5.1光的干涉 学案（2020年教科版高中物理选修3-4）

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1、1 光的干涉光的干涉 学科素养与目标要求 物理观念：1.知道光的干涉现象和产生干涉现象的条件，知道光是一种波.2.理解明暗条纹的 成因及出现明暗条纹的条件.3.知道薄膜干涉的现象和应用. 科学探究：1.做杨氏双缝干涉实验，在屏上得到明暗相间的条纹，说明光是一种波.2.通过实 验说明薄膜干涉条纹的特点，能解释薄膜干涉的成因. 科学态度与责任：体会物理学的发展改变了人类对自然界的认识. 一、双缝干涉 1.1801 年，英国物理学家托马斯 杨在实验室里成功地观察到了光的干涉. 2.双缝干涉实验 (1)实验过程：激光束垂直射到两条狭缝 S1和 S2时，S1和 S2相当于两个完全相同的光源，从 S1和

2、S2发出的光在挡板后面的空间叠加而发生干涉现象. (2)实验现象：在屏上得到明暗相间的条纹. (3)实验结论：光是一种波. 3.出现明、暗条纹的条件 光从两狭缝到屏上某点的路程差为半波长 2的偶数倍(即波长 的整数倍)时，这些点出现明条 纹；当路程差为半波长 2的奇数倍时，这些点出现暗条纹. 二、薄膜干涉 1.原理：以肥皂膜为例，单色光平行入射到肥皂泡液薄膜上，由液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，肥皂泡上就出现了明暗相间的条纹或区域. 2.图样：以光照射肥皂泡为例，如果是单色光照射肥皂泡，肥皂泡上就会出现明暗相间的条 纹或区域；如果是白光照射肥皂泡，液膜上就会出

3、现彩色条纹. 3.应用：检查平面的平整程度.原理：空气层的上下两个表面反射的两列光波发生干涉. 1.判断下列说法的正误. (1)两只相同的手电筒射出的光在同一区域叠加后，看不到干涉图样的原因是干涉图样太细小 看不清楚.( ) (2)屏上到双缝的路程差等于半波长的整数倍，此处为暗条纹.( ) (3)水面上的油膜呈现彩色条纹，是油膜表面反射光与入射光叠加的结果. ( ) (4)观察薄膜干涉条纹时，应在入射光的另一侧.( ) 2.如图 1 所示，在杨氏双缝干涉实验中，激光的波长为 5.3010 7 m，屏上 P 点距双缝 S 1和 S2的路程差为 7.9510 7 m.则在这里出现的应是_(填“亮条

4、纹”或“暗条纹”). 图 1 答案 暗条纹 一、杨氏干涉实验 如图为双缝干涉的示意图， 单缝发出的单色光投射到相距很近的两条狭缝 S1和 S2上， 狭缝就 成了两个波源，发出的光向右传播，在后面的屏上观察光的干涉情况. (1)两条狭缝起什么作用？ (2)在屏上形成的光的干涉图样有什么特点？ 答案 (1)光线照到两狭缝上，两狭缝成为振动情况完全相同的光源. (2)在屏上形成明暗相间、等间距的干涉条纹. 1.杨氏双缝干涉实验 (1)双缝干涉的装置示意图 实验装置如图 2 所示，有光源、单缝、双缝和光屏. 图 2 (2)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.也可用激光直接照射

5、双缝. (3)双缝的作用：将一束光分成两束频率相同且振动情况完全一致的相干光. 2.光产生干涉的条件 两束光的频率相同、相位差恒定、振动方向相同.杨氏双缝干涉实验是靠“一分为二”的方法 获得两个相干光源的. 3.干涉图样 (1)单色光的干涉图样：干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹. (2)白光的干涉图样：中央条纹是白色的，两侧干涉条纹是彩色条纹. 例 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 与绿光的频率、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

6、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 答案 C 解析 分别用绿色滤光片和红色滤光片挡住两条缝后，红光和绿光的频率不等，不能发生干 涉，因此屏上不会出现干涉条纹，但仍有光亮. 学科素养 例 1 回顾了双缝干涉实验，两束光发生干涉的条件是两束光的频率相同、相位 差恒定、振动情况相同.一方面让学生对物理规律的认识更加深刻，另一方面也让学生进一步 熟悉了双缝干涉发生的条件.这很好地体现了“物理观念”和“科学思维”的学科素养. 二、决定条纹间距的条件 (1)若屏上某点是两列光波的波峰与波

