新教材粵教版物理選擇性學(xué)案第4章第4節(jié)光的干涉

第四節(jié)光的干涉[核心素養(yǎng)·明目標(biāo)]核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)目標(biāo)物理觀念認(rèn)識光的干涉現(xiàn)象，知道光的干涉產(chǎn)生的條件科學(xué)思維認(rèn)識單色光和白光干涉條紋的特征科學(xué)態(tài)度與責(zé)任了解薄膜干涉的現(xiàn)象、原理和應(yīng)用知識點(diǎn)一光的雙縫干涉現(xiàn)象將一支激光筆發(fā)出的光照射在雙縫上，雙縫平行于屏，在屏上觀察到了明暗相間的條紋．知識點(diǎn)二光產(chǎn)生干涉的條件1．產(chǎn)生穩(wěn)定干涉圖樣的條件兩列光波的頻率相同，相位差恒定，振動方向相同，即光波為相干波，而且兩列相干光波到達(dá)明(暗)干涉條紋的位置的路程差Δr是波長的整數(shù)倍(或半波長的奇數(shù)倍)，即滿足：Δr＝kλ，k＝0，±1，±2，…(明條紋)Δr＝(2k＋1)eq\f(λ,2)，k＝0，±1，±2，…(暗條紋)2．干涉條紋間距公式屏上相鄰明條紋(或暗條紋)間的距離Δx＝eq\f(L,d)λ，式中L為觀察屏到雙縫擋板的距離，d為雙縫之間的距離，λ為光的波長．知識點(diǎn)三薄膜干涉1．定義薄膜干涉是光通過薄膜時產(chǎn)生的干涉．薄膜可以是透明固體、液體或由兩塊玻璃所夾的氣體薄層．2．應(yīng)用舉例(1)在相機(jī)的鏡頭上通過鍍上增透膜產(chǎn)生干涉，增加透射，減少反射．(2)肥皂泡上的顏色是由肥皂膜的前、后表面反射回來的兩組光波相遇后形成的．1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)．(1)如果兩列光波到達(dá)某點(diǎn)時，路程差為波長的整數(shù)倍，這兩列波互相加強(qiáng)，在那里就出現(xiàn)亮條紋． (√)(2)在干涉條紋中，相鄰兩條亮紋或暗紋之間的距離是相等的． (√)(3)薄膜干涉是通過兩個表面折射的光線產(chǎn)生的． (×)(4)增透膜的厚度應(yīng)等于光在空氣中的波長的二分之一． (×)2．從兩只相同的手電筒射出的光，當(dāng)它們在某一區(qū)域疊加后，看不到干涉圖樣，這是因為()A．手電筒射出的光不是單色光B．干涉圖樣太細(xì)小看不清楚C．周圍環(huán)境的光太強(qiáng)D．這兩束光為非相干光源D[本題雖然強(qiáng)調(diào)兩只相同的手電筒，但它們發(fā)出的光仍然頻率不同．不滿足干涉產(chǎn)生的條件，看不到干涉圖樣，所以選項D正確，A、B、C都是錯誤的．]3．(多選)楊氏雙縫干涉實驗中，下列說法正確的是(n為自然數(shù)，λ為光波波長)()A．在距雙縫的路程相等的點(diǎn)形成暗條紋B．在距雙縫的路程差為nλ的點(diǎn)形成亮條紋C．在距雙縫的路程差為neq\f(λ,2)的點(diǎn)形成亮條紋D．在距雙縫的路程差為eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(n＋\f(1,2)))λ的點(diǎn)形成暗條紋BD[在雙縫干涉實驗中，當(dāng)某處距雙縫距離之差Δx為波長的整數(shù)倍時，即Δx＝kλ，k＝0，1，2，3，…這些點(diǎn)為加強(qiáng)點(diǎn)，該處出現(xiàn)亮條紋；當(dāng)某處距雙縫距離之差Δx為半波長的奇數(shù)倍時，即Δx＝(2k＋1)eq\f(λ,2)，k＝0，1，2，3…這些點(diǎn)為減弱點(diǎn)，該處出現(xiàn)暗條紋；故選項B、D正確，A、C錯誤．]考點(diǎn)1楊氏雙縫干涉如圖所示是楊氏雙縫干涉實驗的示意圖，請問在該實驗中單縫屏和雙縫屏分別所起的作用是什么？提示：單縫屏是為了獲得具有唯一頻率和振動情況的線光源；雙縫屏是為了獲得兩束頻率相同、振動情況完全一致的相干光．1．雙縫干涉的示意圖2．屏上某處出現(xiàn)亮、暗條紋的條件頻率相同的兩列波在同一點(diǎn)引起的振動的疊加，如亮條紋處某點(diǎn)同時參與的兩個振動步調(diào)總是一致，即振動方向總是相同；暗條紋處振動步調(diào)總是相反．