人教版(新教材)高中物理選擇性必修1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PAGEPAGE13光的干涉〖學習目標〗1.知道光的干涉現(xiàn)象和產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的條件.2.理解產(chǎn)生明暗條紋的條件，理解條紋間距與波長的關(guān)系.3.理解薄膜干涉及其應(yīng)用．一、光的雙縫干涉1．光的干涉實驗最早是英國物理學家托馬斯·楊在1801年成功完成的，楊氏實驗有力地證明了光是一種波．2．雙縫干涉實驗(1)實驗過程：讓一束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．(2)實驗現(xiàn)象：在屏上得到明暗相間的條紋．3．出現(xiàn)明暗條紋的判斷(1)亮條紋：當兩個光源與屏上某點的距離之差等于半波長的偶(填“奇”或“偶”)數(shù)倍時，出現(xiàn)亮條紋．(2)暗條紋：當兩個光源與屏上某點的距離之差等于半波長的奇(填“奇”或“偶”)數(shù)倍時，出現(xiàn)暗條紋．二、干涉條紋和光的波長之間的關(guān)系1．若設(shè)雙縫間距為d，雙縫到屏的距離為l，光的波長為λ，則雙縫干涉中相鄰兩個亮條紋或暗條紋的中心間距為Δx＝eq\f(l,d)λ.2．用不同顏色的光進行干涉實驗，條紋間距不同，紅光條紋間距最大，黃光條紋間距比紅光小，用藍光時更?。?、薄膜干涉1．薄膜干涉是液膜前后兩個面反射的光共同形成的．2．不同位置液膜前后兩個面的反射光的路程差不同，某些位置兩列波疊加后相互加強，出現(xiàn)亮條紋，另一些位置，兩列波疊加后相互削弱，出現(xiàn)了暗條紋．1．判斷下列說法的正誤．(1)用白光做雙縫干涉實驗時屏幕各處均是彩色條紋．(×)(2)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．(×)(3)用兩個完全相同的相干光源做雙縫干涉實驗時，從兩個狹縫到屏上的路程差是光波長的整數(shù)倍時出現(xiàn)亮條紋．(√)(4)用兩個完全相同的相干光源做雙縫干涉實驗時，從兩個狹縫到屏上的路程差是光波長的奇數(shù)倍時出現(xiàn)暗條紋．(×)(5)在雙縫干涉實驗裝置一定的情況下，光的波長越長，條紋間距越大．(√)(6)水面上的油膜呈現(xiàn)彩色條紋，是油膜表面反射光與入射光疊加的結(jié)果．(×)2.如圖1所示，在楊氏雙縫干涉實驗中，激光的波長為5.30×10－7m，屏上P點距雙縫S1和S2的路程差為7.95×10－7m．則在這里出現(xiàn)的應(yīng)是________(填“亮條紋”或“暗條紋”)．圖1〖答案〗暗條紋一、光的雙縫干涉1．雙縫干涉的裝置示意圖實驗裝置如圖2所示，有光源、單縫、雙縫和光屏．圖22．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．如果用激光直接照射雙縫，可省去單縫屏(托馬斯·楊當時沒有激光)．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且振動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(1)亮條紋的條件：屏上某點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點位于光屏上的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)暗條紋的條件：屏上某點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＝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．5．干涉圖樣(1)單色光的干涉圖樣：干涉條紋是等間距的明暗相間的條紋．(2)白光的干涉圖樣：中央條紋是白色的，兩側(cè)干涉條紋是彩色條紋．命題角度1對雙縫干涉實驗的理解在雙縫干涉實驗中，以白光為光源，在屏幕上觀察到了彩色干涉條紋．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)，已知紅光與綠光的頻率、波長均不相等，這時()A．只有紅色和綠色的雙縫干涉條紋，其他顏色的雙縫干涉條紋消失B．