5.1 光的干涉 课件(1)

课件62张PPT。第5章　光的干涉　衍射　偏振
第1节　光的干涉1.我们把振动频率和振动方向相同的两列波叠加后，振动加强
和振动减弱的区域_________、稳定分布的现象，叫做波的干
涉。
2.波产生干涉的条件是：频率和_________相同。互相间隔振动方向3.水波、声波、_____、_______等都能产生干涉现象。
4.两列波相遇，介质内部的质点同时参加相遇的波列的振动，
质点的位移等于相遇波列单独存在时到达该处引起的位移的叠
加，相遇的波一旦脱离接触又会按照原来的运动状态继续传播。
这在物理学中称为波的_________。光波电磁波叠加原理一、光的干涉及其产生条件
1.两束光相遇时，如果满足一定的条件，也会产生干涉现象，
在屏幕上出现_________的干涉条纹。干涉是波特有的现象，
光具有波的特性，也是一种波。
2.干涉条件：两列光的_____相同、_____方向相同、_______
恒定。明暗相间频率振动相位差3.如果两列光波到达某点时，路程差为波长的整数倍，这两列
波互相_____，在那里就出现_______；如果两列光波到达某点
时，路程差为半波长的奇数倍，这两列波互相_____，在那里
就出现_______。
4.在双缝干涉实验中，相邻的两亮纹或暗纹间的距离满足关系
式_________。 加强亮条纹减弱暗条纹二、测定光的波长
1.实验原理：
双缝间的距离d已知，双缝到屏的距离l可以测定，相邻两条
亮纹或暗纹间的距离Δy根据手轮上的读数测出，根据公式
λ=______可计算波长λ。
2.实验步骤：
(1)在光具座上装上光源和遮光筒(不带单、双缝)，调节光源
高度，使它发出的一束光能沿着遮光筒的_____把屏照亮。
(2)放好单缝和双缝，其间距约为5～10 cm，且使缝相互_____，
中心大致位于遮光筒的轴线上。轴线平行(3)光源与单缝间放上_______，仔细调节目镜，观察单色光的
干涉条纹。撤去_______，观察白光的干涉条纹。
(4)加上滤光片，通过目镜观察单色光的干涉条纹，同时调节
手轮，使分划板的中心刻线对齐第1条亮条纹的中心，记下
___________。然后继续转动手轮使分划板移动，直到分划板
的中心刻线对齐第n条亮纹的中心，记下此时___________。滤光片滤光片手轮的读数手轮的读数(5)将两次手轮的读数相减，求出n条亮纹间的距离a，则相邻
亮纹间距Δy=_____,利用公式 求出此单色光的波长
λ。(d、l在仪器中均可读出)
(6)换用不同的滤光片，观察干涉条纹间距离的变化，并求出
相应的波长。 三、薄膜干涉及其应用
1.薄膜干涉：
由薄膜两个面_____的光波相遇而产生的干涉现象。
2.应用：
(1)检查平面的_________。
(2)光学镜头上的_______。反射平整程度增透膜【思考辨析】
1.判断正误：
(1)两个相同的普通白炽灯发出的光相遇，就会出现光的干涉现象。( )
(2)在测量干涉条纹宽度Δy时，只需测量一条亮纹的宽度就可以。( )
(3)在光的双缝干涉实验中，不需要单缝也能完成该实验。
( )
(4)薄膜干涉是通过两个表面折射的光线产生的。( )
(5)增透膜的厚度应等于光在空气中的波长的四分之一。( )提示：(1)×。两个相同的普通白炽灯发出的光，不满足相位差恒定，不是相干光源，相遇时不会出现光的干涉现象。
(2)×。由于一条条纹的宽度很小，为了减小误差，应测量多条条纹的宽度，求平均值。
(3)×。光源直接照射到双缝上，很难得到相干光源。
(4)×。薄膜干涉是从两表面反射的光线干涉得到的,所以应该从反射面一侧观察。
(5)×。增透膜的厚度应等于光在增透膜这种介质中的波长的四分之一。 2.问题思考：
(1)为什么一般情况下很难观察到光的干涉现象?
提示：由于不同光源发出的光的频率一般不同，即使是同一光源，它的不同部位发出的光也不一定有相同的频率和恒定的相位差，在一般情况下，很难找到那么窄的缝和那些特殊的装置，所以一般情况下很难观察到光的干涉现象。
(2)用光的干涉来检查平面的平整程度时，是从哪两个表面反射的光波相遇产生干涉现象?
