人教版 (2019)选择性必修 第一册3 光的干涉背景图课件ppt

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一、光的双缝干涉1.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　　　　　的条纹。 加强处为亮条纹,减弱处为暗条纹2.光发生干涉的条件两列光的频率　　　　、相位差恒定、振动方向相同。 
　　　　　　　 判断屏上亮暗条纹的依据3.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　　 　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　　　　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Δx=　　。 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　　光,条纹间距最小的是　　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　　　　　　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。
情境链接雨后公路积水上面漂浮的油膜,常常显现出彩色条纹,它是怎样形成的呢?教材拓展阅读教材P97,在推导“相邻亮(或暗)条纹的中心间距”公式的过程中,采用了哪些近似计算?试写出暗条纹中心的位置坐标。
提示 太阳光在油膜上下表面的反射光叠加形成的干涉条纹。
易错辨析(1)两只完全相同的灯泡发出的光能产生干涉现象。(　　)(2)双缝干涉实验中,双缝的作用是产生两束相干光。(　　)(3)用单色光做双缝干涉实验时在屏幕上出现明暗相间的条纹。(　　)(4)中央亮条纹处到两缝的路程差为零,因此不管光的波长为多大,此处总为亮条纹。(　　)(5)用红、蓝色光分别照射同一双缝,在屏幕上相邻的红色条纹间距小于蓝色条纹间距。(　　)(6)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。(　　)(7)光的干涉现象说明光具有波动性。(　　)
两灯泡发出的光不是相干光。
探究点一　双缝干涉实验原理透析
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?
要点提示 从实验的角度证实光是一种波。
1.双缝干涉实验的装置示意图:实验装置示意图如图所示,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。
特别提示　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。
【例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。
方法技巧　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=1,2,3,…),判断出k的取值,从而判断条纹级数。
对点演练1.(多选)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为中央亮条纹所在位置,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为中央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为中央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。
探究点二　双缝干涉图样的特点
几种单色光的双缝干涉图样如图所示。(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。
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)。另x=ltan θ≈lsin θ,则r2-r1= ,若P处为亮纹,则 =±kλ(k=0,1,2,…),解得x=±k λ(k=0,1,2,…)。相邻两亮纹或暗纹的中心间距Δx= λ。
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最大,紫光的亮条纹间距最小,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,而且同一级条纹的颜色为内紫外红。特别提示　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。
【例2】 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,图丙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。
方法技巧　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。
对点演练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。
探究点三　薄膜干涉现象及其应用
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。
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。
【例3】 (多选)(2023湖北武汉模拟)光的干涉现象在生产技术中有重要应用。例如,在磨制各种镜面或其他精密的光学平面时,可以用干涉法检查平面的平整程度。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,在样板上方向下观测时可以看到干涉条纹。如果被测表面是平整的,干涉条纹就是一组平行的直线(如图甲所示),下列说法正确的是(　　)A.干涉条纹是空气薄层的上下两表面的反射光干涉产生的B.将薄片向着劈尖移动使劈角变大时,条纹变疏C.如果干涉条纹如图乙所示发生弯曲,就表明被测表面在此处向下凹D.如果干涉条纹如图乙所示发生弯曲,就表明被测表面在此处向上凸
解析 从楔形空气薄层上下表面分别反射的两列光波符合相干条件,在样板平面的下表面处发生干涉现象,出现明暗相间的条纹,A正确。设空气薄层的厚度为d,倾角为θ,相邻亮条纹间距为ΔL,出现亮条纹时光程差应满足Δs=2d=nλ(n=0,1,2,…),两相邻亮条纹的光程差之差为一个波长λ时,其对应空气薄层的厚度之差为Δd= ,由几何关系,有Δd=ΔLtan θ,得ΔL= ,将薄片向着劈尖移动使劈角变大时,ΔL变小,条纹变密,B错误。根据同一条纹对应的空气薄层厚度相同,可知弯曲处对应的薄层厚度等于非弯曲处对应的薄层厚度;假设无凸凹,则弯曲处对应的薄层厚度小于非弯曲处对应的薄层厚度;因此,弯曲处对应位置向下凹,C正确,D错误。
方法技巧　劈尖干涉条纹的特点1.任意一条亮条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等;2.任意相邻亮条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定,且等于半个波长;3.相邻亮条纹或暗条纹之间的距离 ,其中θ为薄膜倾角。
对点演练3.(2021山东卷)用平行单色光垂直照射一层透明薄膜,观察到如图所示明暗相间的干涉条纹。下列关于该区域薄膜厚度d随坐标x的变化图像,可能正确的是(　　)
解析 从薄膜的上下表面分别反射的两列光是相干光,其光程差为Δx=2d,即光程差为薄膜厚度的2倍,当光程差Δx=nλ时此处表现为亮条纹,故相邻亮条纹之间的薄膜的厚度差为 λ,在图中相邻亮条纹(或暗条纹)之间的距离变大,则薄膜层的厚度的变化率变小,选项D正确。
1.(薄膜干涉现象及其应用)(多选)用如图所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象。图甲是点燃的酒精灯(在灯芯上撒些盐),图乙是竖立的附着一层肥皂液薄膜的金属丝圈。下面说法正确的是(　　)
A.若要观察到图乙中的干涉图样,人应位于金属丝圈的左侧B.若要观察到图乙中的干涉图样,人应位于金属丝圈的右侧C.若将金属丝圈在其所在的竖直平面内沿顺时针方向缓慢旋转某一角度,则观察到的现象是干涉条纹沿顺时针方向旋转D.若将金属丝圈在其所在的竖直平面内沿顺时针方向缓慢旋转某一角度,则观察到的现象是干涉条纹图样保持不变
解析 干涉图样是由薄膜的前后面反射的光形成的,因此要顺着入射光的方向观察,即人应位于金属丝圈的左侧,A正确,B错误;在转动金属丝圈的过程中,由于重力作用,同一水平高度的薄膜厚度是相同的,故薄膜的厚度不变,故反射光的光程差也不会发生变化,故产生的干涉条纹图样保持不变,C错误,D正确。
2.(双缝干涉图样的特点)(多选)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。
3.(双缝干涉实验原理透析、图样特点)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
4.(双缝干涉实验原理透析)如图所示,在双缝干涉实验中,S1、S2为双缝,P是光屏上的一点,已知P到S1、S2的距离之差为2.1 μm,现分别用A、B两束单色光在空气中做双缝干涉实验。
(1)若A光在折射率为n=1.5的介质中波长为4×10-7 m,则P点是亮条纹还是暗条纹?(2)若B光在某介质中的波长为3.15×10-7 m,当B光从这种介质射向空气时,临界角为37°,则P点是亮条纹还是暗条纹?(sin 37°=0.6)