3 光的干涉
学 习 目 标
知 识 脉 络
1．观察光的干涉现象，能说出光的干涉条纹的特点．(重点)
2．能说出干涉现象产生的原因以及出现明条纹或暗条纹应满足的条件．(难点)
3．明确相干光源的概念，熟记产生稳定干涉现象的条件．(重点)
知识点一| 杨氏干涉实验
1.物理史实
1801年，英国物理学家托马斯·杨成功地观察到了光的干涉现象，开始让人们认识到光的波动性．
2.双缝干涉实验
(1)实验过程：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，它们的频率、相位和振动方向总是相同的，两个光源发出的光在挡板后面的空间互相叠加发生干涉．
(2)实验现象：在屏上得到明暗相间的条纹．
(3)实验结论：光是一种波．
1．直接用强光照射双缝，发生干涉． (×)
2．两只手电筒射出的光束在空间相遇，能观察到光的干涉现象．
(×)
3．用单色光作光源，干涉条纹是明暗相间的条纹． (√)
1．做双缝干涉实验时必须具备什么条件才能观察到干涉条纹？
【提示】 必须是相干光源，且双缝间的间距必须很小．
2．一般情况下光源发出的光很难观察到干涉现象，这是什么原因？
【提示】 光源不同部位发出的光不一定具有相同的频率和恒定的相差，不具备相干光源的条件．
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是相互间隔的，即出现亮纹和暗纹相间的现象．
(2)干涉条件：两列光的频率相同、相差恒定或两列光振动情况总是相同．能发生干涉的两列波称为相干波，两个光源称为相干光源，相干光源可用同一束光分成两列来获得．
2．托马斯·杨的双缝干涉实验
(1)双缝干涉的装置示意图(如图所示)
实验装置如图所示，有光源、单缝、双缝和光屏．
(2)单缝屏的作用
获得一个线光源，使光源有唯一的频率和振动情况，如果用激光直接照射双缝，可省去单缝屏．杨氏那时没有激光，因此他用强光照射一条狭缝，通过这条狭缝的光再通过双缝产生相干光．
(3)双缝屏的作用
平行光照射到单缝S上，又照射到双缝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．
3．双缝干涉图样的特点
(1)单色光的干涉图样(如图所示)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，两相邻亮条纹(或暗条纹)间距离与光的波长有关，波长越大，条纹间距越大．
(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：
①从双缝射出的两列光波中，各种色光都能形成明暗相间的条纹，各种色光都在中央条纹处形成亮条纹，从而复合成白色条纹．
②两侧条纹间距与各色光的波长成正比，即红光的亮条纹间距宽度最大，紫光的亮条纹间距宽度最小，即除中央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.以下光源不可作为相干光源的是( )
A．两个相同亮度的烛焰
B．两个相同规格的灯泡
C．双丝灯泡
D．出自一个光源的两束光
E．一束平行单色光经双缝后分为两束
解析：相干光的条件，必须是频率相同，相位差恒定．
答案：ABC
2．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)，已知红光与绿色频率，波长均不相等，这时在屏上可看到什么现象？
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．但屏上仍有亮光．
答案：见解析
3．从两只相同的手电筒射出的光，当它们在某一区域叠加后，看不到干涉图样，这是为什么？
解析：本题虽然强调两只相同的手电筒，但它们发出的光频率仍然不同．不满足干涉产生的条件，看不到干涉图样．
答案：见解析
(1)双缝干涉的条件是必须有相干光源，且双缝间的间距必须很小．
(2)光源不同部位发出的光不一定具有相同的频率和恒定的相位差，所以一般情况很难观察到光的干涉现象，杨氏双缝干涉实验采用将一束光“一分为二”的方法获得相干光源．
(3)在单色光的干涉条纹中，两相邻明纹或暗纹间的距离是相等的，不同色光的条纹间距不相等．
知识点二| 决定条纹明暗的条件
1．当两个光源与屏上某点的距离之差等于波长λ的整数倍时，两列光波在这点相互加强，出现明条纹．
2．当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的奇数倍时，两列光波在这点相互减弱，出现暗条纹．
1．若用白光作光源，干涉条纹是明暗相间的条纹． (×)
2．若用单色光作光源，干涉条纹是明暗相间的条纹． (√)
3．当两个光源与屏上某点的距离之差为半波长的整数倍时出现暗条纹．
(×)
1．用白光做双缝干涉实验，彩纹的特点如何？
【提示】 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．
2．不同色光在真空中的光速相同吗？在同种介质中的光速相同吗？
【提示】 各种色光在真空中的光速均为c＝3×108 m/s，而在同种介质中，由于各种色光的折射率不同，由v＝知，v不同．
1．明暗条纹的判断
如图所示，S1、S2是两个狭缝，S1S2＝d，缝到屏的距离为l，l?d，O是S1S2的中垂线与屏的相交点．
(1)出现明条纹的条件
屏上某点P到双缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍，即|PS1－PS2|＝kλ＝2k·(k＝0，1，2，…)．
(2)出现暗条纹的条件
屏上某点P到双缝S1和S2的路程差正好是半波长的奇数倍，即|PS1－PS2|＝(2k＋1)(k＝0，1，2，3，…)．
2．对双缝干涉图样的两点说明
(1)若用白光作光源，则干涉条纹是彩色条纹，且中央亮纹为白色．
(2)若利用单色光作光源，则干涉条纹是明暗相间的条纹，且条纹间距相等，中央仍为亮纹．
4．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f1＝5.0×1014Hz和f2＝7.5×1014Hz的单色光垂直照射双缝，则P点出现明、暗条纹的情况是：
单色光f1照射时出现______条纹，单色光f2照射时出现______条纹．
解析：本题考查双缝干涉实验中屏上出现明、暗条纹的条件．根据波的叠加知识，可知与两个狭缝的光程差是波长的整数倍处出现亮条纹，与两个狭缝的光程差是半波长的奇数倍处出现暗条纹．据λ＝可得λ1＝＝ m＝0.6×10－6 m＝0.6 μm，λ2＝＝ m＝0.4×10－6 m＝0.4 μm，即d＝λ1，d＝λ2.
