高中物理-選擇性必修1-第四章-3-光的干涉

3光的干涉1.了解楊氏雙縫干涉實驗裝置和實驗現(xiàn)象,了解相干光源的概念及產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的

條件。2.能闡述干涉現(xiàn)象的成因及明暗條紋的位置特點。3.知道雙縫干涉條紋間距和光的波長之間的關(guān)系。4.通過實驗和觀察,了解薄膜干涉現(xiàn)象及其應(yīng)用。1.史實1801年,英國物理學(xué)家①

托馬斯·楊

成功地觀察到了光的干涉現(xiàn)象,證明了光的

確是一種②

波

。1|光的雙縫干涉?2.實驗如圖所示,讓一束平行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③

波源

,它們的振動情況總是④

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。3.現(xiàn)象在擋板后面的屏上得到了⑤

明暗相間

的條紋。4.決定明暗條紋的條件當(dāng)兩個光源與屏上某點的距離之差等于半波長的⑥

偶數(shù)

倍時(即恰好等于波

長的整數(shù)倍時),兩列光波在這點相互加強,這里出現(xiàn)亮條紋;當(dāng)兩個光源與屏上某

點的距離之差等于半波長的⑦

奇數(shù)

倍時,兩列光波在這點相互削弱,這里出現(xiàn)

暗條紋。5.光發(fā)生干涉的條件兩列光波的光源的⑧

頻率

相同,相位差恒定,在同一方向上振動。發(fā)生雙縫干涉時,相鄰兩個亮條紋或暗條紋的中心間距是Δx=⑨

λ

,其中l(wèi)

為⑩

雙縫到屏

的距離,d為

兩縫中心之間

的距離,λ為

入射光

的波長。2|干涉條紋和光的波長之間的關(guān)系1.在用肥皂膜做薄膜干涉的實驗中,燈焰的像是液膜前后兩個面

反射

的光形成的,兩個面反射的這兩列光波是由同一個光源發(fā)出的,所以它們具有相同

的

頻率

、恒定的相位差,它們是

相干

光源。2.應(yīng)用:薄膜干涉在技術(shù)上有很多應(yīng)用。例如,可以在光學(xué)元件的表面鍍一層特定

厚度的薄膜,增加光的透射或者反射,還可以利用薄膜干涉的原理對鏡面或其他精

密的光學(xué)平面的平滑度進行檢測。3|薄膜干涉判斷正誤，正確的畫“√”，錯誤的畫“?”。1.托馬斯·楊用光的干涉實驗證明了光是一種波。

(

√

)2.在雙縫干涉實驗中,中央亮紋的寬度最大。

(

?

)3.在雙縫干涉實驗中,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.用白光做實驗時,偏離中央亮條紋最遠的是紅光。

(

√

)提示:在其他條件一定時,條紋間距與波長成正比,紅光的波長最長,偏離中央亮條紋最遠的是紅光。5.在光的雙縫干涉實驗中,若僅將入射光由綠光改為紅光,則干涉條紋間距變寬。

(√)提示:在光的雙縫干涉實驗中,若僅將入射光由綠光改為紅光,紅光的波長大于綠光

的波長,根據(jù)條紋間距公式Δx=

λ知,干涉條紋間距變寬。6.只有頻率相同的兩列光波才能產(chǎn)生干涉。

(√)7.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。

(

?)提示:頻率不同的兩列光波不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象,但可以相互疊加。8.在太陽光照射下,水面上油膜出現(xiàn)彩色花紋是光的薄膜干涉現(xiàn)象。

(√)提示:光在油膜的上下兩個表面分別發(fā)生反射,兩列反射光在油膜的上表面發(fā)生薄

膜干涉,不同色光干涉條紋的間距不同,從而形成彩色花紋。1|對光的雙縫干涉的理解光的干涉在兩列光波的疊加區(qū)域,某些區(qū)域相互加強,出現(xiàn)亮條紋,某些區(qū)域相互削弱,出現(xiàn)暗

條紋,且加強和削弱的區(qū)域相間隔,即出現(xiàn)亮條紋和暗條紋相間的現(xiàn)象。對楊氏雙縫干涉實驗的理解(1)實驗裝置示意圖(2)單縫的作用:獲得一個線光源,使光源有唯一的頻率和振動情況。(3)雙縫的作用: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產(chǎn)生亮條紋的條件屏上某點P到兩縫S1和S2的距離之差正好是半波長的偶數(shù)倍,即|PS1-PS2|=kλ=2k·

(k=0,1,2,…)。k=0時,PS1=PS2,此時P點位于屏上的中心O處,為亮條紋,此處的條紋叫

中央亮條紋。②產(chǎn)生暗條紋的條件屏上某點P到兩縫S1和S2的距離之差正好是半波長的奇數(shù)倍,即|PS1-PS2|=(2k+1)

(k=0,1,2,…)。2|光的雙縫干涉圖樣的特點單色光的干涉圖樣若用單色光作為光源,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,條紋間距與光的波長有關(guān),其他條件相同時,波長越長,條紋間距越大。白光的干涉圖樣若用白光作為光源,則干涉條紋是彩色條紋,且中央亮條紋是白色的。這是因為:(1)從雙縫射出的兩列光波中,各種色光都能形成明暗相間的條紋,各種色光都在屏

