资源简介

(共46张PPT)
3　光的干涉
素养 目标定位
目标素养
1.了解杨氏双缝干涉实验装置和实验现象,形成正确的物理观念
2.了解相干光源的概念及产生干涉现象的条件,形成正确的物理观念
3.能阐述干涉现象的成因及明暗条纹的位置和特点,培养科学思维能力
4.知道干涉条纹和光的波长之间的关系
5.理解薄膜干涉中的色散现象,并了解薄膜干涉的应用,培养分析解决实际问题的能力
知识概览
课前 基础认知
一、光的双缝干涉
1.物理史实:1801年,英国物理学家　托马斯·杨　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.光的双缝干涉实验。
(1)实验过程:让一束平行的单色光束垂直照射到一个有两条狭缝S1和S2的挡板上,两狭缝相距很近,两狭缝就成了两个波源,它们的频率、相位和振动方向总是　相同　的。两个光源发出的光在挡板后面的空间互相叠加发生　干涉　 。
(2)实验现象:在屏上得到　明暗相间　的条纹。
(3)实验结论:光的干涉现象表明光是一种　波　。
3.出现亮、暗条纹的条件:S1和S2相当于两个相干波源。
(1)当两个光源与屏上某点的距离之差等于波长λ的　整数　倍时,两列光波在这点相互加强,出现　亮条纹　。
(2)当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长 的奇数　倍时,两列光波在这点相互减弱,出现　暗条纹　。
微判断1
1.若用白光作光源,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.在双缝干涉实验中单缝屏的作用是为了获得一个线光源。
(　　)
4.两只手电筒射出的光束在空间相遇,能观察到光的干涉现象。(　　)
×
√
√
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二、干涉条纹和光的波长之间的关系
微思考影响相邻两条亮条纹或者暗条纹的中心间距的因素有哪些
提示:双缝的宽度越窄,双缝到屏的距离越大,单色光的波长越长,相邻两条亮条纹或者暗条纹的中心间距越大。
三、薄膜干涉
1.定义:薄膜前后两个面的 反射光 相互叠加,发生的干涉。
2.形成原因。
不同位置的液膜, 厚度 不同,来自前后两个面的反射光的 路程差 不同。
(1)在某些位置,这两列波叠加后相互加强,出现 亮 条纹。
(2)在另一些位置,两列波叠加后相互削弱,出现 暗 条纹。
3.彩色条纹形成原因。
由于不同颜色的光的 波长 不同,薄膜上不同颜色的光的条纹的 明暗位置 也不同,相互交错,看上去会有彩色条纹。
4.应用。
(1)在光学元件的表面镀一层特定厚度的薄膜,增加光的
透射 或者反射。
(2)检测镜面或其他精密的光学平面的 平滑度 。
微判断2
1.薄膜干涉是薄膜的前后两个面的反射光的干涉。(　　)
2.将液膜由竖直变为倾斜放置时,液膜上相邻亮条纹的间距不发生变化。(　　)
3.观察肥皂液膜的干涉现象时,观察者应和光源在同一侧。
(　　)
4.光学元件上增加透射光的薄膜应用了薄膜干涉原理。
(　　)
√
×
√
√
课堂 重难突破
一 对光的双缝干涉的理解
问题探究
如图是几种单色光用同一双缝干涉装置进行实验得到的双缝干涉图样。
探究1:单色光干涉时相邻两条亮条纹的间距和相邻两条暗条纹的间距相等吗
提示:相等。
探究2:用不同颜色的光做干涉实验时干涉图样完全一样吗
提示:不完全一样。
探究3:用白光做实验会出现什么现象 为什么
提示:用白光做实验中央亮条纹是白色,两边是彩色条纹。白光是由各种不同的色光组成的,不同色光波长不同,各种色光在屏幕中央都是加强的,屏幕中央出现白色亮条纹;除了屏幕中央,不同色光到达屏幕上时,由于波长不同,加强点和减弱点都不在同一位置,因此出现了彩色条纹。
归纳总结
1.双缝干涉的实验装置。
如图所示,有光源、单缝、双缝和光屏。
(1)单缝的作用:获得一个线光源,使光源有唯一的频率和振动情况。
(2)双缝的作用:平行光照射到单缝S上,又照到双缝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。
2.双缝干涉图样的特点。
(1)单色光的干涉图样:
①中央为亮条纹;
②明暗相间的条纹,且相邻条纹间距相等;
③波长越大,两相邻亮条纹(或暗条纹)间距越大。
(2)白光的干涉图样:
①中央条纹为白色;
