5.1 光的干涉 课件 (共65张PPT)2024-2025学年高一物理鲁科版（2019）选择性必修第一册

(共65张PPT)
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？
光是否也会产生这些现象
本节我们将探讨
1.光的干涉及其产生条件
我们曾观察过水波的干涉现象，用音叉很容易实现声波的干涉。
那么，当两光相遇时，
是否会产生干涉现象呢
下面我们通过实验来进行探索。
双缝干涉现象
将一未激光照射到双缝上，光通过双缝后照射到光屏上(图5-1)，
装置特点：
1、单孔的作用：是获得点光源
2、双孔的作用：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
光的干涉条件：
相干光源：
可观察到屏上出现明暗相间的条纹(图5-2)。
5、干涉图样的特点：
（1）形成明暗相间的条纹
（2）亮纹间等距、暗纹间等距
（3）两缝S1、S2中垂线与屏幕相交位置是亮条纹---中央亮纹
提出问题：（1）为什么会出现这样的图象？
（2）怎样用波动理论进行解释？
运用光的波动理论进行分析
复习：
（1）两列波在波峰和波峰相遇或波谷与波谷相遇时振幅变大，说明此点为振动加强点 。
（2）两列波在波峰和波谷相遇时振幅变小，说明此点为振动减弱点。
（3）对光发生干涉时
若光互相加强，出现亮条纹
若光互相削弱，出现暗条纹
激光光源发出的光，同时投射到缝S1和缝S2上，被分成两列光波。
这两列光波振动频率、振动方向都相同，在双缝后相遇，出现振动加强和减弱相间的区域，在屏上就出现了明暗相间的干涉条纹。
可见，两束光相遇时，如果满足一定的条件，也会产生干涉现象。
研究表明，要使两列光波相遇时产生干涉现象，两列光波必须具有相同的频率和振动方向。
干涉是波特有的一种现象，光确实具有波的特性。
1801年，英国物理学家托马斯·杨
首次在实验室成功进行了光的干涉实验，即著名的杨氏双缝干涉实验。
双缝干涉实验示意图如图 5-3 所示。
在一个房间里同时开两盏白炽灯，是看不到干涉现象的。
光的相干条件
两列光波产生干涉的条件，除光波的频率和振动方向必须相同之外，还要求振动必须保持恒定的相位差。如果两列光波的频率和振动方向都相同，但相位差变化不定，这样的两列光波叠加也不可能产生出稳定的干涉图样。
人们把频率相同、振动方向相同和相位差恒定这三个条件称为光的相干条件，符合这三个条件的光源称为相干光源。
2.光的双缝干涉公式
两列光波产生干涉时，为什么会在光屏上出现明暗相间的条纹呢
如图 5-4所示，在光屏的中心取一个点 P0使它到缝S1 和缝S2的距离相等。当从缝S1和缝S2发出的振动情况相同的两列光波经过相等的路程到达点P0时，必然是两列光波的波峰或波谷)同时到达点P0 。
这样，两列光波叠加的结果是该点的光总是得到加强，因此该点就出现亮条纹。
如果我们在点 P 的上方取一个点 P，
使缝S1 和缝S2到点P的距离之差 Δr
正好是光波的半个波长(即 Δr=λ)，
那么两列光波必然是一列波的波峰(或波谷)与另一列波的波谷(或波峰)同时到达点P。
这样，两列光波叠加的结果是该点的光总是减弱，
因此该点就出现暗条纹。
如果我们在点P的上方再取一个点Q，
使缝S1和缝S2到点 Q的距离之差 Δr
正好是光波的一个波长
(即 Δr=λ)，
那么两列光波也是波峰(或波谷 )
同时到达点Q，
叠加的结果是该点的光总是得到加强，
因此该点也出现亮条纹。
依此类推，如果两列光波到达某点时，
路程差 Δr 为波长的整数倍，
即满足 Δr =±n λ(n=0，1，2，3，…)时，
这两列光波互相加强， 在那里就出现亮条纹;
反之，如果两列光波到达某点时，
路程差 Δr 为半个波长的奇数倍，
即满足 Δr=±(2n+1)(n=0 ，1，2 ，3，…)时，就出现暗条纹。这样，在屏上就形成了明暗相间的干涉图样，
研究表明，在双缝干涉实验中，
相邻两条亮条纹或暗条纹中心间距
式中，入为光波的波长，d为双缝间距离,l为双缝到光屏的距离。
由上式可见，当d和I一定时，入越大，条纹中心间距 v就越大。由该公式，我们可通过测量 v、d和1得出光波的波长 λ。
同一实验装置，用不同的色光来做双缝干涉实验，所产生的干涉条纹是不同的。图5-5 是由三种色光产生的干涉条纹，请比较它们有什么异同，并说明原因。谈谈你的认识，并与同学讨论交流。
用橙色光做双缝干涉实验时，测得双缝间的距离为0.1cm，双缝挡板与光屏间的距离为 205 cm，第1条亮线与第5条亮线中心间距为 0.5cm。求橙色光的波长和频率。
①通过第1条纹和第5条纹的距离可求得相邻条纹的间距
②再通过双缝干涉条纹间距的公式即可得到光的波长
③然后通过波长与频率的关系可求得频率
分析
已知l=205cm，d=0.1cm，△y=
= △y=cm
=6.1×10-5cm=6.1 ×10-7 m
