(共11张PPT)
1.物理史实
1801年,英国物理学家托马斯·杨在实验室里成功地观察到了光的干涉现象。
2.实验
如图所示,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,两狭缝相距很近,
两狭缝就成了两个波源,它们的振动情况总是相同的,两个波源发出的光在挡板后面的空间
互相叠加,发生干涉现象。
知识点 1 双缝干涉
必备知识 清单破
4 光的干涉
3.光发生干涉的条件
两列光的频率相同,振动方向相同,且具有恒定的相位差。
4.屏上某处出现亮、暗条纹的条件
明暗条纹的位置由该位置到双缝的距离之差即光的路程差决定。当光从两狭缝到屏上
某点的路程差为半波长 的偶数倍时,这些点出现亮条纹;当路程差为半波长 的奇数倍时,
这些点出现暗条纹。
5.影响相邻条纹间距Δx 的因素
(1)双缝到光屏的距离l,l越大,Δx越大;
(2)双缝之间的距离d,d越大,Δx越小;
(3)光的波长λ,λ越大,Δx越大。
结论:相邻两条亮条纹(或暗条纹)的间距Δx= λ。(具体公式推导在下一节)
1.定义
光照射到透明薄膜上时,在薄膜的前后两个表面反射的两列光波相互叠加,发生干涉,这种现
象称为薄膜干涉。
2.图样特点
同一条亮(或暗)条纹对应的薄膜的厚度相等,单色光照射薄膜时形成明暗相间的条纹,白
光照射薄膜时形成彩色条纹。
3.应用
(1)检测平面的平整程度。
(2)增透膜与反射膜。
知识点 2 薄膜干涉
知识辨析
1.在双缝干涉实验中,如果入射光用白光,在两条狭缝上,一个用红色滤光片(只允许通过红光)
遮挡,一个用绿色滤光片(只允许通过绿光)遮挡。试想:屏上还有干涉条纹吗
2.在光的双缝干涉实验中,若仅将入射光由绿光改为红光,则干涉条纹间距怎样变化
一语破的
1.屏上不会出现干涉条纹。因为双缝用红、绿滤光片遮挡后,透过的两束光频率不相等,就不
是相干光源了,不会再发生干涉。
2.变宽。在光的双缝干涉实验中,若只改变入射光的颜色,光的波长λ越大,干涉条纹间距Δx越
大,红光的波长大于绿光的波长,可知干涉条纹间距变宽。
1.实验装置示意图
(1)单缝的作用:获得一个线光源,使光源有唯一的频率和振动情况。
(2)双缝的作用:光照射到单缝S上,又照到双缝S1、S2上,这样一束光被分成两束振动情况完全
一致的相干光。
关键能力 定点破
定点 1 对光的双缝干涉的理解
2.明暗条纹位置的确定
(1)亮条纹:屏上某点P到两缝S1和S2的距离之差等于半波长的偶数倍,即|PS1-PS2|=2k· (k=0,1,
2,…)。k=0时,PS1=PS2,此时P点位于屏上的中心O处,此处的条纹叫中央亮条纹。
(2)暗条纹:屏上某点P到两缝S1和S2的距离之差等于半波长的奇数倍,即|PS1-PS2|=(2k+1) (k=
0,1,2,…)。
3.光的双缝干涉图样的特点
(1)单色光的干涉图样:若用单色光作为光源,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)间的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:若用白光作为光源,则干涉条纹是彩色条纹,且中央亮条纹是白色的。两
侧条纹间距与各色光的波长成正比,故红光的条纹间距最大,紫光的条纹间距最小,故除中央
亮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。
1.肥皂液膜干涉现象
(1)白光的干涉图样是彩色的:因重力的作用,竖直放置的肥皂液膜上面薄、下面厚,由于不同
颜色的光的波长不同,从前后两个面反射的光在不同的位置相互加强,换句话说,不同颜色的
光对应亮条纹的位置不同,因此看起来是彩色的。
(2)条纹是水平方向的:因为在同一水平高度处,薄膜的厚度相同,从前后两个面反射的光路程
差均相同,如果此时两反射光互相加强,则此高度水平方向各处均加强,因此,同一条纹与薄膜
同一厚度相对应,明暗相间的干涉条纹应为水平方向的,如图所示。
定点 2 薄膜干涉的理解与应用
2.干涉法检查平面平整度
