4.3光的干涉（導(dǎo)學(xué)案）（教師版）

第3節(jié)光的干涉導(dǎo)學(xué)案【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.了解相干光源，知道光的干涉條件，知道楊氏干涉實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理。2.通過光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)雙縫干涉圖樣的特征。3.知道光的路程差的概念，知道產(chǎn)生明暗條紋的條件和相鄰兩個(gè)亮(暗)條紋中心間距與波長的關(guān)系。4.知道薄膜干涉的原理并能解釋一些現(xiàn)象?！緦W(xué)習(xí)重難點(diǎn)】1.教學(xué)重點(diǎn)：光的干涉的概念及表達(dá)式、光的干涉的條件、光的干涉的應(yīng)用；2.教學(xué)難點(diǎn)：光的干涉的條件、光的干涉的應(yīng)用?！局R(shí)回顧】波的干涉(1)定義頻率相同、相位差恒定、振動(dòng)方向相同的兩列波疊加時(shí)，某些區(qū)域的振動(dòng)總是加強(qiáng)，某些區(qū)域的振動(dòng)總是減弱的現(xiàn)象。(2)穩(wěn)定干涉條件①兩列波的頻率必須相同。②兩個(gè)波源的相位差必須保持不變。(3)一切波都能夠發(fā)生干涉，干涉是波特有的現(xiàn)象。【自主預(yù)習(xí)】光的雙縫干涉1．楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)1801年，英國物理學(xué)家托馬斯·楊成功地觀察到了光的干涉現(xiàn)象，即楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明光是一種波。2．雙縫干涉(1)實(shí)驗(yàn)裝置(說明：屏在擋板右側(cè)，沒有畫出)(2)實(shí)驗(yàn)過程：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，兩狹縫相距很近，兩狹縫就成了兩個(gè)波源，它們的頻率、相位和振動(dòng)方向總是相同的，兩個(gè)光源發(fā)出的光在擋板后面的空間互相疊加發(fā)生干涉。(3)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在屏上得到明暗相間的條紋。(4)產(chǎn)生明暗條紋的條件①當(dāng)兩個(gè)光源與屏上某點(diǎn)的距離之差等于波長λ的整數(shù)倍時(shí)，兩列光波在這點(diǎn)相互加強(qiáng)，出現(xiàn)亮條紋。②當(dāng)兩個(gè)光源與屏上某點(diǎn)的距離之差等于半波長eq\f(λ,2)的奇數(shù)倍時(shí)，兩列光波在這點(diǎn)相互減弱，出現(xiàn)暗條紋。3．相鄰兩條亮條紋或暗條紋的中心間距Δx＝eq\f(l,d)λ。薄膜干涉1．定義：薄膜前后兩個(gè)面的反射光相互疊加，發(fā)生的干涉。2．形成原因不同位置的液膜，厚度不同，來自前后兩個(gè)面的反射光的路程差不同。(1)某些地方，兩列波疊加后互相加強(qiáng)，出現(xiàn)亮條紋；(2)在另一些位置，兩列波疊加后相互削弱，出現(xiàn)暗條紋。3．彩色條紋形成原因由于不同顏色的光的波長不同，薄膜上不同顏色光的條紋的明暗位置也不同，相互交錯(cuò)，看上去會(huì)有彩色條紋。4．應(yīng)用(1)在光學(xué)元件的表面鍍一層特定厚度的薄膜，增加光的透射或反射。(2)檢測(cè)鏡面或其他精密的光學(xué)平面的平滑度?！菊n堂探究】【新課導(dǎo)入】肥皂膜看起來常常是彩色的，雨后公路積水上面漂浮的油膜，也經(jīng)常顯現(xiàn)出彩色條紋。