高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第一册第1节 光的干涉教案配套课件ppt

这是一份高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第一册第1节 光的干涉教案配套课件ppt，共47页。PPT课件主要包含了目录索引等内容，欢迎下载使用。

基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
学以致用·随堂检测全达标
1.通过实验观察,认识光的干涉现象。(科学探究)2.理解光是一种波,干涉是波特有的性质。(物理观念)3.明确光产生干涉的条件。(科学思维)4.理解干涉的原理、干涉条纹形成的原因及特点,能够利用亮、暗条纹产生的条件解决相应的问题。(科学思维)5.理解薄膜干涉实验的原理、现象、应用。(科学思维)
一、光的干涉及其产生条件1.干涉现象两束光相遇时,如果满足一定的条件,就会产生干涉现象,在屏上出现　　　　　　的干涉条纹。 2.相干条件要使两列光波相遇时产生干涉现象,两列光波必须具有相同的　　　　和　 。 3.结论干涉是波　　　　　　的一种现象,光具有　　　　的特性。 
二、光的双缝干涉公式1.杨氏双缝干涉实验1801年,英国物理学家　　　　　　首次在实验室成功进行了光的双缝干涉实验。 2.双缝干涉实验的过程让一束平行的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。如果光是一种波,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,在屏上得到明暗相间的条纹。
3.出现亮(或暗)条纹的条件(1)亮条纹的条件如果两列光波到达某点时,路程差Δr为波长的　　　　倍,即满足Δr=　　　　(n=0,1,2,3,…)时,这两列光波互相加强,在那里就出现亮条纹。(2)暗条纹的条件如果两列光波到达某点时,路程差Δr为　　　　　　　　　的奇数倍,即满足Δr=　　　　　　(n=0,1,2,3,…)时,就出现暗条纹。 4.双缝干涉条纹间距公式在双缝干涉实验中,相邻两条亮条纹或暗条纹中心间距Δy=　　　　。式中,λ为光波的波长,d为　　　　距离,l为　　　　　的距离。 
三、薄膜干涉及其应用1.薄膜干涉由薄膜两个面　　　　的光波相遇而产生的干涉现象。 2.干涉原理竖直放置的肥皂薄膜受到重力的作用,下面厚、上面薄,因此在膜上不同位置,来自前后两个面的反射光所走的路程差不同。在某些位置,光波叠加后相互加强,于是出现亮条纹;在另一些位置,叠加后相互削弱,出现了暗条纹。3.应用举例(1)劈尖干涉是一种劈形空气薄膜干涉,可用于　　　　　　　检查; (2)在照相机、望远镜等高质量的光学仪器中,在其镜头的表面镀上透明的　　　　,用来增加透射光的能量。 
易错辨析判一判1.两只完全相同的灯泡发出的光能产生干涉现象。(　　)2.水面上的油膜在阳光照射下呈彩色是薄膜干涉的结果。(　　)3.如果两列光波到达某点时,路程差为波长的整数倍,这两列波互相加强,在那里就出现亮条纹。(　　)4.在干涉条纹中,相邻两条亮纹或暗纹之间的距离是相等的。(　　)5.薄膜干涉是通过两个表面折射的光线产生的。(　　)
不符合相干光源的条件,因此不能产生干涉现象。
即学即用练一练关于薄膜干涉,下列说法正确的是(　　)A.干涉条纹的产生是光在膜的前、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A项中所述两列反射光的波谷与波谷叠加的结果C.干涉条纹是等间距的平行线时,说明薄膜的厚度处处相等D.观察薄膜干涉条纹时,应在入射光的另一侧观察
解析 薄膜前、后两个面反射的光波的光程不同,在一些地方,波峰(波谷)与波峰(波谷)相遇,相互加强,出现亮条纹;在另一些地方,波峰(波谷)与波谷(波峰)相遇,相互削弱,出现暗条纹,故选项A正确,B错误。干涉条纹是等间距的平行线时,说明薄膜是理想的劈尖干涉,即薄膜厚度是均匀变化的,故选项C错误。人眼观察到的条纹是膜前、膜后反射光波叠加的结果,因此人应与入射光在同一侧观察,故选项D错误。
探究一　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“明”“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·杨成功地观察到了光的干涉现象,这对研究光的本性提供了什么样的帮助作用?