(1)如图甲所示,两平面之间形成一个楔形空气薄层,用单色光从上面照射,空气层的上下两个
表面反射的两列光波发生干涉。空气层厚度相同的地方,两列波路程差相同,两列波叠加时
相互加强或相互削弱的情况也相同。如果被测表面是平整的,得到的干涉图样必是一组平行
的直线。如果被测表面某处凹陷,则对应亮条纹(或暗条纹)向左弯曲,如图乙中P条纹所示;如
果某处凸起,则对应条纹向右弯曲,如图乙中Q条纹所示。
(2)干涉图样中相邻亮条纹的间距分析(不考虑半波损失)
如图所示,设楔形空气膜的顶角为θ,光波的波长为λ。
对第1级亮纹,光程差为2d1=λ,
对第2级亮纹,光程差为2d2=2λ,
……
对第n级亮纹,光程差为2dn=nλ,
对第n+1级亮纹,光程差为2dn+1=(n+1)λ,
所以相邻亮条纹对应的空气膜厚度差Δd=dn+1-dn= λ,
而相邻亮条纹间距Δx与对应的空气膜厚度差的关系为Δd=Δx·sin θ,
从而得出Δx= 。第四章 光及其应用
4 光的干涉
基础过关练
题组一 光的双缝干涉的理解
1.(多选题)在杨氏双缝干涉实验中,下列说法正确的是(n为自然数,λ为光波波长) ( )
A.在与双缝的距离相等的点形成暗条纹
B.在与双缝的距离之差为nλ的点形成明条纹
C.在与双缝的距离之差为的点形成明条纹
D.在与双缝的距离之差为n+λ的点形成暗条纹
2.(多选题)用a、b两单色光分别照射同一双缝干涉实验装置,在距双缝恒定距离的屏上得到不同的干涉图样,其中图甲是用a光照射形成的,图乙是用b光照射形成的。下列说法正确的是 ( )
A.a光的波长比b光的短
B.a光的频率比b光的小
C.水对a光的折射率比对b光的大
D.在真空中,a、b两光的传播速度相同
3.从点光源L发出的白光,经过透镜后成一平行光束,垂直照射到挡板P上,板上开有两条靠得很近的平行狭缝S1、S2,如图所示,在屏Q上可看到干涉条纹,图中O点是屏上与两狭缝等距离的一点,则 ( )
A.干涉条纹是黑白的,O点出现明条纹
B.干涉条纹是黑白的,O点出现暗条纹
C.干涉条纹是彩色的,O点出现明条纹
D.干涉条纹是彩色的,O点出现暗条纹
题组二 光的双缝干涉的应用
4.物理学原理在现代科技中有许多重要应用。例如,利用波的干涉,可将无线电波的干涉信号用于飞机降落的导航。如图所示,两个可发射无线电波的天线对称地固定于飞机跑道两侧,它们类似于杨氏双缝干涉实验中的双缝。两天线同时都发出波长为λ1和λ2的无线电波。飞机降落过程中,当接收到的波长为λ1和λ2的信号都保持最强时,表明飞机已对准跑道。下列说法正确的是 ( )
A.天线发出的两种无线电波必须一样强
B.两种无线电波在空间的强弱分布稳定
C.导航利用了波长λ1与λ2的两种无线电波之间的干涉
D.两种无线电波各自在空间的强弱分布完全重合
5.如图所示是1834年爱尔兰物理学家洛埃观察到光的干涉现象的原理图。缝光源S发出波长为600 nm的光,有一部分直接射到屏D上,另一部分经镜面M反射到屏D上,对镜面的入射角接近90°,这两部分光叠加产生干涉,在屏D上出现亮暗相间的干涉条纹,这被称为洛埃镜实验。下列说法正确的是 ( )
A.光屏上的条纹与镜面垂直
B.将光屏D水平向左面镜,相邻条纹间距减小
C.将光源S竖直向下面镜,相邻条纹间距减小
D.将光源换成白光光源,屏D上无法观察到干涉条纹
题组三 薄膜干涉的理解
6.如图所示为显示薄膜干涉现象的实验装置,P是附有肥皂液薄膜的铁丝圈,S是一个点燃的酒精灯,往火焰上撒些盐后,在肥皂膜上观察到的干涉图样应是图中的 ( )
7.甲、乙两位同学在实验室做薄膜干涉实验。甲将有肥皂膜的铁丝圈竖直放置,形成如图1所示的肥皂膜侧视图,用黄色光从左侧照射薄膜,会观察到明暗相间的干涉条纹。乙用平行单色光垂直照射透明薄膜,观察到如图2所示明暗相间的干涉条纹。关于甲、乙两位同学的实验,下列说法正确的是 ( )
A.甲应该从薄膜右侧观察干涉图样
B.任意两相邻亮条纹处对应的薄膜厚度之差相同
C.乙实验中薄膜层厚度的变化率不随坐标x变化而变化
D.乙实验中薄膜层厚度的变化率随坐标x增大而逐渐增大
题组四 薄膜干涉的应用
