物理选择性必修 第一册第四章 光3 光的干涉精品课件ppt

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3　光的干涉

[学习目标]　1.知道光的干涉现象和产生干涉现象的条件.2.理解产生明暗条纹的条件，知道条纹间距与波长的关系.3.知道薄膜干涉条纹的特点，并能用它解释生活中的相关现象．

一、光的双缝干涉

1．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

(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，两个波源发出的光在挡板后面的空间互相叠加发生干涉现象．

(2)实验现象：在屏上得到明暗相间的条纹．

3．出现明暗条纹的判断

(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(填“奇”或“偶”)数倍时，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(填“奇”或“偶”)数倍时，出现暗条纹．

二、干涉条纹和光的波长之间的关系

1．若设双缝间距为d，双缝到屏的距离为l，光的波长为λ，则双缝干涉中相邻两条亮条纹或暗条纹的中心间距为Δx＝λ.

2．用不同颜色的光进行干涉实验，条纹间距不同，红光条纹间距比黄光条纹间距大，蓝光条纹间距比黄光条纹间距小．

三、薄膜干涉

1．薄膜干涉是液膜前后两个面反射的光共同形成的．

2．不同位置液膜前后两个面的反射光的路程差不同，某些位置两列波叠加后相互加强，出现了亮条纹，另一些位置，两列波叠加后相互削弱，出现了暗条纹．

3．应用：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；利用薄膜干涉的原理对镜面或其他精密的光学表面的平滑度进行检测．

1．判断下列说法的正误．

(1)频率不同的两列光波也能产生干涉现象，只是不稳定．(　  　)

(2)用两个完全相同的相干光源做双缝干涉实验时，当两个狭缝到屏上的路程差是光波长的奇数倍时出现暗条纹．(　  　)

(3)在双缝干涉实验装置一定的情况下，光的波长越长，条纹间距越大．(　  　)

(4)用白光做双缝干涉实验时屏幕各处均是彩色条纹．(　  　)

(5)水面上的油膜呈现彩色条纹，是油膜表面反射光与入射光叠加的结果．(　  　)

(6)干涉条纹是等间距的平行线时，说明薄膜厚度处处相等．(　  　)

2.如图所示，在杨氏双缝干涉实验中，若所用光的波长为5.30×10－7 m，屏上P点距双缝S1和S2的路程差为7.95×10－7 m．则在这里出现的应是________(填“亮条纹”或“暗条纹”)．

3．想一想：从两只相同的手电筒射出的光，当它们在某一区域叠加后，为什么看不到干涉图样？

一、光的双缝干涉

1．双缝干涉的装置示意图

如图所示，有光源、单缝、双缝和光屏．

(1)单缝的作用：

获得一个线光源，使光源有唯一的频率和振动情况．

(2)双缝的作用

平行光照射到单缝S上，又照到双缝S1、S2上，这样一束光被分成两束频率相同且振动情况完全一致的相干光．

2．屏上某处出现亮、暗条纹的条件

频率相同、振动步调相同的两列光波产生亮暗条纹的条件如下：

(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，…)

说明：k＝0时，PS1＝PS2，此时P点位于光屏上的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，…)

说明：k为暗条纹的级次，从第1级暗条纹开始向两侧展开．

注意：当频率相同、振动步调总是相反的两列光波叠加时，产生亮、暗条纹的条件与上面的情况恰好相反．

3．干涉图样

(1)单色光的干涉图样：如图所示，干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹．

(2)白光的干涉图样：中央条纹是白色的，两侧干涉条纹是彩色条纹．

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)，已知红光与绿光的频率、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仍然存在

C．任何颜色的双缝干涉条纹都不存在

D．至少有一种颜色的双缝干涉条纹

例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，试分析判断P点应出现亮条纹还是暗条纹？分别为第几条亮条纹或暗条纹？(光在真空中的传播速度c＝3×108 m/s)

针对训练1　用波长为λ的平行单色光照射单缝，经双缝后，在光屏上偏离中心的P点处恰好出现亮条纹，则(　　)

