4.3光的干涉 课件—2021-2022学年高二上学期物理人教版（2019）选择性必修第一册（40张PPT）

4.3 光的干涉
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。
学习重点：光的干涉的概念及表达式、光的干涉的条件、光的干涉的应用；
学习难点：光的干涉的条件、光的干涉的应用。
思考：这些彩色条纹或图样是怎样形成的？
视频：观察薄膜上彩色条纹
我们知道：如果两列机械波的频率相同、相位差恒定、振动方向相同，就会发生干涉。
思考：光是一种电磁波，那么光也应该会发生干涉现象，怎样才能观察到光的干涉现象呢？
波的干涉
一、光的双缝干涉
1．1801年，英国物理学家托马斯·杨成功地观察到了光的干涉现象。
托马斯·杨
1773~1829
托马斯·杨的时代没有激光。他用日光照亮一条狭缝，通过这条狭缝的光再通过双缝，发生干涉。这就是历史上著名的杨氏双缝干涉实验，它有力地证明了光是一种波。
2.演 示：光的双缝干涉
（1）装置特点
①双缝S1、S2到单缝S的距离相等；
②双缝很近 。
③要用单色光
在暗室中用氦氖激光器发出的红色激光照射金属挡板上的两条平行的狭缝。
④双缝的作用：双缝的作用是获得两个振动情况完全相同的光源，叫相干光源(频率、相位和振动方向总是相同的)。
（2）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。
单色光
双缝
屏
明暗相间的条纹
视频：光的双缝干涉
（4）单色光的双缝干涉图样特点
①明暗相间的条纹；
②条纹间距相等；
③同样条件下，红光条纹间距大。
（3）实验现象：在屏上得到明暗相间的条纹。
（5）决定条纹明暗的条件
①明条纹形成的原因
中央明纹以p0点为例
光程差d=0，S1、S2步调一致，该点振动加强。（亮）
第一条亮纹的形成原因以p2点为例
s1
s2
P0
d
P2
光程差d= λ ，S1、S2在P2处步调一致，该点振动加强。(亮）
产生明条纹的条件：光程差 δ = kλ（ k= 0,1，2，……）
②暗条纹形成的原因
第一条暗纹的形成原因以p1点为例
s1
s2
d
P1
P3
光程差d= λ2? ，S1、S2在P1处步调相反，该点振动减弱。(暗）
第二条暗纹的形成原因以p3点为例光程差d= 3?λ2? ，S1、S2在P1处步调相反，该点振动减弱。(暗）
?
产生暗条纹的条件：光程差 δ =（2k+1) ?λ2?（ k= 0,1，2，……）
?
归纳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
（1）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；
（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削弱，这里出现暗条纹。
例1.从点光源L发出的白光，经过透镜后成一平行光束，垂直照射到挡光板P上，板上开有两条靠得近的平行狭缝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点是亮点
B．干涉条纹是黑白的，O点是暗点
C．干涉条纹是彩色的，O点是亮点
D．干涉条纹是彩色的，O点是暗点
C
【答案】C
【详解】
白光是复色光，通过双缝形成的干涉条纹是彩色条纹.由题意知
OS1=OS2
即路程差等于零，在O点振动加强，形成亮点.所以C正确，A、B、D错误。
故选C。
变式训练：在杨氏双缝干涉实验中，如果不用激光光源而用一般的单色光源，为了完成实验可在双缝前边加一单缝获得线光源，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，则(　　)
A.不再产生干涉条纹
B.仍可产生干涉条纹，且中央亮纹P的位置不变
C.仍可产生干涉条纹，中央亮纹P的位置向上移
D.仍可产生干涉条纹，中央亮纹P的位置略向下移
D
技法点拨：
解析：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，由单缝S发出的光到达屏幕上P点下方某点光程差为零，故中央亮纹下移，选项D正确。
二、干涉条纹和光的波长之间的关系
1.干涉条纹的间距
思考：光的双缝干涉条纹特征，如条纹间距、宽度等，能反映出光的波长、频率等信息吗？
条纹间距的含义：相邻两条亮纹（或暗纹）中心之间的距离叫做条纹间距。
双缝
S1
S2
屏幕
△x
△x
2.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。
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；
有：r2－r1＝dsin θ ①
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。
x＝ltan θ≈lsin θ ②
消去 sin θ，有r2－r1＝d ????????
当两列波的路程差为波长的整数倍，即
d ????????＝ n λ （n ＝ 0，±1，±2 …）时出现亮条纹，
也就是说，亮条纹中心的位置为x ＝ n????dλ
?
相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距是:? x ＝ ????dλ,根据这个关系式可以测出波长。
思考讨论1：当双缝间距较宽时，相邻两明纹之间的距离较小；当双缝间距较窄时，相邻两明纹之间的距离较大，这是为什么呢？
参考答案：根据相邻亮条纹距离的表达式有? x ＝ ????dλ 可知，当d 较大（双缝间距较宽）时，则? x 较小，当d 较小时，则? x 较大。
?
思考与讨论2：观看视频说一说不同颜色的单色光产生的干涉条纹会有什么不同？
参考答案：根据相邻亮（暗）条纹距离表达式 ? x ＝ ????dλ可知，条纹之间的距离与光波的波长成正比，因此能够断定，不同颜色的光，波长不同。实验中确实发现，各种颜色的单色光都会发生干涉，但条纹之间的距离不一样。条纹之间的距离由小到大为：紫光→红光。
根据这个关系式还可以测出单色光的波长。
?
