物理人教版2019选择性必修第一册第4.3课 光的干涉（共41张ppt）

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第四章　光
第 3 课 光的干涉
导入与思考
这些彩色条纹或图样是怎样形成的？
肥皂膜看起来常常是彩色的，雨后公路积水上面漂浮的油膜，也经常显现出彩色条纹。
学习目标
理解光的干涉条纹形成的原理，认识干涉条纹的特征。
01
02
03
认识光的干涉现象及产生干涉的条件。
知道薄膜干涉是是如何产生的，了解薄膜干涉的现象及技术上的应用。
光是一种电磁波，那么光也应该发生干涉现象，怎样才能观察光的干涉现象呢？
探究思考
我们知道两列机械波频率相同、相位差恒定、振动方向相同，就会发生干涉。
知识点 1
光的双缝干涉
演示实验：在暗室中用氦氖激光器发出的红色激光照射金属挡板上的两条平行的狭缝，在后面的屏上观察光的干涉情况。
物理史实：1801年，英国物理学家托马斯·杨成功地观察到了光的干涉现象。
实验装置
屏的照片
杨氏双缝实验被评为十大最美丽实验之一。
托马斯·杨
演 示
实验过程：如图，让一束平行的单色光投射到一个有两条狭缝S1和S2的挡板上，狭缝S1和S2相距很近，两条狭缝就产生两个光源，它们的振动情况总是相同的，两光源发出的光在挡板后面的空间互相叠加。
实验现象：在屏上得到明暗相间的条纹。
实验结论：证明光是一种波。
探究思考
双缝干涉图样为什么有的地方亮一些有些地方暗一些？
叠加（振动）加强的地方出现亮条纹，振动减弱的地方出现暗条纹。
S
1
S
2
*
*
屏幕
单色激光束
亮纹和暗纹为什么相间（依次出现）呢？
S1
S2
P1
P
存在光程差：δ=S2P1－S1P1
深入理解
中央亮条纹形成的原因：
P
中央亮纹
双缝
S1
S2
屏幕
由于从S1S2发出的光是振动情况完全相同，又经过相同的路程到达P点，其中一条光传来的是波峰，另一条传来的也一定是波峰，其中一条光传来的是波谷，另一条传来的也一定是波谷，确信在P点激起的振动总是波峰与波峰相遇或波谷与波谷相遇，振幅A＝A1+A2为最大，P点总是振动加强的地方，故应出现亮纹，这一条亮纹叫中央亮纹。
S1
S2
P
光程差：δ=0
第一亮纹形成的原因：
取P点上方的点P1，从S1S2发出的光到P1点的光程差不同，若这个光程差正好等于波长的整数倍，比如δ= S2P1－S1P1=λ，出现第一条亮纹。
P1
第一亮纹
双缝
S1
S2
屏幕
λ
S1
S2
P1
光程差：δ=λ
λ
第二亮纹形成的原因：
屏上P1点的上方还可以找到δ= S2P2－S1P2=2λ的P2点出现第二条亮纹。
P2
第二亮纹
双缝
S1
S2
屏幕
2λ
S1
S2
P2
光程差：δ=2λ
2λ
屏上P2点的上方还可以找到δ= S2P3－S1P3=3λ的P3点，δ= S2P4－S1P4=4λ的P4点……等处的第三条、第四条……亮纹；在中央明纹P的下方可找到δ= S2P1’－S1P1’=λ的P1’点，δ= S2P2’－S1P2’=2λ的P2’点，δ= S2P3’－S1P3’=3λ的P3’点等处与中央明纹为对称的第一、第二、第三…，第n条亮纹。
P3
第三亮纹
双缝
S1
S2
屏幕
3λ
第三亮纹及其它亮纹的形成的原因：
双缝
S1
S2
屏幕
P1 第一亮纹 δ=λ
P 中央亮纹 δ=0
P2 第二亮纹 δ=2λ
P3 ’第三亮纹 δ=3λ
P3 第三亮纹 δ=3λ
P2’ 第二亮纹 δ=2λ
P1 ’ 第一亮纹 δ=λ
关于中央亮纹对称的亮纹：
第一暗纹形成的原因：
取P点上方的点Q1，与两个狭缝S1、S2路程差δ= S2Q1－S1Q1=，其中一条光传来的是波峰，另一条传来的就是波谷，其中一条光传来的是波谷，另一条传来的一定是波峰，Q1点激起的振动总是波峰与波谷相遇，振幅最小，Q1点总是振动减弱的地方，故应出现暗纹。
Q1
第一暗纹
双缝
S1
S2
屏幕
S1
S2
Q1
光程差：δ=
第二暗纹及其它暗纹形成的原因：
