鲁科版 (2019)选择性必修 第一册第1节 光的干涉教课ppt课件

这是一份鲁科版 (2019)选择性必修 第一册第1节 光的干涉教课ppt课件，共57页。PPT课件主要包含了振动方向，相干光源，托马斯·杨，杨氏双缝干涉，平整程度，增透膜，关键能力·素养形成，课堂回眸，课堂检测·素养达标等内容，欢迎下载使用。
一、光的干涉及其产生条件【思考】 从两只相同的手电筒射出的光,当它们在某一区域叠加后,能不能看到干涉图样?为什么?提示:不能,虽然是两只相同的手电筒,但它们发出的光频率仍然不同。不满足干涉产生的条件,看不到干涉图样。
1.光的干涉:两束光相遇时,如果满足一定的条件,也会产生干涉现象,在屏上出现_____相间的干涉条纹。干涉是波特有的一种现象,光具有波的特性,也是一种波。2.光的相干条件:频率相同、_________相同和相位差恒定。符合这三个条件的光源就被称为_________。3.史实:1801年,英国物理学家___________首次在实验室成功进行了光的干涉实验,即著名的_____________实验。
二、光的双缝干涉公式【思考】 若用白光作光源,双缝干涉图样中中央亮纹是什么颜色?提示:白色。
1.亮暗条纹的条件:如图所示,如果两列光波到达某点时,路程差为波长的_____倍,在那里就出现亮条纹;如果两列光波到达某点时,路程差为半波长的_____倍,在那里就出现暗条纹。 2.条纹间的距离:在双缝干涉实验中,相邻两条亮条纹或暗条纹间的距离Δy= λ。
三、薄膜干涉及其应用1.薄膜干涉:由薄膜两个面反射的光波相遇而产生的_____现象。2.应用:(1)检查平面的_________;(2)光学镜头上的_______。
一　干涉图样的特点和产生原理1.屏上某处出现亮暗条纹的原理和条件:(1)原理:频率相同的两列波在同一点引起的振动的叠加。如亮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;暗纹处振动步调总相反。
(2)产生亮暗条纹的条件。①亮条纹的条件:屏上某点P到两缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半个波长的偶数倍。即|PS1-PS2|=kλ=2k· (k=0,1,2,3…)②暗条纹的条件:屏上某点P到两缝S1和S2的路程差正好是半个波长的奇数倍,即|PS1-PS2|=(2k+1) (k=0,1,2,3…)
2.干涉图样中条纹间距的计算:在双缝间的距离d和双缝到光屏间的距离l不变的条件下,单色光产生的干涉条纹间距Δy(相邻两条亮条纹中心或相邻两条暗条纹中心间的距离)跟光的波长λ成正比,即Δy= λ。
3.干涉图样的特点:(1)单色光的干涉图样特点:中央为亮条纹,两边是明、暗相间的条纹,且相邻亮条纹与亮条纹中心间、相邻暗条纹与暗条纹中心间的距离相等。 (2)白光的干涉图样:若用白光做实验,则中央亮条纹为白色,两侧出现彩色条纹。彩色条纹显示了不同颜色光的干涉条纹间距是不同的。
【特别提醒】(1)从时间的关系上,屏上某处出现亮暗条纹的条件:①亮条纹:Δt=nT(n=0,1,2,3…)②暗条纹:Δt=(2n+1)· (n=0,1,2,3…)式中Δt表示两列光波到同一点的时间差,T= 为光波的周期。(2)双缝干涉实验中的双缝必须很窄,且双缝间的距离必须很小。
【思考·讨论】　如图所示是双缝干涉实验的示意图。(1)单缝的作用是什么?(物理观念)(2)双缝的作用是什么?(物理观念)
提示:(1)用同一极小部分光源产生的光形成点光源,最大限度地保证光的相干性。(2)平行光照射到单缝S上后,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。
【典例示范】如图所示,在双缝干涉实验中,若用λ1=5×10-7 m的光照射,屏上O点是中央亮条纹,屏上A点为第二级亮条纹所在处。若换用λ2=4×10-7 m的光照射时,屏上O点处是什么情况?屏上A点处又是什么情况?
