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物理选择性必修 第一册3 光的干涉课文ppt课件
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这是一份物理选择性必修 第一册3 光的干涉课文ppt课件，共55页。PPT课件主要包含了课前·基础认知，课堂·重难突破，素养·目标定位，随堂训练，知识概览，三薄膜干涉等内容，欢迎下载使用。
目 标 素 养1.了解杨氏双缝干涉实验装置和实验现象,形成正确的物理观念。2.了解相干光源的概念及产生干涉现象的条件,形成正确的物理观念。3.能阐述干涉现象的成因及明暗条纹的位置和特点,培养科学思维能力。4.知道干涉条纹和光的波长之间的关系。5.理解薄膜干涉中的色散现象,并了解薄膜干涉的应用,培养分析解决实际问题的能力。
一、光的双缝干涉1.物理史实: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,用实验方法证实了光的波动性。2.双缝干涉:让一束平行的单色光束垂直照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,在屏上得到明暗相间的条纹。光的干涉现象表明光是一种波。
3.出现亮、暗条纹的条件:S1和S2相当于两个相干波源。(1)当两个光源与屏上某点的距离之差等于波长λ的整数倍时,两列光波在这点相互加强,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减弱,出现暗条纹。
微判断1 1.若用白光作光源,干涉条纹是明暗相间的条纹。( )2.若用单色光作光源,干涉条纹是明暗相间的条纹。( )3.在双缝干涉实验中单缝屏的作用是为了获得一个线光源。( )4.两只手电筒射出的光束在空间相遇,能观察到光的干涉现象。( )
二、干涉条纹和光的波长之间的关系干涉条纹和波长之间的关系:相邻两条亮条纹或者暗条纹的中心间距是___________,其中d为双缝的宽度,l为双缝到屏的距离,λ为单色光的波长。微思考影响相邻两条亮条纹或者暗条纹的中心间距的因素有哪些?提示:双缝的宽度越窄,双缝到屏的距离越大,单色光的波长越长,相邻两条亮条纹或者暗条纹的中心间距越大。
三、薄膜干涉1.薄膜干涉的原理:光照在厚度不同的薄膜上时,在薄膜的不同位置,前后两个面的反射光的路程差不同。在某些位置,这两列波叠加后相互加强,于是出现亮条纹;在另一些位置,两列波叠加后相互削弱,于是出现暗条纹。2.薄膜干涉在技术上的应用:可以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,还可以利用薄膜干涉的原理对镜面或其他精密的光学平面的平滑度进行检测。
微判断2 1.只有厚度不均匀的楔形薄膜,才会发生干涉现象。( )2.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。( )
一 对光的双缝干涉的理解
重难归纳1.双缝干涉的实验装置。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和振动情况完全一致的相干光。
2.双缝干涉图样的特点。(1)单色光的干涉图样:①中央为亮条纹;②明暗相间的条纹,且相邻条纹间距相等;③波长越大,两相邻亮条纹(或暗条纹)间距越大。(2)白光的干涉图样:①中央条纹为白色;②中央亮条纹两侧为彩色条纹。
3.原理:频率相同的两列光叠加时,某些区域的光相互加强,出现亮条纹;某些区域的光相互减弱,出现暗条纹,且加强区与减弱区相互间隔,即亮、暗条纹相互间隔。4.光的干涉条件。(1)两列光的频率相同;(2)两列光的振动方向相同;(3)两列光的相位差恒定或相位总相同。
5.亮条纹和暗条纹位置的确定。(1)若两列光波到屏上某点的路程差Δx为波长λ的整数倍(或半波长的偶数倍),即Δx=±nλ(n=0,1,2,…),出现亮条纹。
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,这时在屏上可看到什么现象?提示:两列光波发生干涉的条件之一是频率相等,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,但屏上仍有亮光。
