5.1 光的干涉-高二物理鲁科版选择性必修第一册同步课件(共40张PPT)

(共40张PPT)
第五章 光的干涉、衍射和偏振
1.光的干涉
教学目标
CONTENT
01
02
03
理解薄膜干涉的原理及应用
理解干涉条纹形成的原因、特点及间距公式
认识光的干涉现象，
知道光是一种波
干涉、衍射和偏振是波特有的现象，光是否也会产生这些现象？
新课引入
本节我们将探讨光的干涉现象。
当两束光相遇时，是否会产生干涉现象呢？
下图为水波的干涉，用音叉很容易实现声波的干涉。
将一束激光照射到双缝上，光通过双缝后照射到光屏上，可观察到屏上出现明暗相间的条纹。
实验装置
屏的照片
双缝干涉现象
迷你实验室
双缝干涉的示意图
1.装置特点：双缝S1 、 S2的距离很近，缝很窄.
2. ①用单色激光
②双缝的作用：相当于两个振动情况完全相同的光源，双孔的作用是获得相干光源.
思考：为什么有的地方亮一些有些地方暗一些？
振动加强的地方出现亮条纹，
振动减弱的地方出现暗条纹。
光的干涉及其产生条件
一
知能提升
P1
P0
= P1S2－P1S1
光程差
P2
S1
S2
P1
P0
P2
讨论：什么地方出现亮纹，什么地方出现暗纹呢？
S1
S2
P
S1
P
PS1
S1
S2
P
S2
P
PS2
光程差=0，S1、S2步调一致，该点振动加强。（亮）
S1
S2
P2
P
S1
S2
P2
P2
P2S1
P2S2
S1
S2
P2
=λ
光程差=λ ，S1、S2在P2处步调一致，该点振动加强。(亮）
S1
S2
P1
P
S1
S2
P1
P1
P1S1
P1S2
S1
S2
P1
=λ/2
光程差=λ/2 ，S1、S2在P1处步调相反，该点振动减弱。(暗）
形成明、暗条纹的条件
光程差：
S1
S2
P1
P
l
n=0、1、2、3……
暗纹
n=0、1、2、3……
亮纹
= P1S2－P1S1
单色激光束
屏
S1
S2
亮条纹的中心线
亮条纹的中心线
暗条纹的中心线
暗条纹的中心线
双缝
屏上看到明暗相间的条纹
中央亮条纹明暗相间等间距
图样有何特征？
1801年，英国物理学家托马斯·杨（1773~1829）成功地观察到了光的干涉现象。
托马斯·杨（1773~1829）
光的相干条件
拓展一步
在一个房间里同时开两盏白炽灯，是看不到干涉现象的。因为白炽灯的一根钨丝中包含大量的钨原子，这些原子发出的光波的频率、振动方向多种多样，发出光波的时间也各有先后，这样叠加在一起只能形成一片均匀的亮光，看不出有规则的干涉图样。
相干光源：频率相同、振动方向相同和相位差恒定
双缝
S1
S2
屏幕
1.什么是干涉条纹的间距(条纹宽度)
x
x
条纹间距的含义：相邻亮纹和亮纹之间的距离或暗纹和暗纹之间的距离叫做条纹间距。
我们所说的亮纹是指最亮的地方，暗纹是最暗的地方，从最亮到最暗有一个过渡，条纹间距实际上是最亮和最亮或最暗和最暗之间的距离。
光的双缝干涉公式
二
知能提升
保持l (双缝到光屏的距离) 、d(双缝间距离)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。
2.影响条纹间距大小的因素
双缝之间的距离d 越小，相邻的亮纹间距越大.