具體產(chǎn)生亮、暗條紋的條件為(1)亮條紋產(chǎn)生的條件：屏上某點(diǎn)P到兩條縫S1和S2的路程差正好是波長的整數(shù)倍或半波長的偶數(shù)倍．即：|PS1－PS2|＝kλ＝2k·eq\f(λ,2)(k＝0,1,2,3，…)k＝0時，PS1＝PS2，此時P點(diǎn)位于屏上的O處，為亮條紋，此處的條紋叫中央亮條紋或零級亮條紋．k為亮條紋的級次．(2)暗條紋產(chǎn)生的條件：屏上某點(diǎn)P到兩條縫S1和S2的路程差正好是半波長的奇數(shù)倍．即：|PS1－PS2|＝(2k－1)·eq\f(λ,2)(k＝0,1,2,3，…)k為暗條紋的級次，從第1級暗條紋開始向兩側(cè)展開．3．干涉圖樣的特點(diǎn)(1)單色光的干涉圖樣特點(diǎn)：中央為亮條紋，兩邊是明、暗相間的條紋，且相鄰亮條紋與亮條紋中心間、相鄰暗條紋與暗條紋中心間的距離相等．(2)白光的干涉圖樣：若用白光做實驗，則中央亮條紋為白色，兩側(cè)出現(xiàn)彩色條紋，彩色條紋顯示不同顏色光的干涉條紋間距是不同的．【典例1】如圖所示為雙縫干涉實驗裝置，當(dāng)使用波長為6×10－7m的橙色光做實驗時，光屏P點(diǎn)及上方的P1點(diǎn)形成相鄰的亮條紋．若使用波長為4×10－7m的紫光重復(fù)上述實驗，在P和P1點(diǎn)形成的亮、暗條紋的情況是()A．P和P1都是亮條紋B．P是亮條紋，P1是暗條紋C．P是暗條紋，P1是亮條紋D．P和P1都是暗條紋[思路點(diǎn)撥](1)光的路程差為半波長的偶數(shù)倍時出現(xiàn)亮條紋．(2)光的路程差為半波長的奇數(shù)倍時出現(xiàn)暗條紋．B[eq\f(λ橙,λ紫)＝eq\f(6×10－7,4×10－7)＝1.5＝eq\f(3,2)，P1點(diǎn)對橙光：Δr＝n·λ橙，對紫光：Δr＝nλ橙＝n·eq\f(3,2)λ紫＝3n·eq\f(λ紫,2)，因為P1與P相鄰，所以n＝1，P1點(diǎn)是暗條紋．對P點(diǎn)，因為Δr＝0，所以仍是亮條紋，B正確．]分析雙縫干涉中明暗條紋問題的步驟(1)由題設(shè)情況依λ真＝nλ介，求得光在真空(或空氣)中的波長．(2)由屏上出現(xiàn)明暗條紋的條件判斷光屏上出現(xiàn)的是明條紋還是暗條紋．(3)根據(jù)明條紋的判斷式Δr＝kλ(k＝0,1,2，…)或暗條紋的判斷式Δr＝(2k＋1)eq\f(λ,2)(k＝0,1,2，…)，判斷出k的取值，從而判斷條紋數(shù)．[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．(多選)在雙縫干涉實驗中，雙縫到光屏上P點(diǎn)的距離之差d＝0.6μm．若分別用頻率為f1×1014Hz和頻率為f2×1014Hz的單色光垂直照射雙縫，則P點(diǎn)出現(xiàn)條紋的情況是()A．用頻率為f1的單色光照射時，P點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋B．用頻率為f1的單色光照射時，P點(diǎn)出現(xiàn)明條紋C．用頻率為f2的單色光照射時，P點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋D．用頻率為f2的單色光照射時，P點(diǎn)出現(xiàn)明條紋BC[由c＝λf可得λ＝eq\f(c,f)，故單色光的波長分別為λ1＝eq\f(c,f1)＝eq\×108,×1014)m＝6×10－7m，λ2＝eq\f(c,f2)＝eq\×108,×1014)m＝4×10－7m；故雙縫到光屏上P點(diǎn)的距離之差d分別是兩種單色光波長的倍數(shù)n1＝eq\f(d,λ1)＝eq\f(6×10－7,6×10－7)＝1，n2＝eq\f(d,λ2)＝eq\f(6×10－7,4×10－7)＝1.5；所以，用頻率為f1的單色光照射時，P點(diǎn)出現(xiàn)明條紋；用頻率為f2的單色光照射時，P點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋；故選項B、C正確，A、D錯誤．]考點(diǎn)2薄膜干涉及應(yīng)用如圖所示是幾種常見的薄膜干涉圖樣，這些干涉圖樣是怎樣形成的呢？提示：是由薄膜前、后或上、下表面反射光束相遇而產(chǎn)生的干涉．1．薄膜干涉現(xiàn)象(1)現(xiàn)象：①每一條紋呈水平狀態(tài)排列．