典例剖析【例1】右图为双缝干涉实验装置,当使用波长为6×10-7 m的橙色光做实验时,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都是暗条纹答案:B
因为用橙光时P1与P点有相邻的亮条纹,所以n=1,用紫光时P1点是暗条纹。对P点,因为Δr=0,所以仍是亮条纹,选项B正确。
规律总结双缝干涉中亮条纹或暗条纹的判断方法1.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)的路程差与波长的比值。 2.路程差等于波长的整数倍处出现亮条纹,等于半波长奇数倍处出现暗条纹。
学以致用1.在双缝干涉实验中,光屏上某点P到双缝S1、S2的路程差为7.5×10-7 m,如果用频率为6.0×1014 Hz的单色光照射双缝,则( )A.单色光的波长是2×10-7 m,P点出现暗条纹B.单色光的波长是2×10-7 m,P点出现亮条纹C.单色光的波长是5×10-7 m,P点出现暗条纹D.单色光的波长是5×10-7 m,P点出现亮条纹答案:C
二 干涉条纹和光的波长之间的关系
重难归纳1.相邻亮条纹(暗条纹)间的距离Δx与入射光波长λ之间的定量关系推导。
如图所示,双缝间距为d,双缝到屏的距离为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的距离分别为r1、r2。在线段PS2上取一点M,使PM的长度为r1,则S2M的长度为r2-r1,因d≪l,三角形S1S2M可看作直角三角形,有r2-r1=dsin θ(令∠S2S1M=θ)。
2.单色光的干涉图样。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。中央为亮条纹,两相邻亮条纹(或暗条纹)间距离与光的波长有关,波长越大,条纹间距越大。
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。(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。
用白光做双缝干涉实验,彩纹的特点如何?提示:用白光做双缝干涉实验,从红光到紫光其波长由大到小,它们的干涉条纹间距也是从大到小。屏中央各色光都得到加强,混合成白色,但两侧因条纹间距不同而分开成彩色,而且同一级条纹内紫外红。
典例剖析【例2】如图所示的双缝干涉实验,用绿光照射单缝S时,在光屏P上观察到干涉条纹,要得到相邻条纹间距更大的干涉图样,可以( )A.增大S1与S2的间距B.减小双缝屏到光屏的距离C.将绿光换为红光D.将绿光换为紫光答案:C
解析:双缝干涉的条纹间距公式为 ,增大S1与S2的间距就是增大d,所以条纹间距变小,选项A错误;减小双缝屏到光屏的距离就是减小l,条纹间距变小,选项B错误;红光波长比绿光波长长,紫光波长比绿光波长短,所以将绿光换为红光,条纹间距增大,选项C正确,D错误。
规律总结1.白光可以分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色光,从红光到紫光波长由大到小。 2.在其他条件相同时,波长越大,干涉条纹的间距越大。
学以致用2.如图所示,由波长为λ1和λ2的单色光组成的一束复色光,经半反半透镜后分成透射光和反射光。透射光经扩束器后垂直照射到双缝上并在屏上形成干涉条纹。O是两单色光中央亮条纹的中心位置,P1和P2分别是波长为λ1和λ2的光形成的距离O点最近的亮条纹中心位置。反射光入射到三棱镜一侧面上,从另一侧面M和N位置出射,则( )
A.λ1<λ2,M是波长为λ1的光的出射位置B.λ1<λ2,N是波长为λ1的光的出射位置C.λ1>λ2,M是波长为λ1的光的出射位置D.λ1>λ2,N是波长为λ1的光的出射位置答案:D
解析:双缝干涉实验中相邻两亮纹之间的距离 ,由题图可得x1>x2,故λ1>λ2,故A、B错误;光的波长越长,频率越小,在同一分界面上折射后的偏折程度越小,故M是波长为λ2的光的出射位置,N是波长为λ1的光的出射位置,故C错误,D正确。