這些彩色條紋或圖樣是怎樣形成的？學(xué)生寫下自己的猜想兩列頻率相同的水波(相干波)相遇時(shí),在某些區(qū)域振動(dòng)加強(qiáng),而在某些區(qū)域振動(dòng)減弱;且振動(dòng)加強(qiáng)的區(qū)域與振動(dòng)減弱的區(qū)域相互間隔。這種現(xiàn)象叫波的干涉。干涉現(xiàn)象是波動(dòng)獨(dú)有的特征，光是一種電磁波，那么光也應(yīng)該能發(fā)生干涉現(xiàn)象。怎樣才能觀察光的干涉現(xiàn)象呢？學(xué)生寫出自己的猜想【新課教學(xué)】任務(wù)一、光的雙縫干涉（一）問題與思考光要發(fā)生干涉現(xiàn)象需要滿足什么條件？頻率和振動(dòng)情況一致相干光源有沒有什么方法可以獲得相干光—頻率相同的光呢？學(xué)生寫出自己的設(shè)計(jì)并與其他同學(xué)交流。托馬斯·楊的設(shè)計(jì)光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析：一束單色光投射到一個(gè)有兩條狹縫S1和S2的擋板上，狹縫S1和S2相距很近。狹縫就成了兩個(gè)波源，它們的頻率、相位和振動(dòng)方向總是相同的，這兩個(gè)光源發(fā)出的光在擋板后面的空間互相疊加。振動(dòng)加強(qiáng)的地方出現(xiàn)亮條紋，振動(dòng)減弱的地方出現(xiàn)暗條紋。什么時(shí)候出現(xiàn)亮條紋，什么時(shí)候又出現(xiàn)暗條紋呢？實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解讀——亮紋由于從S1S2發(fā)出的光是振動(dòng)情況完全相同，又經(jīng)過相同的路程到達(dá)P點(diǎn)，其中一條光傳來的是波峰，另一條傳來的也一定是波峰，其中一條光傳來的是波谷，另一條傳來的也一定是波谷，確信在P點(diǎn)激起的振動(dòng)總是波峰與波峰相遇或波谷與波谷相遇，振幅A＝A1+A2為最大，P點(diǎn)總是振動(dòng)加強(qiáng)的地方，故應(yīng)出現(xiàn)亮紋，這一條亮紋叫中央亮紋。取P點(diǎn)上方的點(diǎn)P1，從S1S2發(fā)出的光到P1點(diǎn)的光程差就不同，若這個(gè)光程差正好等于波長的整數(shù)倍，比如δ=S1－S2=λ，出現(xiàn)第一條亮紋。屏上P1點(diǎn)的上方還可以找到δ=S1－S2＝4λ的P2點(diǎn)，δ=S1－S2＝5λ的P3點(diǎn)……等處的第四條、第五條……亮紋；在中央明紋P的下方可找到δ=S1－S2＝λ的P1/點(diǎn)，δ=S1－S2＝2λ的P2/點(diǎn)，δ=S1－S2＝3λ的P3/點(diǎn)等處與中央明紋為對(duì)稱的第一、第二、第三…，第n條亮紋。由此可以得出出現(xiàn)亮條紋的規(guī)律是什么？亮紋規(guī)律：，n=0、1、2、3……光程差是半波長的的偶數(shù)倍或波長的整數(shù)倍時(shí)出現(xiàn)亮條紋。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解讀——暗紋取P點(diǎn)上方的點(diǎn)Q1，與兩個(gè)狹縫S1、S2路程差δ=S1－S2＝λ/2，其中一條光傳來的是波峰，另一條傳來的就是波谷，其中一條光傳來的是波谷，另一條傳來的一定是波峰，Q1點(diǎn)激起的振動(dòng)總是波峰與波谷相遇，振幅最小，Q1點(diǎn)總是振動(dòng)減弱的地方，故應(yīng)出現(xiàn)暗紋。屏上Q1點(diǎn)的上方還可以找到δ=S1－S2＝3λ/2的Q2點(diǎn)出現(xiàn)第二條暗紋。