高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册3 光的干涉图文ppt课件

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1.知道相干光源的概念和产生干涉现象的条件(物理观念)2.观察光的干涉现象,认识干涉条纹的特点(科学思维)3.能推理论证干涉现象的成因及明暗条纹的位置和特点(科学思维)
[自主阅读]一、光的双缝干涉1.双缝干涉实验的物理学史光的干涉实验最早是英国物理学家托马斯·杨在1801年成功完成的。杨氏双缝干涉实验有力地证明了光是一种波。2.双缝干涉实验的过程让一束单色光投射到一个有两条狭缝的挡板上,两条狭缝相距很近。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。这两个波源发出的光在挡板后面的空间互相叠加,发生干涉现象;来自两个光源的光在一些位置相互加强,在另一些位置相互削弱,因此在挡板后面的屏上得到明暗相间的条纹。
3.光发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。4.双缝干涉实验中出现明暗条纹的条件(1)亮条纹: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)暗条纹: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。
二、干涉条纹和光的波长之间的关系1.条纹间距和光的波长的关系在双缝干涉实验中,单色光的波长为λ,双缝中心之间的距离为d,双缝到屏的距离为l,如图所示,则相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距 。2.各种颜色的光都会发生干涉,在其他条件不变的情况下,用红、黄、蓝光分别做双缝干涉实验,条纹间距最大的是红光,条纹间距最短的是蓝光。
三、薄膜干涉1.成因通常而言,不同位置的液膜,厚度不同,因此在膜上不同的位置,来自前后两个面的反射光的路程差不同。在某些位置,光波叠加后相互加强,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。2.应用(1)检测光学平面的平滑度。(2)光学元件表面的增透膜或反射膜。
[自我检测]1.正误判断(1)两只完全相同的灯泡发出的光能产生干涉现象。(　　)解析 不符合相干光源的条件,因此不能产生干涉现象。答案 ×(2)用白光做光的干涉实验时,偏离中央亮条纹较远的是波长较长的光。(　　)答案 √(3)水面上的油膜在阳光照射下呈彩色是薄膜干涉的结果。(　　)答案 √
2.(多选)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.双丝灯泡C.出自一个光源的两束光D.一束平行单色光经双缝后分为两束解析 根据光发生干涉的条件,可知选A、B。答案 AB
3.(多选)关于光的干涉,下列说法不正确的是(　　)A.只有频率相同的两列光波才能产生干涉B.频率不同的两列光波也能产生干涉现象,只是不稳定C.频率相同、振幅相同的两束光才能产生干涉D.两个完全相同的相干光源做双缝干涉实验时,从两个狭缝到达屏上的路程差是光波长的整数倍时出现亮条纹解析 发生干涉现象时两列光的频率必须相同,振幅不一定相同,选项A正确,C错误;频率不同不能产生干涉,而不是干涉不稳定,选项B错误;干涉发生时出现亮条纹的条件是路程差是波长的整数倍(或半波长的偶数倍),选项D正确。答案 BC
波的干涉现象是两列波在传播中相遇叠加而形成的,是波的特性。产生稳定干涉现象的条件是有相干波源——频率相等、振动方向相同、相位差恒定的两列波,干涉图样中的“亮”“暗”条纹就是相干波源叠加形成的振动“加强区”和“减弱区”。在1801年英国物理学家托马斯·杨成功完成了光的干涉实验,这对研究光的本性提供了什么样的帮助作用?要点提示 从实验的角度证实光是一种波。
[知识归纳]1.双缝干涉实验的装置示意图:实验装置如图所示,有光源、单缝、双缝和光屏。(1)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。(2)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方向相同、相位差恒定的相干光。
2.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,如亮条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;暗条纹处振动步调总是相反。具体产生亮、暗条纹的条件:(1)亮条纹产生的条件: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)暗条纹产生的条件: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。要点笔记 双缝干涉的条件必须是相干光源,且双缝间的间距必须很小。
[典例剖析]例题1 双缝干涉实验装置如图所示,当使用波长为6×10-7 m的橙光做实验时,光屏P点及上方的P1点形成相邻的亮条纹。若使用波长为4×10-7 m的紫光重复上述实验,在P和P1点形成的亮、暗条纹的情况是(　　)A.P和P1都是亮条纹B.P是亮条纹,P1是暗条纹C.P是暗条纹,P1是亮条纹D.P和P1都是暗条纹