重难归纳1.竖放肥皂膜干涉现象。(1)白光照射图样是彩色的:竖直放置的肥皂液膜,因重力的作用,上面薄、下面厚,由于不同颜色的光波长不同,从前后两个表面反射的光,在不同的位置被加强,换句话说,不同颜色的光对应亮条纹的位置不同,不能完全重合,因此看起来是彩色的。
(2)条纹是水平方向的:因为在同一水平高度处,薄膜的厚度相同,从前后两表面的反射光的路程差均相同,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.用干涉法检查平面平整度。如图甲所示,两板之间形成一层空气膜,用单色光从上向下照射,如果被检测平面是光滑的,得到的干涉图样必是等间距的。如果被测表面某处凹下,则对应亮条纹(或暗条纹)提前出现,如图乙中P条纹所示;如果某处凸起来,则对应条纹延后出现,如图乙中Q所示。
(注:“提前”与“延后”不是指在时间上,而是指由左到右的位置顺序上)
3.增透膜。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。
一般取最小厚度d满足 (此波长为光在该种介质中的波长),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几乎没有,而其他波长的光并没有完全抵消,所以增透膜呈现淡紫色。
增透膜是怎样增加透射光的?提示:两束反射光相互抵消,反射光的能量减少,由于总的能量是守恒的,反射光的能量被削弱了,透射光的能量就必然得到增强。增透膜是通过“消反”来确保“增透”的。
典例剖析【例3】 右图为一显示薄膜干涉现象的实验装置,P是附有肥皂膜的铁丝圈,S是一点燃的酒精灯。往火焰上洒些盐后,在图示的情况下( )A.从肥皂薄膜的右面观察时,在薄膜上可看到黄黑相间水平条纹B.从肥皂薄膜的右面观察时,在薄膜上可看到黄黑相间竖直条纹C.从肥皂薄膜的左面观察时,在薄膜上可看到黄黑相间水平条纹
D.从肥皂薄膜的左面观察时,在薄膜上可看到黄黑相间竖直条纹答案:A解析:肥皂薄膜前后表面的反射光在前表面发生叠加,所以在薄膜的右侧出现条纹,则应该从肥皂薄膜的右面观察。路程差(膜的厚度的两倍)是半波长的偶数倍时,振动加强,为亮条纹;路程差是半波长的奇数倍时,振动减弱,为暗条纹。所以出现亮条纹时,膜的厚度相同,则条纹水平排列。故选项A正确。
规律总结1.薄膜干涉是通过膜前后表面的反射取得相干光的。 2.薄膜厚度不同,光程差不同,从而形成了干涉条纹。
学以致用3.(多选)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的情况说明( )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处向下凹陷答案:BC
解析:P处所在的条纹是同一条纹,若为直线,则说明该处为同一水平线,线上各点对应的空气层厚度都相同,但实际上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,才能实现该处空气层厚度与下一级条纹对应的空气层厚度一样,故选项C符合题意,A不符合题意。薄膜干涉是等厚干涉,即同一条明纹处空气膜的厚度相同;从弯曲的条纹可知,Q点应该在同一条纹上,厚度相同,但现在推迟出现条纹,故知Q处空气薄膜凹陷,即N的上表面B处向上凸起,故选项B符合题意,D不符合题意。
1.在光的双缝干涉现象里,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.相邻两亮条纹或相邻两暗条纹的间距是不等的D.在双缝干涉现象里,把入射光由红光换成紫光,相邻两个亮条纹间距将变宽答案:A
解析:条纹间距与光的波长成正比,在可见光中,红光波长最长,紫光波长最短,故偏离中央亮条纹最远的是红光,选项A正确,B错误。双缝干涉现象中,相邻两亮条纹或两暗条纹是等间距的,选项C错误。红光的波长比紫光的波长长,所以换成紫光后,相邻两亮条纹间距将变窄,选项D错误。
2.(多选)一束平行光照射在双缝上,在缝后屏上得到干涉条纹,下列判断正确的是( )A.改变双缝到屏的距离,条纹间距不变B.入射光波长变短,光的强弱不变,条纹间距不变C.入射光频率变化时条纹间距跟着变化D.在水里做双缝干涉实验,同样条件下的条纹间距会变小答案:CD