中央形成亮條紋,從而復(fù)合成白色亮條紋。(2)兩側(cè)條紋間距與各色光的波長成正比,故紅光的亮條紋間距最大,紫光的亮條紋間距最小,故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。說明用白光做干涉實驗,從紅光到紫光其波長由長到短,它們的干涉條紋間距從

大到小,屏中央各色光都得到加強,復(fù)合成白色,但兩側(cè)因條紋間距不同而分開成彩

色,而且同一級亮條紋內(nèi)紫外紅。3|干涉條紋間距與波長的關(guān)系情境

激光散斑測速是一種嶄新的測速技術(shù),它應(yīng)用了光的干涉原理。用二次曝

光照相所獲得的“散斑對”相當(dāng)于雙縫干涉實驗中的雙縫,待測物體的速度v與二

次曝光時間間隔Δt的乘積等于雙縫間距。實驗中可測得二次曝光時間間隔Δt、

“散斑對”到屏之間的距離L以及相鄰兩條亮紋的中心間距Δx,若所用激光波長為

λ,則該實驗確定物體運動的速度v=

。問題1.僅將激光波長變長,則相鄰兩條亮紋的中心間距如何變化?提示:相鄰兩條亮紋的中心間距變大。2.僅將“散斑對”到屏之間的距離增大,則相鄰兩條亮紋的中心間距如何變化?提示:相鄰兩條亮紋的中心間距變大。3.物體運動的速度是如何求得的?提示:根據(jù)相鄰兩個亮條紋或暗條紋的中心間距公式Δx=

λ和雙縫間距d=vΔt聯(lián)立求得。

干涉條紋和光的波長之間的關(guān)系如圖所示,波長為λ的單色光照射到雙縫上,與兩縫之間的距離d相比,每個狹縫都很

窄,寬度可以忽略。兩縫S1、S2的連線的中垂線與屏的交點為P0,雙縫到屏的距離

OP0=l。屏上P1與P0點間的距離為x,兩縫到P1的距離分別為P1S1=r1,P1S2=r2。在P1S2上作P1M=P1S1,于是S2M=r2-r1,由于兩縫之間的距離遠小于縫到屏的距離,所以

能夠認為三角形S1S2M是直角三角形,根據(jù)三角函數(shù)的關(guān)系,有r2-r1=dsinθ。另一方面,x=ltanθ≈lsinθ。因此有r2-r1=d

。當(dāng)兩列波的路程差為波長的整數(shù)倍,即d

=±kλ(k=0,1,2,…)時會出現(xiàn)亮條紋,也就是說,亮條紋中心的位置為x=±k

λ。相鄰兩個亮條紋或暗條紋的中心間距Δx=

λ。根據(jù)雙縫干涉中相鄰兩個亮條紋或暗條紋的中心間距Δx=

λ,得λ=

Δx。已知雙縫間距d,再測出雙縫到屏的距離l和相鄰兩個亮條紋或暗條紋的中心間距Δx,就可

以求得光波的波長。4|薄膜干涉情境

將一塊平板玻璃放置在另一平板玻璃之上,在一端夾入兩張紙片,從而在相

對的兩玻璃表面之間形成一個劈形空氣薄層如圖甲所示。當(dāng)光垂直入射后,從上

往下看到的干涉條紋如圖乙所示,這就是劈尖干涉,劈尖干涉是一種薄膜干涉。問題1.從空氣膜的上下表面分別反射的兩列光是相干光嗎?提示:是相干光。2.干涉條紋是如何產(chǎn)生的?提示:干涉條紋是光在空氣劈尖的前、后兩表面反射形成的兩列光波疊加的結(jié)果。3.干涉條紋中的暗紋是如何產(chǎn)生的?提示:干涉條紋中的暗紋是上述兩列反射光的波谷與波峰疊加的結(jié)果。4.現(xiàn)若在裝置中抽去一張紙片,則當(dāng)光垂直入射到新的劈形空氣薄層后,從上往下

觀察到的干涉條紋間距如何變化?為什么?提示:干涉條紋間距變大。從空氣層的上下表面分別反射的兩列光是相干光,其光

程差為Δr=2d,即光程差為空氣層厚度的2倍;當(dāng)光程差Δr=nλ時,此處為亮條紋,故相

鄰亮條紋之間的空氣層的厚度差為Δd=

λ。抽去一張紙片后,空氣層的傾角變小,故相鄰亮條紋(或暗條紋)之間的距離變大。肥皂液膜干涉現(xiàn)象(1)白光的干涉圖樣是彩色的:因重力的作用,豎直放置的肥皂液膜上面薄、下面厚,

由于不同顏色的光的波長不同,從前后兩個面反射的光,在不同的位置相互加強,換

句話說,不同顏色的光對應(yīng)亮條紋的位置不同,因此看起來是彩色的。(2)條紋是水平方向的:因為在同一水平高度處,薄膜的厚度相同,從前、后兩個面反

射的光路程差均相同,如果此時兩反射光互相加強,則此高度水平方向各處均加強,

因此,明暗相間的干涉條紋應(yīng)為水平方向的,如圖所示。薄膜干涉的應(yīng)用(1)干涉法檢查平面平整度如圖甲所示,兩平面之間形成一個楔形空氣薄層,用單色光從上向下照射,空氣層的

上下兩個表面反射的兩列光波發(fā)生干涉。空氣層厚度相同的地方,兩列波路程差

相同,兩列波疊加時相互加強或相互削弱的情況也相同。如果被測表面是平整的,

得到的干涉圖樣必是一