提示：是从标准平面和被测平面之间的空气薄膜的上下两个表面反射的两列光波相遇产生干涉现象。 一、对光的干涉现象的理解
1.光的干涉：
(1)光的干涉：在两列光波的叠加区域，某些区域相互加强，出现亮纹，某些区域相互减弱，出现暗纹，且加强和减弱的区域相间，即出现亮纹和暗纹相间的现象。
(2)干涉条件：两列光的频率和振动方向相同,且相位差恒定。两个光源称为相干光源，相干光源可用同一束光分成两列而获得。 2.双缝干涉分析：
(1)双缝干涉的示意图：
(2)单缝的作用：
用同一极小部分光源产生的光形成点光源，最大限度地保证光的相干性。(3)双缝的作用：
平行光照射到单缝S上后，又照到双缝S1、S2上，这样一束光被分成两束频率相同和振动情况完全一致的相干光。
(4)屏上某处出现亮、暗条纹的条件：
频率相同的两列波在同一点引起的振动的叠加。如亮纹处某点同时参与的两个振动步调总是一致，即振动方向总是相同；暗纹处振动步调总相反。具体产生亮、暗条纹的条件为：
a.亮条纹的条件
屏上某点P到两缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半个波长的偶数倍。
即：|PS1-PS2|=kλ=2k· (k=0，1，2，3…) b.暗条纹的条件
屏上某点P到两缝S1和S2的路程差正好是半个波长的奇数倍,即
|PS1-PS2|=(2k+1) (k=0,1,2,3…)
(5)干涉图样中条纹间距的计算：
在双缝间的距离d和双缝到光屏间的距离l不变的条件下,单色光产生的干涉条纹间距Δy(相邻两条亮条纹中心或相邻两条暗条纹中心间的距离)跟光的波长λ成正比,即(6)干涉图样的特点：
a.单色光的干涉图样特点：中央为亮条纹，两边是明、暗相间的条纹，且相邻亮条纹与亮条纹中心间、相邻暗条纹与暗条纹中心间的距离相等。

b.白光的干涉图样：若用白光做实验，则中央亮条纹为白色，两侧出现彩色条纹，彩色条纹显示不同颜色光的干涉条纹间距是不同的【学而后思】
(1)在日常生活中，光的干涉现象为什么比较少见？
提示：在日常生活中，很少有相干光源，所以光的干涉现象比较少见。
(2)在双缝实验中，去掉单缝能否观察到干涉现象？
提示：在双缝实验中，去掉单缝后就不能形成点光源，通过双缝的光相位差混乱，不能观察到干涉现象。 【典例1】在双缝干涉实验中，光屏上某点P到双缝S1和S2的路程差为7.5×10-7m，如果用频率为6.0×1014Hz的黄光照射双缝，试问：
(1)该黄光的波长是多少?
(2)试通过计算分析P点是出现亮条纹还是暗条纹。【解题探究】(1)如何计算黄光的波长?
提示：波速和波长、频率的关系适用于一切波，可用公式
来求黄光的波长。
(2)如何判断在某一点是亮条纹还是暗条纹?