A．改用波长为2λ的平行单色光照射，P点处一定出现亮条纹

B．改用波长为2λ的平行单色光照射，P点处一定出现暗条纹

C．改用波长为的平行单色光照射，P点处一定出现亮条纹

D．改用波长为的平行单色光照射，P点处一定出现暗条纹

二、条纹间距与波长的关系

1．条纹间距是指相邻亮条纹中心或相邻暗条纹中心间的距离．

由数学知识可得条纹间距公式为Δx＝λ，其中l为双缝到屏的距离，d为双缝间的距离，λ为入射光的波长．

2．两相邻亮条纹(或暗条纹)间距离与光的波长有关，波长越长，条纹间距越大．

(1)对于同一单色光，条纹之间的距离相等，由该单色光的亮条纹和暗条纹组成．

(2)白光的干涉条纹的中央是白色的，两侧是彩色的，这是因为：

①白光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色组成的复色光，且从红光到紫光波长逐渐变短．

②各种色光都能形成明暗相间的条纹，都在中央条纹处形成亮条纹，从而复合成白色条纹．

③两侧条纹间距与各色光的波长成正比，条纹不能完全重合，这样便形成了彩色干涉条纹．

例3　1801年，托马斯·杨用双缝干涉实验研究了光波的性质，证实了光的波动性，在光的波动说中具有重要的地位和意义．图示为双缝干涉实验装置，单缝S在双缝S1、S2的中心对称轴上，实验中在屏上P点刚好得到的是中央亮条纹上方第3级亮条纹，现要使P处出现中央亮条纹上方第4级亮纹，可采取的措施有(　　)

A．适当增大屏到双缝的距离

B．适当增大单缝到双缝的距离

C．换用频率更低的单色光

D．换用波长更短的单色光

三、薄膜干涉

1．薄膜干涉的原理

(1)光照射到薄膜上，在薄膜的前、后两个面反射的光是由同一个实际的光源分解而成的，它们具有相同的频率，恒定的相位差，是相干光．

(2)光照在厚度不同的薄膜上时，前、后两个面的反射光的路程差等于相应位置膜厚度的2倍，在某些位置，两列波叠加后相互加强，于是出现亮条纹；在另一些位置，叠加后相互削弱，于是出现暗条纹．

2．形成亮、暗条纹的条件

薄膜干涉是经薄膜前、后面反射的两束光叠加的结果．出现亮条纹的位置，两束光的路程差Δr＝kλ(k＝0,1,2，3…)，出现暗条纹的位置，两束光的路程差Δr＝λ(k＝0,1,2,3…)．公式中的λ为光在薄膜介质中的波长．

3．薄膜干涉的应用

(1)干涉法检查平面平整度

如图甲所示，两平面之间形成一楔形空气薄层，用单色光从上向下照射，空气层的上下两个表面反射的两列光波发生干涉，空气层厚度相同的地方，两列波路程差相同，两列波叠加时相互加强或相互削弱的情况也相同．如果被测表面是平整的，得到的干涉图样必是一组平行的直线．如果被测表面某处凹陷，则对应亮条纹(或暗条纹)向左弯曲，如图乙中P处所示；如果某处凸起，则对应条纹向右弯曲，如图乙中Q处所示．

(2)增透膜

膜的折射率小于光学元件折射率，增透膜的厚度为光在介质中波长的，使经膜的前后表面反射的光干涉减弱，即减少反射光、增加透射光．

(3)增反膜

膜的折射率大于光学元件折射率，在前表面反射光存在半波损失，故增反膜的厚度也为光在介质中波长的，使经膜的前后表面反射的光干涉加强，即增加反射光、减小透射光．

例4　如图所示，把一个平行玻璃板压在另一个平行玻璃板上，一端用薄片垫起，构成空气劈尖，让单色光从上方射入，这时可以看到明暗相间的条纹．下面关于条纹的说法中正确的是(　　)

A．干涉条纹的产生是由于光在上面玻璃板的前后两表面反射形成的两列光波叠加的结果

B．干涉条纹中的暗条纹是由于两列反射光的波谷与波谷叠加的结果

C．将上玻璃板平行上移，条纹间距变窄

D．观察干涉条纹时，应在入射光一侧

1．由于薄膜干涉是经薄膜前、后表面反射的两束光叠加而形成的，所以观察时眼睛与光源应在膜的同一侧．

2．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．

3．用单色光照射得到明暗相间的条纹，用白光照射得到彩色条纹．

针对训练2　(多选)(2022·林州一中月考)如图甲所示，在一块平板玻璃上放置一平凸薄透镜，在两者之间形成厚度不均匀的空气膜，让一束单一波长的光垂直入射到该装置上，结果在上方观察到如图乙所示的内疏外密的同心圆环状干涉条纹，称为牛顿环，以下说法正确的是(　　)

A．干涉现象是凸透镜下表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的

B．干涉现象是凸透镜上表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的

C．干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度不是均匀变化的

D．干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度是均匀变化的

考点一　对双缝干涉的理解

1．教室内两盏相同的普通白炽灯发出的光相遇时，我们观察不到干涉条纹，这是因为(　　)

A．两盏灯亮度不同

B．灯光的波长太短

C．两灯光的振动频率不同

D．电灯发出的光不稳定

2．(多选)已知白光中含有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光，其波长依次减小．在杨氏双缝干涉实验中，如果(　　)