②中央亮条纹两侧为彩色条纹。
3.原理:频率相同的两列光叠加时,某些区域的光相互加强,出现亮条纹;某些区域的光相互减弱,出现暗条纹,且加强区与减弱区相互间隔,即亮、暗条纹相互间隔。
4.光的干涉条件。
(1)两列光的频率相同。
(2)两列光的振动方向相同。
(3)两列光的相位差恒定或相位总相同。
5.亮条纹和暗条纹位置的确定。
(1)若两列光波到屏上某点的路程差Δx为波长λ的整数倍(或半波长的偶数倍),即Δx=±nλ(n=0,1,2,…),出现亮条纹。
典型例题
【例1】如图为双缝干涉实验装置,当使用波长为6×10-7 m的橙色光做实验时,光屏P点及上方的P1点形成相邻的亮条纹。若使用波长为4×10-7 m的紫光重复上述实验,在P和P1点形成的亮、暗条纹的情况是(　　)
A.P和P1都是亮条纹
B.P是亮条纹,P1是暗条纹
C.P是暗条纹,P1是亮条纹
D.P和P1都是暗条纹
答案:B
规律总结
双缝干涉中亮条纹或暗条纹的判断方法
1.判断屏上某点为亮条纹还是暗条纹,要看该点到两个光源(双缝)的路程差与波长的比值。 2.路程差等于波长的整数倍处出现亮条纹,等于半波长奇数倍处出现暗条纹。
二 薄膜干涉
问题探究
图甲中雨后的彩虹、图乙中儿童吹出的肥皂泡都是彩色的,雨后公路积水上面漂浮的油膜也是彩色的。
探究1:雨后彩虹属于什么现象
提示:雨后彩虹属于光的色散现象。
探究2:儿童吹出的肥皂泡、雨后公路积水上面漂浮的油膜也是彩色的,它们属于什么现象
提示:儿童吹出的肥皂泡、雨后公路积水上面漂浮的油膜是彩色的都属于光的薄膜干涉现象。
探究3:肥皂泡等出现彩色的原因是什么
提示:不同位置的液膜,厚度不同,来自前后两个面的反射光的路程差不同,不同色光干涉的加强位置不同,亮条纹的位置不同,因此出现了彩色。
归纳总结
1.竖放肥皂膜干涉现象。
(1)白光照射图样是彩色的:竖直放置的肥皂液膜,因重力的作用,上面薄、下面厚,由于不同颜色的光波长不同,从前后两个表面反射的光,在不同的位置被加强,换句话说,不同颜色的光对应亮条纹的位置不同,不能完全重合,因此看起来是彩色的。
(2)条纹是水平方向的:因为在同一水平高度处,薄膜的厚度相同,从前后两表面的反射光的路程差均相同,如果此时两反射光互相加强,则此高度水平方向各处均加强,因此,明暗相间的干涉条纹应为水平方向。
2.用干涉法检查平面平整度。
(1)如图甲所示,两板之间形成一层空气膜,用单色光从上向下照射,如果被检测平面是光滑的,得到的干涉图样必是等间距的。
(2)如果被测表面某处凹下,则对应亮条纹(或暗条纹)提前出现,如图乙中P条纹所示;如果某处凸起来,则对应条纹延后出现,如图乙中Q所示。
(注:“提前”与“延后”不是指在时间上,而是指由左到右的位置顺序上)
3.增透膜。
(1)为了减少光学装置中的反射光的损失,可在元件表面涂一层透明薄膜,一般是氟化镁。
(2)如图所示,在增透膜的前后表面反射的两列光波形成相干波,相互叠加,当路程差为半波长的奇数倍时,在两个表面反射的光产生相消干涉,反射光的能量几乎等于零。
一般取最小厚度d满足 (此波长为光在该种介质中的波长) 。
(3)由于白光中含有多种波长的光,所以增透膜只能使其中一定波长的光相消。
(4)因为人对绿光最敏感,一般选择对绿光起增透作用的膜,所以在反射光中绿光几乎没有,而其他波长的光并没有完全抵消,所以增透膜呈现淡紫色。
典型例题
【例3】(多选)如图甲,把圆形铁丝圈在肥皂水中蘸一下,再轻轻取出来,铁丝圈上就有一个完整的肥皂液膜。竖直放置的肥皂液膜的侧视图如图乙所示。用黄光从肥皂液膜的右侧垂直照射肥皂液膜,会观察到明暗相间的若干条横向黄色条纹,下列说法正确的是(　　)
A.该现象是光的干涉现象
B.观察者从肥皂液膜左侧观察条纹图样
C.相邻条纹间的距离,由上至下逐渐变大
D.换用红光照射该肥皂液膜,观察到相邻条纹间距相应变大
答案:AD
解析:该现象是光的干涉现象,属于薄膜干涉,选项A正确。薄膜干涉是薄膜前后两个面的反射光叠加产生的,应该从入射光的同侧观察,选项B错误。由于薄膜不是均匀增厚的,从上到下相同高度上薄膜增厚得越来越多,所以明暗相间的条纹是不等间距的,且间距由上至下逐渐变小,选项C错误。光的干涉条纹的间距和波长有关,如果换成红光照射,则波长变长,相邻条纹间距变大,选项D正确。
【例4】(多选)如图甲所示,用单色光照射透明标准板M来检查被检体N的上表面的平直情况,观察到的现象如图乙所示,条纹中的P和Q的情况说明(　　)