【解题探究】(1)双缝干涉实验中亮条纹间距满足什么条件?提示:亮条纹的条件:屏上某点A到两缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半个波长的偶数倍。即 =kλ=2k· (k=0,1,2,3…)。
(2)双缝干涉实验中暗条纹间距满足什么条件?提示:暗条纹的条件:屏上某点A到两缝S1和S2的路程差正好是半个波长的奇数倍,即
【解析】从双缝到屏上O点的距离之差,无论用何种频率的光照射,路程差总是零.所以O点仍然是亮条纹;从双缝到屏上A点的路程差:d=S2A-S1A,用波长为λ1的光照射时为第二级亮条纹,即d=2λ1,代入数据得d=2×5×10-7 m=10×10-7 m,这个路程差10×10-7 m是λ2=4×10-7 m的2.5倍,即为半波长的奇数倍,A处为暗条纹,
由于d= 解得k=2,当k=0时为第一级暗条纹,所以当k=2时应为第三级暗条纹。答案:亮条纹　第三级暗条纹
【规律方法】判断干涉条纹亮暗的方法(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(光程差)与波长的比值。(2)路程差等于波长整数倍处出现亮条纹,等于半波长奇数倍处出现暗条纹。(3)上述结论成立的条件:两光源为相干光源,即两光源频率相等、振动方向一致、相位差恒定。
【素养训练】1.用双缝干涉实验装置得到白光的干涉条纹,在光源与单缝之间加上红色滤光片后(　　)A.干涉条纹消失B.彩色条纹中的红色条纹消失C.中央条纹变成暗条纹D.中央条纹变成红色
【解析】选D。当用白光做干涉实验时,频率相同的色光,相互叠加干涉,在光屏上形成彩色条纹,中央形成白色的亮条纹;当在光源与单缝之间加上红色滤光片后,只有红光能通过单缝,然后通过双缝后相互叠加干涉,在光屏上形成红色干涉条纹,光屏中央为加强点,所以中央条纹变成红色亮条纹,故D正确,A、B、C错误。
2.如图所示是研究光的双缝干涉的示意图,挡板上有两条狭缝S1、S2,由S1和S2发出的两列波到达屏上时会产生干涉条纹。已知入射激光的波长为λ,屏上的P点到两缝S1和S2的距离相等,如果把P处的亮条纹记作第0号亮条纹,由P向上数,与0号亮条纹相邻的亮条纹为1号亮条纹,与1号亮条纹相邻的亮条纹为2号亮条纹,则P1处的亮条纹恰好是10号亮条纹。设直线S1P1的长度为r1,S2P1的长度为r2,则r2-r1等于(　　)A.9.5λ　　　　B.10λ　　　　C.10.5λ　　　　D.20λ
【解析】选B。由题设可知,从中央亮条纹P算起,P1点处是第10号亮条纹的位置,表明缝S1、S2到P1处的距离差r2-r1为波长的整数倍,且刚好是10个波长,所以选项B正确。
【补偿训练】　　1.在双缝干涉实验中,一钠灯发出的波长为589 nm的光,在距双缝1.00 m的屏上形成干涉图样。图样上相邻两明纹中心间距为0.350 cm,则双缝的间距为(　　)×10-7m 　　　　　　×10-×10-4m ×10-3m
【解析】选C。由Δy= 可得:d= = ×589×10-9m=1.68×10-4m,所以选项C正确。
2.在双缝干涉实验中,分别用红色和绿色的激光照射同一双缝,在双缝后的屏幕上,红光的干涉条纹间距Δx1与绿光的干涉条纹间距Δx2相比,Δx1______(选填“>”“　0.300
二　薄膜干涉及其应用1.薄膜干涉的成因:(1)如图所示,竖直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用,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,在某些位置,这两列波叠加后互相加强,出现亮条纹;在另一些地方,叠加后互相削弱,出现暗条纹。
(2)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)当光程差等于该光在薄膜中波长的整数倍时,两列反射光叠加会加强。当光程差等于半波长的奇数倍时,两列光叠加会互相减弱。
