4.3光的干涉（学案）-2022-2023学年高二物理人教版（2019）选择性必修第一册

4. 3 光的干涉
学习目标
1、了解光的干涉现象，了解光的干涉产生的条件。
2、知道决定干涉条纹间距的条件，认识出现亮条纹和暗条纹的位置特点。
3、了解薄膜干涉及其成因。
4、知道光的干涉在生产、生活中的应用。
重点难点
1、知道双缝干涉产生的条件，认识干涉图样的特征。（重点）
2、理解双缝干涉实验中产生亮条纹和暗条纹的条件。（重点）
3、正确理解双缝干涉图样中亮条纹和暗条纹产生的原因。（难点）
4、用波动说来说明明暗相间的干涉条纹，在时同上是稳定的，在空间上存在着加强区和减弱区并且互相间隔，理解“加强”和“减弱”。（难点）
自主探究
一、光的双缝干涉
1、双缝干涉实验
(1)实验过程：让一束平行的单色光投射到一个有两条狭缝的挡板上，两狭缝相距很近，两狭缝就成了两个波源，它们的频率、相位和振动方向总是相同的，两波源发出的光在挡板后面的空间互相叠加，发生干涉现象。
(2)实验现象：在屏上得到明暗相间的条纹。
(3)实验结论：证明光是一种波。
2、物理史实
光的干涉实验最早是英国物理学家托马斯·杨在1801年成功完成的．它有力地证明了光是一种波。
3、决定条纹间距的条件
（1）干涉条件：两列光的频率相同、振动方向相同、相位差恒定。
（2）相干光源：发出的光能够产生干涉的两个光源。
（3）当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的偶数倍时(即恰好等于波长的整数倍时)，两列光波在这点相互加强，出现亮条纹；当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的奇数倍时，两列光波在这点相互削弱，出现暗条纹。
二、干涉条纹和光的波长之间的关系
波长为λ的单色光照射到双缝上，两缝中心之间的距离为d，双缝到屏的距离为l，则相邻两个亮条纹或暗条纹的中心距离为λ。
三、薄膜干涉
竖直放置的肥皂薄膜受到重力作用，下面厚，上面薄，因此在膜上不同的位置，来自前后两个面的反射光的路程差不同，在某些位置，这两列波叠加后相互加强，出现亮条纹；在另一些位置，叠加后相互削弱，出现暗条纹。
探究思考
一、双缝干涉的理解
1、双缝干涉：两个独立的光源发出的光不是相干光，双缝干涉的装置使一束光通过双缝后变为两束相干光，在光屏上相遇形成稳定的干涉条纹。
2、明暗条纹的到断
如图所示，是两个狭缝，，缝到屏的距离为l，, O是的中垂线与屏的相交点。
（1）双缝干涉实验中出现亮条纹的条件
屏上某点P到双缝的路程差正好是波一长的整数倍，即。时，，此时P点位于屏上的O处，为亮条纹，此处的条纹叫中央亮条纹或零级亮条纹。k为亮条纹的级次。
（2）双缝干涉实验中出现暗条纹的条件
屏上某点P到双缝的路程差正好是半波长的奇数倍，即。k为暗条纹的级次，从第1级暗条纹开始向两侧展开。
3、对干涉图样的研究可知：相邻两条亮条纹(暗条纹)中心距离与屏到双缝的距离l成正比，与双缝间的距离d成反比，与照射光的波长成正比，。
4、在实验装置不变的情况下（l、d不变），由于红光的波长大于紫光的波长，所以红光产生
的干涉条纹间距较大，紫光产生的干涉条纹间距较小。
【典例一】1、如图所示，用频率为f的单色光垂直照射双缝，在光屏上P点出现第三条暗条纹（从中央亮条纹往上数），已知光速为c，则P点到双缝的距离之差应为( )