同樣可以找到第三條暗紋Q3……，在中央明紋下方也可以找到對(duì)稱的Q1/、Q2/、Q3/……等暗紋。由此可以得出出現(xiàn)暗條紋的規(guī)律是什么？暗紋：，n=0、1、2、3……光程差是半波長的的奇數(shù)倍時(shí)出現(xiàn)暗條紋。任務(wù)二、干涉條紋和光的波長之間的關(guān)系（一）亮（暗）紋間距的公式推導(dǎo)如圖所示，雙縫間距為d，雙縫到屏的距離為l。雙縫S1、S2的連線的中垂線與屏的交點(diǎn)為P。對(duì)屏上與P距離為x的一點(diǎn)P1，兩縫與P1的距離P1S1＝r1，P1S2＝r2。相鄰兩個(gè)明(或暗)條紋之間的距離為與波長有什么關(guān)系？在線段P1S2上作P1M＝P1S1，則S2M＝r2－r1，有：r2－r1＝dsinθ(令∠S2S1M＝θ)①另：x＝ltanθ≈lsinθ②當(dāng)兩列波的路程差為波長的整數(shù)倍，即時(shí)才會(huì)出現(xiàn)亮條紋，亮條紋位置為：相鄰兩個(gè)明(或暗)條紋之間的距離為相鄰兩個(gè)明(或暗)條紋之間的距離為干涉條紋和光的波長之間的關(guān)系雙縫干涉亮（暗）紋間距的公式，1.相鄰明（暗）紋間的距離大小的影響因素：（1）波長λ:波長越大，相鄰的亮紋間距越大（2）雙縫之間的距離d:d越小，相鄰的亮紋間距越大（3）雙縫與屏間的距離l:L越大，相鄰的亮紋間距越大2、不同單色光干涉條紋寬度：不同單色光干涉條紋寬度大小規(guī)律是怎樣的？（1）相同介質(zhì)中，不同的光波長不同：λ紅>λ橙>λ黃>λ綠>λ青>λ藍(lán)>λ紫（2）相同雙縫干涉裝置，不同的光條紋間距不同：Δx紅>Δx橙>Δx黃>Δx綠>Δx青>Δx藍(lán)>Δx紫3.白光的干涉圖樣特點(diǎn)：白光的干涉圖會(huì)是什么樣的？（1）明暗相間的彩色條紋；（2）中央為白色亮條紋；（3）干涉條紋是以中央亮紋為對(duì)稱點(diǎn)排列的；（4）在每條彩色亮紋中紅光總是在外側(cè)，紫光在內(nèi)側(cè)。任務(wù)三、薄膜干涉觀察與思考觀察實(shí)驗(yàn)：在酒精燈的燈芯上撒一些食鹽，燈焰就能發(fā)出明亮的黃光。把鐵絲圈在肥皂水中蘸一下，讓它掛上一層薄薄的液膜。把這層液膜當(dāng)作一個(gè)平面鏡，用它觀察燈焰的像。這個(gè)像與直接看到的燈焰有什么不同？請(qǐng)解析看到的現(xiàn)象。現(xiàn)象：觀察到燈焰的像出現(xiàn)了明暗相間的干涉條紋。該條紋是怎樣形成的？該條紋是由液膜前后兩個(gè)面反射的光相互疊加發(fā)生干涉形成的。（二）薄膜干涉薄膜干涉成因由于重力的作用，肥皂薄膜將形成上薄下厚的楔形。光從薄膜的前后兩個(gè)表面反射出來兩個(gè)光波，這兩列光波的頻率相同，產(chǎn)生干涉。（三）薄膜干涉的應(yīng)用1.檢查表面的平整程度如果被檢表面是平的，產(chǎn)生的干涉條紋就是平行的,如圖（b）所示；如果觀察到的干涉條紋如圖（c）所示，則表示被檢測(cè)表面微有凸起或凹下，這些凸起或凹下的地方的干涉條紋就彎曲。從彎曲的程度就可以了解被測(cè)表面的平整情況。這種測(cè)量精度可達(dá)106cm。2.增透膜因?yàn)槿搜蹖?duì)綠光最敏感，所以一般增強(qiáng)綠光的透射，即薄膜的厚度是綠光在薄膜中波長的1/4。由于其它色光不能被有效透射，故反射較強(qiáng)，這樣的鏡頭呈淡紫色。在透鏡或棱鏡的表面上涂上一層薄膜(一般用氟化鎂)。當(dāng)薄膜的厚度適當(dāng)時(shí)，在薄膜的兩個(gè)表面上反射路程差恰好等于半個(gè)波長，因而互相抵消，這就大大減小光的反射損失，增強(qiáng)了透射光的強(qiáng)度，這種薄膜叫增透膜。3.牛頓環(huán)將一塊半徑很大的平凸透鏡與一塊平板玻璃疊放在一起，二者之間便形成類似劈尖形的空氣層。