2017-2018学年高中物理教科版选修3-4教学案:第五章 第1节 光的干涉
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第1节光_的_干_涉 对应学生用书P61
双 缝 干 涉
[自读教材·抓基础] 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。(如图5-1-1所示)
图5-1-1
1.用单色光做双缝干涉实验时,屏上出现明暗相间的条纹,用白光做双缝干涉实验时,屏上出现彩色条纹。 2.屏上某点到双缝的距离之差Δr=±kλ时,该点为明
条纹,屏上某点到双缝的距离之差Δr=±(2k-1)λ2时,该点为暗条纹。 3.干涉图样中,相邻两明条纹或暗条纹的间距相同。 4.薄膜干涉是膜的前后两表面的反射光的干涉,观察薄膜干涉时,观察者应与光源在薄膜的同侧。 1.实验过程 让一束平行的单色光投射到一个有两条狭缝的挡板上,两狭缝相距很近,两狭缝就成了两个光源,它们的振动情况总是相同的,两个光源发出的光在挡板后面的空间互相叠加。 2.实验现象 在屏上得到明暗相间的条纹。 3.实验结论 实验证明光是一种波。 [跟随名师·解疑难]
1.双缝干涉实验的装置示意图 实验装置如图5-1-2所示,有光源、单缝、双缝和光屏。
图5-1-2 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 红色平行光照射到双缝S1、S2上,这样一束光被分成两束振动情况完全一致的相干光。 4.屏上某处出现亮、暗条纹的条件 频率相同的两列波在同一点引起的振动的叠加,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、暗条纹的条件为: (1)亮条纹的条件:屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍。即:
|PS1-PS2|=kλ=2k·λ2(k=0,1,2,3……) 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)暗条纹的条件:屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是半波长的奇数倍。即:
|PS1-PS2|=(2k-1)·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。 5.双缝干涉图样的特点 (1)单色光的干涉图样: 如图5-1-3所示,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)间距离与光的波长有关,波长越大,条纹间距越大。
图5-1-3 (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。
[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手) 从两只手电筒射出的光,当它们照射到同一点时看不到干涉条纹,是因为( ) A.手电筒射出的光不是单色光 B.周围环境的漫反射光太强 C.干涉图样太细小看不清楚 D.两个光源是非相干光源 解析:选D 两只手电筒属两个各自独立发光的光源,根据物体的发光机理,二者发出的光是非相干光,因此它们照射到同一点时不发生干涉,因此无干涉条纹,故选项A、B、C错误,D正确。
薄 膜 干 涉 [自读教材·抓基础] 1.产生原因 光线入射到薄膜上,由薄膜前后两个表面反射回来的两列光是相干光,它们相互叠加产生干涉。 2.应用:检测平面的平整程度 如图5-1-4(a)所示,用单色光从上面照射,空气层的上下两个表面反射的两列光波发生干涉。空气层厚度相同的地方,两列波的路程差相同,两列波叠加时相互加强或削弱的情况也相同。所以,如果被测表面是平的,干涉条纹就是一组平行的直线[图5-1-4(b)];如果干涉条纹发生弯曲,就表明被测表面不平[图5-1-4(c)]。
图5-1-4 [跟随名师·解疑难] 1.薄膜干涉现象 (1)成因: 如图5-1-5所示,竖直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用,下面厚、上面薄,从膜的前、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。