解析 从单缝S射出的光波被S1、S2两缝分成的两束光为相干光,由题意,屏中央P到S1、S2距离相等,即由S1、S2分别射出的光到P的路程差为零,因此P处是亮纹中心,因而,无论入射光是什么颜色的光,波长多大,P处都是中央亮纹中心。而P1到S1、S2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时的振动情况完全一致,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,则两列光波到达P1时振动情况完全相反,即由S1、S2射出的光波到达P1时就相互削弱,因此,出现暗条纹。综上所述,选项B正确。答案 B
规律方法 分析双缝干涉中亮暗条纹问题的步骤(1)明确光在真空(或空气)中的波长。(2)由屏上出现亮暗条纹的条件判断光屏上出现的是亮条纹还是暗条纹。(3)根据亮条纹的判断式Δr=kλ(k=0,1,2,…)或暗条纹的判断式Δr=(2k+1) (k=0,1,2,…),判断出k的取值,从而判断条纹数。
变式训练1(多选)(2021山东泰安第二中学高二月考)用波长为λ的单色光照射单缝O,经过双缝M、N在屏上产生明暗相间的干涉条纹,如图所示,图中a、b、c、d、e为相邻亮条纹的位置,c为中央亮条纹,则(　　)A.由O到达a、b的路程差为零B.由M、N到达b的路程差为λC.由O到达a、c的路程差为4λD.由M、N到达e的路程差为2λ
解析 从O到达某点可以经过M也可以经过N,根据已知条件无法比较从O到达某两点的路程差,故A、C错误;b为中心亮纹旁边的第一条亮纹,则M、N到达b的路程差为波长λ,故B正确;e为中心亮纹旁边的第二条亮纹,M、N到达e的路程差为2λ,故D正确。答案 BD
[情境探究]如图所示,几种单色光的双缝干涉图样,请问:(1)单色光干涉时相邻两亮条纹的间距和相邻两暗条纹的间距相等吗?(2)用不同颜色的光做干涉实验时干涉图样完全一样吗?要点提示 (1)相等。(2)不一样。
[知识归纳]1.相邻亮条纹(或暗条纹)间的距离Δx与入射光波长λ之间的定量关系推导如下图所示,双缝间距d,双缝到屏的距离l。双缝S1、S2的连线的中垂线与屏的交点为P0。对屏上与P0距离为x的一点P,两缝与P的距离PS1=r1,PS2=r2。在线段PS2上作PM=PS1,则S2M=r2-r1,因d≪l,三角形S1S2M可看作直角三角形。则:r2-r1=dsin θ(令∠S2S1M=θ)。
2.单色光的干涉图样(1)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。(2)用不同的单色光做双缝干涉实验,得到的条纹之间的距离不一样,但都是明暗相间的单色条纹。由Δx= λ知,红光波长最长,Δx最大,紫光波长最短,Δx最小。
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。要点笔记 双缝干涉的相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是相等的。
[典例剖析]例题2如图甲为双缝干涉实验的装置示意图。图乙为用绿光进行实验时,在屏上观察到的条纹情况,a为中央亮条纹,丙图为换用另一颜色的单色光做实验时
观察到的条纹情况,a'为中央亮条纹。若已知红光、绿光和紫光的波长大小关系为红光的波长最长,紫光的波长最短。则以下说法正确的是(　　)A.丙图可能为用红光实验产生的条纹,表明红光波长较长B.丙图可能为用紫光实验产生的条纹,表明紫光波长较长C.丙图可能为用紫光实验产生的条纹,表明紫光波长较短D.丙图可能为用红光实验产生的条纹,表明红光波长较短
解析 根据双缝干涉图样的特点,入射光的波长越长,同一装置产生的双缝干涉图样中条纹的间距就越大。由本题的条件可确定另一种颜色的单色光比绿光的波长长,因此A正确,B、C、D错误。答案 A规律方法 对干涉条纹间距的理解干涉条纹间距是两个相邻的同类条纹中线间的距离,既可以是两相邻亮条纹中线间的距离,也可以是两相邻暗条纹中线间的距离。
变式训练2关于光的干涉,下列说法正确的是(　　)A.在双缝干涉现象中,相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是不等的B.在双缝干涉现象中,把入射光由波长较长的红光换成波长较短的紫光,相邻两个亮条纹间距将变宽C.在双缝干涉现象中,将绿光换为红光,相邻两个亮条纹间距将变宽D.在双缝干涉现象中,入射光为白光时得到的彩色条纹为内红外紫
解析 在双缝干涉现象中,相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是相等的,故选项A错误;入射光的波长越长,相邻两个亮条纹的间距越大,故选项B错误,C正确;由于各色条纹间距不同,且红光条纹最宽,紫光条纹最窄,故除中间条纹外,前几条彩色条纹应为内紫外红,越往外由于重叠严重,没有明显干涉条纹,只是看到彩光,选项D错误。答案 C
[情境探究]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?如果用白光做实验情况又会如何?要点提示 灯焰的像由明暗相间的水平条纹组成。如果用白光做实验,肥皂膜上会出现彩色条纹。