2.薄膜干涉的特点: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.薄膜干涉的应用:(1)在光学仪器中,为了减少光在光学元件(透镜、棱镜)表面的反射损失,可用薄膜干涉相消来减少反射光。如照相机、测距仪、潜望镜上用的光学元件表面为了减少光的反射损失都镀上了介质薄膜(氟化镁),使薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的 ,这样反射回来的两列光波经过的路程差恰好等于半个波长,它们干涉后就相互抵消。
(2)这一薄膜减少了光学元件表面反射造成的光能损失,增强了透射光的能量,故称之为增透膜。而入射光一般是白光,增透膜不可能使所有的单色光干涉相消,由于人眼对绿光最敏感,一般增透膜的厚度做到使绿光垂直入射时完全抵消,这时红光和紫光没有显著削弱,所以有增透膜的光学镜头呈淡紫色。
【思考·讨论】　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。如图所示,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?(科学探究) 提示:像上出现明暗相间的条纹。
【典例示范】　为了减少玻璃表面光的反射损失,在玻璃表面涂上一层折射率n=1.25的增透膜。设入射光在真空中的波长λ0=700 nm,为使这种波长的反射光能最大限度地被减弱,所涂薄膜的最小厚度应是多少?
【解析】为了使玻璃表面的反射光最大限度地被减弱,要求在玻璃表面所涂的增透膜的厚度,恰好满足从薄膜前后两个表面反射的光干涉相消,但薄膜的厚度不宜过大,其最小厚度应为光在薄膜中波长的 。设该光在真空中的波长为λ0,频率为ν0,则n= 增透膜的最小厚度d= λ=1.4×10-7 m=140 nm答案:140 nm
【素养训练】1.关于薄膜干涉,下列说法中正确的是(　　)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,观察者应和光源在液膜的同一侧
【解析】选D。当光从薄膜的一侧照射到薄膜上时,只要前后两个面反射回来的光波的路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。这种情况在薄膜厚度不均匀时才会出现;当薄膜厚度均匀时,不会出现干涉条纹,但也发生干涉现象,如果是单色光照射,若满足振动加强的条件,整个薄膜前方都是亮的,否则整个薄膜的前方都是暗的;如果是复色光照射,某些颜色的光因干涉而减弱,另一些颜色的光会因干涉而加强,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呈某种单色光的颜色,但不形成干涉条纹,故A、B、C错误;观察薄膜干涉条纹时,是观察两列频率相同的反射光在薄膜上出现的现象,因此在入射光的同一侧,故D正确。
2.一个半径较大的透明玻璃球体,截取其下面的一部分,然后将这一部分放到标准的水平面上,现让单色光竖直射向截面,如图所示,在反射光中看到的是(　　)A.平行的明暗相间的直干涉条纹B.环形的明暗相间的干涉条纹C.只能看到同颜色的平行反射光D.一片黑暗
【解析】选B。玻璃球体的下表面和水平面的反射光是两束相干光,频率相同,发生干涉现象,干涉条纹是亮暗相间的同心圆环,称为“牛顿环”,且越往外侧空气薄膜的厚度变化越快,则圆环间距越小。所以选B。
【补偿训练】　　1.光热转换是将太阳能转换成其他物质内能的过程,太阳能热水器就是一种光热转换装置,它的主要转换器件是真空玻璃管,这些玻璃管将太阳能转换成水的内能。如图所示,真空玻璃管上采用镀膜技术增加透射光,使尽可能多的太阳能转换成热能,这种镀膜技术的物理依据是(　　)A.光的直线传播　　　　　　　　B.光的粒子性C.光的干涉D.光的衍射
【解析】选C。真空玻璃管上采用镀膜技术,利用的是从镀膜前后表面反射回的相干光相互叠加,增加透射光的强度,该技术运用了光的薄膜干涉原理,故选C。
2.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,然后亮度逐渐减弱至最暗;当温度升到t2时,亮度再一次回到最亮,则(　　)