解析:根据公式 ,可知改变双缝到屏的距离,即l改变,则条纹间距改变,选项A错误。根据公式可知入射光波长变短,条纹间距减小,选项B错误。入射光频率变化,则入射光波长发生变化,则间距变化,选项C正确。在水里,入射光波长比在空气中的波长小,所以条纹间距变小,选项D正确。
3.用一单色光做双缝干涉实验时,测得双缝间的距离为0.1 cm,双缝挡板与像屏间的距离为200 cm,第1条亮线中心与第6条亮线中心间的距离为0.5 cm。则该单色光的波长为( )A.1×10-6 mB.2.5×10-6 mC.1×10-7 mD.5×10-7 m答案:D
4.(多选)把一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,如图所示,这时可以看到明暗相间的条纹。下面关于条纹的说法正确的是( )A.干涉条纹的产生是光在空气劈尖膜的上下两表面反射形成的两列光波叠加的结果B.干涉条纹中的暗纹是上述两列反射光的波谷与波谷叠加的结果C.增大薄片的厚度,条纹间距变小D.观察薄膜干涉条纹时,眼睛应在入射光的另一侧答案:AC
解析:根据薄膜干涉的产生原理,题述现象是由空气膜上下表面反射的两列光叠加而成的,当波峰与波峰、波谷与波谷相遇叠加时,振动加强,形成亮条纹,故选项A正确,B错误。当增大薄片的厚度时,上面的平行玻璃板倾斜度增大,导致从左向右光程差变化快,则干涉条纹间距会变小,故选项C正确。因相干光是反射光,故观察薄膜干涉时,应在入射光的同一侧,故选项D错误。
5.(多选)某一质检部门为检测一批矿泉水的质量,利用干涉原理测定矿泉水的折射率。方法是将待测矿泉水填充到特制容器(容器可完美填充双缝与光屏之间的空间,容器壁无色透明、厚度不计)中,放置在双缝与荧光屏之间(之前为空气),如图所示,特制容器未画出,通过比对填充后的干涉条纹间距x2和填充前的干涉条纹间距x1就可以计算出该矿泉水的折射率。单缝S0、双缝中点O、屏上的P0点均位于双缝S1和S2的中垂线上,屏上P点处是填充前P0上方的第3条亮条纹(不包括P0点处的亮条纹)的中心。已知入射光在真空中的波长为λ,真空中的光速为c,双缝S1与S2之间距离为d,双缝到屏的距离为l,则下列说法正确的是( )
D.仅将单缝S0向左(保持S0在双缝的中垂线上)移动的过程中,P点处能观察到暗条纹答案:AC
目 标 素 养1.了解杨氏双缝干涉实验装置和实验现象,形成正确的物理观念。2.了解相干光源的概念及产生干涉现象的条件,形成正确的物理观念。3.能阐述干涉现象的成因及明暗条纹的位置和特点,培养科学思维能力。4.知道干涉条纹和光的波长之间的关系。5.理解薄膜干涉中的色散现象,并了解薄膜干涉的应用,培养分析解决实际问题的能力。
一、光的双缝干涉1.物理史实: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,用实验方法证实了光的波动性。2.双缝干涉:让一束平行的单色光束垂直照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,在屏上得到明暗相间的条纹。光的干涉现象表明光是一种波。
3.出现亮、暗条纹的条件:S1和S2相当于两个相干波源。(1)当两个光源与屏上某点的距离之差等于波长λ的整数倍时,两列光波在这点相互加强,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减弱,出现暗条纹。
微判断1 1.若用白光作光源,干涉条纹是明暗相间的条纹。( )2.若用单色光作光源,干涉条纹是明暗相间的条纹。( )3.在双缝干涉实验中单缝屏的作用是为了获得一个线光源。( )4.两只手电筒射出的光束在空间相遇,能观察到光的干涉现象。( )
二、干涉条纹和光的波长之间的关系干涉条纹和波长之间的关系:相邻两条亮条纹或者暗条纹的中心间距是___________,其中d为双缝的宽度,l为双缝到屏的距离,λ为单色光的波长。微思考影响相邻两条亮条纹或者暗条纹的中心间距的因素有哪些?提示:双缝的宽度越窄,双缝到屏的距离越大,单色光的波长越长,相邻两条亮条纹或者暗条纹的中心间距越大。