要点提示 光的干涉现象的发现,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|=nλ=2n· (n=0,1,2,3,…),n=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。n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|=(2n+1)· (n=0,1,2,3,…),n为暗条纹的级次,从第1级暗条纹开始向两侧展开。
闪光语录　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。
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=±nλ(n=0,1,2,…)或暗条纹的判断式Δr=±(2n+1) (n=0,1,2,…),判断出n的取值,从而判断条纹数。
针对训练1(多选)线光源a发出的光波长为480 nm,线光源b发出的光波长为672 nm,则(　　)A.用a做双缝实验,屏上与双缝距离差为s1=1.68 μm的P处将出现暗纹B.用b做双缝实验,屏上与双缝距离差为s1=1.68 μm的P处将出现亮纹C.用a做双缝实验,屏上与双缝距离差为s2=1.44 μm的Q处将出现亮纹D.用b做双缝实验,屏上与双缝距离差为s2=1.44 μm的Q处将出现亮纹
可见,用a、b两光源做双缝实验时,屏上P处到双缝的距离差都等于半波长的奇数倍,均为暗纹,故选项A正确,B错误;用a做双缝实验时,屏上Q处到双缝的距离差恰等于半波长的偶数倍,Q处应为亮纹,选项C正确;用b做双缝实验时,屏上Q处到双缝的距离差既不等于半波长的偶数倍也不等于半波长的奇数倍,选项D错误。
探究二　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Δy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y的一点P,两缝与P的距离分别为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y=ltan θ≈lsin θ 则r2-r1=d若P处为亮纹,则d =±kλ(k=0,1,2,…)解得y=±k λ(k=0,1,2,…)相邻两亮纹或暗纹的中心距Δy= 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Δy= λ知,红光波长最长,Δy最大,紫光波长最短,Δy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。闪光语录　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。
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。
针对训练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。
探究三　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成明、暗相间条纹。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。
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。
例题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。如图甲所示,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(如图乙所示),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.如果干涉条纹如图丙所示发生弯曲,就表明被测表面在此处向下凹D.如果干涉条纹如图丙所示发生弯曲,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,出现亮条纹时路程差应满足Δs=2d=nλ(n=0,1,2,…),两相邻亮条纹的路程差为一个波长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。
针对训练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。
1.两盏普通灯发出的光相遇时,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.两灯光的振动情况不同D.电灯发出的光不稳定
解析 一般情况下,两个不同的光源发出的光或同一个光源的不同部分发出的光振动情况往往是不同的,由点光源发出的光或同一列光分出的两列光其振动情况是相同的。故选C。
2.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。
3.(多选)一竖立的肥皂液薄膜的横截面如图所示,关于在竖直放置的肥皂液薄膜上产生的干涉现象,下列说法正确的是(　　)
A.干涉条纹的产生是由于光线在膜前后表面反射形成的两列光波的叠加B.用蓝光照射时产生的干涉条纹间距比黄光照射时产生的条纹间距窄C.干涉条纹间的亮纹是由于两反射光叠加减弱产生的D.此干涉条纹基本上是水平的
解析 干涉条纹是由光线在薄膜前后两表面反射形成的两列光波叠加产生的,A正确;条纹间距与光的波长成正比,由于蓝光比黄光波长短,故蓝光条纹间距窄,B正确;干涉条纹间的亮纹是两反射光叠加相互加强产生的,C错误;薄膜的干涉是等厚干涉,同一条纹厚度相同,条纹是水平的,D正确。