7、峰相遇，该点的振动是加强还是减弱？若屏上某点是两 列光波的波峰与波谷相遇，该点的振动是加强还是减弱？ (2)如图所示是几种单色光的双缝干涉图样. 用不同颜色的光做干涉实验时干涉图样有什么不同？ 如果将屏幕远离双缝移动，条纹间距如何变化？ 改变双缝间的距离，条纹间距如何变化？ 双缝干涉条纹的间距与哪些因素有关？ 答案 (1)波峰与波峰相遇，振动加强；波峰与波谷相遇，振动减弱. (2)红光的条纹间距最宽，紫光的条纹间距最窄. 屏幕离双缝越远，条纹间距越大. 双缝间距越大，条纹间距越小. 与光波波长、双缝到屏的距离及双缝间距离有关. 1.两相邻亮条纹(或暗条纹)间距离与光的波长有关，波长越长，条纹间

8、距越大. 白光的干涉条纹的中央是白色的，两侧是彩色的，这是因为：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.亮、暗条纹的判断 如图 3 所示，设屏上的一点 P 到双缝的距离分别为 r1和 r2，路程差 rr2r1. 图 3 (1)若满足路程差为波长的整数倍，即 rk(其中 k0,1,2,3)，则出现亮条纹.k0 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)若满足路程差为半波长的奇数倍，即 r

9、2k1 2 (其中 k1,2,3)，则出现暗条纹.k 为暗 条纹的级次，从第 1 级暗条纹开始向两侧展开. 例 2 如图 4 所示是双缝干涉实验装置，使用波长为 600 nm 的橙色光源照射单缝 S，在光 屏中央 P 处观察到亮条纹，在位于 P 点上方的 P1点出现第一条亮条纹(即 P1到 S1、S2的路程 差为一个波长)，现换用波长为 400 nm 的紫色光源照射单缝，则( ) 图 4 A.P 和 P1仍为亮条纹 B.P 为亮条纹，P1为暗条纹 C.P 为暗条纹，P1为亮条纹 D.P、P1均为暗条纹 答案 B 解析 从单缝 S 射出的光波被 S1、S2两缝分成两束相干光，由题意知屏中央 P

10、点到 S1、S2 距离相等，即分别由 S1、S2射出的光到 P 点的路程差为零，因此中央是亮条纹，无论入射光 是什么颜色的光、波长多大，P 点都是中央亮条纹.而分别由 S1、S2射出的光到 P1点的路程 差刚好是橙光的一个波长， 即|P1S1P1S2|600 nm橙.当换用波长为 400 nm 的紫光时， |P1S1 P1S2|600 nm3 2 紫，则两列光波到达 P1点时振动情况完全相反，即分别由 S1、S2射出的 紫色光到达 P1点时相互削弱，因此，在 P1点出现暗条纹.综上所述，选项 B 正确. 针对训练 如图 5 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

11、第 3 条暗条纹，已知光速为 c，则 P 到双缝 S1、S2的路程差|r1r2|应为( ) 图 5 A. c 2f B.3c 2f C.3c f D.5c 2f 答案 D 解析 出现第 3 条暗条纹，说明 S1、S2到 P 点距离之差为5 2，而 c f，所以|r1r2| 5 2 5c 2f， D 项正确. 三、薄膜干涉 小朋友吹出的肥皂泡、热菜汤表面的油花、马路上积水表面的油膜，都会看到彩色的条纹， 这些彩色条纹是如何形成的呢？ 答案 由薄膜干涉造成的.白光照射在肥皂泡膜、油膜表面，被薄膜前、后表面反射的两列反 射光叠加，形成干涉条纹.由于白光中的各色光波长不同，干涉后的条纹间距不同，薄膜上

12、就 会出现彩色条纹. 1.薄膜干涉中相干光的获得 光照射到薄膜上，在薄膜的前、后两个面反射的光是由同一个实际的光源分解而成的，它们 具有相同的频率，恒定的相位差. 2.薄膜干涉的原理 光照在厚度不同的薄膜上时，前、后两个面的反射光的路程差等于相应位置膜厚度的 2 倍， 在某些位置，两列波叠加后相互加强，于是出现亮条纹；在另一些位置，叠加后相互削弱， 于是出现暗条纹. 3.薄膜干涉是经薄膜前、后表面反射的两束光叠加的结果 出现亮条纹的位置，两束光的路程差 rk(k0,1,2，3)，出现暗条纹的位置，两束光的 路程差 r2k1 2 (k0,1,2,3). 4.薄膜干涉的应用 (1)检查平面平整度的

13、原理 光线经空气薄膜的上、下两面的反射，得到两束相干光，如果被检测平面是光滑平整的，得 到的干涉条纹是等间距的.如果被检测平面某处凹下，则对应条纹提前出现，如果某处凸起， 则对应条纹延后出现. (2)增透膜的原理 在增透膜的前、后表面反射的两列光波形成相干波，当路程差为半波长的奇数倍时，两光波 相互削弱，反射光的能量几乎等于零. 例 3 用单色光照射位于竖直平面内的肥皂液薄膜，所观察到的干涉条纹为( ) 答案 B 解析 由于在光的干涉中亮、暗条纹的位置取决于两列光波相遇时通过的路程差，则在薄膜 干涉中取决于入射点处薄膜的厚度.因肥皂液薄膜在重力作用下形成了一个上薄下厚的楔形 膜，厚度相等的位置