紅色和綠色的雙縫干涉條紋消失，其他顏色的雙縫干涉條紋仍然存在C．任何顏色的雙縫干涉條紋都不存在D．至少有一種顏色的雙縫干涉條紋〖答案〗C〖解析〗兩列光波發(fā)生干涉的條件之一是頻率相同，利用雙縫將一束光分成能夠發(fā)生疊加的兩束光，在光屏上形成干涉條紋，但分別用紅色濾光片和綠色濾光片擋住兩條縫后，紅光和綠光頻率不同，不能發(fā)生干涉，因此屏上不會出現(xiàn)干涉條紋，故選項C正確．命題角度2雙縫干涉中明暗條紋的判斷在雙縫干涉實驗中，雙縫到光屏上P點的距離之差為0.6μm，若分別用頻率為f1＝5.0×1014Hz和f2＝7.5×1014Hz的單色光垂直照射雙縫，試分析判斷P點應(yīng)出現(xiàn)亮條紋還是暗條紋？分別為第幾條亮條紋或暗條紋？(光在真空中的傳播速度c＝3×108m/s)〖答案〗見〖解析〗〖解析〗如圖所示，雙縫S1、S2到光屏上任意一點P的路程之差Δr＝S2S2′，當Δr等于單色光波長的整數(shù)倍時，由S1和S2發(fā)出的光在P點互相加強，P點出現(xiàn)亮條紋；當Δr等于單色光半個波長的奇數(shù)倍時，由S1和S2發(fā)出的光在P點互相抵消，出現(xiàn)暗條紋．頻率為f1的單色光的波長λ1＝eq\f(c,f1)＝eq\f(3×108,5.0×1014)m＝0.6×10－6m＝0.6μm，頻率為f2的單色光的波長λ2＝eq\f(c,f2)＝eq\f(3×108,7.5×1014)m＝0.4×10－6m＝0.4μm.即Δr＝λ1，Δr＝eq\f(3,2)λ2.可見，用頻率為f1的單色光照射時，P處應(yīng)出現(xiàn)亮條紋，且為第一條亮條紋；用頻率為f2的單色光照射時，P處應(yīng)出現(xiàn)暗條紋，且為第二條暗條紋．二、條紋間距與波長的關(guān)系1．條紋間距是指相鄰亮條紋中心或相鄰暗條紋中心間的距離．由數(shù)學知識可得條紋間距公式為Δx＝eq\f(l,d)λ，其中l(wèi)為雙縫到屏的距離，d為雙縫間的距離，λ為入射光的波長．2．兩相鄰亮條紋(或暗條紋)間距離與光的波長有關(guān)，波長越長，條紋間距越大．白光的干涉條紋的中央是白色的，兩側(cè)是彩色的，這是因為：(1)白光是由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色組成的復(fù)色光，且從紅光到紫光波長逐漸變短．(2)各種色光都能形成明暗相間的條紋，都在中央條紋處形成亮條紋，從而復(fù)合成白色條紋．(3)兩側(cè)條紋間距與各色光的波長成正比，條紋不能完全重合，這樣便形成了彩色干涉條紋．(多選)在雙縫干涉實驗中，用綠色激光照射在雙縫上，在縫后的屏幕上顯示出干涉圖樣．若要增大干涉圖樣中兩相鄰亮條紋的間距，可選用的方法是()A．改用紅色激光 B．減小雙縫間距C．將屏幕向遠離雙縫的位置移動 D．將光源向遠離雙縫的位置移動〖答案〗ABC〖解析〗根據(jù)干涉圖樣中兩相鄰亮條紋的間距Δx＝eq\f(l,d)λ可知，要使Δx增大，可以增大波長或增大雙縫到屏的距離或縮小雙縫間的距離，所以選項A、B、C正確，D錯誤．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實際的光源分解而成的，它們具有相同的頻率，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時，前、后兩個面的反射光的路程差等于相應(yīng)位置膜厚度的2倍，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，疊加后相互削弱，于是出現(xiàn)暗條紋．3．形成亮、暗條紋的條件薄膜干涉是經(jīng)薄膜前、后面反射的兩束光疊加的結(jié)果．出現(xiàn)亮條紋的位置，兩束光的路程差Δr＝kλ(k＝0,1,2，3…)，出現(xiàn)暗條紋的位置，兩束光的路程差Δr＝eq\f(2k＋1,2)λ(k＝0,1,2,3…)．4．薄膜干涉的應(yīng)用(1)檢查平面平整度的原理光線經(jīng)空氣薄膜的上、下兩面的反射，得到兩束相干光，如果被檢測平面是光滑的，得到的干涉條紋是等間距的．如果被檢測平面某處凹下，則對應(yīng)條紋提前出現(xiàn)，如果某處凸起，則對應(yīng)條紋延后出現(xiàn)．(2)增透膜的原理在增透膜的前、后表面反射的兩列光波形成相干波，當路程差為半波長的奇數(shù)倍時，兩光波相互削弱，反射光的能量幾乎等于零．