A．用白光作为光源，屏上将呈现黑白相间的条纹

B．用红光作为光源，屏上将呈现红黑相间的条纹

C．用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上将呈现彩色干涉条纹

D．用白光作为光源，屏上将呈现彩色的条纹

考点二　亮、暗条纹的判断

3．(多选)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．在与双缝的距离之差相等的点形成暗条纹

B．在与双缝的距离之差为nλ的点形成亮条纹

C．在与双缝的距离之差为n的点形成亮条纹

D．在与双缝的距离之差为λ的点形成暗条纹

4.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的路程差|r1－r2|应为(　　)

A.  B.  C.  D.

考点三　条纹间距与波长的关系

5．在光的双缝干涉现象中，下列描述正确的是(　　)

A．用白光做光的干涉实验时，偏离中央亮条纹最远的是波长较长的红光

B．用白光做光的干涉实验时，偏离中央亮条纹最远的是波长较短的紫光

C．相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是不等的

D．在双缝干涉现象中，把入射光由红光换成紫光，相邻两个亮条纹间距将变宽

6．(2021·攀枝花市第三高级中学高二期末)双缝干涉实验装置如图所示，双缝间距离为d，双缝到光屏的距离为L，调整实验装置使光屏上出现清晰的干涉条纹．关于该干涉条纹及改变条件后其变化情况，下列叙述中正确的是(　　)

A．屏上所有暗条纹都是从双缝中出来的两列光波的波谷与波谷叠加形成的

B．若将光屏向右平移一小段距离，屏上仍有清晰的干涉条纹

C．若只减小双缝间距d，屏上两相邻亮条纹间距离变小

D．若只改用频率较高的单色光，屏上两相邻亮条纹间距离变大

考点四　薄膜干涉

7.(多选)(2021·浙江6月选考)肥皂膜的干涉条纹如图所示，条纹间距上面宽、下面窄．下列说法正确的是(　　)

A．过肥皂膜最高和最低点的截面一定不是梯形

B．肥皂膜上的条纹是前后表面反射光形成的干涉条纹

C．肥皂膜从形成到破裂，条纹的宽度和间距不会发生变化

D．将肥皂膜外金属环左侧的把柄向上转动90°，条纹也会跟着转动90°

8．(2022·淮安市高二月考)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N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P和Q分别对应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B处向下凹陷

C．若减小薄片的厚度，则干涉条纹间距会减小

D．条纹的c、d点对应处的薄膜厚度相同

9.(多选)煤矿中瓦斯爆炸危害极大．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，他设计了一种利用光的干涉监测矿井瓦斯的仪器，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，以下说法正确的是(　　)

A．如果屏的正中央仍是亮条纹，说明B中的气体与A中的空气成分相同，不含瓦斯

B．如果屏的正中央是暗条纹，说明B中的气体与A中的空气成分不相同，可能含有瓦斯

C．如果屏上干涉条纹不停地移动，说明B中的气体瓦斯含量不稳定

D．只有用单色光照射单缝时，才可能在屏上出现干涉条纹

10.在用双缝干涉实验测量光的波长时，选用波长为6.0×10－7 m的橙光，光屏上P点正好处于第二级亮条纹的中心，如图所示，现仅改用其他颜色的可见光做实验，P点是暗条纹．已知可见光的频率范围是3.9×1014～7.5×1014 Hz，则入射光的波长可能是(　　)

A．8.0×10－7 m   B．4.8×10－7 m

C．4.0×10－7 m   D．3.4×10－7 m

11.(2021·应县一中期中)在研究材料A的热膨胀特性时，可采用如图所示的干涉实验法，A的上表面是一光滑平面，在A的上方放一个透明的平行板B，B与A上表面平行，在它们中间形成一个厚度均匀的空气膜，现在用波长为λ的单色光垂直照射，同时对A缓慢加热，在B上方观察到B板的亮度发生周期性变化．当温度为t1时最亮，然后逐渐减弱至最暗；当温度升到t2时，亮度再一次回到最亮，则(　　)

A．最亮时，B上表面反射光与A上表面反射光叠加后加强

B．最亮时，B下表面反射光与A上表面反射光叠加后相抵消

C．温度从t1升至t2过程中，A的高度增加

D．温度从t1升至t2过程中，A的高度增加

12．一实验小组用某一单色光做双缝干涉实验时，在距离双缝为1.0 m处的光屏上，测得1至5条亮条纹间的距离为7.6 mm.已知所用的双缝间距为0.25 mm.

(1)求这种单色光的波长；

(2)若用这种单色光照射到增透膜上，已知增透膜对这种光的折射率为1.3，则这种光在增透膜中的波长是多少？增透膜的厚度至少应取多少？(结果均保留3位有效数字)