新教材物理選擇性必修第一冊(cè)學(xué)案4.3光的干涉

3．光的干涉目標(biāo)體系構(gòu)建明確目標(biāo)·梳理脈絡(luò)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．了解光的干涉現(xiàn)象，了解光的干涉產(chǎn)生的條件。2．知道決定干涉條紋間距的條件，認(rèn)識(shí)出現(xiàn)亮條紋和暗條紋的位置特點(diǎn)。3．了解薄膜干涉及其成因。4．知道光的干涉在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用?！舅季S脈絡(luò)】課前預(yù)習(xí)反饋教材梳理·落實(shí)新知知識(shí)點(diǎn)1雙縫干涉實(shí)驗(yàn)1．物理史實(shí)1801年，英國(guó)物理學(xué)家__托馬斯·楊__成功地觀察到了光的干涉現(xiàn)象。2．實(shí)驗(yàn)示意圖如圖所示3．實(shí)驗(yàn)過程如圖，讓一束平行的__單色光__投射到一個(gè)有兩條狹縫S1和S2的擋板上，狹縫S1和S2相距__很近__，兩條狹縫就產(chǎn)生兩個(gè)波源，它們的頻率、相位和振動(dòng)方向總是__相同的__，兩波源發(fā)出的光在擋板后面的空間互相__疊加__，發(fā)生干涉現(xiàn)象。4．實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在屏上得到__明暗相間__的條紋。5．實(shí)驗(yàn)結(jié)論證明光是一種__波__。知識(shí)點(diǎn)2干涉條紋和光的波長(zhǎng)之間的關(guān)系1．亮條紋的條件屏上某點(diǎn)P到兩縫S1和S2的路程差正好是波長(zhǎng)的整數(shù)倍或半個(gè)波長(zhǎng)的__偶數(shù)倍__。2．暗條紋的條件屏上某點(diǎn)P到兩縫S1和S2的路程差正好是半個(gè)波長(zhǎng)的__奇數(shù)倍__。3．干涉圖樣中條紋間距的計(jì)算在雙縫間的距離d和雙縫到光屏間的距離l不變的條件下，單色光產(chǎn)生的干涉條紋間距Δx(相鄰兩條亮條紋中心或相鄰兩條暗條紋中心間的距離)跟光的波長(zhǎng)λ成__正比__，即Δx＝__eq\f(l,d)λ__。知識(shí)點(diǎn)3薄膜干涉1．薄膜干涉中的獲得光照射到薄膜上，在薄膜的前后兩個(gè)面__反射__的光是由同一個(gè)光波分解而成的，它們具有相同的__頻率__、恒定的相位差及振動(dòng)方向。2．薄膜干涉的原理光照在厚度不同的薄膜上時(shí)，在薄膜的不同位置，前后兩個(gè)面的反射光的__路程差__不同，在某些位置兩列波疊加后相互加強(qiáng)，于是出現(xiàn)__亮__條紋；在另一些位置，兩列波疊加后相互削弱，于是出現(xiàn)__暗__條紋。思考辨析『判一判』(1)托馬斯·楊用光的干涉實(shí)驗(yàn)證明了光是一種波。(√)(2)在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，中央亮紋的寬度最大。(×)(3)在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，光屏上何處出現(xiàn)亮條紋，何處出現(xiàn)暗條紋是由光的路程差所決定的。(√)(4)用白光做光的干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，偏離中央亮條紋較遠(yuǎn)的是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光。(√)(5)只有頻率相同的兩列光波才能產(chǎn)生干涉。(√)(6)干涉條紋的產(chǎn)生是光在液膜前后兩表面反射形成的兩列光波疊加的結(jié)果。(√)『選一選』如圖所示，從兩只相同的手電筒射出的光，當(dāng)它們?cè)谀骋粎^(qū)域疊加后，看不到干涉圖樣，這是因?yàn)?D)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解析：兩束光為非相干光源，不滿足干涉產(chǎn)生的條件。『想一想』很多攝影愛好者在掃描貼在玻璃板表面的底片時(shí)常會(huì)在掃描后的圖像上看到一圈圈明暗相間的光環(huán)，如圖所示。這就是光的現(xiàn)象——牛頓環(huán)。你知道牛頓環(huán)是怎樣形成的嗎？提示：是由光的干涉現(xiàn)象形成的。課內(nèi)互動(dòng)探究細(xì)研深究·破疑解難探究對(duì)光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的理解┃┃情境導(dǎo)入__■如圖所示，用單色光照射雙狹縫，在后面的屏上得到明暗相間的干涉條紋，請(qǐng)思考：為什么會(huì)出現(xiàn)雙縫干涉現(xiàn)象？