v==Hz=4.9 ×1014 Hz
解
在空气中，橙光的波长范围为597~622 nm，计算结果合理。不同波长的光波，引起人眼的颜色感觉不同。在可见光中，红光波长最长，紫光波长最短。请查阅相关资料，了解不同颜色可见光的波长范围。
讨论
机械波中波长、频率与波速间的关系v=λf，对光波仍然适用。
光在真空中的传播速度为c。
光在介质中的传播速度，可通过v=计算。
如果我们把整个实验装置放入折射率大于1的介质中，保持d和l不变化，条纹间距会发生变化吗
光程与双缝干涉的条纹间距
光在不同介质中的传播速度不同。如果光在某介质中沿直线传播的距离为1，经历时间为t，传播速度为 v，则
再由折射率公式 n=
得 t=
我们把 nl 称为光程，用 δ 表示。
如果光在真空或空气中传播，n = 1，则光程和路程相等。
光程可理解为在相同时间内光在真空中传播的距离。
在双缝干涉实验中，相邻两条亮纹或暗纹中心间距可由光程差推出。如图5-6所示，若单色光在真空中波长为入，两孔间距为 d，小孔至屏的距离为 l，
相邻条纹间距为△y，介质折射率为n，振动情况相同的两光源到点P的光程差为
由于 θ 很小：sinθ≈tanθ=
点P出现第一条亮纹，其光程差为一个波长，即
Δl = λ
所以，相邻条纹间距Δy= λ
在真空或空气中，n = 1 Δy= λ
3.薄膜干涉及其应用
光的干涉现象就在我们身边，色彩斑斓的肥皂泡、五颜六色的油膜(图5-7)等,都与光的干涉有关。
如何解释这些现象呢
下面先看一个小实验。
肥皂液膜上的干涉
在酒精灯灯芯上撒一些食盐，灯焰能发出明亮的黄光。把铁丝圈在肥皂液中一下，使铁丝圈挂上一层薄薄的液膜，用酒精灯的黄光照射液膜，液膜反射的光能使我们看到灯焰的像(图5-8)。
为什么灯焰的像会出现明暗相间的横条纹
薄膜干涉的成因
如图所示，竖直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用使下面厚、上面薄，因此在薄膜上不同的地方，从膜的前、后表面反射的两列光波叠加，若两列波叠加后互相加强，则出现亮纹；
在另一些地方，叠加后互相减弱，则出现暗纹。
故在单色光照射下，就出现了明暗相间的干涉条纹；
若在白光照射下，则出现彩色干涉条纹。
平时我们看到的
蚌壳内表面透明薄膜上呈现出各种色彩
有些昆虫薄而透明的翅翼上出现彩色光
带有透明薄膜保护层的激光唱片呈现彩色……
都是薄膜干涉现象。
两块叠放在一起的玻璃板之间存在很薄的一层空气薄膜，光波分别在与该空气薄膜接触的两玻璃面上反射。
当这两部分反射光相遇时，也会产生薄膜干涉，形成干涉条纹。
轻压玻璃板，被压处空气薄膜的厚度会变化，从而导致干涉条纹弯曲变形(图5-9)。
如图5-10所示，在被测平面上放一个透明的标准平面样板，在样板的一端垫一个薄片，使标准平面和被测平面之间形成一个楔形空气薄膜:
我们可利用这一特点来检查平面的平整程度:
再用单色光照射样板。
这时分别从空气薄膜上、下两表面反射的两列光波就会发生干涉。
如果被测表面是平的，干涉条纹就是一组平行的直条纹。
如果干涉条纹发生弯曲，就表明被测表面不平。
这种测量的精度可达 10-8m。
增透膜：在透镜表面涂上一层薄膜，当薄膜的厚度等于入射光的在薄膜中的波长的1/4时，从薄膜前后两表面反射回来的光的路程差恰好等于半个波长，它们干涉相消，减小了反射光的能量，增强了透射光的能量，称为增透膜。
1.如图所示，一铁丝环中有肥皂液膜，当日光照射肥皂液膜时会出现彩色条纹。请分析原因。
2.用白光做双缝干涉实验时，多数亮纹都是彩色的，为什么中间的一条亮条纹是白色的
3.在如图所示的双缝干涉实验中，用波长λ=600 nm 的橙色光照射，在光屏中心点P0呈现亮条纹。
若点P0上方的点P到S1、S2的路程差恰为λ ，现改用波长为400 nm 的紫光照射，则
A. P0和P都呈现亮条纹
B. P0为亮条纹，P为暗条纹
C. P0为暗条纹，P为亮条纹
D. P0和P都呈现暗条纹
4.用干涉法检查厚玻璃板b的上表面是否平整的装置如图所示。干涉条纹是由某两个表面反射的光叠加产生的，这两个表面是
A.a的上表面、b 的下表面
B.a的上表面、b 的上表面
C.a的下表面、b 的上表面
D.a的下表面、b 的下表面
5.在双缝干涉实验中，分别用红色和绿色的激光照射同一双缝，在双缝后的屏幕上，红光的干涉条纹间距与绿光的干涉条纹间距哪个更大 若实验中红光的波长为630nm，双缝与屏幕的距离为 1.00 m，测得第1条到第6条亮条纹中心间的距离为 10.5 mm，双缝之间的距离有多大
*6.如图所示，在双缝干涉实验中，若单色光源S到两缝S1、S2距离相等，则屏上中央亮条纹位于图中O处。现将光源S向下移动到示意图中的S“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，且条纹间距增大
D.中央亮条纹向上移动，且条纹间距增大