提示：根据这一点到两个小缝的距离之差来判断，如果这个距离之差为波长的整数倍则出现亮条纹，如果这个距离之差为半波长的奇数倍则出现暗条纹。 【标准解答】
所以是暗条纹。
答案：(1)5×10-7m (2)见标准解答 【总结提升】判断干涉条纹亮、暗的方法
(1)判断屏上某点为亮条纹还是暗条纹，要看该点到两个光源(双缝)的路程差(光程差)与波长的比值。
(2)要记住：路程差等于波长整数倍处出现亮条纹，等于半波长奇数倍处出现暗条纹。
(3)上述结论成立的条件：两个光源情况完全相同。 【变式训练】频率为6×1014Hz的单色光从S1和S2投射到屏上，并且S1与S2振动相同。则这种色光的波长为　　　　；若屏上的点P到S1与P到S2的路程差为3×10-6m，则P点是　　　　(选填“亮条纹”或“暗条纹”)。
【解析】
Δy=3×10-6 m=6λ，所以是亮条纹。
答案：5×10-7m 亮条纹【变式备选】一束白光通过双缝后在屏上观察到干涉条纹，除中央白色条纹外，两侧还有彩色条纹，其原因是　(　　)
A.各色光的波长不同，因而各色光分别产生的干涉条纹间距不同
B.各色光的速度不同，造成条纹的间距不同
C.各色光的强度不同，造成条纹的间距不同
D.各色光通过双缝到达一确定点的距离不同
【解析】选A。各色光的频率不同，波长不同，在屏上得到的干涉条纹的宽度不同，各种颜色的条纹叠加后得到彩色条纹。 二、测定光的波长
1.实验目的：
(1)观察白光及单色光的双缝干涉图样。
(2)掌握用公式 测定单色光的波长的方法。2.实验原理：
(1)光源发出的光经滤光片后成为单色光,单色光通过单缝后相
当于线光源,经双缝后产生稳定的干涉图样,通过屏可以观察到
明暗相间的干涉条纹,如果用白光通过双缝可以观察到彩色条
纹。
(2)若双缝到屏的距离用l表示,双缝间的距离用d表示,相邻两
条亮纹间的距离用Δy表示,则由 可得入射光的波长为
实验中d是已知的,测出l、Δy即可求出光的波长λ。3.实验器材：
双缝干涉仪：光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、光屏、光具座、测量头及刻度尺。如图所示，将遮光筒平放在光具座上，筒的一端有双缝，另一端装上毛玻璃做的光屏，其上有刻度，先取下双缝，打开光源，调节光源高度，使它发出的一束光恰沿遮光筒的轴线照亮光屏，然后放好单缝和双缝，使缝互相平行，且位于轴线上，这时可看到彩色干涉条纹，若在单缝和光源之间放置一块滤光片，则可观察到单色干涉条纹。4.实验步骤：
(1)调节双缝干涉仪，观察光的双缝干涉现象；
(2)用单色光入射得到干涉条纹，测出n条亮纹的距离a，得到
相邻亮纹的距离
(3)利用已知的双缝间距d，用刻度尺测出双缝到光屏的距离
l，根据公式 计算出波长。
(4)换用不同颜色的滤光片，观察干涉条纹间的距离有什么变
化，并求出相应的波长。5.误差分析：
光波的波长很小，l、Δy的测量对波长的影响很大，l用毫米刻度尺测量，Δy利用测量头测量。可利用“积累法”测n条亮纹间距，再求 并且采用多次测量求λ的平均值的方法进一步减小误差。【学而后思】
(1)滤光片能过滤光的原理是什么？
提示：某种颜色的滤光片只能让这种颜色的光通过，其他颜色的光不能通过，从而达到滤光的目的。
(2)在实验中为什么没有直接测量两条相邻条纹间距离，而是测出n条干涉条纹的间距a，再求出两条相邻条纹间距离？
提示：测n条条纹间距，再求 并且采用多次测量求λ的平均值的方法，主要是为了减小测量误差。 【典例2】现有毛玻璃屏A、双缝B、白光光源C、单缝D和透红光的滤光片E等光学元件，要把它们放在图甲所示的光具座上组装成双缝干涉装置，用以测量红光的波长。(1)将白光光源C放在光具座最左端，依次放置其他光学元件，由左至右，表示各光学元件的字母排列顺序应为C、　　　　、A。
(2)本实验的步骤有：
①取下遮光筒左侧的元件，调节光源高度，使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮；
②按合理顺序在光具座上放置各光学元件，并使各元件的中心位于遮光筒的轴线上；
③用米尺测量双缝到屏的距离；
④用测量头(其读数方法同螺旋测微器)测量数条亮纹间的距离。
在操作步骤②时还应注意________________________________-
和______________________________ 。 (3)将测量头的分划板中心刻线与某条亮纹中心对齐，将该亮纹定为第1条亮纹，此时手轮上的示数如图乙所示。然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐，记下此时图丙中手轮上的示数　　　mm，求得相邻亮纹的间距Δy为　　　mm。
(4)已知双缝间距d为2.0×10-4m，测得双缝到屏的距离l为0.700m，由计算式λ=　　，求得所测红光波长为_____m。【解题探究】(1)在做实验过程中，单缝和双缝保持什么样的关系，才能保证从目镜上看到清晰的干涉条纹?
提示：单缝和双缝间距离为5～10cm，保持缝的相互平行。
(2)如何对手轮进行读数?
