人教版(新教材)高中物理選擇性必修一學案：4 3 光的干涉

人教版（新教材）高中物理選擇性必修第一冊PAGEPAGE1第3節(jié)光的干涉學習目標要求核心素養(yǎng)和關鍵能力1.通過實驗觀察認識光的干涉現(xiàn)象，知道從光的干涉現(xiàn)象說明光是一種波。2.掌握光的雙縫干涉現(xiàn)象的產(chǎn)生，出現(xiàn)亮、暗條紋的位置。3.知道產(chǎn)生干涉條紋的條件，能進行干涉條紋間距的計算。4.知道薄膜干涉現(xiàn)象以及相關的應用。1.與機械波的干涉進行比較。2.通過干涉圖樣的觀察，體會物理現(xiàn)象之美。一、光的雙縫干涉1.物理史實：1801年，英國物理學家托馬斯·楊成功地觀察到了光的干涉現(xiàn)象，開始讓人們認識到光的波動性。2.雙縫干涉實驗(1)實驗過程：讓一束平行的完全相同的單色光投射到一個有兩條狹縫S1和S2的擋板上，兩狹縫相距很近，兩狹縫就成了兩個波源，它們的頻率、相位和振動方向總是相同的，兩個光源發(fā)出的光在擋板后面的空間互相疊加發(fā)生干涉。(2)實驗現(xiàn)象：在屏上得到明暗相間的條紋。(3)實驗結論：光是一種波。3.干涉條件：兩列光的頻率相同、振動方向相同、相位差恒定。4.相干光源：發(fā)出的光能夠發(fā)生干涉的兩個光源?！寂幸慌小?1)雙縫干涉實驗中，雙縫的作用是產(chǎn)生兩束相干光。(√)(2)只要兩列光波的頻率相同，在同一區(qū)域疊加時就會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。(×)(3)用單色光做雙縫干涉實驗時在屏幕上出現(xiàn)明暗相間的條紋。(√)二、干涉條紋和光的波長之間的關系1.出現(xiàn)亮條紋的條件：屏上某點P到兩縫S1和S2的路程差正好是波長的整數(shù)倍或半個波長的偶數(shù)倍。即|PS1－PS2|＝nλ＝2n·eq\f(λ,2)(n＝0，1，2，3…)。2.出現(xiàn)暗條紋的條件：屏上某點P到兩縫S1和S2的路程差正好是半個波長的奇數(shù)倍。即|PS1－PS2|＝(2n＋1)·eq\f(λ,2)(n＝0，1，2，3…)。3.干涉圖樣中條紋間距的計算：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λ成正比，即Δx＝eq\f(l,d)λ。〖判一判〗(1)屏上某處到兩縫的間距相等，此處為中央亮條紋。(√)(2)屏上某處到兩縫的間距相差半個波長，此處為暗條紋。(√)(3)白光做雙縫干涉實驗時，因為不同色光在不同位置加強，故出現(xiàn)彩色條紋。(√)三、薄膜干涉1.薄膜干涉中相干光的獲得：光照射到薄膜上，在薄膜的前后兩個面反射的光是由同一個光波分解而成的，它們具有相同的頻率、振動方向及恒定的相位差。2.薄膜干涉的原理：光照在厚度不同的薄膜上時，在薄膜的不同位置，前后兩個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，于是出現(xiàn)亮條紋；在另一些位置，兩列波相遇后相互削弱，于是出現(xiàn)暗條紋?！甲鲆蛔觥?2020·江蘇省響水中學高二期中)關于薄膜干涉，下列說法中正確的是()A.只有厚度均勻的薄膜，才會發(fā)生干涉現(xiàn)象B.只有厚度不均勻的楔形薄膜，才會發(fā)生干涉現(xiàn)象C.厚度均勻的薄膜會形成干涉條紋D.