A.N的上表面A处向上凸起
B.N的上表面B处向上凸起
C.N的上表面A处向下凹陷
D.N的上表面B处向下凹陷
答案:BC
解析:P处所在的条纹是同一条纹,若为直线,则说明该处为同一水平线,线上各点对应的空气层厚度都相同,但实际上P处条纹向左弯曲,意味着后一级条纹提前出现,可见P处对应的检测平板上的A点所对应的空气层厚度与后一级条纹对应的空气层厚度相同,而后一级条纹本来对应的空气层厚度比前一级大,可见A处向下凹陷,才能实现该处空气层厚度与下一级条纹对应的空气层厚度一样,故选项 C符合题意,A不符合题意。薄膜干涉是等厚干涉,即同一条明纹处空气膜的厚度相同;从弯曲的条纹可知,Q点应该在同一条纹上,厚度相同,但现在推迟出现条纹,故知Q处空气薄膜凹陷,即N的上表面B处向上凸起,故选项 B符合题意,D不符合题意。
规律总结
1.薄膜干涉是通过膜前、后表面的反射取得相干光的。 2.薄膜厚度不同,光程差不同,从而形成了干涉条纹。
成 果 验 收 站
1.如图所示,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。通过这层液膜观察灯焰的像与下面的哪幅图相符
(　　)
答案:D
解析:液膜竖直放置,上端薄,下端厚,同一水平位置的液膜的厚度相同,出现的干涉条纹应是水平的,选项D正确。
2.用某种单色光进行双缝干涉实验,在屏上观察到的干涉条纹如图甲所示,改变双缝间的距离后,干涉条纹如图乙所示,图中虚线是亮纹中心的位置。双缝间的距离变为原来的(　　)
答案:B
3.劈尖干涉是一种薄膜干涉,其装置如图甲所示,将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃上,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)任意一条亮条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等;
(2)任意相邻亮条纹和暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定。
现若在图甲的装置中抽去一张纸片,则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后,从上往下观察到的干涉条纹(　　)
A.变疏 B.变密
C.不变 D.消失
答案:A
4.(多选)把一平行玻璃板压在另一个平行玻璃板上,一端用薄片垫起,构成空气劈尖,让单色光从上方射入,如图所示,这时可以看到明暗相间的条纹。下面关于条纹的说法正确的是( )
A.干涉条纹的产生是光在空气劈尖膜的上
下两表面反射形成的两列光波叠加的结果
B.干涉条纹中的暗纹是上述两列反射光的波谷与波谷叠加的结果
C.增大薄片的厚度,条纹间距变小
D.观察薄膜干涉条纹时,眼睛应在入射光的另一侧
答案:AC
解析:根据薄膜干涉的产生原理,题述现象是由空气膜上下表面反射的两列光叠加而成的,当波峰与波峰、波谷与波谷相遇叠加时,振动加强,形成亮条纹,故选项A正确,B错误。当增大薄片的厚度时,上面的平行玻璃板倾斜度增大,导致从左向右光程差变化快,则干涉条纹间距会变小,故选项C正确。因相干光是反射光,故观察薄膜干涉时,应在入射光的同一侧,故选项D错误。
5.(2025·上海卷)以下哪个选项中的图样符合红光和紫光的双缝干涉图样(　　)
答案:A
解析:选项A、B中的图样都是平行、等宽、等间距、明暗相间的条纹,属于双缝干涉图样,由于波长越短,干涉条纹越细锐密集,紫光波长短于红光波长,故紫光的干涉条纹更细锐密集,选项A正确,B错误;选项C、D中的图样是平行、不等宽、明暗相间的条纹,不属于双缝干涉图样,选项C、D错误。
6.登山运动员在登雪山时要注意防止紫外线的过度照射,尤其是眼睛更不能长时间被紫外线照射,否则将会严重地损伤视力。有人想利用薄膜干涉的原理设计一种“增反膜”,以减小紫外线对眼睛的伤害。他选用的薄膜材料的折射率为n=1.5,所要消除的紫外线的频率为f=8.1×1014 Hz。
(1)他设计的这种“增反膜”所依据的原理是什么
(2)这种“增反膜”的厚度至少是多少
答案:(1)见解析
(2)1.23×10-7 m

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