也是从大到小.屏中央各色光都得到加强,混合成白色,但两侧因条纹间距不同而分开成彩色,而且同一级条纹内紫外红.

(2)机械波波长二波速二频率三者之间的关系为:v =λf .光波也有这样的关系,不过各种色光在真空中的速度是相同的,我们用c 表示,则有:c =λf .【典例2】(2011四北京高考)

如图所示的双缝干涉实验,用绿光照射单缝S 时,在光屏P 上观察到干涉条纹,要得到相邻条纹间距更大的干涉图样,可以

( )

A .增大S 1与S 2的间距

B .

减小双缝屏到光屏的距离C .

将绿光换为红光D .

将绿光换为紫光

第五章 光的波动性

修身 【却之不恭】战国时期,孟子的学生万章向孟子请教人际交往的问题,孟子认为对人应该恭敬三万章说: 一再推却,拒绝别人的礼物是不恭敬的,为什么?”孟子说: 高贵的人送东西给你,你如果拒绝就是不恭敬的,因此你应该接受三”我们对别人的邀请二赠予等,如果拒绝接受,就显得不恭敬三

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【思路点拨】解答本题时应注意以下两点:

(1

)条纹间距与哪几个因素有关.(2

)光的颜色与光的波长有怎样的对应关系.【规范解答】选C .双缝干涉的条纹间距公式:Δx =l d

λ,

增大S 1与S 2的间距就是增大d ,所以条纹间距变小,A 错误;减小双缝屏到光屏的距离就是减小l ,条纹间距变小,B 错误;

红光波长比绿光波长长,紫光波长比绿光波长短,所以将绿光换为红光,条纹间距增大,C 正确,D 错误.

【互动探究】在用单色光做双缝干涉实验时,若单缝S 从双缝

S 1二S 2的中央对称轴位置处稍微向上移动,

则中央亮纹的位置 (选填 不动”二 上移”或 下移”).

薄膜干涉及应用

1.

薄膜干涉现象(1

)成因如图所示,竖直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用,下面厚二上面薄,从膜的前二后表面反射的两列光波叠加.在某些位置,这两列波叠加后互相加强,则出现亮条纹;在另一些地方,叠加后互相削弱,则出现暗条纹.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

)现象①每一条纹呈水平状态排列;

②由于各种色光干涉后相邻两亮纹中心的距离不同,所以若用白光做这个实验,会观察到彩色干涉条纹.

2.

薄膜干涉的应用(1

)增透膜照相机二望远镜的镜头表面常镀一层透光的膜,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.镀膜厚度不同,镜头的颜色也不一样.一般增透膜的厚度是光在薄膜介质中传播的波长的14,即d =λ4

.若厚度为绿光在薄膜

中波长的14

,则镜头看起来呈蓝紫色.

(2

)用干涉法检查平面如图所示,被检查平面与标准样板之间形成了一个楔形的空气薄膜,用单色光照射时,入射光从空气膜的上二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;若被检查平面某些地方不平,那里的空气膜产生的干涉条纹将发生弯曲

.

(1

)增透膜的 增透”应理解为:两束反射光相互抵消,反射光的能量减少,由于总的能量是守恒的,反射光的能量被削弱了,透射光的能量就必然得到增强.增透膜是通过 消反”来确保 增透”的.

(2

)增透膜厚度为光在薄膜介质中传播的波长的14,不是真空中波长的14

.

【典例3】为了减少在透镜表面由于光的反射带来的损失,可以在

透镜表面上涂一层增透膜.当薄膜的厚度等于入射光在薄膜中波长的14

时,从薄膜的前后两个表面反射回来的光所经过

的路程差恰好等于半个波长,使它们干涉相消,减少了反射光的能量,增强了透射光的能量.

(1)一透镜表面涂了一层对绿光折射率为1.38的氟化镁薄

膜,为使波长为5.52×10-7

m 的绿光在薄膜上反射叠加相消,求所涂薄膜的厚度是多少.(2)试解释涂有增透膜的镜头为什么呈蓝紫色.【思路点拨】应该分清绿光在真空中波长和在镀膜中波长的不同,根据已知条件求出绿光在镀膜中的波长.【规范解答】(1)由n =c v =λ0f λf =λ0λ

得,

光在镀膜中的波长λ=λ0

n =5.52×10-7

1.38

m=4×10-7m

所以所涂薄膜的厚度是λ4

=1×10-7

m .

(2

)入射光一般是白光,增透膜不可能使所有的单色光干涉相消.由于人眼对绿光最敏感,绿光又居可见单色光的中间,所以增透膜的厚度等于绿光在薄膜中波长的14

,以消除的绿光

为中心,这样红光和紫光没有得到显著的削弱,从镜头反射回来的光以红光和紫光为主,所以涂有增透膜的镜头呈蓝紫色.

【变式训练】如图所示是用干涉法检查某块厚玻璃板的上表面是否平整的装置,所用单色光是用普通光源中滤光片产生的,检查中所要观察到的干涉条纹是下列哪两个表面反射的光线叠加而成的

( )

A .a 的上表面和b 的下表面

B .a 的上表面和b 的上表面

C .a 的下表面和b 的上表面

D .a 的下表面和b 的下表面

光的干涉是光的波动性的有力证明,在近几年的高

考中关于光的干涉的考查有明暗条纹的判断二光波波长的计算二薄膜干涉现象的应用等.

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