②由于各種色光干涉后相鄰兩亮紋中心的距離不同，所以若用白光做這個實驗，會觀察到彩色干涉條紋．(2)成因：①如圖所示，豎直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用，下面厚、上面薄．②在薄膜上不同的地方，從膜的前、后表面反射的兩列光波疊加，在某些位置這兩列波疊加后互相加強(qiáng)，則出現(xiàn)亮條紋；在另一些位置，疊加后互相削弱，則出現(xiàn)暗條紋．故在單色光照射下，就出現(xiàn)了明暗相間的干涉條紋．③若在白光照射下，則出現(xiàn)彩色干涉條紋．2．用干涉法檢查平面平整度如圖甲所示，兩板之間形成一層空氣膜，用單色光從上向下照射，如果被檢測平面是光滑的，得到的干涉圖樣必是等間距的．如果被測表面某處凹下，則對應(yīng)亮條紋(或暗條紋)提前出現(xiàn)，如圖乙中P條紋所示；如果某處凸起來，則對應(yīng)條紋延后出現(xiàn)，如圖乙中Q所示．(注：“提前”與“延后”不是指在時間上，而是指由左到右的位置順序上)甲乙3．增透膜(1)為了減少光學(xué)裝置中的反射光的能量損失，可在元件表面涂一層透明薄膜，一般是氟化鎂．(2)如圖所示，在增透膜的前后表面反射的兩列光波形成相干波，相互疊加，當(dāng)路程差為半波長的奇數(shù)倍時，在兩個表面反射的光產(chǎn)生相消干涉，反射光的能量幾乎等于零．增透膜的最小厚度：增透膜厚度d＝eq\f(2k＋1λ,4)(k＝0,1,2,3，…)，最小厚度為eq\f(λ,4)．(λ為光在介質(zhì)中傳播時的波長)(3)由于白光中含有多種波長的光，所以增透膜只能使其中一定波長的光相消．(4)因為人對綠光最敏感，一般選擇對綠光起增透作用的膜，所以在反射光中綠光強(qiáng)度幾乎為零，而其他波長的光并沒有完全抵消，所以增透膜呈現(xiàn)淡紫色．【典例2】(多選)光的干涉現(xiàn)象在技術(shù)中有重要應(yīng)用．例如，在磨制各種鏡面或其他精密的光學(xué)平面時，可以用干涉法檢查平面的平整程度．如圖所示，在被測平面上放一個透明的樣板，在樣板的一端墊一個薄片，使樣板的標(biāo)準(zhǔn)平面與被測平面之間形成一個楔形空氣薄層．用單色光從上面照射，在樣板上方向下觀測時可以看到干涉條紋．如果被測表面是平整的，干涉條紋就是一組平行的直線(如圖甲)，下列說法正確的是()A．這是空氣層的上下兩個表面反射的兩列光波發(fā)生干涉B．空氣層厚度相同的地方，兩列波的路程差相同，兩列波疊加時相互加強(qiáng)或相互削弱的情況也相同C．如果干涉條紋如圖乙所示發(fā)生彎曲，就表明被測表面彎曲對應(yīng)位置向下凹D．如果干涉條紋如圖乙所示發(fā)生彎曲，就表明被測表面彎曲對應(yīng)位置向上凸ABC[在標(biāo)準(zhǔn)樣板平面和被測平面間形成了很薄的空氣薄膜，用單色光從標(biāo)準(zhǔn)平面上面照射，從空氣薄膜的上下表面分別反射的兩列光波頻率相等，符合相干條件，在樣板平面的下表面處發(fā)生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)明暗相間的條紋，A正確；在空氣層厚度d相等的地方，兩列波的波程差均為2d保持不變，疊加時相互加強(qiáng)和削弱的情況是相同的，屬于同一條紋，故薄膜干涉也叫等厚干涉，B正確；薄膜干涉條紋，又叫等厚條紋，厚度相同的地方，應(yīng)該出現(xiàn)在同一級條紋上．圖乙中條紋向左彎曲，說明后面較厚的空氣膜厚度d，在左面提前出現(xiàn)，故左方存在凹陷現(xiàn)象，C正確，D錯誤．故本題選ABC．]被測平面凹下或凸起的形象判斷法被測平面凹下或凸起的形象判斷法——矮人行走法．即把干涉條紋看成“矮人”的行走軌跡．讓一個小矮人在兩板間沿著一條條紋直立行走，始終保持腳踏被測板，頭頂樣板，在行走過程中：(1)若遇一凹下，他必向薄膜的尖端去繞，方可按上述要求過去，即條紋某處彎向薄膜尖端，該處為一凹下．(2)若遇一凸起，他必向薄膜的底部去繞，方可按上述要求過去，即條紋某處彎向薄膜底部，該處為一凸起．因此，條紋向薄膜尖端彎曲時，說明下凹，反之，上凸．[跟進(jìn)訓(xùn)練]訓(xùn)練角度1肥皂膜干涉2．用如圖所示的實驗裝置觀察光的薄膜干涉現(xiàn)象．圖甲是點(diǎn)燃的酒精燈(在燈芯上撒些鹽)，圖乙是豎立的附著一層肥皂液薄膜的金屬絲圈．