2020-2021学年人教版（2019）选择性必修第一册 4.3光的干涉4.5光得衍射4.6光的偏振 激光 课件（47张PPT）

第1讲　光的干涉
目标定位
1.知道光的干涉现象，知道光是一种波.
2.理解相干光源和产生干涉现象的条件.
3.理解明暗条纹的成因及出现明暗条纹的条件.
4.了解双缝干涉测量光的波长的实验原理，能够利用双缝干涉实验测量单色光的波长.
5.理解薄膜干涉的成因，知道薄膜干涉的现象和应用．
一、光的干涉及其产生条件
1．要使两列光波相遇时产生干涉现象，两光源必须具有相同的
和 ．
2．出现明、暗条纹的条件
如果两列光波到达某点时，路程差为波长的 倍，那么，这两束光波互相加强，在那里就出亮条纹；如果两列光波到达某点时，路程差为半波长的 倍，就出现暗条纹．
频率
振动方向
整数
奇数
3．条纹间距：双缝干涉实验中，相邻两条亮纹或暗纹间的距离：
二、科学探究——测定光的波长
原理：在双缝干涉实验中，测出光屏上亮(暗)条纹的宽度，利用公式λ＝ Δy求出光波的波长．
想一想　实验中为什么不直接测出相邻两条亮条纹间的距离Δy，而要测出n个亮条纹间的距离，再求平均值？
答案　由于光的波长很小，实验中条纹宽度很小，直接测出一条条纹的宽度不准确或较难实现，只能先测出n个条纹间距，再求相邻亮条纹间的距离，这样既便于测量，又可以减小误差．
三、薄膜干涉及其应用
1．薄膜干涉：由 两个面反射的光波相遇而产生的干涉
现象．
2．成因
竖直放置的肥皂薄膜受到重力作用，下面厚，上面薄，因此在膜上不同的位置，来自前后两个面的反射光所走的路程不同．这两列波在一些地方叠加后相互 ，出现亮条纹；在另一些位置，叠加后相互 ，出现暗条纹．
薄膜
加强
削弱
3．常见的薄膜干涉现象
(1)白光照射肥皂液膜出现彩色条纹；
(2)蚌壳内表面透明薄膜上呈现各种色彩；
(3)有些昆虫薄而透明的翅翼上出现彩色光带；
(4)有透明薄膜保护层的激光唱片呈现彩色．
4．应用：检查平面的平整程度．
想一想　热菜汤表面的油花、马路上积水表面的油膜，都会看到彩色的条纹，这些彩色条纹是如何形成的呢？
答案　由薄膜干涉造成的．白光照射在油膜表面，被薄膜前、后表面反射的两列反射波叠加，形成干涉条纹．由于白光中的各色光波长不同，干涉后的条纹间距不同，薄膜上就会出现彩色花纹．
一、杨氏双缝干涉实验
图1
1．双缝干涉的装置示意图
实验装置如图1所示，有光源、单缝、双缝和光屏．
(1)单缝的作用：获得一束线光源，使光源有唯一的频率和振动情况．也可用激光直接照射双缝．
(2)双缝的作用：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．
2．产生干涉的条件
两列光的频率相同、相位差恒定、振动方向相同．本实验中是靠“一分为二”的方法获得两个相干光源的．
3．干涉图样
(1)若用单色光作光源，则干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹．
(2)若用白光作光源，则干涉条纹是彩色条纹，且中间条纹是白色的．
4．实验结论
光是一种波．
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)，已知红光与绿光频率、波长均不相等，这时(　　)
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
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，但仍有光亮，故C对．
答案　C
借题发挥　明确两列光波发生干涉的条件，知道不同色光的频率不同，是对此类问题做出正确判断的关键，该知识点必须记住.