答案：明 暗
5．如图所示，用频率为f的单色光(激光)垂直照射双缝，在光屏的P点出现第3条暗条纹，已知光速为c，则P到双缝S1、S2的距离之差|r1－r2|应为________．
解析：出现暗条纹，说明S1、S2到P点距离之差为×(2n－1)＝λ，而λ＝，所以|r1－r2|＝λ＝.
答案：
双缝干涉中亮条纹或暗条纹的判断方法
(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)的光程差与波长的比值．
(2)出现明条纹的条件是光程差等于波长的整数倍．
(3)出现暗条纹的条件是光程等于半波长的奇数倍，而不是整数倍．
课件32张PPT。主题3 光及其应用3 光的干涉杨氏干涉实验托马斯·杨 明暗相间单色相同干涉× × √ 决定条纹明暗的条件暗条纹整数明条纹奇数× × √ 点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(十七)
(建议用时：45分钟)
[基础达标练]
1．对两列光波在空中叠加，以下说法中正确的是( )
A．不同的色光有可能发生干涉现象
B．不同的色光不可能发生干涉现象
C．光的强度不同有可能发生干涉现象
D．光的强度不同不可能发生干涉现象
E．发生不发生干涉现象与光的强度无关
解析：两列光波叠加是否发生干涉现象关键看两列光波是否是相干光，即是否满足频率相同、相位差恒定的条件，不同的色光频率不同，所以不可能发生干涉现象，故B项正确；光的强度不同，但仍有可能满足相干条件，也就是有可能发生干涉现象，故选项C、E正确，D错误．
答案：BCE
2．关于光的干涉，下列说法中正确的是( )
A．在双缝干涉现象里，相邻两明条纹和相邻两暗条纹的间距是相等的
B．在双缝干涉现象里，入射光波长变短，相邻两个明条纹间距将变窄
C．只有频率相同的两列光波才能产生干涉
D．频率不同的两列光波也能产生干涉现象，只是不稳定
E．频率不同的光不可能叠加
解析：在双缝干涉现象中，相邻两明条纹和相邻两暗条纹的间距是相等的，入射光的波长越长，相邻两个明条纹的间距越大；两列波产生干涉时，频率必须相同．任何两列光波都能叠加．
答案：ABC
3．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．在距双缝的光程差相等的点形成暗条纹
B．在距双缝的光程差为nλ的点形成明条纹
C．在距双缝的光程差为n的点形成明条纹
D．在距双缝的光程差为λ的点形成暗条纹
E．在双缝的光程差相等的点一定出现明条纹
解析：在双缝干涉实验中，当某处距双缝距离之差Δδ为波长的整数倍时，即Δδ＝nλ，n＝0、1、2、3、…这点为加强点，该处出现明条纹；当距离之差Δδ为半波长的奇数倍时，即Δδ＝(2n＋1)，n＝0、1、2、3、…这点为减弱点，该处出现暗条纹．B、D、E正确．
答案：BDE
4．如图所示，用一束平行的白光经图示装置垂直照到挡光板Q上，板上开两条靠得很近的平行狭缝S1，S2，在屏P上可以看到干涉条纹，O点是屏上到两狭缝距离相等的一点，则干涉条纹是________的，O点是________点．
解析：不同颜色的光波长不同，白色光含有不同颜色的光，各种色光形成的干涉条纹间距不同，故显示的条纹是彩色的．O到S1、S2的距离相同，所以各色光在此处均为亮纹．
答案：彩色 亮
5．煤矿中的瓦斯危害极大，某同学查资料得知含有瓦斯的气体的折射率大于干净空气的折射率，于是他根据双缝干涉现象设计了一个监测仪，其原理如图所示：在双缝前面放置两个完全相同的透明容器A、B，容器A与干净的空气相通，在容器B中通入矿井中的气体，观察屏上的干涉条纹，就能够监测瓦斯浓度．如果屏的正中央O点变为暗纹，说明B中气体一定__________瓦斯．
解析：如果屏的正中央O变为暗纹，说明从两个子光源到屏的光程差发生变化，所以B中气体一定含瓦斯．
答案：含
6．光通过双缝后在屏上产生彩色条纹，若用红色和绿色玻璃各挡住一缝，则屏上________干涉条纹(填“有”或“无”)．
解析：红光和绿光的频率不同，不能产生干涉现象．
答案：无