14、在同一条水平线上，故同一条干涉条纹必然是水平的，由此可知只有选 项 B 正确. 1.由于薄膜干涉是经薄膜前、后表面反射的两束光叠加而形成的，所以观察时眼睛与光源应 在膜的同一侧. 2.在光的薄膜干涉中，前、后表面反射光的路程差由膜的厚度决定，所以薄膜干涉中同一亮 条纹或同一暗条纹应出现在厚度相同的地方，因此又叫等厚干涉，每一条纹都是水平的. 3.用单色光照射得到明暗相间的条纹，用白光照射得到彩色条纹. 例4 (多选)如图6甲所示， 用单色光照射透明标准板M来检查平面N的上表面的平滑情况， 观察到如图乙所示条纹中的 P 和 Q 情况，这说明( ) 图 6 A.N 的上表面 A 处向上凸起 B.N

15、 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 由题图甲可知，空气薄层厚度从左向右依次增大，又因为同一条亮(暗)条纹上各处空 气薄层厚度相同，由题图乙可知被检查平面发生弯曲的 P 处的空气厚度本应该比同一条纹上 其他位置的空气厚度小，而实际上厚度一样，故 A 处存在凹陷，同理可知 B 处存在凸起. 1.(双缝干涉实验)(2018 北京卷)用双缝干涉实验装置得到白光的干涉条纹， 在光源与单缝之间 加上红色滤光片后( ) A.干涉条纹消失 B.彩色条纹中的红色条纹消失 C.中央条纹变成暗条纹 D.中央条纹变成红色 答案 D 解析 在

16、光源与单缝之间加上红色滤光片后，只透过红光，屏上出现红光(单色光)的干涉条 纹，中央条纹变成红色. 2.(亮、暗条纹的判断)在双缝干涉实验中，双缝到光屏上 P 点的距离之差为 0.6 m，若分别 用频率为 f15.01014 Hz 和 f27.51014 Hz 的单色光垂直照射双缝，则 P 点出现亮、暗条 纹的情况是( ) A.用单色光 f1和 f2分别照射时，均出现亮条纹 B.用单色光 f1和 f2分别照射时，均出现暗条纹 C.用单色光 f1照射时出现亮条纹，用单色光 f2照射时出现暗条纹 D.用单色光 f1照射时出现暗条纹，用单色光 f2照射时出现亮条纹 答案 C 解析 单色光 f1的波长

17、：1c f1 3108 5.01014 m0.610 6 m0.6 m. 单色光 f2的波长：2c f2 3108 7.51014 m0.410 6 m0.4 m. 因 P 点到双缝的距离之差 x0.6 m1， 所以用单色光 f1照射时 P 点出现亮条纹. x0.6 m3 22， 所以用单色光 f2照射时 P 点出现暗条纹，故选项 C 正确. 3.(薄膜干涉)用如图7所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象.图(a)是点燃的酒精灯(在灯芯上 撒些食盐)，图(b)是竖立的附着一层肥皂液薄膜的金属线圈.将金属线圈在其所在的竖直平面 内缓慢旋转，观察到的现象是( ) 图 7 A.当金属线圈旋转 30 时，

18、干涉条纹同方向旋转 30 B.当金属线圈旋转 45 时，干涉条纹同方向旋转 90 C.当金属线圈旋转 60 时，干涉条纹同方向旋转 30 D.干涉条纹保持不变 答案 D 解析 在重力作用下肥皂液薄膜的竖截面是梯形，前后两面的反射光叠加而形成干涉条纹， 金属线圈在其所在平面内缓慢旋转并不能影响肥皂液薄膜的竖截面，故金属线圈在其所在平 面内旋转时干涉条纹保持不变. 4.(薄膜干涉)(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 8 所示，这时可以看到明暗相间的条纹，下面关于条纹的说 法中正确的是( ) 图 8 A.干涉条纹的产生是由于光在空气劈尖层的上、下两表面反射形成的两列光波叠加的结果 B.干涉条纹中的暗条纹是由于上述两列反射光的波谷与波谷叠加的结果 C.将上玻璃板平行上移，条纹向着劈尖移动 D.观察薄膜干涉条纹时，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，上述现象是由空气层上、下两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，所以 A 项正确，B 项 错误；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 D 项错误；根据条 纹的位置与空气层的厚度是对应的， 当上玻璃板平行上移时， 同一厚度的空气层向劈尖移动， 故条纹向着劈尖移动，故 C 项正确.