A.出现最亮时,B上表面反射光与A上表面反射光叠加后加强B.出现最亮时,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
【解析】选D。B下表面反射光与A上表面反射光叠加后加强,出现亮条纹,故A、B均错;当亮度由最亮逐渐减弱至最暗,再一次回到最亮时,相互干涉的光程差减小一个波长,故空气膜的厚度减小 ,即A的高度增加 ,D项正确,C项错误。
【拓展例题】考查内容:光的干涉　【典例】如图所示为双缝干涉实验中产生的条纹图样,甲图为绿光进行实验的图样,a为中央亮条纹,乙为换用另一种单色光进行实验的图样,a′为中央亮条纹,则以下说法中正确的是(　　)A.乙图可能是用红光实验产生的条纹,表明红光波长较长B.乙图可能是用紫光实验产生的条纹,表明紫光波长较长C.乙图可能是用紫光实验产生的条纹,表明紫光波长较短D.乙图可能是用红光实验产生的条纹,表明红光波长较短
【解析】选A。在同一实验装置下,l、d相同,由Δy= λ可知,相邻两条亮条纹(或暗条纹)之间的距离Δy与λ成正比。由题意知乙中a′宽度大于甲中a宽度,所以乙图所用光的波长要长,而对于可见光红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫,波长依次变短,由此可知可能是红光而不是紫光。故A选项正确。
1.能产生干涉现象的两束光是(　　)A.频率相同、振幅相同的两束光B.频率相同、相位差恒定的两束光C.两只完全相同的灯泡发出的光D.同一光源的两个发光部分发出的光
【解析】选B。由产生干涉的条件,可知A项错误,B项正确;即使是同一光源的两个部分发出的光,由于相位差随时间不同而改变,所以也不会发生干涉(激光光源除外);通常把一束光一分为二来获得相干光源,故D项错误;对于C选项,也可以以日光灯为例来说明,日光灯下没有干涉现象的出现,说明不符合干涉条件。
2.如图甲所示是用干涉法检查厚玻璃板b的上表面是否平整的装置, a是标准样板。图乙所示干涉条纹,是两个表面反射光的叠加而形成的,这两个表面是(　　)A.a的上表面、b的下表面B.a的上表面、b的上表面C.a的下表面、b的上表面D.a的下表面、b的下表面
【解析】选C。要检查玻璃板上表面是否平整,所以干涉形成的条纹是a板的下表面和b板的上表面的反射光干涉产生的。具体为:当两反射光的路程差(即膜厚度的2倍)是半波长的偶数倍,出现明条纹,是半波长的奇数倍,出现暗条纹,若条纹是直的则板平整,若条纹发生弯曲,则玻璃板不平整。所以选C。
【总结提升】(1)在明条纹处薄膜厚度等于半波长的整数倍,并且在同一明条纹处薄膜厚度相等。(2)对应亮(或暗)条纹在某处提前出现,则被测表面在该处凹下;对应亮(或暗)条纹在某处延后出现,则被测表面在该处是凸起。
3.有种灯具俗称“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,从而被广泛应用。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(如氟化镁),该膜能消除不镀膜时表面反射回来的热效应最显著的红外线,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(不计半波损失)(　　)
【解析】选B。因为薄膜的厚度为波长的 ,增透膜两个界面上的反射光相干涉后互相抵消,减少了反射光中的红外线,从而减少了反射光的能量,故: (2n+1)=2d (其中n=0、1、2、3…)解得:d=(2n+1) (其中n=0、1、2、3…),故厚度d的最小值为 ,故A、C、D错误,B正确。
4.用氦氖激光器发出的红外线进行双缝干涉实验,已知使用的双缝间距d=0.1 mm,双缝到屏的距离L=6 m,测得屏上干涉条纹中亮条纹的间距离是3.8 cm。(1)氦氖激光器发出的红光波长λ是多少?(2)如果把整个装置放入折射率是 的水中,这时屏上的条纹间距是多少?
【解析】(1)根据Δy= λ,红光的波长为:λ= ×3.8×10-2 m=6.3×10-7 m