同理，屏上Q1点的上方还可以找到δ= S2Q2－S1Q2=的Q2点出现第二条暗纹。同样可以找到第三条暗纹Q3……，在中央明纹下方也可以找到对称的Q1’、Q2’、Q3’……等暗纹。
Q2
第二暗纹
双缝
S1
S2
屏幕
故亮纹和暗纹相间出现：
双缝
S1
S2
屏幕
P1 第一亮纹 δ=λ
P 中央亮纹 δ=0
P2 第二亮纹 δ=2λ
P3 / 第三亮纹 δ=3λ
P3 第三亮纹 δ=3λ
P3 / 第二亮纹 δ=2λ
P3 / 第一亮纹 δ=λ
Q2 第二暗纹
Q 1 第一暗纹
Q3 第三暗纹
Q3 / 第三暗纹
Q2 / 第二暗纹
Q1 / 第一暗纹
δ=5λ/2
δ=λ/2
δ=3λ/2
δ=5λ/2
δ=3λ/2
δ=λ/2
双缝干涉规律：
S1
S2
P1
P
光程差：δ=S2P1－S1P1
亮纹：δ=2n·
（ n=0、1、2、3......）
暗纹：δ=（2n+1）·
（ n=0、1、2、3......）
典型例题
例1.（2022·全国·高二期末）煤矿中瓦斯爆炸危害极大。某同学查资料得知含有瓦斯的气体的折射率大于干净空气的折射率，于是，他设计了一种利用光的干涉监测矿井瓦斯的仪器，原理如图所示。在双缝前面放置两个完全相同的透明容器A、B，容器A与干净的空气相通，在容器B中通入矿井中的气体，观察屏上的干涉条纹，就能够监测瓦斯浓度，以下说法正确的是（　　）
①如果屏的正中央仍是亮条纹，说明B中的气体与A中的空气成分相同，不含瓦斯
②如果屏的正中央是暗条纹，说明B中的气体与A中的空气成分不相同，可能含有瓦斯
③如果屏上干涉条纹不停地移动，说明B中的气体瓦斯含量不稳定
④只有用单色光照射单缝时，才可能在屏上出现干涉条纹
A．①③ B．②③ C．②④ D．①④
【答案】B
【详解】①．若B中气体含有瓦斯，光经过两容器时折射率不同，光速不同，到达屏正中央的光程差可能是波长的整数倍，也可能是半波长的奇数倍，所以屏的正中央可能是亮条纹，也可能是暗条纹，故屏的正中央为亮条纹时，B中气体可能含有瓦斯，也可能不含瓦斯，故①错误；②．如果屏的正中央是暗条纹，必有光程差，说明B中的气体与A中的气体成分不相同，可能含瓦斯，故②正确；③．如果屏上干涉条纹不停地移动，说明光程差不稳定，即B中的气体瓦斯含量不稳定，故③正确；④．无论用单色光还是白光照射单缝时，都能在屏上出现干涉条纹，故④错误。故选B。
1　（2022·全国·高二专题练习）某同学利用如图所示实验观察光的干涉现象，其中A为单缝屏，B为双缝屏，C为光屏。当让一束阳光照射A屏时，C屏上并没有出现干涉条纹，移走B后，C上出现一窄亮斑。分析实验失败的原因可能是（　　）
A．单缝S太窄
B．单缝S太宽
C．S到S1和S2距离不相等
D．阳光不能作为光源
变 式
【答案】B
【详解】双缝干涉实验中单缝的作用是获得线光源，而线光源可以看成是由许多个点光源沿一条线排列组成的，单缝的宽度应比较小，由题意知，这里观察不到光的干涉现象是由于单缝太宽，得不到线光源。故选B。
光的双缝干涉条纹特征，如条纹间距、宽度等，能反映出光的波长、频率等信息吗？
探究思考
不同颜色的单色光产生的干涉条纹会有什么不同？
知识点 2
干涉条纹和光的波长之间的关系
干涉条纹的间距(条纹宽度)
条纹间距△x：相邻两条亮纹（或暗纹）中心之间的距离叫做条纹间距。
双缝
S1
S2
屏幕
△x
△x
L
d
亮（暗）纹间距的公式推导
S1
S2
P1
P
l
d
x
r2
r1
M
如图所示，双缝间距为d，双缝到屏的距离为l。双缝S1、S2的连线的中垂线与屏的交点为P 。对屏上与P距离为x的一点 P1，两缝与P1的距离P1 S1＝r1， P1 S2＝r2。
在线段P1 S2上作P1 M＝ P1 S1，则S2M＝r2－r1，
因d l，三角形S1S2M可看做直角三角形。
有：δ=r2－r1＝dsin θ(令∠S2S1M＝θ) ①
x＝ltan θ≈lsin θ ②
当两列波的路程差为波长的整数倍，即
=±kλ (k=0、1、2、3......)