7．在双缝干涉实验中，光屏上P点到双缝S1、S2的距离之差ΔS1＝0.75 μm，光屏上Q点到双缝S1、S2的距离之差ΔS2＝1.5 μm.若用频率ν＝6.0×1014 Hz的黄光照射双缝，则P点出现_______条纹，Q点出现_______条纹．
解析：由光的频率ν＝6.0×1014 Hz，知光的波长λ＝c/ν＝5×10－7 m．P点到双缝S1、S2的距离之差ΔS1＝0.75 μm＝7.5×10－7 m＝1.5λ.Q点到双缝S1、S2的距离之差ΔS2＝1.5 μm＝15×10－7 m＝3λ，因此，P点出现暗条纹，Q点出现亮条纹．
答案：暗 亮
8．如图所示，在双缝干涉中，若用λ1＝5.0×10－7m的光照射，屏上O为中央亮条纹，屏上A为第二级亮条纹所在处，若换用λ2＝4.0×10－7m的光照射时，屏上O处是什么情况？屏上A处又是什么情况？
解析：屏上O点到双缝的距离之差，无论用何种光做实验，路程差都是0，所以O处仍为亮条纹，此亮条纹为中央亮纹．设屏上A点到双缝的距离差为Δx，因用λ1＝5.0×10－7 m的光照射时，A处为第二级亮条纹，有Δx＝2λ1，但对λ2的入射光来说Δx＝kλ2，故Δx＝2λ1＝1×10－6 m＝kλ2＝k×4.0×10－7 m有k＝2.5，即Δx为的奇数倍，所以A处为暗条纹，则：Δx＝(2n＋1)(n＝0，±1，±2，±3，…)
解得n＝2，而n＝0时为一级暗条纹，因n＝2，
所以A处为三级暗条纹．
答案：O处为亮条纹 A处为三级暗条纹
[能力提升练]
9.某同学利用如图所示实验观察光的干涉现象，其中A为单缝屏，B为双缝屏，C为光屏．当他让一束阳光照射A屏时，C屏上并没有出现干涉条纹，他移走B后，C上出现一窄亮斑．分析实验失败的原因可能是________．
解析：双缝干涉中单缝的作用是获得线光源，而线光源可以看作是由许多个点光源沿一条线排列组成的，这里观察不到光的干涉现象是由于单缝太宽，得不到线光源．
答案：单缝S太宽
10．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，还能不能产生干涉现象？如果能，中央亮纹向哪移动？
解析：本实验中单缝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．若单缝S稍微向上移动，则单缝S发出的光到达屏上P点的下方某点的光程差为零，故中央亮纹下移．
答案：仍可产生干涉条纹，且中央亮纹P的位置略向下移．
11．如图所示，在双缝干涉实验中，S1和S2为双缝，P是光屏上的一点，已知P点与S1和S2的距离之差为2.1 μm.今分别用A，B两种单色光在空气中做双缝干涉实验，问P点处是亮条纹还是暗条纹？
(1)已知A光在折射率为n＝1.5的介质中波长为4×10－7m；
(2)已知B光在某种介质中波长为3.15×10－7 m，当B光从这种介质射向空气时临界角为37°.
解析：(1)设光在空气中的波长为λ1，由于在介质中传播时频率不变，所以由n＝得：λ1＝nλ2＝1.5×4×10－7m＝6×10－7m.由光程差Δδ＝2.1 μm＝2.1×10－6 m得：N1＝＝＝3.5.由此可知，从S1、S2到P点的光程差是半波长的奇数倍，故P点处为暗条纹．
(2)根据临界角与折射率的关系，sin C＝，所以n＝＝，所以B光在空气中的波长为λ3＝nλ2介＝×3.15×10－7 m＝5.25×10－7 m．由光程差和波长的关系：N2＝＝＝4.由此可知，当B光做光源时，P点处为亮条纹．
答案：(1)暗条纹 (2)亮条纹
12．如图所示，用激光束照射双缝干涉实验装置，后面屏上出现干涉条纹，其中单缝的作用是产生线光源，单缝、双缝应平行放置．若将单缝绕中心轴旋转(不超过90°)条纹将发生什么变化？若将双缝绕中心轴旋转(不超过90°)条纹将发生什么变化？
解析：在双缝干涉实验中，单缝的作用是形成线光源，双缝的作用是形成振动情况相同的相干光源，当单缝旋转时，双缝被照亮的面积减小，双缝虽然仍能形成相干光源，但由于通过双缝的光能量减少，所以屏上仍能产生干涉条纹，但条纹变暗．当双缝旋转时，同样会导致干涉条纹变暗．同时，干涉条纹保持与双缝平行，也随双缝的旋转而旋转．
答案：见解析．