用單色平行光垂直照射，在空氣層上表面兩束反射光干涉，產(chǎn)生的干涉條紋稱牛頓環(huán)【自我測(cè)評(píng)】1．關(guān)于楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，下列說法中錯(cuò)誤的是()A．單色光通過小孔后射向兩個(gè)靠得很近的狹縫可作為振動(dòng)情況總是相同的波源B．兩波源發(fā)出的光波在波谷與波谷疊加的地方，光相互抵消或者削弱，屏上出現(xiàn)暗條紋C．兩個(gè)波源發(fā)出的光波在波峰與波峰疊加的地方，光相互加強(qiáng)，屏上出現(xiàn)亮條紋D．兩波源發(fā)出的光波在波峰與波谷疊加的地方，光相互抵消或削弱，屏上出現(xiàn)暗條紋【答案】B【解析】在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)狹縫的光源來自同一光源，頻率、相位和振動(dòng)方向均相同，具備干涉條件，所以通過兩個(gè)狹縫的光在屏上疊加，在波峰和波峰疊加的地方以及波谷和波谷疊加的地方，光相互加強(qiáng)，屏上出現(xiàn)亮條紋，在波峰和波谷疊加的地方，光相互抵消或削弱，形成暗條紋，B錯(cuò)誤，A、C、D正確。2．關(guān)于薄膜干涉，下列說法中正確的是()A．只有厚度均勻的薄膜才會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象B．只有厚度不均勻的楔形薄膜，才會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象C．厚度均勻的薄膜會(huì)形成干涉條紋D．觀察肥皂液膜的干涉現(xiàn)象時(shí)，觀察者應(yīng)和光源在液膜的同一側(cè)【答案】D【詳解】當(dāng)光從薄膜的一側(cè)照射到薄膜上時(shí)，只要前后兩個(gè)面反射回來的光波的路程差滿足振動(dòng)加強(qiáng)的條件，就會(huì)出現(xiàn)明條紋，滿足振動(dòng)減弱的條件就會(huì)出現(xiàn)暗條紋，這種情況在薄膜厚度不均勻時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)薄膜厚度均勻時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)干涉條紋，但也發(fā)生干涉現(xiàn)象。觀察肥皂液膜的干涉現(xiàn)象時(shí)，觀察者應(yīng)和光源在液膜的同一側(cè)。故D項(xiàng)正確。3．在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，以白光為光源，在屏上觀察到彩色干涉條紋，若在雙縫中的一縫前放一紅色濾光片(只能透過紅光)，另一縫前放一綠色濾光片(只能透過綠光)，這時(shí)()A．只有紅色和綠色的干涉條紋，其他顏色的雙縫干涉條紋消失B．紅色和綠色的干涉條紋消失，其他顏色的干涉條紋仍然存在C．任何顏色的干涉條紋都不存在，但屏上仍有亮光D．屏上無任何亮光【答案】C【詳解】由于兩條縫上放了紅色濾光片和綠色濾光片，其他顏色的光沒有到達(dá)屏，不會(huì)有其他色光的干涉，而紅光和綠光頻率不同，也不能發(fā)生干涉，但屏上有紅光和綠光出現(xiàn)，故選項(xiàng)C正確，選項(xiàng)A、B、D均錯(cuò)誤。4．某同學(xué)希望在暗室中用如圖實(shí)驗(yàn)裝置觀察光現(xiàn)象：平面鏡水平放置，單色線光源S垂直于紙面放置，S發(fā)出的光有一部分直接入射到豎直放置的光屏上，一部分通過平面鏡反射后再到光屏上，則()A．光現(xiàn)象為干涉現(xiàn)象，光屏上的條紋與鏡面垂直B．光現(xiàn)象為衍射現(xiàn)象，光屏上的條紋與