3．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，即红光的亮纹间宽度最大。紫光亮纹间宽度最小，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，而且同一级条纹内紫外红。
例2. 在杨氏双缝干涉实验中，绿色平行光源经过双缝后在光屏中间位置附近形成间距相等、明暗相间的绿色亮条纹，下列操作能减小条纹间距的是（　　）
A．减小双缝间距
B．换用红色光源
C．减小光照强度
D．减小光屏到双缝的距离
D
【答案】D
【详解】
根据双缝干涉条纹间距公式? x ＝ ????dλ
可知减小入射光的波长、增大双缝间距，以及减小屏幕与双缝的距离，可以减小条纹的间距，而与光源距离双缝间距，光照强度无关，由于红光的波长大于绿光的波长，可知换用红色激光可以增大条纹间距，故D正确，ABC错误。
故选D。
?
变式训练：一束白光在真空中通过双缝后在屏上观察到的干涉条纹，除中央白色亮条纹外，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的间距不同
B．各色光的速度不同，因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同
C．各色光的强度不同，因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同
D．上述说法都不正确
A
技法点拨：
根据双缝干涉中相邻的两个亮（或暗）条纹中心间距公式：? x ＝ ????dλ
因为各种颜色的光都在中间形成亮条纹，故中央亮条纹显示白色。
在其他区域，由于各色光的波长不同，因而各色光分别产生的干涉条纹的中心间距不同，从而形成彩色条纹。
?
做一做 用肥皂膜做薄膜干涉实验
三、薄膜干涉
在酒精灯的灯芯上撒一些食盐，灯焰就能发出明亮的黄光。把铁丝圈在肥皂水中蘸一下，让它挂上一层薄薄的液膜。
把这层液膜当作一个平面镜，用它观察灯焰的像。
这个像与直接看到的灯焰有什么不同？
这层液膜当作一个平面镜，用它观察灯焰的像：出现了明暗相间的干涉条纹。
灯焰在肥皂膜上所成的像
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．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使下面厚、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，若两列波叠加后互相加强，则出现亮纹；在另一些地方，叠加后互相减弱，则出现暗纹。
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。
3.薄膜干涉的应用
（1）检查表面的平整程度
②如果观察到的干涉条纹不平行，则表示被检测表面微有凸起或凹下，这些凸起或凹下的地方的干涉条纹就弯曲。从弯曲的程度就可以了解被测表面的平整情况。
①如果被检表面是平的，产生的干涉条纹就是平行的；
（2）增透膜
在透镜或棱镜的表面上涂上一层薄膜(一般用氟化镁)。当薄膜的厚度适当时，在薄膜的两个表面上反射路程差恰好等于半个波长，因而互相抵消，这就大大减小光的反射损失，增强了透射光的强度，这种薄膜叫增透膜。
因为人眼对绿光最敏感，所以一般增强绿光的透射，即薄膜的厚度是绿光在薄膜中波长的1/4。由于其它色光不能被有效透射，故反射较强，这样的镜头呈淡紫色。
例3.利用薄膜干涉可检查工件表面的平整度。如图（a）所示，现使透明标准板M和待检工件 间形成一楔形空气薄层，并用单色光照射，可观察到如图（b）所示的干涉条纹，条纹的弯曲处 和 对应于A和B处，下列判断中正确的是（　　）
A． N的上表面A处向上凸起
B． N的上表面 处向下凹陷
C．若减少薄片的厚度，则干涉条纹间距
会减小
D．条纹的cd 点对应处的薄膜厚度相同
D
【答案】D
【详解】AB．薄膜干涉是等厚干涉，即明条纹处空气膜的厚度相同，条纹的cd点在直条纹处，故cd点对应处的薄膜厚度相同，从弯曲的条纹可知，A处检查平面左边处的空气膜厚度与后面的空气膜厚度相同，知A处凹陷，B处检查平面右边处的空气膜厚度与后面的空气膜厚度相同，知B处凸起，故AB错误；
C．当减少薄片的厚度，即减小空气薄层的宽度，导致同级的光程差的间距变大，则干涉条纹间距会增大，故C错误；
D．由图可知，条纹间距相等，则条纹的cd点对应处的薄膜厚度也相同，故D正确。
故选D。
变式训练：图甲所示，用蓝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A处如图乙所示条纹中O的情况，下列说法正确的是（　　）
A．条纹是光在标准板M的上表面反射和N的上表面反射叠加而成的
B．N的上表面A处向上凸起
C．将 MN之间的薄片向右拉出一些，条纹会变密集
D．若改用绿光照射，条纹会变密集
B
技法点拨：
条纹是光在标准板M的下表面反射和N的上表面反射叠加而成的；
空气薄膜厚度从左向右依次增大，又因为同一条纹上各处空气薄膜厚度相同，所以N的上表面A处空气厚度与左边相同；将 之间的薄片向右拉出一些，空气薄膜厚度依次减小，观察到的条纹宽度会变大，若改用绿光照射，入射光的波长变长，相邻明（暗）条纹会变大。
光的干涉
光的双缝干涉实验
两个亮（或暗）条纹中心间距公式? x ＝ ????dλ
?
亮条纹的条件
干涉条纹和光的波长之间的关系
薄膜干涉
暗条纹的条件
再见