三、薄膜干涉1.薄膜干涉的原理:光照在厚度不同的薄膜上时,在薄膜的不同位置,前后两个面的反射光的路程差不同。在某些位置,这两列波叠加后相互加强,于是出现亮条纹;在另一些位置,两列波叠加后相互削弱,于是出现暗条纹。2.薄膜干涉在技术上的应用:可以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,还可以利用薄膜干涉的原理对镜面或其他精密的光学平面的平滑度进行检测。
微判断2 1.只有厚度不均匀的楔形薄膜,才会发生干涉现象。( )2.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。( )
一 对光的双缝干涉的理解
重难归纳1.双缝干涉的实验装置。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和振动情况完全一致的相干光。
2.双缝干涉图样的特点。(1)单色光的干涉图样:①中央为亮条纹;②明暗相间的条纹,且相邻条纹间距相等;③波长越大,两相邻亮条纹(或暗条纹)间距越大。(2)白光的干涉图样:①中央条纹为白色;②中央亮条纹两侧为彩色条纹。
3.原理:频率相同的两列光叠加时,某些区域的光相互加强,出现亮条纹;某些区域的光相互减弱,出现暗条纹,且加强区与减弱区相互间隔,即亮、暗条纹相互间隔。4.光的干涉条件。(1)两列光的频率相同;(2)两列光的振动方向相同;(3)两列光的相位差恒定或相位总相同。
5.亮条纹和暗条纹位置的确定。(1)若两列光波到屏上某点的路程差Δx为波长λ的整数倍(或半波长的偶数倍),即Δx=±nλ(n=0,1,2,…),出现亮条纹。
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,这时在屏上可看到什么现象?提示:两列光波发生干涉的条件之一是频率相等,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,但屏上仍有亮光。
典例剖析【例1】右图为双缝干涉实验装置,当使用波长为6×10-7 m的橙色光做实验时,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都是暗条纹答案:B
因为用橙光时P1与P点有相邻的亮条纹,所以n=1,用紫光时P1点是暗条纹。对P点,因为Δr=0,所以仍是亮条纹,选项B正确。
规律总结双缝干涉中亮条纹或暗条纹的判断方法1.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)的路程差与波长的比值。 2.路程差等于波长的整数倍处出现亮条纹,等于半波长奇数倍处出现暗条纹。
学以致用1.在双缝干涉实验中,光屏上某点P到双缝S1、S2的路程差为7.5×10-7 m,如果用频率为6.0×1014 Hz的单色光照射双缝,则( )A.单色光的波长是2×10-7 m,P点出现暗条纹B.单色光的波长是2×10-7 m,P点出现亮条纹C.单色光的波长是5×10-7 m,P点出现暗条纹D.单色光的波长是5×10-7 m,P点出现亮条纹答案:C
二 干涉条纹和光的波长之间的关系
重难归纳1.相邻亮条纹(暗条纹)间的距离Δx与入射光波长λ之间的定量关系推导。
如图所示,双缝间距为d,双缝到屏的距离为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的距离分别为r1、r2。在线段PS2上取一点M,使PM的长度为r1,则S2M的长度为r2-r1,因d≪l,三角形S1S2M可看作直角三角形,有r2-r1=dsin θ(令∠S2S1M=θ)。
2.单色光的干涉图样。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。中央为亮条纹,两相邻亮条纹(或暗条纹)间距离与光的波长有关,波长越大,条纹间距越大。
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。(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。
用白光做双缝干涉实验,彩纹的特点如何?提示:用白光做双缝干涉实验,从红光到紫光其波长由大到小,它们的干涉条纹间距也是从大到小。屏中央各色光都得到加强,混合成白色,但两侧因条纹间距不同而分开成彩色,而且同一级条纹内紫外红。