二、屏上某处出现亮、暗条纹的条件
1．亮条纹的条件：屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍．即：
|PS1－PS2|＝kλ＝2k· (k＝0,1,2,3，…)
k＝0时，PS1＝PS2，此时P点位于屏上的O处，为亮条纹，此处的条纹叫中央亮条纹或零级亮条纹．k为亮条纹的级次．
2．暗条纹的条件：屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是半波长的奇数倍．即：
|PS1－PS2|＝(2k－1)· (k＝1,2,3，…)
k为暗条纹的级次，从第1级暗条纹开始向两侧展开．
例2 如图2所示是双缝干涉实验装置，使用波长为600 nm的橙色光源照射单缝S，在光屏中央P处观察到亮
条纹，在位于P点上方的P1点出现第一条亮条
纹中心(即P1到S1、S2的光程差为一个波长)，
现换用波长为400 nm的紫光源照射单缝，则(　　)
A．P和P1仍为亮点 B．P为亮点，P1为暗点
C．P为暗点，P1为亮点 D．P、P1均为暗点
图2
解析　从单缝S射出的光波被S1、S2两缝分成两束相干光，由题意知屏中央P点到S1、S2距离相等，即分别由S1、S2射出的光到P
点的路程差为零，因此是亮条纹中心，因而，无论入
射光是什么颜色的光，波长多大，P点都是中央亮条
纹中心．而分别由S1、S2射出的光到P1点的路程差刚好是
橙光的一个波长，即|P1S1－P1S2|＝600 nm＝λ橙，则两列光波到达P1点振动情况完全一致，振动得到加强，因此，出现亮条纹．当换用波长为400 nm的紫光时，|P1S1－P1S2|＝600 nm＝ λ紫，则两列
图2
光波到达P1点时振动情况完全相反，即分别由S1、S2射出的光到达P1点时相互削弱，因此，在P1点出现暗条纹．综上所述，选项B正确．
答案　B
借题发挥　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，要记住光程差等于波长整数倍处出现亮条纹，等于半波长奇数倍处为暗条纹，还要注意这一结论成立的条件是：两个光源情况完全相同．
三、用双缝干涉测光的波长
1．实验原理
(1)光源发出的光经滤光片成为单色光，单色光通过单缝后相当于线光源，经双缝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．
(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(或暗纹)间的距离用Δy表示，则入射光的波长为λ＝ .实验中d是已知的，测出l、Δy即可测出光的波长λ.
2．实验步骤
(1)按如图3所示安装仪器．
(2)将光源中心、单缝中心、双缝中心调
节在遮光筒的中心轴线上．
(3)使光源发光，让通过后的条形光斑恰好落在双缝上，通过遮光筒上的测量头，仔细调节目镜，观察白光的干涉条纹(彩色条纹)．
图3
(4)加装滤光片，通过目镜观察单色光的干涉条纹，同时调节手轮，分划板的中心刻线对齐某一条亮条纹(或暗条纹)的中心，记下手轮的读数，然后继续转动使分划板移动，直到分划板的中心刻线对齐另一条亮条纹(或暗条纹)中心，记下此时手轮读数和移过分划板中心刻度线的条纹数n.
(6)换用另一滤光片，重复步骤(3)、(4)，并求出相应的波长．
3．注意事项
(1)单缝、双缝应相互平行，其中心位于遮光筒的中心轴线上，双缝到单缝的距离应相等．
(2)测双缝到屏的距离l用毫米刻度尺测多次取平均值．
(3)测条纹间距Δy时，采用累积法，即用测量头测出n条亮条纹(或暗条纹)间的距离a，求出相邻的两条亮条纹(或暗条纹)间的距离Δy＝ .
例3 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4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.
图4
解析　滤光片E是从白光中选出单色红光，单缝屏是获取线光源，双缝屏是获得相干光源，最后成像在毛玻璃屏上．所以排列顺序为：C、E、D、B、A.
答案　E、D、B
(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_____________________.
解析 在操作步骤②时应注意的事项有：放置单缝、双缝时，必须使缝平行；要保证光源、滤光片、单缝、双缝和光屏的中心在同一轴线上．
答案　放置单缝、双缝时，必须使缝平行
(3)将测量头的分划板中心刻线与某亮纹中心对齐，将该亮纹定为第1条亮纹，此时手轮上的示数如图5甲所示．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，记下此时图乙中手轮上的示数________ mm，求得相邻亮纹的间距Δy为________ mm.
图5
解析 螺旋测微器的读数应该：先读整数刻度，然后看半刻度是否露出，最后看可动刻度，图乙读数为13.870 mm，图甲读数为2.320 mm，所以相邻条纹间距Δy＝ mm＝2.310 mm.
答案 13.870　2.310
(4)已知双缝间距d为2.0×10－4 m，测得双缝到屏的距离l为0.700 m，由计算式λ＝________，求得所测红光波长为________ nm.