觀察肥皂液膜的干涉現(xiàn)象時，觀察者應和光源在液膜的同一側〖答案〗D〖解析〗當光從薄膜的一側照射到薄膜上時，只要前后兩個面反射回來的光波的路程差滿足振動加強的條件，就會出現(xiàn)明條紋，滿足振動減弱的條件就會出現(xiàn)暗條紋，這種情況在薄膜厚度不均勻時才會出現(xiàn)。當薄膜厚度均勻時，不會出現(xiàn)干涉條紋，但也可能發(fā)生干涉現(xiàn)象，如果是單色光照射，若滿足振動加強的條件，整個薄膜前方都是亮的，否則整個薄膜的前方都是暗的，故A、B、C錯誤；薄膜干涉條紋，是兩列頻率相同的反射光在薄膜上出現(xiàn)的現(xiàn)象，因此觀察者應和光源在液膜的同一側，故D正確。探究1光的雙縫干涉1.單縫屏的作用獲得一個線光源，使光源有唯一的頻率和振動情況。2.雙縫屏的作用平行光通過單縫S后，又照射到雙縫S1、S2上，這樣一束光被分成兩束頻率相同和振動情況完全相同的相干光。3.產(chǎn)生干涉的條件：兩列光的頻率相同、相位相同、振動方向相同。實驗中可用“一分為二”的方法獲得兩個相干光源。4.光的干涉原理光的干涉現(xiàn)象中雖然是波峰與波峰疊加或波谷與波谷疊加出現(xiàn)亮條紋，波峰與波谷疊加出現(xiàn)暗條紋，但仍遵循能量守恒的原則。干涉現(xiàn)象只是光波能量的重新分配，暗條紋處光能量幾乎為零，亮條紋處能量較強，存在光能量增強處并不是光的干涉產(chǎn)生的能量，而是按波的傳播規(guī)律，到達該處的光能量比較集中，而暗條紋處基本沒有光能量傳到該處?！祭?〗(2020·江蘇鼓樓高二期末)用雙縫干涉實驗裝置得到紅光的干涉條紋。先增加光源與單縫之間的距離，再將光源與單縫之間的紅色濾光片換為綠色濾光片，下列說法正確的是()A.增加光源與單縫之間的距離后，得到的條紋間距變大B.增加光源與單縫之間的距離后，得到的條紋間距變小C.換為綠色濾光片后，得到的條紋間距變小D.換為綠色濾光片后，得到的條紋間距變大〖答案〗C〖解析〗根據(jù)Δx＝eq\f(l,d)λ可知，增加光源與單縫之間的距離后，得到的條紋間距不變，選項A、B錯誤；換為綠色濾光片后，波長變短，則得到的條紋間距變小，選項C正確，D錯誤。〖針對訓練1〗(2021·棗莊市三中高二月考)在雙縫干涉實驗中，圖甲是用綠光進行實驗時，屏上觀察到的條紋情況，a處為中央亮條紋，圖乙是用同一實驗裝置只是換用另一種顏色的單色光進行實驗時，屏上觀察到的條紋情況，a處仍為中央亮條紋，則以下說法中正確的是()A.圖乙可能是用紅光實驗產(chǎn)生的條紋，表明紅光波長較長B.圖乙可能是用紫光實驗產(chǎn)生的條紋，表明紫光波長較長C.圖乙可能是用紫光實驗產(chǎn)生的條紋，表明紫光波長較短D.圖乙可能是用紅光實驗產(chǎn)生的條紋，表明紅光波長較短〖答案〗A〖解析〗在同一實驗裝置下，l、d相同，由Δx＝eq\f(l,d)λ可知，相鄰兩條亮條紋(或暗條紋)之間的距離Δx與λ成正比。由題意知乙中條紋間距大于甲中條紋間距，所以乙圖所用光的波長要長，而對于可見光紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫，波長依次變短，由此可知可能是紅光而不是紫光。探究2條紋間距與波長的關系1.條紋間距與波長的關系：Δx＝eq\f(l,d)λ。2.亮、暗條紋的判斷如圖所示，設屏上的一點P到雙縫的距離分別為r1和r2，路程差Δr＝r2－r1。