[知识归纳]1.薄膜干涉的成因及特点(1)形成原因①由薄膜的前、后表面的反射光叠加而形成明暗相间的条纹。②如果膜的厚度为h,折射率为n,前、后表面的反射光的路程差为2h。若满足2h为膜中波长的整数倍时,该处出现亮条纹;满足2h为膜中半波长的奇数倍时,该处出现暗条纹。(2)特点: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,如果此时两反射光互相加强,则此高度水平方向各处均加强,因此,明暗相间的干涉条纹应为水平方向。
2.应用(1)等倾法检查平面平整度如图所示,在被测平面上放一个透明的样板,在样板的一端垫一个薄片,使样板的标准平面与被测平面之间形成一个楔形空气薄层。用单色光照射时,空气层的上、下两个表面反射的两列光波发生干涉。空气厚度相同的地方,两列波的路程差相同,两列波叠加时互相加强或减弱的情况相同,因此若被测面是平的,干涉条纹就是一组平行的直线,如果干涉条纹是弯曲的,就表明被测平面不平整。
(2)增透膜①原理:为了减少光学装置中的反射光的损失,可在元件表面涂一层透明薄膜,一般是氟化镁。如图所示,在增透膜的前后表面反射的两列光波形成相干波,相互叠加,当路程差为半波长的奇数倍时,在两个表面反射的光产生相消干涉,反射光的能量几乎等于零。透射光的能量得到加强。②厚度:一般取最小厚度d满足2d= λ(此波长为光在该种介质中的波长)。
③特征:由于白光中含有多种波长的光,所以增透膜只能使其中一定波长的光相消。因为人对绿光最敏感,一般选择对绿光起增透作用的膜,所以在反射光中绿光强度几乎为零,而其他波长的光并没有完全抵消,尤其是与绿光波长相差较大的紫光,所以增透膜呈现淡紫色。
[典例剖析]例题3(多选)(2021福建泰宁第一中学高二月考)如图甲所示,用单色光照射透明标准板M来检查被检体N的上表面的平直情况,观察到的现象如图乙所示,条纹中的P和Q对应A和B,此现象说明(　　)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
解析 P处条纹向左弯曲,意味着后一级条纹提前出现,可见P处对应的检测平板上的A点所对应的空气层厚度与后一级条纹对应的空气层厚度相同,而后一级条纹本来对应的空气层厚度比前一级大,可见A处向下凹陷,故C正确,A错误;从弯曲的条纹可知,Q处空气薄膜凹陷,即N的上表面B处向上凸起,故B正确,D错误。答案 BC要点笔记 处理此类问题时,一般情况下可简单记为向尖处弯曲表示表面凹陷。
变式训练3(2021重庆高二月考)有种冷光灯,用它照射物品能使被照物品产生的热效应大大降低。这种灯降低热效应的原理是灯泡后面放置的反光镜的表面上镀有一层薄膜,能使薄膜前后表面反射回来的热效应最显著的红外线发生干涉相消,以λ表示红外线在真空中的波长,n表示薄膜对该红外线的折射率,则所镀薄膜的厚度最小应为(　　)
1.关于薄膜干涉,下列说法正确的是(　　)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,观察者应和光源在薄膜的同一侧
解析 当光从薄膜的一侧照射到薄膜上时,只要前后两面反射回来的光波的光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。要形成明暗相间的条纹,只有在薄膜厚度不均匀时才会出现,但对薄膜的形状没有要求,因此选项A、B错误。当薄膜厚度均匀时,不会出现干涉条纹,但能发生干涉现象,如果是复色光照射,这时某些颜色的光因干涉而减弱,另一些颜色的光因干涉而加强,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是振动加强的光的颜色,但没有形成干涉条纹,故选项C错误。由薄膜干涉中相干光的来源可知,干涉的区域应在入射光一侧,因此选项D正确。答案 D
2.(多选)(2021江苏盐城中学高二期中)某同学用单色光进行双缝干涉实验,在屏上观察到如甲图所示的条纹,仅改变一个实验条件后,观察到的条纹如乙图所示。他改变的实验条件可能是(　　)A.增大双缝之间的距离B.减小双缝之间的距离C.减小双缝到光屏之间的距离D.增大双缝到光屏之间的距离
解析 题图乙中条纹的间距比题图甲小,根据双缝干涉的条纹间距公式Δx= λ知,可能是双缝与屏间距减小,也可能是双缝间距变大。故A、C正确,B、D错误。答案 AC
3.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,其他颜色的双缝干涉条纹依然存在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,但因有红光和绿光通过双缝照到屏上,所以屏上有光亮,故只有选项C正确。答案 C
4.(2021山东烟台高二期末)在双缝干涉实验中,用波长为5×10-7 m的黄光照射双缝。已知双缝的间距为0.3 mm,双缝到光屏的距离为1.2 m,光屏上P点到双缝的路程差为7.5×10-7 m,则下列说法中正确的是(　　)A.P点出现的是亮条纹,相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为2 mmB.P点出现的是暗条纹,相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为2 mmC.P点出现的是亮条纹,相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为4 mmD.P点出现的是暗条纹,相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为4 mm