A. B. C. D.
解题思路：由题中条件可知，，又因为，则可得D正确。
答案：D
二、干涉图样
1、单色光的干涉图样：若用单色光作光源，则干涉条纹是明暗相间的条纹，且条纹间距相等。中央为亮条纹，两相邻亮条纹(或暗条纹)间距离与光的波长有关，波长越长，条纹间距越大。
2、白光的干涉图样：若用白光作光源，则干涉条纹是彩色条纹，且中央条纹是白色的。
（1）从双缝射出的两列光波中，各种色光都能形成明暗相间的条纹，各种色光都在中央条纹处形成亮条纹，从而复合成白色条纹。
（2）两侧条纹间距与各色光的波长成正比，即红光的亮条纹间距宽度最大，紫光的亮条纹间距宽度最小，即除中央条纹以外的其他条纹不能完全重合，这样便形成了彩色干涉条纹。
【典例二】2、某同学用单色光进行双缝干涉实验，在屏上观察到如图甲所示的条纹，仅改变一个实验条件后，观察到的条纹如图乙所示。他改变的实验条件可能是（ ）
A.减小光源到单缝的距离
B.减小双缝之间的距离
C.减小双缝到光屏之间的距离
D.换用频率更高的单色光
解题思路：根据知，要使条纹间距变大，可减小双缝之间的距离，增大光的波长（即降低光的频率）或增大双缝到屏的距离，故只有B正确。
答案：B
三、薄膜干涉
1、在薄膜干涉中，前、后表面反射光的路程差由膜的厚度决定，所以薄膜干涉中同一亮条纹(暗条纹)应出现在膜的厚度相等的地方。由于光波波长极短，所以做薄膜干涉时，介质膜应足够薄，才能观察到干涉条纹。
2、形成薄膜干涉条纹的原因
由于肥皂膜上薄下厚，水平方向等厚，所以，射向肥皂膜的光经膜前、后表面反射后相遇，若相遇时相位相同，则振动加强，出现亮纹；若相位相反，出现暗纹，亮、暗纹是水平的。
3、用手紧压两块玻璃板看到彩色条纹，阳光下的肥皂泡和水面漂浮油膜出现彩色等都是薄膜干涉。
4、薄膜干涉的应用
（1）增透膜：增透膜的厚度等于光波在膜中波长的，经膜的前后两面反射的光叠加后相互抵消，透镜上透光损失的能量最小，增强了透光性。
（2）检查精密零件的表面是否平整
【典例三】3、如图所示为一显示薄膜干涉现象的实验装置,P是附有肥皂泡薄膜的铁丝圈,S是一点燃的酒精灯,往火焰上撒些盐后,在肥皂膜上观察到的干涉图象应是图中的( )
A. B. C. D.
解题思路：铁丝圈上的肥皂泡薄膜在重力作用下上薄下厚，在同—水平线上厚度基本一致，如果某一厚度处前后表面反射的同一列光波叠加得到加强，那么这一水平线上同一厚度处光波会加强，所以干涉条纹应是基本水平的。
答案： D
随堂训练
1、用单色光做双缝干涉实验,下述说法中正确的是( )
A.相邻干涉条纹之间的距离相等
B.中央亮条纹宽度是两边亮条纹宽度的2倍
C.屏与双缝之间距离减小,则屏上条纹间的距离增大
D.在实验装置不变的情况下,红光的条纹间距小于蓝光的条纹间距
答案：A
2、下图是用薄膜干涉法检查平面的平整程度的示意图。其中AB是透明的标准样板,CD是被检查的平面。用单色光从上面竖直地照射下来,从AB上方观察到有明暗相间的条纹,这是由两束反射光叠加形成的。下列说法正确的是（ ）
A.两束反射光分别是从AB的上表面和AB的下表面反射的
B.两束反射光分别是从AB的上表面和CD的上表面反射的
C.两束反射光分别是从AB的下表面和CD的上表面反射的
D.如果将右边BD间垫的薄片变薄些,观察到相邻亮条纹间的距离将减小
答案：C
3、如图(甲)所示为双缝干涉实验的装置示意图,(乙)图为用绿光进行实验时,在屏上观察到的条纹情况,a为中央条纹,(丙)图为换用另一颜色的单色光做实验时观察到的条纹情况,a’为中央亮条纹,则以下说法正确的是( )
A.(丙)图可能为用红光实验产生的条纹,表明红光波长较长
B.(丙)图可能为用紫光实验产生的条纹,表明紫光波长较长
C.(丙)图可能为用紫光实验产生的条纹,表明紫光波长较短
D.(丙)图可能为用红光实验产生的条纹,表明红光波长较短
答案：A
4、如图所示，在双缝干涉实验中，和为双缝，P是光屏上的一点，已知P点与距离之差为，分别用两种单色光在空气中做双缝干涉实验，问P点是亮条纹还是暗条纹？
（1）已知A光在折射率为的介质中波长为；
（2）已知B光在某种介质中波长为，当B光从这种介质射向空气时，临界角为37°，。
答案：（1）暗条纹
（2）亮条纹
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