时才会出现亮条纹，亮条纹位置为：x=±kλ
相邻两个明(或暗)条纹之间的距离为:
双缝干涉亮（暗）纹间距的公式
λ=
相邻明（暗）纹间的距离大小的影响因素：
双缝与屏间的距离 l :l越大，相邻的亮纹间距越大
波长λ:波长越大，相邻的亮纹间距越大
双缝之间的距离d:d越小，相邻的亮纹间距越大
S1
S2
P1
P
l
d
不同单色光干涉条纹宽度
演 示
保持L、d不变，用不同的单色光进行实验红光的条纹间距最大，紫光的最小。
各色光在真空中的波长
光的 颜色 波长 nm 光的 颜色 波长
nm
红 770－620 绿 580－490
橙 620－600 蓝－靛 490－450
黄 600－580 紫 450－400
①相同介质中，不同的光波长不同：λ红>λ橙>λ黄>λ绿>λ青>λ蓝>λ紫
②不同颜色的光频率不同：f红③相同双缝干涉装置，不同的光条纹间距不同： Δx红>Δx橙>Δx黄>Δx绿>Δx青>Δx蓝>Δx紫
白光的干涉图样特点：
①明暗相间的彩色条纹；
②中央为白色亮条纹；
③干涉条纹是以中央亮纹为对称点排列的；
④在每条彩色亮纹中红光总是在外侧，紫光在内侧。
例2.（2022·福建福州·高二期中）如图所示，在双缝干涉实验中，若单色光源S到两缝、距离相等，则屏上中央亮条纹位于图中O处。现将光源S向上移动到示意图中的位置，则（　　）
A．中央亮条纹向下移动，且条纹间距不变
B．中央亮条纹向上移动，且条纹间距不变
C．中央亮条纹向下移动，且条纹间距减小
D．中央亮条纹向上移动，且条纹间距增大
典型例题
【答案】A
【详解】在双缝干涉实验中，若把单色光源S从双缝S1、S2的中心对称轴位置稍微向下移动，通过双缝S1、S2的光仍然是相干光，仍可产生干涉条纹，中央亮纹的位置经过S1、S2到S的路程差仍等于0。由于 ，中央亮纹的位置略向下移，根据公式 ，可知条纹间距不变。故选A。
2　（2022·辽宁朝阳·高三阶段练习）下列说法正确的是（ ）
A．光波可以在真空中传播，声波不能在真空中传播
B．在光导纤维中传送图像，这是利用光的衍射
C．频率相同的光在不同介质中传播的波长相同
D．白光通过双缝后产生的干涉条纹是彩色的，其原因是不同色光的频率不同
变 式
【答案】AD
【详解】A．光波传播不需要介质，声波传播需要介质，因此光波可以在真空中传播，而声波不能在真空中传播，故A正确；B．在光导纤维中传送图像，利用的是光的全反射，故B错误；C．频率相同的光在不同介质中传播的频率相同，但波速不同，由波速与波长的关系 ，可知，波长也不同，在真空中传播时波长最长，在其他介质中传播时的波长小于在真空中传播时的波长，故C错误；D．白光通过双缝后产生的干涉条纹是彩色的，其原因是不同色光的频率不同，波长不同，根据公式 ，条纹间距不相同，故D正确。故选AD。
知识点 3
薄膜干涉
演 示
薄膜干涉成因
由于重力的作用，肥皂薄膜将形成上薄下厚的楔形。
光从薄膜的前后两个表面反射出来两个光波，这两列光波的频率相同，产生干涉。
薄膜干涉原理：
光程差为波长的整数倍，形成亮条纹。
光程差为半波长的奇数倍，形成暗条纹。
白光照射时是彩色条纹。
薄膜干涉的应用——增透膜：
因为人眼对绿光最敏感，所以一般增强绿光的透射，即薄膜的厚度是绿光在薄膜中波长的1/4。由于其它色光不能被有效透射，故反射较强，这样的镜头呈淡紫色。
照相机的增透膜
镀层薄膜
在透镜或棱镜的表面上涂上一层薄膜(一般用氟化镁)。当薄膜的厚度适当时，在薄膜的两个表面上反射路程差恰好等于半个波长，因而互相抵消，这就大大减小光的反射损失，增强了透射光的强度，这种薄膜叫增透膜。