提示：兩條狹縫相當(dāng)于兩個(gè)頻率、振動(dòng)方向相同，相位差恒定的光源，滿足干涉條件。┃┃要點(diǎn)提煉__■1．雙縫干涉的裝置示意圖實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，有光源、單縫、雙縫和光屏。2．單縫屏的作用獲得一個(gè)線光源，使光源有唯一的頻率和振動(dòng)情況。3．雙縫屏的作用平行光照射到單縫S上，又照到雙縫S1、S2上，這樣一束光被分成兩束頻率相同和振動(dòng)情況完全一致的相干光。4．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(dòng)的疊加，如亮條紋處某點(diǎn)同時(shí)參與的兩個(gè)振動(dòng)步調(diào)總是一致，即振動(dòng)方向總是相同；暗條紋處振動(dòng)步調(diào)總相反。具體產(chǎn)生亮、暗條紋的條件為：①亮條紋的條件：屏上某點(diǎn)P到兩縫S1和S2的路程差正好是波長(zhǎng)的整數(shù)倍或半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍。即|PS1－PS2|＝kλ＝2k·eq\f(λ,2)(k＝0,1,2,3…)k＝0時(shí)，PS1＝PS2，此時(shí)P點(diǎn)位于屏上的中心O處，為亮條紋，此處的條紋叫中央亮紋。②暗條紋的條件：屏上某點(diǎn)到兩條縫S1和S2的路程差正好是半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍。即|PS1－PS2|＝(2k＋1)eq\f(λ,2)(k＝0,1,2,3…)┃┃典例剖析__■典例1如圖所示為雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置，當(dāng)使用波長(zhǎng)為6×10－7m的橙光做實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(zhǎng)為4×10－7m的紫光重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，在P和P1點(diǎn)形成的亮、A．P和P1點(diǎn)處都是亮條紋B．P點(diǎn)處是亮條紋，P1點(diǎn)處是暗條紋C．P點(diǎn)處是暗條紋，P1點(diǎn)處是亮條紋D．P和P1點(diǎn)處都是暗條紋思路引導(dǎo)：根據(jù)橙光的干涉情況可以得知P點(diǎn)與S1、S2的距離之差和P1點(diǎn)與S1、S2的距離之差，根據(jù)距離之差與紫光波長(zhǎng)的關(guān)系，確定紫光的干涉情況。解析：從單縫S射出的光波被S1、S2兩縫分成兩束相干光，由題意知屏中央P點(diǎn)到S1、S2的距離相等，即分別由S1、S2射出的光到P點(diǎn)的路程差為零，因此P點(diǎn)是中央亮條紋，因而，無論入射光是什么顏色，波長(zhǎng)多長(zhǎng)，P點(diǎn)處都是亮條紋。由題意可知分別由S1、S2射出的光到P1點(diǎn)的路程差剛好是橙光的一倍波長(zhǎng)，即|P1S1－P1S2|＝600nm＝λ橙，當(dāng)換用波長(zhǎng)為400nm的紫光時(shí)，|P1S1－P1S2|＝600nm＝eq\f(3,2)λ紫，則兩列光波到P1點(diǎn)時(shí)振動(dòng)情況完全相反，即分別由S1、S2射出的光在P1點(diǎn)相互削弱，因此，在P1點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋。故選B。┃┃對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練__■1．某同學(xué)自己動(dòng)手利用如圖所示的器材，觀察光的干涉現(xiàn)象，其中，A為單縫屏，B為雙縫屏，C為像屏。當(dāng)他用一束陽(yáng)光照射到A上時(shí)，屏C上并沒有出現(xiàn)干涉條紋。他移走B后，C上出現(xiàn)一窄亮斑。分析實(shí)驗(yàn)失敗的原因，最大的可能是(B)A．單縫S太窄 B．單縫S太寬C．S到S1和S2距離不等 D．太陽(yáng)光不能作光源解析：本實(shí)驗(yàn)中，單縫S應(yīng)非常窄，才可看作“理想線光源”，也才能成功地觀察到干涉現(xiàn)象，移走B屏后，在C上出現(xiàn)一窄亮斑，說明單縫S太寬，故B正確，A錯(cuò)誤；S到S1和S2距離不等時(shí)，也能出現(xiàn)干涉條紋，但中央不一定是亮紋，C錯(cuò)誤；太陽(yáng)光可以作光源，屏上將出現(xiàn)彩色條紋，D錯(cuò)誤。