3 光的干涉
学习任务一 对光的双缝干涉的理解
[教材链接] 阅读教材,填写光的干涉的相关知识.
(1)如图为单色光的双缝干涉的示意图,单缝发出的单色光投射到相距很近的两条狭缝S1和S2上,狭缝就成了两个波源,发出的光向右传播,在后面的屏上出现光的干涉图样.
(2)光的干涉:两列频率相同的光波在空间传播时相遇,使得某些区域相互 ,某些区域相互 ,且加强区域和减弱区域是相互 的,这种现象称为光的干涉.
(3)两列光波发生干涉的条件:频率 、振动方向相同、相位差 .
(4)双缝干涉条纹的特征:明暗 、互相 、间距 的直条纹.
(5)杨氏双缝干涉实验的意义:证明了光是一种 .
例1 用一束单色光做杨氏双缝干涉实验,经双缝后光照射到光屏上,可观察到的图像是图中的 ( )
变式1 [2022·桐乡凤鸣高中月考] 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),则 ( )
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
【要点总结】
在光的干涉实验中
(1)单缝的作用:获得一个线光源,使通过单缝的光频率相同,且振动方向相同.
(2)双缝的作用:获得两个振动情况完全相同的相干光源.
(3)用单色光做实验时,屏上出现明暗相间的条纹;用白光做实验时,屏上出现彩色条纹.
学习任务二 对双缝干涉出现明、暗条纹的判断
[科学思维]
(1)出现亮条纹的条件
①在屏上 或 相叠加.
②两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的 (或波长的 ).
(2)出现暗条纹的条件
①在屏上 相叠加.
②两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的 .
例2 在双缝干涉实验中,双缝到光屏上P点的距离之差为0.6 μm,若分别用频率为f1=5.0×1014 Hz和f2=7.5×1014 Hz的单色光垂直照射双缝,试分析判断P点应出现亮条纹还是暗条纹 分别为第几条亮条纹或暗条纹 (光在真空中的传播速度c=3×108 m/s)
变式2 (多选)如图所示是光的双缝干涉的示意图.下列说法中正确的是 ( )
A.单缝S的作用是为了增加光的强度
B.双缝S1、S2的作用是为了产生两个频率相同的线光源
C.当S1、S2发出的两列光波到P点的路程差为光的波长λ的1.5倍时,产生第二条暗条纹
D.当S1、S2发出的两列光波到P点的路程差为波长λ时,产生中央亮条纹
【要点总结】
双缝 干涉 图例
问题 明、暗条纹的判断 条纹间距的计算
公式 亮条纹:Δr=r2-r1=kλ(k=0,1,2,…) 暗条纹:Δr=r2-r1=(2k+1)(k=0,1,2,…) Δx=λ
说明 当屏上某点到双缝的路程差等于半波长的偶数倍(波长的整数倍)时,光加强,该点出现亮条纹 当屏上某点到双缝的路程差等于半波长的奇数倍时,光减弱,该点出现暗条纹 l是双缝到光屏的距离,d是双缝间的距离,λ是光波的波长
学习任务三 薄膜干涉成因和应用
[教材链接] 阅读教材,填写薄膜干涉的相关知识.
(1)薄膜干涉的形成原因:从薄膜的 、 表面反射出两列相干光波发生干涉.如图所示,照射到液膜上的光线从前、后两个表面反射回来,形成两列光波.由于这两列光波是由同一入射光波产生的,因此频率相同、相位差恒定,满足干涉条件.
(2)薄膜干涉的应用:检查光学平面的平整度,增透膜.
例3 [2022·黄岩中学期中] 利用光的干涉规律可以检测工件表面的平整度与设计要求之间的微小差异.现将精度很高的标准玻璃板(样板),放在被检查工件上面,如图甲所示,在样板的左端垫一薄片,使标准玻璃板与被检查平面之间形成一楔形空气膜.用平行单色光向下照射,检查不同平面时,可观察到图乙或图丙的干涉条纹.下列说法正确的是 ( )
A.干涉条纹是样板的上、下两个表面的反射光干涉形成的
B.当稍向右移动图甲中的薄片时,条纹间距会变小
C.当换用频率更高的单色光照射时,条纹间距不变
D.图丙条纹弯曲处对应着被检查平面处是凸起的
变式3 用如图所示的实验装置在暗室中探究光的性质,左侧是点燃的酒精灯(在灯芯上撒些盐),右侧是竖立的附着一层肥皂液膜的金属线圈,下列说法正确的是 ( )
A.干涉条纹的分布情况与液膜的厚度有关
B.酒精灯火焰发出两种不同颜色的光照射到液膜上,形成干涉条纹
C.在图示的情况下,从肥皂液膜的右面观察时,在液膜上可看到干涉条纹
D.若将金属线圈在竖直平面内顺时针缓慢旋转某一角度,则干涉条纹沿顺时针方向旋转
【要点总结】
薄膜干涉的特点
(1)由于薄膜干涉是经薄膜前、后表面反射的两束光叠加而形成的,所以观察时眼睛与光源应在薄膜的同一侧.
(2)在光的薄膜干涉中,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或同一暗条纹应出现在厚度相同的地方,因此又叫等厚干涉,每一条纹都是水平的.
(3)用单色光照射得到明暗相间的条纹,用白光照射得到彩色条纹.