8.随着科技的发展,夜视技术越来越成熟。一切物体都可以产生红外线,即使在漆黑的夜里“红外监控”“红外摄影”也能将目标观察得清清楚楚。为了使图像清晰,通常在红外摄像头的镜头表面镀一层膜,下列说法正确的是 ( )
A.镀膜的目的是尽可能让入射的红外线反射
B.镀膜的目的是尽可能让入射的所有光均能透射
C.镀膜的厚度应该是红外线在薄膜中波长的四分之一
D.镀膜的厚度应该是红外线在薄膜中波长的二分之一
9.光的干涉现象在技术中有许多应用。如图所示是利用光的干涉检查某精密光学平面的平整度,若在被检平面上有一处凸起,则观察者从上往下看到的干涉条纹可能为 ( )
答案与分层梯度式解析
第四章 光及其应用
4 光的干涉
基础过关练
1.BD 在杨氏双缝干涉实验中,当某点与双缝距离之差Δδ为波长的整数倍,即Δδ=nλ(n=0,1,2,3,…)时,该处出现明条纹;当某点与双缝距离之差Δδ为半波长的奇数倍,即Δδ=(2n+1)(n=0,1,2,3,…)时,该处出现暗条纹。B、D正确。
2.BD 用同一双缝干涉实验装置做实验,由题图可知,a光的干涉条纹间距较大,根据“波长λ越大,条纹间距Δx越大”,可知a光的波长比b光的波长长,A错误;由c=λf可知a光的频率比b光的小,水对a光的折射率比对b光的小,B正确,C错误;在真空中,各种频率的光的传播速度均为3.0×108 m/s,故D正确。
3.C 光屏中央O点到双缝的距离差为0,所以在该点出现明条纹。由于白光是复色光,不同色光的波长不同,根据决定条纹间距大小的因素可知“λ越小,Δx越小,λ越大,则Δx越大”,不同色光干涉形成的明条纹位置不同,故屏Q上干涉条纹是彩色的,C正确。
4.B 干涉要求两波源的频率相同,而对强度没有要求,A错误。由于两无线电波波源对称分布在跑道两侧,两种波长的无线电波各自发生干涉,在跑道处光程差为零,干涉均加强,两种无线电波各自在空间的强弱分布稳定,但不重合,当接收到的波长为λ1和λ2的信号都保持最强时,表明飞机已对准跑道,B正确,D错误。由于无线电波以光速传播,根据c=λf知,波长不同,频率不同,所以两种无线电波之间不会发生干涉,故C错误。
5.B 画出光路图如图所示。可等效为两个相干光源S、S'发出的光在屏上形成双缝干涉图样,类比双缝干涉实验可知,光屏上的条纹与镜面平行,A错误;由Δx=λ可知,将光屏D水平向左面镜,L减小,相邻条纹间距减小,B正确;将光源S竖直向下面镜,d减小,相邻条纹间距增大,C错误;将光源换成白光光源,在屏D上会观察到彩色的干涉条纹,D错误。
6.D 铁丝圈上的肥皂膜在重力作用下上薄下厚,在同一水平线上薄膜厚度基本一致,如果某一厚度处前后表面反射的光波叠加后得到加强,那么这一水平线上(同一厚度)的各处光波均会加强,所以干涉条纹应是基本水平的,故选D。
7.B 薄膜干涉是薄膜前、后两个面的反射光叠加产生的,故甲应该从薄膜左侧观察干涉图样,A错误;任意两相邻亮条纹处对应的薄膜厚度之差是黄色光波长的一半,B正确;从薄膜的上、下表面分别反射的两列光是相干光,其光程差为Δx=2d,即光程差为薄膜厚度的2倍,当光程差Δx=nλ(n=1,2,3,…)时,表现为亮条纹,故相邻亮条纹之间的薄膜的厚度差为,在图2中相邻亮条纹(或暗条纹)之间的距离变大,可知薄膜厚度变化所用的距离逐渐变大,即乙实验中薄膜层厚度的变化率随坐标x增大而逐渐减小,C、D错误。
8.C 镀增透膜的目的是尽可能让红外线透射,透光越多,成像越清晰,A错误;增透膜有一定的厚度,不能让入射的所有光均能透射,B错误;为尽可能让红外线透射,则需要薄膜的前表面反射的红外线与后表面反射的红外线在薄膜前表面处相互抵消,即为暗条纹,所以前后表面反射的红外线的路程差为,则薄膜的厚度应该是红外线在薄膜中波长的,故C正确,D错误。
9.D 干涉条纹为竖直方向,如果被检测的平面某处凹下,则对应明条纹(或暗条纹)提前出现,如果某处凸起,则对应的条纹延后出现,故选D。
方法技巧 凹薄凸厚:如果平面是凹的,干涉条纹向薄膜薄的方向弯曲;如果平面是凸的,干涉条纹向薄膜厚的方向弯曲。
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