4.3光的干涉 —2020-2021学年【新教材】人教版（2019）高中物理选择性必修第一册学案word版含答案
文档属性
| 名称 | 4.3光的干涉 —2020-2021学年【新教材】人教版（2019）高中物理选择性必修第一册学案word版含答案 |  | |
| 格式 | doc | ||
| 文件大小 | 714.0KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2021-05-10 06:11:52 | ||
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文档简介
第3节 光的干涉
【学习目标】
1．了解相干光源，知道光的干涉条件，知道杨氏干涉实验的设计原理。
2．通过光的双缝干涉实验，认识双缝干涉图样的特征。
3．知道光的路程差的概念，知道产生明暗条纹的条件和相邻两个亮（暗）条纹中心间距与波长的关系。
4．知道薄膜干涉的原理并能解释一些现象。
【问题导入】
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？
【知识梳理】
一、光的双缝干涉
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，有利的证明了光是一种波．
2．双缝干涉实验(杨氏干涉实验)
(1)实验过程：让一束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)决定条纹明暗的条件： 狭缝S1 和S2 相当于两个频率、相位和振动方向都相同的波源，当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的偶数倍时（即恰好等于波长的整数倍时），两列光波在这点相互加强，这里出现亮条纹；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削弱，这里出现暗条纹。
(4)单缝屏的作用：获得一个线光源(有唯一的频率和振动情况，例如激光、单色光)。杨氏那时没有激光，因此他用强光照射一条狭缝来获得线光源。如果选用激光可省去单缝屏，直接照射双缝。
(5)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．光的干涉条件：两列光的频率相同、相位差恒定、振动方向相同。能发生干涉的两列波称为相干波，两个光源称为相干光源，例如双缝S1、S2。
二、干涉条纹和光的波长之间的关系
如图所示，波长为λ 的单色光照射到双缝上。两缝中心之间的距离为d ，两缝S1、S2 的连线的中垂线与屏的交点为P0，双缝到屏的距离OP0＝l，屏上一点P1与P0 的距离为x，两缝与P1的距离分别为 P1 S1＝r1、P1S2＝r2，在线段P1S2上作P1M＝P1 S1。
1．推导过程
(1)两个近似：
①两缝之间距离远小于缝到屏的距离(d?l)，则ΔS1S2M近似直角三角形；
②当角θ 很小时，用弧度表示的θ 与它的正弦sinθ、正切tanθ，三者近似相等。
(2)推导：
光程差：δ＝r2－r1＝dsinθ ， ①
P1与P0 的距离：x＝ltan θ≈lsin θ ， ②
联立①②式得光程差δ＝r2－r1＝d
当两列波的光程差为波长的整数倍，即δ＝d＝±nλ，(n＝0，1，2，…)时，出现亮条纹。
所以亮条纹中心的位置为：x＝±nλ
(n＝0时，位置x是中央亮条纹；n＝1，位置x是第一级亮条纹……)
同理，当光程差δ＝d＝±(n－)λ，(n＝1，2，…)时，出现暗条纹，则暗条纹中心的位置为：x＝±(n－)λ
综上所述，相邻两亮纹或两暗纹的中心距离：Δx＝λ
三、双缝干涉图样特点
1．单色光的干涉图样：干涉条纹是明暗相间的条纹，且条纹间距相等，波长越大，条纹间距越大。
2．白光的干涉图样：干涉条纹是彩色条纹，且中央条纹是白色的。这是由于各色光波长不同，条纹间距不同，但在中央条纹处光程差都是零，条纹都是亮的，所以复合成白光。而在其它位置处不能完全重合，从而形成了彩色干涉条纹．
四、薄膜干涉
1．薄膜干涉：光照射到薄膜上，在薄膜的前后两个面反射的光在薄膜靠近光源的一面相互叠加，发生干涉的现象。
2．相干光的获得：两个面的反射光是由同一个光波分解而成的，它们具有相同的频率、恒定的相位差及振动方向。
3．薄膜干涉的原理：由于重力作用，液膜上薄下厚，因此在薄膜的不同位置，前后两个面的反射光的路程差不同，在某些位置两列波叠加后相互加强，出现了亮条纹；在另一些位置，叠加后相互削弱，出现了暗条纹。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，从前后两表面反射的光的路程差均相同。
4．薄膜干涉的应用：
(1)可以在光学元件的表面镀一层特定厚度的薄膜，增加光的透射或者反射。
①光学镜表面镀的薄膜厚度为波长的，可以削弱反射光，使透射光的强度加强。