(1)若滿足路程差為波長的整數(shù)倍，即Δr＝kλ(其中k＝0，1，2，3，…)，則P處出現(xiàn)亮條紋。k＝0時，PS1＝PS2，此時P點位于屏上的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)若滿足路程差為半波長的奇數(shù)倍，即Δr＝(2k＋1)eq\f(λ,2)(其中k＝0，1，2，3，…)，則P處出現(xiàn)暗條紋，k為暗條紋的級次，從第1級暗條紋開始向兩側展開。〖例2〗(2021·河北新樂市一中高二月考)如圖所示，在雙縫干涉實驗中，S1、S2為雙縫，P是光屏上的一點，已知P到S1、S2的距離之差為2.1μm，現(xiàn)分別用A、B兩束單色光在空氣中做雙縫干涉實驗。(1)若A光在折射率為n＝1.5的介質中波長為4×10－7m，則P點是亮條紋還是暗條紋；(2)若B光在某介質中的波長為3.15×10－7m，當B光從這種介質射向空氣時，臨界角為37°，則P點是亮條紋還是暗條紋?！即鸢浮?1)暗條紋(2)亮條紋〖解析〗(1)由于光從一種介質進入另一種介質中頻率不變，故λA＝nλ1＝6×10－7m根據(jù)PS1－PS2＝kλA求得k＝3.5于是P點出現(xiàn)暗條紋。(2)對B光由臨界角為37°可知n1＝eq\f(sin90°,sin37°)＝eq\f(5,3)故λB＝n1λ2＝5.25×10－7m根據(jù)PS1－PS2＝k1λB求得k1＝4于是P點出現(xiàn)亮條紋?！坚槍τ柧?〗(2021·1月福建省新高考適應性考試，2)在圖示的雙縫干涉實驗中，光源S到縫S1、S2距離相等，P0為S1S2連線中垂線與光屏的交點。用波長為400nm的光實驗時，光屏中央P0處呈現(xiàn)中央亮條紋(記為第0條亮條紋)，P處呈現(xiàn)第3條亮條紋。當改用波長為600nm的光實驗時，P處將呈現(xiàn)()A.第2條亮條紋 B.第3條亮條紋C.第2條暗條紋 D.第3條暗條紋〖答案〗A〖解析〗根據(jù)雙縫干涉出現(xiàn)亮條紋的條件為光程差是波長的整數(shù)倍，有Δr＝nλ＝3×400nm＝1200nm，又Δr＝n′λ′，λ′＝600nm，則n′＝2，故A正確。探究3薄膜干涉〖例3〗(多選)(2020·福建福州一中高二期末)利用薄膜干涉的原理可以檢查平面的平整度和制成鏡頭增透膜。圖1中，讓單色光從上方射入，這時從上方看可以看到明暗相間的條紋，下列說法正確的是()A.圖1中將薄片向著劈尖方向移動使劈角變大時，條紋變疏B.圖1中將樣板微微平行上移，條紋疏密不變C.在圖1中如果看到的條紋如圖2所示，說明被檢平面在此處是凹下D.圖3中鍍了增透膜的鏡頭看起來是有顏色的，那是增透了這種顏色的光的緣故〖答案〗BC〖解析〗當將薄片向著劈尖方向移動使劈角變大時，相鄰亮條紋間距變小，所以干涉條紋會變密；故A錯誤；將樣板平行上移，導致原來滿足亮條紋光程差的間距向劈尖移動，因此出現(xiàn)條紋向著劈尖移動，但條紋疏密不變，故B正確；從彎曲的條紋可知，此處檢查平面左邊處的空氣膜厚度與右面的空氣膜厚度相同，知此處凹陷，故C正確；照相機、望遠鏡的鏡頭表面鍍了一層透光的膜，可以增大某種光的透射強度，這種膜稱為增透膜，這是利用了光的干涉現(xiàn)象，同時鍍膜鏡頭看起來是有顏色的是因該種顏色的光沒有增透造成的，故D錯誤。