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。
S1
S2
P1
P
l
d
x
r2
r1
M
当两列波的路程差为波长的整数倍，即
相邻两个明(或暗)条纹之间的距离为：
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：r2－r1＝dsin θ(令∠S2S1M＝θ) ①
另：x＝ltan θ≈lsin θ ②
时才会出现亮条纹，
亮条纹位置为：
双缝干涉图样的特点
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，两相邻亮纹(或暗纹)间距离与光的波长有关，波长越大，条纹间距越大。
红光干涉条纹
蓝光干涉条纹
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。这是因为用白光做干涉实验时，从红光到紫光其波长由大到小，它们的干涉条纹间距也是从大到小，屏中央各色光都得到加强，混合成白色，但两侧因条纹间距不同而分开成彩色，而且同一级条纹内紫外红。
白光干涉条纹
光的干涉现象就在我们身边，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。这些彩色条纹或图样是怎样形成的？
在酒精灯的灯芯上撒一些食盐，灯焰就能发出明亮的黄光。把铁丝圈在肥皂水中蘸一下，让它挂上一层薄薄的液膜。把这层液膜当作一个平面镜，用它观察灯焰的像。这个像与直接看到的灯焰有什么不同？
灯焰在肥皂膜上所成的像
1.薄膜干涉：来自两个面的反射光相互叠加，发生干涉，也称薄膜干涉。
薄膜干涉及其应用
三
知能提升
2.现象解释：如图所示，不同位置的液膜，厚度不同，因此在膜上不同的位置，来自前后两个面的反射光（即图中的实线和虚线波形代表的两列光）的路程差不同。在某些位置，这两列波叠加后相互加强，出现了亮条纹；在另一些位置，叠加后相互削弱，出现了暗条纹。
3.彩色条纹的解释
用不同颜色的单色光做这个实验，条纹的间距是不一样的。如果用白光照射肥皂液膜，由于各色光干涉后的条纹间距不同，液膜上就会出现彩色条纹。
4.薄膜干涉的应用
可以在光学元件的表面镀一层特定厚度的薄膜，增加光的透射或者反射，还可以利用薄膜干涉的原理对镜面或其他精密的光学平面的平滑度进行检测。
a.增透膜
当薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的１∕４时，在薄膜的两个面上的反射光，光程差恰好等于半波长，因而相互抵消，达到减小反射光，增大透射光的作用。
b.用干涉法检查各种镜面的平整程度
如果被测平面是平的，干涉条纹是平行的。如果干涉条纹发生弯曲，就表明被测表面不是平的。
典例精析
例.双缝干涉实验装置如图所示，当使用波长为6×10-7 m的橙光做实验时，光屏P点及上方的P1点形成相邻的亮条纹。若使用波长为4×10-7 m的紫光重复上述实验，在P和P1点形成的亮、暗条纹的情况是(　　)
A. P和P1都是亮条纹
B. P是亮条纹，P1是暗条纹
C. P是暗条纹，P1是亮条纹
D. P和P1都是暗条纹
B
解析：从单缝S射出的光波被S1、S2两缝分成的两束光为相干光，由题意，屏中央P到S1、S2距离相等，即由S1、S2分别射出的光到P的路程差为零，因此P处是亮纹中心，因而，无论入射光是什么颜色的光，波长多大，P处都是中央亮纹中心。
而P1到S1、S2的路程差刚好是橙光的一个波长，即|P1S1-P1S2|=600 nm=λ橙，则两列光波到达P1时的振动情况完全一致，振动得到加强，因此，出现亮条纹。
当换用波长为400 nm的紫光时，|P1S1-P1S2|=600 nm= λ紫，则两列光波到达P1时振动情况完全相反，即由S1、S2射出的光波到达P1时就相互削弱，因此，出现暗条纹。综上所述，选项B正确。
一、光的干涉及其产生条件
二、光的双缝干涉公式
课堂小结
三、薄膜干涉及其应用
1.关于光的干涉，下列说法正确的是 (　　)
A.在双缝干涉现象中，相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是不等的