將金屬絲圈在其所在的豎直平面內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn)，觀察到的現(xiàn)象是()A．當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)30°時干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)30°B．當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)45°時干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)90°C．當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)60°時干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)30°D．干涉條紋保持原來狀態(tài)不變D[豎直肥皂膜是由于重力作用產(chǎn)生的上薄下厚的薄膜，所以金屬絲圈的緩慢轉(zhuǎn)動，改變不了肥皂液膜的上薄下厚的形狀，由干涉原理可知，同一厚度處的干涉條紋在同一級次上，所形成的干涉條紋都是水平的，與金屬絲圈在該豎直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動無關(guān)，仍然是水平的干涉條紋，D正確．]訓(xùn)練角度2增透膜3．市場上有種燈具俗稱“冷光燈”，用它照射物品時能使被照物品處產(chǎn)生的熱效應(yīng)大大降低，從而廣泛地應(yīng)用于博物館、商店等處．這種燈降低熱效應(yīng)的原因之一是在燈泡后面放置的反光鏡玻璃表面上鍍一層折射率為n的薄膜，這種膜能消除玻璃表面反射回來的熱效應(yīng)最顯著的紅外線．以λ表示此紅外線在真空中的波長，則所鍍薄膜的厚度最小應(yīng)為()A．eq\f(λ,4)B．eq\f(λ,2)C．eq\f(λ,4n)D．eq\f(λ,2n)C[增透膜的原理是利用薄膜干涉，使入射光在薄膜前后表面的反射光發(fā)生干涉時恰好能夠形成峰谷疊加．滿足這一效果的條件是薄膜前后表面反射光的光程差是光在薄膜中傳播時半波長的奇數(shù)倍．即eq\f(λ膜,2)(2k＋1)＝2d膜，其中k＝0、1、2、3、…根據(jù)題中“折射率為n的薄膜”和“λ表示此紅外線在真空中的波長”運(yùn)用折射率定義可知：n＝eq\f(λ,λ膜)；則可知d膜＝eq\f(λ,4n)(2k＋1)，其中k＝0、1、2、3、…，當(dāng)k＝0時，厚度最小為eq\f(λ,4n)．故A、B、D錯誤，C正確．]1．物理觀念：光的干涉、薄膜干涉．2．科學(xué)思維：相干條件、條紋間距公式．3．科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：增透膜．1．(多選)在雙縫干涉實驗中，下列說法正確的是()A．相鄰兩明條紋和相鄰兩暗條紋的間距是相等的B．把入射光由紅光換成紫光，相鄰兩明條紋間距變寬C．只有頻率相同的兩列光才能發(fā)生明顯的干涉現(xiàn)象D．頻率不同的兩列光波也能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，只是不穩(wěn)定AC[在干涉中，相鄰兩明條紋和相鄰兩暗條紋的間距是相等的，A正確；入射光波長越大，條紋間距越大，入射光由紅光換成紫光，波長變短，相鄰兩明條紋間距變窄，B錯誤；只有頻率相同的兩列光才能發(fā)生干涉現(xiàn)象，C正確，D錯誤．]2．如圖所示是用干涉法檢查某塊厚玻璃板的上表面是否平整的裝置，所用單色光為普通光加濾光片產(chǎn)生的，檢查中所觀察到的條紋是由下列哪兩個表面反射的光線疊加而成的()A．a(chǎn)的上表面和b的下表面B．a(chǎn)的上表面和b的上表面C．a(chǎn)的下表面和b的上表面D．a(chǎn)的下表面和b的下表面C[本題關(guān)鍵是找到使光線發(fā)生干涉的薄膜，本題中a是樣本，b是被檢查的平面，而形成干涉的兩束反射光是a、b間的空氣薄層反射的，所以選C．]3．(多選)a光經(jīng)過某干涉儀形成的光的干涉圖樣如圖甲所示，若只將a光換成b光照射同一干涉儀，形成的光的干涉圖樣如圖乙所示．則下述正確的是()甲乙A．a(chǎn)光的頻率較