典例剖析【例2】如图所示的双缝干涉实验,用绿光照射单缝S时,在光屏P上观察到干涉条纹,要得到相邻条纹间距更大的干涉图样,可以( )A.增大S1与S2的间距B.减小双缝屏到光屏的距离C.将绿光换为红光D.将绿光换为紫光答案:C
解析:双缝干涉的条纹间距公式为 ,增大S1与S2的间距就是增大d,所以条纹间距变小,选项A错误;减小双缝屏到光屏的距离就是减小l,条纹间距变小,选项B错误;红光波长比绿光波长长,紫光波长比绿光波长短,所以将绿光换为红光,条纹间距增大,选项C正确,D错误。
规律总结1.白光可以分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色光,从红光到紫光波长由大到小。 2.在其他条件相同时,波长越大,干涉条纹的间距越大。
学以致用2.如图所示,由波长为λ1和λ2的单色光组成的一束复色光,经半反半透镜后分成透射光和反射光。透射光经扩束器后垂直照射到双缝上并在屏上形成干涉条纹。O是两单色光中央亮条纹的中心位置,P1和P2分别是波长为λ1和λ2的光形成的距离O点最近的亮条纹中心位置。反射光入射到三棱镜一侧面上,从另一侧面M和N位置出射,则( )
A.λ1<λ2,M是波长为λ1的光的出射位置B.λ1<λ2,N是波长为λ1的光的出射位置C.λ1>λ2,M是波长为λ1的光的出射位置D.λ1>λ2,N是波长为λ1的光的出射位置答案:D
解析:双缝干涉实验中相邻两亮纹之间的距离 ,由题图可得x1>x2,故λ1>λ2,故A、B错误;光的波长越长,频率越小,在同一分界面上折射后的偏折程度越小,故M是波长为λ2的光的出射位置,N是波长为λ1的光的出射位置,故C错误,D正确。
重难归纳1.竖放肥皂膜干涉现象。(1)白光照射图样是彩色的:竖直放置的肥皂液膜,因重力的作用,上面薄、下面厚,由于不同颜色的光波长不同,从前后两个表面反射的光,在不同的位置被加强,换句话说,不同颜色的光对应亮条纹的位置不同,不能完全重合,因此看起来是彩色的。
(2)条纹是水平方向的:因为在同一水平高度处,薄膜的厚度相同,从前后两表面的反射光的路程差均相同,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.用干涉法检查平面平整度。如图甲所示,两板之间形成一层空气膜,用单色光从上向下照射,如果被检测平面是光滑的,得到的干涉图样必是等间距的。如果被测表面某处凹下,则对应亮条纹(或暗条纹)提前出现,如图乙中P条纹所示;如果某处凸起来,则对应条纹延后出现,如图乙中Q所示。
(注:“提前”与“延后”不是指在时间上,而是指由左到右的位置顺序上)
3.增透膜。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。
一般取最小厚度d满足 (此波长为光在该种介质中的波长),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几乎没有,而其他波长的光并没有完全抵消,所以增透膜呈现淡紫色。
增透膜是怎样增加透射光的?提示:两束反射光相互抵消,反射光的能量减少,由于总的能量是守恒的,反射光的能量被削弱了,透射光的能量就必然得到增强。增透膜是通过“消反”来确保“增透”的。
典例剖析【例3】 右图为一显示薄膜干涉现象的实验装置,P是附有肥皂膜的铁丝圈,S是一点燃的酒精灯。往火焰上洒些盐后,在图示的情况下( )A.从肥皂薄膜的右面观察时,在薄膜上可看到黄黑相间水平条纹B.从肥皂薄膜的右面观察时,在薄膜上可看到黄黑相间竖直条纹C.从肥皂薄膜的左面观察时,在薄膜上可看到黄黑相间水平条纹
D.从肥皂薄膜的左面观察时,在薄膜上可看到黄黑相间竖直条纹答案:A解析:肥皂薄膜前后表面的反射光在前表面发生叠加,所以在薄膜的右侧出现条纹,则应该从肥皂薄膜的右面观察。路程差(膜的厚度的两倍)是半波长的偶数倍时,振动加强,为亮条纹;路程差是半波长的奇数倍时,振动减弱,为暗条纹。所以出现亮条纹时,膜的厚度相同,则条纹水平排列。故选项A正确。
规律总结1.薄膜干涉是通过膜前后表面的反射取得相干光的。 2.薄膜厚度不同,光程差不同,从而形成了干涉条纹。