1.(对杨氏双缝干涉实验的理解)(多选)在杨氏双缝干涉实验中,如果 ( )
A.用白光作为光源,屏上将呈现黑白相间的条纹
B.用红光作为光源,屏上将呈现红黑相间的条纹
C.用白光作为光源,屏上将呈现彩色的条纹
D.用红光照射一条狭缝,用紫光照射另一条狭缝,屏上将呈现彩色条纹
2.(双缝干涉现象及干涉图样) 如图所示是某同学“用光传感器做双缝干涉实验”的情形,图甲、乙分别对应的是第一次和第二次实验得到的干涉图线.比较甲、乙两图线可判断,第一次实验中的 ( )
A.缝距一定较大
B.光强度较小
C.光源离双缝的距离较大
D.双缝离光传感器的距离可能较小
3.(对明、暗条纹的判断)如图甲所示为研究光的干涉现象的实验装置,狭缝S1、S2的间距d可调,狭缝到屏的距离为L.同一单色光垂直照射在狭缝上,实验中在屏上得到了图乙所示图样(图中阴影部分表示暗条纹).下列说法正确的是 ( )
A.图乙中双缝干涉图样的亮条纹,经过半个周期后变成暗条纹
B.仅减小狭缝S1、S2的间距d,图乙中相邻亮条纹的中心间距增大
C.仅增加L,图乙中相邻亮条纹的中心间距减小
D.若S1、S2到屏上P点的距离差为半波长的奇数倍,P点处是亮条纹
4.(薄膜干涉的应用)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.图甲中,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.图甲中将薄片向着劈尖方向移动使劈角变大时,条纹变疏
B.图甲中将样板微微平行上移,条纹疏密不变
C.在图甲中如果看到的条纹如图乙所示,说明被检平面在此处是凸起
D.图丙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
3 光的干涉
[教材链接] (2)加强 减弱 间隔 (3)相同 恒定 (4)相间 平行 相等 (5)波
例1 D [解析] 光的干涉图像是等间距、明暗相间的条纹,故选项D正确.
变式1 C [解析] 红光和绿光的频率不同,不能产生干涉现象,故不能产生干涉条纹,但屏上仍有光亮.
[科学思维] (1)①波峰与波峰 波谷与波谷 ②偶数倍 整数倍 (2)①波峰与波谷 ②奇数倍
例2 用频率为f1的单色光照射时,P处应出现亮条纹,且为第一条亮条纹(不包含中间亮条纹);用频率为f2的单色光照射时,P处应出现暗条纹,且为第二条暗条纹.
[解析] 双缝S1、S2到光屏上P点的路程之差Δr等于单色光波长的整数倍时,由S1和S2发出的光在P点互相加强,P点出现亮条纹;当Δr等于单色光半个波长的奇数倍时,由S1和S2发出的光在P点互相抵消,出现暗条纹.
频率为f1的单色光的波长
λ1== m=0.6×10-6 m=0.6 μm
频率为f2的单色光的波长
λ2== m=0.4×10-6 m=0.4 μm
即Δr=λ1=λ2
可知,用频率为f1的单色光照射时,P处应出现亮条纹,且为第一条亮条纹(不包含中间亮条纹);用频率为f2的单色光照射时,P处应出现暗条纹,且为第二条暗条纹.
变式2 BC [解析] 单缝是为了获得线光源,A错误;双缝是为了获得相干光源,B正确;当路程差为0时产生中央亮条纹,当路程差为波长λ的时产生第一条暗条纹,而当路程差为波长λ的1.5倍时产生第二条暗条纹,故C正确,D错误.
[教材链接] (1)前 后
例3 B [解析] 干涉条纹是样板的下表面和被检查平面的上表面的反射光干涉形成的,故A错误;如图甲所示,当稍向右移动图甲中的薄片时,A、B两点之间的距离增大,根据Δx=λ,相当于双缝之间的距离d增大,条纹间距Δx变小,故B正确;根据Δx=λ,当换用频率更高的单色光照射时,波长λ变短,条纹间距Δx变小,故C错误;如图乙所示,在A、B两点的光程差相等,经过A点的两列相干光产生的亮条纹与经过B点的两列相干光产生的亮条纹是同一条亮条纹,所以图丙条纹弯曲处对应着被检查平面处是凹陷的,故D错误.
变式3 A [解析] 液膜前后两个面反射的光相互叠加,发生干涉形成干涉条纹,则干涉条纹的分布情况与液膜的厚度有关,A正确;酒精灯火焰发出的单色光照射到液膜上,由膜前后表面反射,获得两种相同频率的光(颜色相同),从而进行叠加,形成干涉条纹,B错误;观察薄膜干涉条纹要在酒精灯的同侧,C错误;在转动金属线圈的过程中,由于重力作用,同一高度的液膜厚度是相同的,即液膜的厚度不变,故反射光的路程差也不会发生变化,产生的干涉条纹不旋转,D错误.
随堂巩固
1.BC [解析] 白光作为光源,屏上将呈现彩色的条纹,用红光作为光源,屏上将呈现红黑相间的条纹.
2.D [解析] 比较甲、乙两图线可判断,第一次实验得到的条纹间距较小,根据条纹间距公式Δx=λ,可知第一次实验中的双缝离光传感器的距离可能较小,或缝距可能较大,故D正确.
3.B [解析] 频率或波长相同,相位相差恒定的两列波叠加,使某些区域的振动加强,某些区域振动减弱,并且振动加强和振动减弱的区域互相间隔,形成稳定的干涉图样,故图乙中双缝干涉图样的亮条纹,经过半个周期后仍是亮条纹,故A错误;根据双缝干涉公式Δx=λ可知仅减小狭缝S1、S2的间距d,乙中相邻亮条纹的中心间距增大,仅增加L时,图乙中相邻亮条纹的中心间距也增大,故B正确,C错误;照射双缝时,若S1、S2到屏上P点的距离差为半波长的奇数倍,则两束光波发生相互削弱,即P点处为暗条纹,故D错误.
4.B [解析] 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;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;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;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.