薄膜干涉的应用——检查表面的平整程度
取一个透明的标准样板，放在待检查的部件表面并在一端垫一薄片，使样板的平面与被检查的平面间形成一个楔形空气膜，用单色光从上面照射，入射光从空气层的上下表面反射出两列光形成相干光，从反射光中就会看到干涉条纹
标准样板
待检部件
空气薄层
注：薄片厚度一般仅为零点零几毫米左右，只相当于一张纸片的厚度
如果被检表面是平的，产生的干涉条纹就是平行的,如图（b）所示；如果观察到的干涉条纹如图（c）所示，则表示被检测表面微有凸起或凹下，这些凸起或凹下的地方的干涉条纹就弯曲。从弯曲的程度就可以了解被测表面的平整情况。这种测量精度可达10-6cm。
薄膜干涉的应用——检查表面的平整程度
(a) (b) (c)
单色光
标准样板
薄片
被检测平面
薄膜干涉的应用——牛顿环
将一块半径很大的平凸透镜与一块平板玻璃叠放在一起，二者之间便形成类似劈尖形的空气层。用单色平行光垂直照射，在空气层上表面两束反射光干涉，产生的干涉条纹称牛顿环。
空气薄膜厚度相同处光程差相同，所以牛顿环为一系列同心圆环。
例3.（2022·全国·高二课时练习）利用薄膜干涉的原理可以检查平面的平整度和制成镜头增透膜。图1中，让单色光从上方射入，这时从上方看可以看到明暗相间的条纹，下列说法正确的是（　　）
A．图1中将薄片向着劈尖方向移动使劈角变大时，条纹变疏
B．图1中将样板微微平行上移，条纹疏密不变
C．在图1中如果看到的条纹如图2所示，说明被检平面在此处是凸起
D．图3中镀了增透膜的镜头看起来是有颜色的，那是增透了这种颜色的光的缘故
典型例题
【答案】B
【详解】A．当将薄片向着劈尖方向移动使劈角变大时，相邻亮条纹或暗条纹中心间距变小，所以干涉条纹会变密，故A错误；B．将样板平行上移，导致原来满足亮条纹光程差的间距向劈尖移动，因此出现条纹向着劈尖移动，但条纹疏密不变，故B正确；C．从弯曲的条纹可知，此处检查平面左边处的空气膜厚度与右面的空气膜厚度相同，知此处凹陷，故C错误；D．照相机、望远镜的镜头表面镀了一层透光的膜，可以增大某种光的透射强度，这种膜称为增透膜，这是利用了光的干涉现象，同时镀膜镜头看起来是有颜色的是因该种颜色的光没有增透造成的，故D错误。故选B。
3　（2022·湖北·武汉市武钢三中高二期中）G1、G2为放在水平面上的高度略有差别的两个长方体，为了检查这两个长方体的上表面是否相互平行，检测员用一块标准的平行透明平板T压在G1、G2的上方，T与G1、G2支架分别形成尖劈形空气层，如图所示。G1、G2的上表面与平板的夹角分别为α和β，P为平板T上表面上的一点。用单色光从上方照射平板T，G1、G2的上方都能观察到明显的干涉条纹，可以推知（ ）
A．若α＝β，则G1上方的干涉条纹间距小于G2上方的干涉条纹间距
B．若α＞β，则G1上方的干涉条纹间距小于G2上方的干涉条纹间距
C．若将G1、G2的间距缩短些，则G1上方的干涉条纹分布变得更密
D．若在P处用较小的力下压平板T，则G1G2上方的干涉条纹分布都变稀疏
变 式
【答案】BC
【详解】AB．设物体上表面与平板的夹角为θ，相邻亮条纹的间距为ΔL，由空气薄膜干涉条件，则有 ，解得 ，若α＝β，则G1上方的干涉条纹间距等于G2上方的干涉条纹间距，若α＞β，则G1上方的干涉条纹间距小于G2上方的干涉条纹间距，故A错误，B正确；C．若将G1、G2的间距缩短些，则α增大，可知G1上方的干涉条纹分布变得更密，故C正确；D．若P在两长方体间，在P处用较小的力下压平板T，则α减小，β变大，可知G1上方的干涉条纹分布变疏，G2上方干涉条纹分布变密，故D错误。故选BC。