用單色光照射位于豎直平面內(nèi)的肥皂液薄膜，所觀察到的干涉條紋為()〖答案〗B〖解析〗由于在光的干涉中亮、暗條紋的位置取決于兩列光波相遇時通過的路程差，則在薄膜干涉中取決于入射點處薄膜的厚度．因肥皂液薄膜在重力作用下形成了一個上薄下厚的楔形膜，厚度相等的位置在同一條水平線上，故同一條干涉條紋必然是水平的，由此可知只有選項B正確．1．由于薄膜干涉是經(jīng)薄膜前、后表面反射的兩束光疊加而形成的，所以觀察時眼睛與光源應(yīng)在膜的同一側(cè)．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決定，所以薄膜干涉中同一亮條紋或同一暗條紋應(yīng)出現(xiàn)在厚度相同的地方，因此又叫等厚干涉，每一條紋都是水平的．3．用單色光照射得到明暗相間的條紋，用白光照射得到彩色條紋．(2020·山東省棗莊市第三中學高二月考)如圖3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(gòu)成空氣劈尖，讓單色光從上方射入，這時可以看到明暗相間的條紋．下面關(guān)于條紋的說法中正確的是()圖3A．干涉條紋的產(chǎn)生是由于光在上面玻璃板的前后兩表面反射形成的兩列光波疊加的結(jié)果B．干涉條紋中的暗條紋是由于兩列反射光的波谷與波谷疊加的結(jié)果C．將上玻璃板平行上移，條紋間距變窄D．觀察干涉條紋時，應(yīng)在入射光一側(cè)〖答案〗D〖解析〗干涉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，故A錯誤；干涉條紋中的暗條紋是由于兩列反射光的波谷與波峰疊加的結(jié)果，故B錯誤；當將上玻璃板平行上移，條紋間距不變，故C錯誤；觀察干涉條紋時，眼睛應(yīng)在入射光的同一側(cè)，故D正確.1．(楊氏雙縫干涉實驗)在楊氏雙縫干涉實驗中，如果()A．用白光作為光源，屏上將呈現(xiàn)黑白相間的條紋B．用紅光作為光源，屏上將呈現(xiàn)紅黑相間的條紋C．若僅將入射光由紅光改為紫光，則條紋間距一定變大D．用紅光照射一條狹縫，用紫光照射另一條狹縫，屏上將呈現(xiàn)彩色干涉條紋〖答案〗B〖解析〗在楊氏雙縫干涉實驗中，用白光作為光源，屏上將呈現(xiàn)彩色條紋，A錯；用紅光作為光源，屏上將呈現(xiàn)紅色亮條紋與暗條紋(即黑條紋)相間的條紋，B對；若僅將入射光由紅光改為紫光，波長變小，條紋間距變小，C錯；紅光和紫光頻率不同，不能產(chǎn)生干涉條紋，D錯．2．(亮、暗條紋的判斷)如圖4所示是雙縫干涉實驗裝置，使用波長為600nm的橙色光源照射單縫S，在光屏中央P處觀察到亮條紋，在位于P點上方的P1點出現(xiàn)第一條亮條紋(即P1到S1、S2的路程差為一個波長)，現(xiàn)換用波長為400nm的紫光源照射單縫，則()圖4A．P和P1仍為亮條紋B．P為亮條紋，P1為暗條紋C．P為暗條紋，P1為亮條紋D．P、P1均為暗條紋〖答案〗B〖解析〗從單縫S射出的光波被S1、S2兩縫分成兩束相干光，由題意知光屏中央P點到S1、S2距離相等，即分別由S1、S2射出的光到P點的路程差為零，因此光屏中央是亮條紋，無論入射光是什么顏色的光、波長多大，P點都是中央亮條紋．而分別由S1、S2射出的光到P1點的路程差剛好是橙光的一個波長，即|P1S1－P1S2|＝600nm＝λ橙．當換用波長為400nm的紫光時，|P1S1－P1S2|＝600nm＝eq\f(3,2)λ紫，則兩列光波到達P1點時振動情況完全相反，即分別由S1、S2射出的光到達P1點時相互削弱，因此，在P1點出現(xiàn)暗條紋．綜上所述，選項B正確．3．(雙縫干涉條紋間距問題)在雙縫干涉實驗中，分別用紅色和綠色的激光照射同一雙縫，在雙縫后的屏幕上，紅光的相鄰干涉條紋間距Δx1與綠光的相鄰干涉條紋間距Δx2相比，Δx1______Δx2(填“＞”“＝”或“＜”)．若實驗中使用的紅光的波長為630nm，雙縫與屏幕的距離為1.00m，測得第1條到第6條亮條紋中心間的距離為10.5mm，則雙縫之間的距離為________mm.(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)〖答案〗＞0.300〖解析〗雙縫干涉條紋間距Δx＝eq\f(l,d)λ，紅光波長長，所以紅光的雙縫干涉條紋間距大，即Δx1＞Δx2.相鄰亮條紋間距Δx＝eq\f(10.5mm,5