提示：对手轮进行读数等同于螺旋测微器的读数，整毫米数由固定刻度上读出，小数部分则由可动刻度读出(要估读一位)乘以0.01(1格是0.01mm)，然后相加即可。一定注意小数点后有3位，是0也要写上。 【标准解答】(1)该实验仪器放置的顺序：C、E、D、B、A。
(2)在安装时，应注意单缝和双缝间距离为5～10 cm，保持缝的相互平行。
(3)图乙的读数是2.320 mm，图丙的读数是13.870 mm，则
(4) 　　　　　　　　　　代入数据解得λ=6.6×10-7m。
答案：(1)E、D、B(2)单缝和双缝间距离为5～10 cm
单缝和双缝保持缝的相互平行　　(3)13.870　　2.310　
(4) 　　　6.6×10-7 【变式训练】(2012·福建高考)在“用双缝干涉测光的波长”实验中(实验装置如图)：(1)下列说法哪一个是错误的。(填选项前的字母)
A.调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在屏中心时,应放上单
缝和双缝
B.测量某条干涉亮纹位置时,应使测微目镜分划板中心刻线与
该亮纹的中心对齐
C.为了减少测量误差,可用测微目镜测出n条亮纹间的距离a,求
出相邻两条亮纹间距 (2)测量某亮纹位置时,手轮上的示数如图,其示数为＿＿＿mm。【解析】(1)应先调节光源高度、遮光筒中心及光屏中心后再
放上单、双缝，A选项不正确。目镜分划板中心应与亮纹中心
对齐，使得移动过程测出的条纹间距较为准确，B选项正确。
目镜移过n条亮纹，则亮条纹间距　　　　　C选项正确，故选
A。
(2)主尺读数是1.5 mm，螺旋读数是47.0×0.01 mm，因此示数
为1.970 mm。
答案：(1)A　　　(2)1.970三、对薄膜干涉的理解　
1.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，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，在某些位置，这两列波叠加后互相加强，出现亮条纹；在另一些地方，叠加后互相削弱，出现暗条纹。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。光程差是薄膜厚度的2倍。当光程差等于该光在薄膜中波长的整数倍时，两列反射光叠加会加强。当光程差等于半波长的奇数倍时，两列光叠加会互相减弱。2.薄膜干涉的应用：
(1)增透膜：
照相机、望远镜的镜头表面常镀一层透光的膜,膜的上表面与
玻璃表面反射的光发生干涉,由于只有一定波长(一定颜色)的
光干涉时才会相互加强,所以镀膜镜头看起来是有颜色的。镀
膜厚度不同,镜头的颜色也不一样,一般增透膜的厚度是光在薄
膜介质中传播的波长的(2)用干涉法检查平面平整度：
如图甲所示，两板之间形成一层空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等间距的。如果被测表面某处凹下，则对应亮条纹(或暗条纹)提前出现，如图乙中P条纹所示；如果某处凸起来，则对应条纹延后出现，如图乙中Q所示。
(注：“提前”与“延后”不是指在时间上，而是指由左右的位置顺序上)【学而后思】
(1)要想观察到清晰的薄膜干涉条纹，是在有光源的一侧还是在没有光源的一侧?
提示：在有光源的一侧能观察到清晰的薄膜干涉条纹，因为是前后两个面反射的光相互干涉而形成的条纹。
(2)增透膜的原理是什么?
提示：两束反射光相互抵消，反射光的能量减少，由于总能量守恒，透射光的能量必然得到增强。增透膜是通过“消反”来确保“增透”的。 【典例3】如图所示，劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图甲所示。将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜，当光垂直入射后，从上往下看到的干涉条纹如图乙所示。干涉条纹有如下特点：(1)任意一条明条纹或者暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；(2)任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定。现若在图甲装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹
　(　　)A.变疏 B.变密
C.不变 D.消失【解题探究】(1)在明条纹处薄膜厚度与光波波长有什么关系?
提示：在明条纹处薄膜厚度等于光波波长的整数倍。
(2)相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差是多少?