〖針對訓練3〗(多選)(2020·中國地質大學附中高二期末)如圖所示是一豎立的肥皂液薄膜的橫截面，關于在豎直放置的肥皂膜上產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象，下列說法正確的是()A.干涉條紋的產(chǎn)生是由于光線在膜前、后表面反射的兩列光波的疊加B.用藍光照射產(chǎn)生的干涉條紋間距比黃光照射時產(chǎn)生的條紋間距窄C.干涉條紋間的亮紋是由于兩反射光疊加減弱產(chǎn)生的D.薄膜上干涉條紋基本上是水平的〖答案〗ABD〖解析〗由于重力的作用，肥皂膜形成了上薄下厚的薄膜，干涉條紋的產(chǎn)生是由于光線在薄膜前、后兩表面反射的兩列光波的疊加，故A正確；條紋間距與光的波長成正比，由于藍光波長短，故藍光條紋間距窄，故B正確；干涉條紋間的亮紋是由于兩反射光疊加增強產(chǎn)生的，故C錯誤；薄膜的干涉是等厚干涉，同一條紋對應薄膜的厚度相同，故條紋是水平的，故D正確。1.(光的雙縫干涉)(多選)(2020·海原縣一中高二期末)一束平行光照射在雙縫上，在縫后屏上得到干涉條紋，下列判斷正確的是()A.改變雙縫到屏的距離，條紋間距不變B.入射光波長變短，光強不變，條紋間距不變C.入射光頻率變化時條紋間距跟著變化D.在水里做雙縫干涉實驗，同樣條件下的條紋間距會變小〖答案〗CD〖解析〗根據(jù)公式Δx＝eq\f(l,d)λ，可知改變雙縫到屏的距離，即l改變，則條紋間距改變，入射光波長變短，條紋間距減小，A、B錯誤；入射光頻率變化，則入射光波長發(fā)生變化，則間距跟著變化，C正確；在水里，入射光波長比在空氣中的波長小，所以條紋間距變小，D正確。2.(光的雙縫干涉)(多選)(2020·江蘇鹽城中學高二期中)某同學用單色光進行雙縫干涉實驗，在屏上觀察到甲圖所示的條紋，僅改變一個實驗條件后，觀察到的條紋乙圖所示。他改變的實驗條件可能是()A.僅增大雙縫之間的距離B.僅減小雙縫之間的距離C.僅減小雙縫到光屏之間的距離D.僅增大雙縫到光屏之間的距離〖答案〗AC〖解析〗乙圖中條紋的間距比甲圖小，根據(jù)雙縫干涉的條紋間距公式Δx＝eq\f(l,d)λ知，乙圖中可能是光的波長較小，也可能縫與屏間距減小，也可能雙縫間距變大。故A、C正確，B、D錯誤。3.(條紋間距與波長的關系)(2020·山東煙臺高二期末)在雙縫干涉實驗中，用波長為5×10－7m的黃光照射雙縫。已知兩縫間的間距為0.3mm，雙縫到光屏的距離為1.2m，光屏上P點到雙縫S1和S2的路程差為7.5×10－7m，則下列說法中正確的是()A.P點出現(xiàn)的是亮條紋，相鄰兩個亮條紋或暗條紋的中心間距為2mmB.P點出現(xiàn)的是暗條紋，相鄰兩個亮條紋或暗條紋的中心間距為2mmC.P點出現(xiàn)的是亮條紋，相鄰兩個亮條紋或暗條紋的中心間距為4mmD.P點出現(xiàn)的是暗條紋，相鄰兩個亮條紋或暗條紋的中心間距為4mm〖答案〗B〖解析〗光屏上P點到雙縫S1和S2的路程差為7.5×10－7m，黃光的波長為5×10－7m，則n＝eq\f(Δr,\f(λ,2))＝3，為奇數(shù)，在P點出現(xiàn)暗條紋，相鄰兩個亮條紋或暗條紋的中心間距為Δx＝eq\f(l,d)λ＝eq\f(1.2m,0.0003m)×5×10－7m＝2×10－3m，B正確，A、C、D錯誤。4.(薄膜干涉)(2020·棗莊市三中高二月考)如圖所示，把一個平行玻璃板壓在另一個平行玻璃板上，一端用薄片墊起，構成空氣劈尖，讓單色光從上方