②光学镜表面镀的薄膜厚度为波长的，可以增强反射光的强度。
(2)可以利用薄膜干涉的原理对镜面或其他精密的光学平面的平滑度进行检测。
如图所示，被检查平面B与标准样板A之间形成了一个楔形的空气薄膜，用单色光照射，入射光从空气膜的上、下表面反射出两列光波，形成干涉条纹。被检查平面若是平的，空气膜厚度相同的各点就位于一条直线上，干涉条纹平行；若被检查表面某些地方不平，那里空气膜产生的干涉条纹将发生弯曲。
【考点研析】
任务一：杨氏干涉实验的理解
[例1]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？
[变式1]从两只相同的手电筒射出的两束光，当它们在某一区域叠加后，看不到干涉图样，这是因为( )
A．手电筒射出的光不是单色光
B．干涉图样太细小看不清楚
C．周围环境的光太强
D．这两束光为非相干光
任务二：干涉条纹明暗的条件
[例2]白光是复色光，包含各种颜色的光，不同颜色的光，其频率不同，因此在空气中传播时的波长不同．用白光做双缝干涉实验，在屏上可看到干涉条纹，若某点O与两狭缝的距离相等，则
A．干涉条纹是黑白的，O处是亮条纹
B．干涉条纹是黑白的，O处是暗条纹
C．干涉条纹是彩色的，O处是亮条纹
D．干涉条纹是彩色的，O处是暗条纹
[变式2]双缝干涉实验装置如图所示，绿光通过单缝S后，投射到具有双缝的挡板上，双缝S1和S2与单缝的距离相等，光通过双缝后在与双缝平行的屏上形成干涉条纹．屏上O点距双缝S1和S2的距离相等，P点是距O点最近的第一条亮条纹．如果将入射的单色光换成红光或蓝光，讨论屏上O点及其上方的干涉条纹的情况是( )
A．O点是红光的暗条纹
B．O点不是蓝光的亮条纹
C．红光的第一条亮条纹在P点的上方
D．蓝光的第一条亮条纹在P点的上方
任务三：薄膜干涉的理解应用
[例3] (多选)如图甲所示，用单色光照射透明标准板M来检查平面N的上表面的平滑情况，观察到的图象如图乙所示的条纹中的P和Q的情况，这说明( )
A．N的上表面A处向上凸起
B．N的上表面B处向上凸起
C．N的上表面A处向下凹陷
D．N的上表面B处向下凹陷
[变式3]市场上有种灯具俗称“冷光灯”，用它照射物品时能使在被照物品处产生的热效应大大降低，从而广泛地应用于博物馆、商店等处．这种灯降低热效应的原因之一是在灯泡后面放置的反光镜玻璃表面上镀了一层薄膜(例如氟化镁)，这种膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的热效应最显著的红外线．以λ表示红外线的波长，则所镀薄膜的厚度最小应为( )
A.λ B.λ
C.λ D．λ
【答案提示】
[例1] 答案：屏上不会出现干涉条纹，但屏上仍有亮光
[变式1] 答案：D
[例2] 答案： C
[变式2] 答案：C
[例3] 答案：BC
[变式3] 答案：B
【学习目标】
1．了解相干光源，知道光的干涉条件，知道杨氏干涉实验的设计原理。
2．通过光的双缝干涉实验，认识双缝干涉图样的特征。
3．知道光的路程差的概念，知道产生明暗条纹的条件和相邻两个亮（暗）条纹中心间距与波长的关系。
4．知道薄膜干涉的原理并能解释一些现象。
【问题导入】
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？
【知识梳理】
一、光的双缝干涉
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，有利的证明了光是一种波．
2．双缝干涉实验(杨氏干涉实验)
(1)实验过程：让一束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)决定条纹明暗的条件： 狭缝S1 和S2 相当于两个频率、相位和振动方向都相同的波源，当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的偶数倍时（即恰好等于波长的整数倍时），两列光波在这点相互加强，这里出现亮条纹；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削弱，这里出现暗条纹。
(4)单缝屏的作用：获得一个线光源(有唯一的频率和振动情况，例如激光、单色光)。杨氏那时没有激光，因此他用强光照射一条狭缝来获得线光源。如果选用激光可省去单缝屏，直接照射双缝。
(5)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．光的干涉条件：两列光的频率相同、相位差恒定、振动方向相同。能发生干涉的两列波称为相干波，两个光源称为相干光源，例如双缝S1、S2。
二、干涉条纹和光的波长之间的关系
如图所示，波长为λ 的单色光照射到双缝上。两缝中心之间的距离为d ，两缝S1、S2 的连线的中垂线与屏的交点为P0，双缝到屏的距离OP0＝l，屏上一点P1与P0 的距离为x，两缝与P1的距离分别为 P1 S1＝r1、P1S2＝r2，在线段P1S2上作P1M＝P1 S1。