提示：相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差等于一个波长。
【标准解答】选A。现若在图甲装置中抽去一张纸片后，在薄膜厚度等于光波波长的整数倍的地方仍然是明条纹，相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差仍然等于一个波长，但是由于劈形空气薄膜的倾角减小，故增加相同的厚度，水平方向距离更长一些，表现在干涉条纹上即干涉条纹变疏，A项正确。 【互动探究】若检查时，得到的干涉条纹如图所示，则厚玻璃是否平整?若不平整，P、Q对应的位置是凸起还是凹下?【解析】如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等间距的平行条纹，所以厚玻璃板不平整。
对应亮条纹(或暗条纹)提前出现，如图中P条纹所示；表示此处厚度与后面的地方相同，即此处凹了下去；如果对应条纹延后出现，如图中Q所示，表示此处厚度与前面厚的地方相同，即此处凸起。
答案：不平整　P处凹下，Q处凸起 【变式备选】在研究材料A的热膨胀特性时，
可采用如图所示的干涉实验法，A的上表面
是一光滑平面，在A的上方放一个透明的平
行板B，B与A上表面平行，在它们中间形成
一个厚度均匀的空气膜，现在用波长为λ
的单色光垂直照射，同时对A缓慢加热，在B上方观察到B板的亮度发生周期性变化，当温度为t1时最亮，然后亮度逐渐减弱至最暗；当温度升到t2时，亮度再一次回到最亮，则　(　　) A．出现最亮时，B上表面反射光与A上表面反射光叠加后加强
B．出现最亮时，B下表面反射光与A上表面反射光叠加后相抵
消
C．温度从t1升至t2过程中，A的高度增加
D．温度从t1升至t2过程中，A的高度增加【解析】选D。B下表面反射光与A上表面反射光叠加后加强，
出现亮条纹，故A、B均错；当亮度由最亮逐渐减弱至最暗，再
一次回到最亮时，相互干涉的光程差减小一个波长，故空气膜
的厚度减小 即A的高度增加 D项正确，C项错误。 【典例】两盏相同的普通白炽灯发出的光相遇时，下列说法中正确的是　(　　)
A.两盏白炽灯相同，为相干光源，故能产生干涉现象
B.只要两盏灯亮度相同，就能产生干涉现象
C.由于两灯光的振动情况不同，故不能产生干涉现象
D.以上说法都不正确【标准解答】选D。相干光源发出的光频率相同、振动方向相同、相位差恒定。一般情况下，两个不同的光源发出的光或同一光源的不同部分发出的光振动情况往往是不同的。关于测定光波波长的四个误区
误区1：误认为滤光片可以省略
产生误区的原因是没有理解好普通光源发出的是白光，白光是复色光。如果省略了滤光片，能看到干涉条纹，但由于各种色光的明暗条纹相互叠加，造成无法测量条纹的间距，从而无法测定光波的波长。误区2：误认为单缝可以省略
产生误区的原因是没有理解好点光源的作用，由点光源发出的光(或同一列光)分出的两列光，才能形成相干光源，产生干涉现象。若省略了单缝，则由双缝分出的两列光不是相干光源，不产生干涉现象。
误区3：误认为单缝与双缝的关系没有特殊要求
产生误区的原因是没有理解好观察到明显干涉条纹的条件，必须保证单缝与双缝相互平行，才能观察到明显的干涉条纹。若单缝与双缝不平行，光通过单缝后再通过双缝，就形成了两个点光源的干涉，而不是两个线光源的干涉，由于光的强度太弱，而不能观察干涉条纹。误区4：误认为相邻两条明(暗)条纹的间距可以用公式Δy=
来计算
产生误区的原因是对如何测量明条纹间距的原理不清楚。测量
n条干涉条纹的距离a时，是从第1条条纹的中心测量到第n条条
纹中心的距离，所以正好相当于去掉了1个条纹，故应该用
来计算。【典例】(2013·忻州高二检测)在用双缝干涉测光的波长的实
验中，所用实验装置如图甲所示，调节分划板的位置，使分划
板中心刻线对齐某条亮条纹(并将其记为第1条)的中心，如图
乙所示，此时手轮上的读数为　　　　mm；转动手轮，使分划
线向右侧移动到第6条亮条纹的中心位置，读出手轮上的读
数，并由两次读数算出第1条亮条纹到第6条亮条纹之间的距离
a=16.500mm，又知双缝间距d=0.200mm，双缝到屏的距离
l=1.000m，则对应的光波的波长为　　　　m。如果用上述装置测量氦氖激光器发出激光(激光的频率、相位和振动情况都相同)的波长，则图中除了光源以外，其他不必要的器材元件有　　　　。【解析】从题图乙上可以看出，固定刻度为1 mm，可动刻度计
数为18.0，再乘以0.01 mm，然后相加可得手轮上的读数为
1.180 mm；利用公式
代入数据解得λ=6.60×10-7 m，
由于激光具有频率、相位和振动情况都相同的特性，所以滤光片、单缝就不必要了。
答案：1.180 6.60×10-7 滤光片、单缝