B.在双缝干涉现象中，把入射光由波长较长的红光换成波长较短的紫光，相邻两个亮条纹间距将变宽
C.在双缝干涉现象中，将绿光换为红光，相邻两个亮条纹间距将变宽
D.在双缝干涉现象中，入射光为白光时得到的彩色条纹为内红外紫
C
解析：在双缝干涉现象中，相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是相等的，故选项A错误；入射光的波长越长，相邻两个亮条纹的间距越大，故选项B错误，C正确；由于各色条纹间距不同，且红光条纹最宽，紫光条纹最窄，故除中间条纹外，前几条彩色条纹应为内紫外红，越往外由于重叠严重，没有明显干涉条纹，只是看到彩光，选项D错误。
2.如图甲为双缝干涉实验的装置示意图。图乙为用绿光进行实验时，在屏上观察到的条纹情况，a为中央亮条纹，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。若已知红光、绿光和紫光的
波长大小关系为红光的波长最长，紫光的波长
最短。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
A
解析：根据双缝干涉图样的特点，入射光的波长越长，同一装置产生的双缝干涉图样中条纹的间距就越大。由本题的条件可确定另一种颜色的单色光比绿光的波长长，因此A正确，B、C、D错误。
3.图甲为用薄膜干涉检查某块厚玻璃板的上表面是否平整的装置。若待检板的上表面平整，则当平行的单色光照射到标准板上时，可从标准板上方观察到平行的、明暗相间的干涉条纹。若观察到的条纹如图乙所示，则说明待检板的上表面(　　)
A.有一个凸起的圆台
B.有一个凹陷的圆坑
C.有一个沿ab方向凸起的高台
D.有一个沿ab方向凹陷的沟
B
解析：由薄膜干涉原理知，如果被检玻璃板表面是平整的，则干涉条纹疏密均匀，薄膜同一厚度处出现同一条纹，相邻干涉条纹的光程差等于入射光的波长。从图乙所示情况来看，明条纹向左弯曲，可知检查平面左边的空气膜厚度与后面的空气膜厚度相同，则该处有凹陷，选项A、C不正确。如果有一
个沿ab方向凹陷的沟，那么所
有条纹都应向同一方向弯曲，
因此不是选项D所说的情况。
本题正确选项为B。
根据图中的弯曲条纹，凹陷的边缘为圆形状，所以待验板的上表面有一凹陷的圆坑，ACD错误
4.在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏幕上观察到了彩色干涉条纹，若在双缝中的一缝前放一红色滤光片(只能透过红光)，另一缝前放一绿色滤光片(只能透过绿光)，已知红光与绿光频率、波长均不相等，这时 (　　)
A.只有红色和绿色的双缝干涉条纹，其他颜色的双缝干涉条纹消失
B.红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其他颜色的双缝干涉条纹依然存在
C.任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮
D.屏上无任何光亮
C
解析：两列光波发生干涉的条件之一是频率相等，利用双缝将一束光分成能够发生叠加的两束光，在光屏上形成干涉条纹，但分别用绿色滤光片和红色滤光片挡住两条缝后，红光和绿光频率不等，不能发生干涉，因此屏上不会出现干涉条纹，但因有红光和绿光通过，故屏上仍有光亮。
5.在杨氏双缝干涉实验中，如果不用激光光源而用一般的单色光源，为了完成实验可在双缝前边加一单缝获得线光源，如图所示，在用单色光做双缝干涉实验时，若单缝S从双缝S1、S2的中央对称轴位置处稍微向上移动，则(　　)
A.不再产生干涉条纹
B.仍可产生干涉条纹，且中央亮纹P的位置不变
C.仍可产生干涉条纹，中央亮纹P的位置向上移
D.仍可产生干涉条纹，中央亮纹P的位置略向下移
解析：单缝S的作用是形成频率一定的线光源，双缝S1、S2的作用是形成相干光源，稍微移动S后，没有改变传到双缝的光的频率，由S1、S2射出的仍是相干光，由单缝S发出的光到达屏幕上P点下方某点光程差为零，故中央亮纹下移，选项D正确。
D
本节内容结束