课堂练习
1.（2022·重庆巴蜀中学高三阶段练习）下列说法正确的是（　　）
A．太阳镜表面的增反膜，利用了薄膜干涉原理
B．光导纤维的内芯材料的折射率比外套材料的折射率小
C．杨氏双缝干涉实验中，在距离双缝的路程差为波长奇数倍处呈现暗条纹
D．物体做受迫振动达到稳定后，其振动频率一定大于驱动力频率
【答案】A
【详解】A．太阳镜的增反膜利用了薄膜干涉的原理，故A正确；B．由全反射条件知光导纤维的内芯材料的折射率比外套材料的折射率大，故B错误；C．杨氏双缝干涉实验中，在距离双缝的路程差为半波长奇数倍处呈现暗条纹，故C错误；D．物体做受迫振动达到稳定后，其振动频率等于驱动力频率，故D错误。故选D。
2.（2022·全国·高二单元测试）如图甲所示，a、b两束激光分别通过同一套双缝干涉装置，它们的第5条亮条纹分别在屏上的Pa点和Pb点，则___________（填“a”或“b”）激光的波长较长；如图乙所示，由a、b两束激光组成的复合光通过三棱镜后形成两条光线，则光线___________（填“ I”或“II”）是a激光的传播光路，___________（填“a”或“b”）激光在三棱镜中传播速度较大。
【答案】 b Ⅱ b
【详解】由 ,可知b激光的波长较长，所以三棱镜对b激光的折射率较小，光线Ⅱ是由a激光的传播光路
由 ,可知b激光在三棱镜中传播速度较大。
3.（2022·广东·佛山市南海区九江中学高三阶段练习）如图所示，将肥皂膜所附着的金属椭圆形线圈竖直放置，用单色光照此肥皂膜时可以观测到如图所示条纹，这是光的_______（选填“干涉”或“衍射”）现象；用紫光照射产生的条纹比红光照射时产生的条纹___________（选填“窄”或“宽”）；若用白光照射，可以观测到________（选填“黑白”或“彩色”）条纹。
【答案】干涉 窄 彩色条纹
【详解】在重力作用下肥皂膜形成上薄下厚的形态，所以此时观察的条纹为干涉条纹。相邻干涉条纹对应的光程差为波长，即干涉条纹与波长正相关，而紫光的波长小于红光的波长，所以在薄膜厚度变化相同的情况下，用紫光照射产生的干涉条纹比红光照射产生的条纹窄。白光为复色光，所以观察到的条纹为彩色的。
4.（2022·全国·高二课时练习）如图所示为用同一双缝干涉实验装置得到的甲、乙两种单色光的干涉条纹，下列有关两种单色光的说法正确的是（　　）
A．甲光的波长小于乙光的波长
B．甲光在真空中的传播速率大于乙光在真空中的传播速率
C．若甲光是黄光，乙光可能是红光
D．若两种单色光以相同的入射角由空气进入同种介质，甲光的折射角较大
【答案】D
【详解】A．根据干涉条纹间距公式 ,可知在、相同的条件下，与成正比，甲光的条纹间距大，则甲光的波长大于乙光的波长，故A错误；B．每种单色光在真空中的传播速率是相同的，都是 ，故B错误；
C．由于甲光的波长大于乙光的波长，且红光的波长大于黄光的波长，若甲光是黄光，乙光不可能是红光，故C错误；D．根据 ,由于甲光的波长大于乙光的波长，可得甲光的频率比乙光频率低，则甲光的折射率小，由
,若两种单色光以相同的入射角由空气进入同种介质，甲光的折射角较大，故D正确。故选D。
课堂总结
光的干涉
双缝干涉
明暗条件
干涉条件：频率相同、振动情况相同的光
实验装置：双缝干涉仪
薄膜干涉及应用
干涉图样：单色光是明暗相间、等间距的条纹
条纹间距：
明纹：
暗纹：
ΔS=2n n=0、1、2、3......
ΔS=(2n+1) n=0、1、2、3......
ΔX=