图5-1-5 (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——增透膜 照相机、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。
[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手) 关于光在竖直肥皂液薄膜上产生的干涉现象,下列说法中正确的是( ) A.干涉条纹的产生是由于光在薄膜前后两表面发生反射,形成的两列光波叠加的结果 B.若出现明暗相间的条纹相互平行,说明肥皂膜的厚度是均匀的 C.用绿色光照射薄膜产生的干涉条纹间距比黄光照射间距小 D.薄膜上的干涉条纹基本上是竖直的 解析:选AC 要想产生干涉现象,必须有两列相干光源。在肥皂膜干涉中,薄膜前后两表面反射的光正好是两个相干光源,它们相互叠加形成干涉条纹,所以选项A正确;肥皂膜在重力作用下,上面薄、下面厚,厚度是不均匀的,并且厚度均匀的薄膜是不会出现干涉条纹的(若厚度相同,路程差处处相等,两列波叠加后,若是加强,处处光线加强,若是减弱,处处光线减弱,不会出现明暗相间的条纹),所以选项B错误;波长越短的光波,对同一装置,干涉条纹越窄,绿光的波长小于黄光的波长,所以绿色光照射薄膜产生的干涉条纹间距比黄光照射的间距小,选项C正确;出现亮、暗条纹的位置与薄膜厚度有关,对于某位置,若光线叠加后加强,则与此等厚度的位置反射光线叠加都加强,从而形成亮条纹。对暗条纹也是一样道理。由于薄膜同一水平线上的厚度相同,因此干涉条纹基本上是水平的,所以选项D错误。
对应学生用书P63
双缝干涉条纹分析 [典题例析] 1.如图5-1-6所示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( ) 图5-1-6 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 [思路点拨]
(1)光屏上P点形成亮条纹的条件是Δr=0。 (2)光屏上P1点形成与P点相邻亮条纹的条件是Δr=λ。 (3)P和P1是否为亮条纹,与入射光的波长有关。
解析:λ橙λ紫=6×10-74×10-7=1.5=32 P1点对橙光:Δr=n·λ橙, 对紫光:Δr=nλ橙=n·32λ紫=3n·λ紫2 因为P1与P相邻,所以n=1,P1点是暗条纹。 对P点,因为Δr=0,所以仍是亮条纹,B正确。 答案:B [探规寻律]
(1)判断屏上某点是亮条纹还是暗条纹的方法,看该点到两个光源(双缝)的路程差(光程差)与波长的比值。 (2)要记住:路程差等于波长整数倍处出现亮条纹,等于半波长奇数倍处为暗条纹。 (3)上述结论成立的条件是:两个光源情况完全相同。
[跟踪演练] 如图5-1-7所示是研究光的双缝干涉的示意图,挡板上有两条狭缝S1、S2,由S1和S2发出的两列波到达屏上时会产生干涉条纹。已知入射激光的波长为λ,屏上的P点到两缝S1和S2的距离相等,如果把P处的亮条纹记作第0号亮条纹,由P向上数,与0号亮条纹相邻的亮条纹为1号亮条纹,与1号亮条纹相邻的亮条纹为2号亮条纹,则P1处的亮条纹恰好是10号亮条纹。设直线S1P1的长度为r1,S2P1的长度为r2,则r2-r1等于 ( ) 图5-1-7 A.9.5λ B.10λ C.10.5λ D.20λ 解析:选B 由题设可知,从中央亮条纹P算起,P1点处是第10号亮条纹的位置,表明缝S1、S2到P1处的距离差r2-r1为波长的整数倍,且刚好是10个波长,所以选项B正确。
双缝干涉图样特点 [典题例析] 2.关于杨氏双缝干涉实验,下列说法正确的是( ) A.用白光作为光源,屏上将呈现黑白相间的条纹 B.用红光作为光源,屏上将呈现红黑相间的条纹 C.用红光照射一条狭缝,用紫光照射另一条狭缝,屏上将呈现彩色干涉条纹 D.照射单缝的单色光的波长越短,光屏上出现的条纹宽度越宽 [思路点拨]
(1)注意区别白光和单色光做双缝干涉时的干涉图样不同。 (2)明确干涉条纹的宽度与单色光波长的关系。 解析:用白光做杨氏双缝干涉实验,屏上将呈现彩色条纹,故A错。用红光作光源,屏上将呈现红色亮条纹与暗条纹(即黑条纹)相间,故B正确。红光和紫光频率不同,不能产生干涉条纹,故C错。单色光的波长越短,光屏上出现的条纹越窄,故D错。 答案:B [跟踪演练]
在杨氏双缝干涉实验中,用红光照射双缝得到的干涉图样是( ) A.一系列明暗相间的同心圆 B.一些杂乱无章的点 C.平行、等间距的明暗相间的条纹 D.条纹中间宽、两边窄 解析:选C 单色光的双缝干涉条纹为平行、等距、明暗相间的条纹。故C对,A、B、D错。