6.6×102
四、对薄膜干涉的理解
1．现象：光照到薄膜上，从膜的前表面和后表面反射回来的光再次相遇而产生的干涉现象．两反射光的光程差等于膜厚度的2倍．
2．图样：以光照射肥皂泡为例，如果是单色光照射肥皂泡，肥皂泡上就会出现明暗相间的条纹；如果是白光照射肥皂泡，液膜上就会出现彩色条纹，且每一条纹呈水平分布．
3．应用：用干涉法检查平面的平整程度；光学镜头上的增透膜．
例4　如图6所示为一显示薄膜干涉现象的实验装置，P是附有肥皂薄膜的铁丝圈，S是一点燃的酒精灯，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(　　)
图6
解析　铁丝圈上的肥皂泡薄膜在重力作用下上薄下厚，在同一水平线上厚度基本一致，如果某一厚度处前后表面反射的同一列光波叠加得到加强，那么这一水平线上同一厚度处光波会加强，所以干涉条纹应是水平的．
答案　D
借题发挥　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，由于光波波长极短，因此做薄膜干涉所用的介质膜应足够薄，才能观察到干涉条纹．
1．用两个红灯泡照射白墙，在墙上看到的是(　　)
A．明暗相间的条纹 B．彩色条纹
C．一片红光 D．晃动的条纹
解析　两灯泡不是相干光源故现象为C.
杨氏双缝干涉实验
C
明、暗条纹的判断
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，则P点出现明、暗条纹的情况是(　　)
A．用单色光f1和f2分别照射时，均出现明条纹
B．用单色光f1和f2分别照射时，均出现暗条纹
C．用单色光f1照射时出现明条纹，单色光f2照射时出现暗条纹
D．用单色光f1照射时出现暗条纹，单色光f2照射时出现明条纹
解析　单色光f1的波长：
因P点到双缝的距离之差Δx＝0.6 μm＝λ1，
所以用单色光f1照射时P处出现亮纹．
所以用单色光f2照射时P处出现暗纹，故选项C正确．
答案　C
用双缝干涉测光的波长
3．在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中，若已知双缝间的距离d.
(1)若测定绿光的波长，应选用___色的滤光片．实验时需要测定的物理量有______________ 和______________．
解析　由于要测量绿光的波长，因此应用绿色滤光片．由Δy＝ λ可知要想测λ必须测定双缝到屏的距离l和条纹间距Δy.
绿　
双缝到屏的距离　 相邻条纹间距
(2)已知双缝到光屏之间的距离l＝500 mm，双缝之间的距离d＝0.50 mm，单缝到双缝之间的距离s＝100 mm，某同学在用测量头测量时，调整手轮，在测量头目镜中先看到分划板中心刻线对准第A条亮纹的中心，然后他继续转动，使分划板中心刻线对准第B条亮纹的中心，前后两次游标卡尺的读数如图7所示．则入射光的波长λ＝________ m(结果保留两位有效数字)．
图7
答案　 6.4×10－7
(3)实验中发现条纹太密，难以测量，可以采用的改善办法有________．
A．改用波长较长的光(如红光)作为入射光
B．增大双缝到屏的距离
C．增大双缝到单缝的距离
D．增大双缝间距
答案 AB
对薄膜干涉的理解
4．关于薄膜干涉，下列说法中正确的是(　　)
A．只有厚度均匀的薄膜，才会发生干涉现象
B．只有厚度不均匀的楔形薄膜，才会发生干涉现象
C．厚度均匀的薄膜会形成干涉条纹
D．观察肥皂液膜的干涉现象时，观察者应和光源在液膜的同一侧
解析　当光从薄膜的一侧照射到薄膜上时，只要前后两个面反射回来的光波的路程差满足振动加强的条件，就会出现明条纹，满足振动减弱的条件就会出现暗条纹．这种情况在薄膜厚度不均匀时才会出现；当薄膜厚度均匀时，不会出现干涉条纹，但也发生干涉现象，如果是单色光照射，若满足振动加强的条件，整个薄膜前方都是亮的，否则整个薄膜的前方都是暗的；如果是复色光照射，某些颜色的光因干涉而减弱，另一些颜色的光会因干涉而加强，减弱的光透过薄膜，加强的光被反射回来，这时会看到薄膜的颜色呈某种单色光的颜色，但不形成干涉条纹，故D对．
答案　D