1．推导过程
(1)两个近似：
①两缝之间距离远小于缝到屏的距离(d?l)，则ΔS1S2M近似直角三角形；
②当角θ 很小时，用弧度表示的θ 与它的正弦sinθ、正切tanθ，三者近似相等。
(2)推导：
光程差：δ＝r2－r1＝dsinθ ， ①
P1与P0 的距离：x＝ltan θ≈lsin θ ， ②
联立①②式得光程差δ＝r2－r1＝d
当两列波的光程差为波长的整数倍，即δ＝d＝±nλ，(n＝0，1，2，…)时，出现亮条纹。
所以亮条纹中心的位置为：x＝±nλ
(n＝0时，位置x是中央亮条纹；n＝1，位置x是第一级亮条纹……)
同理，当光程差δ＝d＝±(n－)λ，(n＝1，2，…)时，出现暗条纹，则暗条纹中心的位置为：x＝±(n－)λ
综上所述，相邻两亮纹或两暗纹的中心距离：Δx＝λ
三、双缝干涉图样特点
1．单色光的干涉图样：干涉条纹是明暗相间的条纹，且条纹间距相等，波长越大，条纹间距越大。
2．白光的干涉图样：干涉条纹是彩色条纹，且中央条纹是白色的。这是由于各色光波长不同，条纹间距不同，但在中央条纹处光程差都是零，条纹都是亮的，所以复合成白光。而在其它位置处不能完全重合，从而形成了彩色干涉条纹．
四、薄膜干涉
1．薄膜干涉：光照射到薄膜上，在薄膜的前后两个面反射的光在薄膜靠近光源的一面相互叠加，发生干涉的现象。
2．相干光的获得：两个面的反射光是由同一个光波分解而成的，它们具有相同的频率、恒定的相位差及振动方向。
3．薄膜干涉的原理：由于重力作用，液膜上薄下厚，因此在薄膜的不同位置，前后两个面的反射光的路程差不同，在某些位置两列波叠加后相互加强，出现了亮条纹；在另一些位置，叠加后相互削弱，出现了暗条纹。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，从前后两表面反射的光的路程差均相同。
4．薄膜干涉的应用：
(1)可以在光学元件的表面镀一层特定厚度的薄膜，增加光的透射或者反射。
①光学镜表面镀的薄膜厚度为波长的，可以削弱反射光，使透射光的强度加强。
②光学镜表面镀的薄膜厚度为波长的，可以增强反射光的强度。
(2)可以利用薄膜干涉的原理对镜面或其他精密的光学平面的平滑度进行检测。
如图所示，被检查平面B与标准样板A之间形成了一个楔形的空气薄膜，用单色光照射，入射光从空气膜的上、下表面反射出两列光波，形成干涉条纹。被检查平面若是平的，空气膜厚度相同的各点就位于一条直线上，干涉条纹平行；若被检查表面某些地方不平，那里空气膜产生的干涉条纹将发生弯曲。
【考点研析】
任务一：杨氏干涉实验的理解
[例1]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？
[变式1]从两只相同的手电筒射出的两束光，当它们在某一区域叠加后，看不到干涉图样，这是因为( )
A．手电筒射出的光不是单色光
B．干涉图样太细小看不清楚
C．周围环境的光太强
D．这两束光为非相干光
任务二：干涉条纹明暗的条件
[例2]白光是复色光，包含各种颜色的光，不同颜色的光，其频率不同，因此在空气中传播时的波长不同．用白光做双缝干涉实验，在屏上可看到干涉条纹，若某点O与两狭缝的距离相等，则
A．干涉条纹是黑白的，O处是亮条纹
B．干涉条纹是黑白的，O处是暗条纹
C．干涉条纹是彩色的，O处是亮条纹
D．干涉条纹是彩色的，O处是暗条纹
[变式2]双缝干涉实验装置如图所示，绿光通过单缝S后，投射到具有双缝的挡板上，双缝S1和S2与单缝的距离相等，光通过双缝后在与双缝平行的屏上形成干涉条纹．屏上O点距双缝S1和S2的距离相等，P点是距O点最近的第一条亮条纹．如果将入射的单色光换成红光或蓝光，讨论屏上O点及其上方的干涉条纹的情况是( )
A．O点是红光的暗条纹
B．O点不是蓝光的亮条纹
C．红光的第一条亮条纹在P点的上方
D．蓝光的第一条亮条纹在P点的上方
任务三：薄膜干涉的理解应用
[例3] (多选)如图甲所示，用单色光照射透明标准板M来检查平面N的上表面的平滑情况，观察到的图象如图乙所示的条纹中的P和Q的情况，这说明( )
A．N的上表面A处向上凸起
B．N的上表面B处向上凸起
C．N的上表面A处向下凹陷
D．N的上表面B处向下凹陷
[变式3]市场上有种灯具俗称“冷光灯”，用它照射物品时能使在被照物品处产生的热效应大大降低，从而广泛地应用于博物馆、商店等处．这种灯降低热效应的原因之一是在灯泡后面放置的反光镜玻璃表面上镀了一层薄膜(例如氟化镁)，这种膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的热效应最显著的红外线．以λ表示红外线的波长，则所镀薄膜的厚度最小应为( )
A.λ B.λ
C.λ D．λ
【答案提示】
[例1] 答案：屏上不会出现干涉条纹，但屏上仍有亮光
[变式1] 答案：D
[例2] 答案： C
[变式2] 答案：C
[例3] 答案：BC
[变式3] 答案：B