探究雙縫干涉圖樣的特點(diǎn)┃┃情境導(dǎo)入__■如圖所示是幾種單色光的雙縫干涉圖樣，請(qǐng)問：(1)單色光干涉時(shí)相鄰兩亮條紋的間距和相鄰兩暗條紋的間距相等嗎？(2)用不同顏色的光做干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)干涉圖樣完全一樣嗎？提示：(1)相等(2)不一樣┃┃要點(diǎn)提煉__■1．干涉條紋間距Δx與波長(zhǎng)λ的關(guān)系(1)關(guān)系式：Δx＝eq\f(l,d)λ式中l(wèi)是指屏和雙縫之間的距離，d是指兩縫之間的距離。(2)同一干涉裝置中，條紋間距Δx與λ成正比。(3)c＝λf，頻率越高的光波長(zhǎng)越短。白光的各種色光波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短依次為紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫。2．單色光的干涉圖樣若用單色光作光源，則干涉條紋是明暗相間的條紋，且條紋間距相等。中央為亮條紋，兩相鄰亮紋(或暗紋)間距離與光的波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)越大，條紋間距越大。3．白光的干涉圖樣若用白光作光源，則干涉條紋是彩色條紋，且中央條紋是白色的。這是因?yàn)?1)從雙縫射出的兩列光波中，各種色光都形成明暗相間的條紋，各種色光都在中央條紋處形成亮條紋，從而復(fù)合成白色條紋。(2)兩側(cè)條紋間距與各色光的波長(zhǎng)成正比，即紅光的亮紋間寬度最大。紫光亮紋間寬度最小，即除中央條紋以外的其他條紋不能完全重合，這樣便形成了彩色干涉條紋，而且同一級(jí)條紋內(nèi)紫外紅。┃┃典例剖析__■典例2(2020·北京師大附中高二下學(xué)期期中)如圖(甲)所示為雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的裝置示意圖，(乙)圖為用綠光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，在屏上觀察到的條紋情況，a為中央條紋，(丙)圖為換用另一顏色的單色光做實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到的條紋情況，a′為中央亮條紋，則以下說法正確的是(A)A．(丙)圖可能為用紅光實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的條紋，表明紅光波長(zhǎng)較長(zhǎng)B．(丙)圖可能為用紫光實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的條紋，表明紫光波長(zhǎng)較長(zhǎng)C．(丙)圖可能為用紫光實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的條紋，表明紫光波長(zhǎng)較短D．(丙)圖可能為用紅光實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的條紋，表明紅光波長(zhǎng)較短思路引導(dǎo)：求解該類題目需思考以下兩個(gè)問題：(1)乙、丙兩圖中，哪個(gè)條紋間距較大？(2)雙縫干涉圖樣中條紋間距與單色光的波長(zhǎng)有什么關(guān)系？解析：根據(jù)雙縫干涉圖樣的特點(diǎn)，入射光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，同一裝置產(chǎn)生的雙縫干涉圖樣中條紋的間距就越大，由題意可確定另一種顏色的單色光比綠光的波長(zhǎng)長(zhǎng)，因此B、C、D錯(cuò)，A對(duì)。┃┃對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練__■2．(2020·河北省石家莊二中高二下學(xué)期期中)某同學(xué)用單色光進(jìn)行雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，在屏上觀察到如圖甲所示的條紋，僅改變一個(gè)實(shí)驗(yàn)條件后，觀察到的條紋如圖乙所示。他改變的實(shí)驗(yàn)條件可能是(B)A．減小光源到單縫的距離B．減小雙縫之間的距離C．減小雙縫到光屏之間的距離D．換用頻率更高的單色光源解析：通過觀察發(fā)現(xiàn)，圖乙中干涉條紋的寬度比甲圖中的大，根據(jù)干涉條紋寬度有：Δx＝eq\f(l,d)λ，因此可以使縫屏距l(xiāng)變大，雙縫間距d減小，或換用波長(zhǎng)較長(zhǎng)即頻率較低的光，以達(dá)到要求，故選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤；選項(xiàng)B正確；與光源到單縫的距離無關(guān)，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤。探究薄膜干涉及其應(yīng)用┃┃情境導(dǎo)入__■觀察薄膜干涉現(xiàn)象時(shí)，要在有光照的一側(cè)觀察還是在無光照的一側(cè)觀察？提示：在有光照的一側(cè)，因?yàn)楸∧じ缮媸乔昂髢蓚€(gè)面的反射光疊加后發(fā)生的干涉。┃┃要點(diǎn)提煉__■1．薄膜干涉的成因如圖所示，豎直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用使下面厚、上面薄，因此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，若兩列波疊加后互相加強(qiáng)，則出現(xiàn)亮紋；在另一些地方，疊加后互相減弱，則出現(xiàn)暗紋。故在單色光照射下，就出現(xiàn)了明暗相間的干涉條紋；若在白光照射下，則出現(xiàn)彩色干涉條紋。2．薄膜干涉的應(yīng)用(1)等傾法檢查平面平整度如圖所示，被檢查平面B與標(biāo)準(zhǔn)樣板A之間形成了一個(gè)楔形的空氣薄膜，用單色光照射，入射光從空氣膜的上、下表面反射出兩列光波，形成干涉條紋。被檢查平面若是平的，空氣膜厚度相同的各點(diǎn)就位于一條直線上，干涉條紋平行；若被檢查表面某些地方不平，那里空氣膜產(chǎn)生的干涉條紋將發(fā)生彎曲。(2)光學(xué)鏡頭上的增透膜光學(xué)鏡頭表面常常鍍一層透光的膜稱為增透膜。因增透膜的厚度為入射光在薄膜中波長(zhǎng)的eq\f(1,4)，從介質(zhì)膜前后兩個(gè)面反射的光的路程差為eq\f(λ,2)，所以兩列光波相互削弱，使反射光的強(qiáng)度大大降低，透射光的強(qiáng)度得到加強(qiáng)。特別提醒對(duì)“增透”的理解：如果用宏觀的思維方式來理解，兩束反射光相互抵消，并沒有增加透射光的強(qiáng)度，因此，此過程只是“消反”，卻不能“增透”。其實(shí)光的干涉將引起整個(gè)光強(qiáng)分布的改變，但總的能量是守恒的，反射光的能量被削弱了，透射光的能量就必然得到增強(qiáng)。增透膜正是通過“消反”來確保“增透”的。┃┃典例剖析__■典例3(多選)把一個(gè)平行玻璃板壓在另一個(gè)平行玻璃板上，一端用薄片墊起，構(gòu)成空氣劈尖，讓單色光從上方射入(如圖)，這時(shí)可以看到亮暗相間的條紋。下面關(guān)于條紋的說法中正確的是(AC)A．將薄片遠(yuǎn)離劈尖移動(dòng)使劈角變小時(shí)，條紋變疏B．將薄片向著劈尖移動(dòng)使劈角變大時(shí)，條紋變疏C．將上玻璃板平行上移，條紋向著劈尖移動(dòng)D．將上玻璃板平行上移，條紋遠(yuǎn)離劈尖移動(dòng)思路引導(dǎo)：因?yàn)闂l紋的位置與薄膜厚度相對(duì)應(yīng)，所以同一厚度的空氣薄膜移動(dòng)的方向就是條紋移動(dòng)的方向。解析：A對(duì)，B錯(cuò)：從空氣膜的上下表面分別反射的兩列光是相干光，發(fā)生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)干涉條紋，所以此條紋是由上方玻璃板的下表面和下方玻璃板的上表面反射光疊加后形成的。當(dāng)將薄片向著劈尖移動(dòng)使劈角變大時(shí)，相鄰亮條紋間距變小，所以干涉條紋會(huì)變密；若將薄片遠(yuǎn)離劈尖移動(dòng)使劈角變小時(shí)，相鄰亮條紋間距變大，所以干涉條紋會(huì)變疏。C對(duì)，D錯(cuò)：將上玻璃板平行上移，導(dǎo)致滿足亮條紋光程差的間距向劈尖移動(dòng)，因此條紋向著劈尖移動(dòng)。┃┃對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練__■3．如圖所示為一顯示薄膜干涉現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置，P是附有肥皂泡薄膜的鐵絲圈，S是一點(diǎn)燃的酒精燈，往火焰上撒些鹽后，在肥皂膜上觀察到的干涉圖像應(yīng)是圖中的(D)解析：鐵絲圈上的肥皂泡薄膜在重力作用下上薄下厚，在同一水平線上厚度基本一致，如果某一厚度處前后表面反射的同一列光波疊加得到加強(qiáng)，那么這一水平線上同一厚度處光波會(huì)加強(qiáng)，所以干涉條紋應(yīng)是基本水平的。核心素養(yǎng)提升以題說法·啟智培優(yōu)易錯(cuò)點(diǎn)：對(duì)光的干涉條件認(rèn)識(shí)不清案例教室內(nèi)