学以致用3.(多选)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的情况说明( )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处向下凹陷答案:BC
解析:P处所在的条纹是同一条纹,若为直线,则说明该处为同一水平线,线上各点对应的空气层厚度都相同,但实际上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,才能实现该处空气层厚度与下一级条纹对应的空气层厚度一样,故选项C符合题意,A不符合题意。薄膜干涉是等厚干涉,即同一条明纹处空气膜的厚度相同;从弯曲的条纹可知,Q点应该在同一条纹上,厚度相同,但现在推迟出现条纹,故知Q处空气薄膜凹陷,即N的上表面B处向上凸起,故选项B符合题意,D不符合题意。
1.在光的双缝干涉现象里,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.相邻两亮条纹或相邻两暗条纹的间距是不等的D.在双缝干涉现象里,把入射光由红光换成紫光,相邻两个亮条纹间距将变宽答案:A
解析:条纹间距与光的波长成正比,在可见光中,红光波长最长,紫光波长最短,故偏离中央亮条纹最远的是红光,选项A正确,B错误。双缝干涉现象中,相邻两亮条纹或两暗条纹是等间距的,选项C错误。红光的波长比紫光的波长长,所以换成紫光后,相邻两亮条纹间距将变窄,选项D错误。
2.(多选)一束平行光照射在双缝上,在缝后屏上得到干涉条纹,下列判断正确的是( )A.改变双缝到屏的距离,条纹间距不变B.入射光波长变短,光的强弱不变,条纹间距不变C.入射光频率变化时条纹间距跟着变化D.在水里做双缝干涉实验,同样条件下的条纹间距会变小答案:CD
解析:根据公式 ,可知改变双缝到屏的距离,即l改变,则条纹间距改变,选项A错误。根据公式可知入射光波长变短,条纹间距减小,选项B错误。入射光频率变化,则入射光波长发生变化,则间距变化,选项C正确。在水里,入射光波长比在空气中的波长小,所以条纹间距变小,选项D正确。
3.用一单色光做双缝干涉实验时,测得双缝间的距离为0.1 cm,双缝挡板与像屏间的距离为200 cm,第1条亮线中心与第6条亮线中心间的距离为0.5 cm。则该单色光的波长为( )A.1×10-6 mB.2.5×10-6 mC.1×10-7 mD.5×10-7 m答案:D
4.(多选)把一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,如图所示,这时可以看到明暗相间的条纹。下面关于条纹的说法正确的是( )A.干涉条纹的产生是光在空气劈尖膜的上下两表面反射形成的两列光波叠加的结果B.干涉条纹中的暗纹是上述两列反射光的波谷与波谷叠加的结果C.增大薄片的厚度,条纹间距变小D.观察薄膜干涉条纹时,眼睛应在入射光的另一侧答案:AC
解析:根据薄膜干涉的产生原理,题述现象是由空气膜上下表面反射的两列光叠加而成的,当波峰与波峰、波谷与波谷相遇叠加时,振动加强,形成亮条纹,故选项A正确,B错误。当增大薄片的厚度时,上面的平行玻璃板倾斜度增大,导致从左向右光程差变化快,则干涉条纹间距会变小,故选项C正确。因相干光是反射光,故观察薄膜干涉时,应在入射光的同一侧,故选项D错误。
5.(多选)某一质检部门为检测一批矿泉水的质量,利用干涉原理测定矿泉水的折射率。方法是将待测矿泉水填充到特制容器(容器可完美填充双缝与光屏之间的空间,容器壁无色透明、厚度不计)中,放置在双缝与荧光屏之间(之前为空气),如图所示,特制容器未画出,通过比对填充后的干涉条纹间距x2和填充前的干涉条纹间距x1就可以计算出该矿泉水的折射率。单缝S0、双缝中点O、屏上的P0点均位于双缝S1和S2的中垂线上,屏上P点处是填充前P0上方的第3条亮条纹(不包括P0点处的亮条纹)的中心。已知入射光在真空中的波长为λ,真空中的光速为c,双缝S1与S2之间距离为d,双缝到屏的距离为l,则下列说法正确的是( )
D.仅将单缝S0向左(保持S0在双缝的中垂线上)移动的过程中,P点处能观察到暗条纹答案:AC
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