高中物理4 光的干涉图片课件ppt

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1.观察光的干涉现象,了解这些现象产生的条件,知道其在生产生活中的应用。2.知道薄膜干涉现象,明确薄膜干涉的条件。
1.通过实验观察认识光的干涉现象,知道从光的干涉现象说明光是一种波,知道产生干涉条纹的条件,形成正确物理观念。2.掌握光的双缝干涉现象是如何产生的,何处出现亮条纹,何处出现暗条纹,培养科学思维。3.了解薄膜干涉现象,知道薄膜干涉条纹的特点。
一、双缝干涉1.双缝干涉实验。让一束平行的单色光投射到一个有两条狭缝S1和S2的挡板上,狭缝S1和S2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,挡板后面的屏上得到明暗相间的条纹。这种现象证明光是一种波。2.干涉图样。(1)若用单色光作光源,则干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹。(2)若用白光作光源,则干涉条纹是彩色条纹,且中间条纹是白色的。
3.出现明暗条纹的条件。(1)出现亮条纹的条件:如图所示,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
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)出现暗条纹的条件: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。
k为暗条纹的级次,从第1级暗条纹开始向两侧展开。4.如果光是一种波,要观察到光的干涉现象需要满足什么条件?答案:发生干涉现象需要两列光波的频率、振动方向总是相同,相位差恒定等条件。
二、薄膜干涉1.薄膜干涉:由薄膜两个面反射的光波相遇而产生的干涉现象。2.应用(1)检查平面的平整程度。(2)光学镜头上的增透膜。3.薄膜干涉是哪两个面的光线叠加形成的?答案:薄膜的前后或上下两个面反射的光线在第一个反射面处叠加形成的。
【思考讨论】 1.判断下列说法的正误。(1)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。(　　)(2)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。(　　)(3)当双缝间距一定时,屏幕上的条纹宽度与光的颜色没有关系。(　　)(4)用白光做双缝干涉实验时,因为不同色光在不同位置加强,故出现彩色条纹。(　　)(5)用白光照射薄膜时,会出现彩色条纹。(　　)(6)薄膜干涉是通过两个表面折射的光线产生的。(　　)
2.从两只相同的手电筒射出的光,当它们在某一区域叠加后,看不到干涉图样,这是因为(　　)A.手电筒射出的光不是单色光B.干涉图样太细小看不清楚C.周围环境的光太强D.这两束光为非相干光源答案:D解析:两束光为非相干光源,不满足干涉产生的条件。
3.下图是用干涉法检查某块厚玻璃板的上表面是否平整的装置,所用单色光是用普通光源加滤光片产生的,检查中所观察到的干涉条纹是由下列哪两个表面反射的光线叠加而成的(　　)A.a的上表面和b的下表面B.a的上表面和b的上表面C.a的下表面和b的上表面D.a的下表面和b的下表面答案:C
解析:干涉法的原理是利用单色光的薄膜干涉,这里的薄膜指的是样板与待测玻璃板之间的空气层。在空气层的上表面和下表面分别反射的光会发生干涉,观察干涉后形成的条纹是否为平行直线,可以断定厚玻璃板的上表面是否平整。因此选项C正确。
右图为双缝干涉的示意图,单缝发出的单色光投射到相距很近的两条狭缝S1和S2上,狭缝就成了两个波源,发出的光向右传播。两条狭缝起什么作用?具备什么条件两狭缝发出的光才能发生干涉?
提示:光线照到两狭缝上,两狭缝成为振动情况完全相同的光源。两光源发出的光的频率相同、振动步调一致时能发生干涉。
1.双缝干涉的实验装置示意图实验装置如图所示,有光源、单缝、双缝和光屏。(1)单缝的作用:获得一个线光源,使光源有唯一的频率和振动情况。也可用激光直接照射双缝。(2)双缝的作用: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.产生干涉的条件两列光的频率相同、相位相同、振动方向相同。实验中可用“一分为二”的方法获得两个相干光源。3.分析双缝干涉中明暗条纹问题的步骤(1)由题设情况根据λ真=nλ介,求得光在真空(或空气)中的波长。(2)由屏上出现明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Δs=kλ(k=0,1,2,…)或暗条纹的判断式
4.双缝干涉图样的特点(1)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,两相邻亮纹(或暗纹)间距离与光的波长有关,波长越大,条纹间距越大。(2)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、紫光的亮纹间宽度最小,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。
【例题1】 下图是双缝干涉实验装置,使用波长为600 nm的橙色光源照射单缝S,在光屏中央P处观察到亮条纹,在位于P点上方的P1点出现第一条亮条纹中心(即P1到S1、S2的路程差为一个波长)。现换用波长为400 nm 的紫光源照射单缝,则(　　)A.P和P1仍为亮条纹B.P为亮条纹,P1为暗条纹C.P为暗条纹,P1为亮条纹D.P、P1均为暗条纹答案:B
解析:从单缝S射出的光波被S1、S2两缝分成两束相干光,由题意知屏中央P点到S1、S2距离相等,即分别由S1、S2射出的光到P点的路程差为零,因此中央是亮条纹,因此,无论入射光是什么颜色的光,波长多大,P点都是中央亮条纹。而分别由S1、S2射出的光到P1点的路程差刚好是橙光的一个波长,即|P1S1-P1S2|=600 nm=λ橙。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点时振动情况完全相反,即分别由S1、S2射出的光到达P1点时相互削弱,因此,在P1点出现暗条纹。综上所述,选项B正确。
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,要记住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,还要注意这一结论成立的条件是两个光源情况完全相同。
【变式训练1】 用一束单色光做杨氏双缝干涉实验,经双缝后光照射到光屏上,可观察到的图像是图中的(　　)
答案:D解析:单色光做双缝干涉,得到的是等宽的明、暗相间的直条纹,故D正确。
【变式训练2】 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(　　)
小朋友吹出的肥皂泡、热菜汤表面的油花、马路上积水表面的油膜,都会看到彩色的条纹,这些彩色条纹是如何形成的呢?
提示:由薄膜干涉造成的。白光照射在肥皂泡膜、油膜表面,被薄膜前、后表面反射的两列反射光叠加,形成干涉条纹。由于白光中的各色光波长不同,干涉后的条纹间距不同,薄膜上就会出现彩色条纹。
1.薄膜干涉的成因(1)如图(a)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(b)甲所示,两板之间形成一层空气膜,用单色光从上向下照射,如果被检测平面是平滑的,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(b)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(b)乙中Q所示。
(b)(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.薄膜干涉现象的应用(1)等倾法检查平面平整度原理:如图(c)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,如图(d)所示。
(2)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(e)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相互抵消,反射光几乎等于零。
一般取最小厚度d满足2d= (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互抵消。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,所以增透膜呈现淡紫色。
【例题2】 图(a)为用薄膜干涉检查某块厚玻璃板的上表面是否平整的装置。待检板的上表面平整,则当平行的单色光照射到标准板上时,可从标准板上方观察到平行的、明暗相间的干涉条纹。若观察到的条纹如图(b)所示,则说明待检板的上表面(　　)
A.有一个凸起的圆台B.有一个凹陷的圆坑C.有一个沿ab方向凸起的高台D.有一个沿ab方向凹陷的沟答案:B
解析:由薄膜干涉原理知,如果被检玻璃板表面是平整的,则干涉条纹疏密均匀,薄膜同一厚度处出现同一条纹,相邻干涉条纹的路程差等于入射光的波长。从题图(b)所示情况来看,明条纹向左弯曲,说明弯曲处路程差与该条纹上其他位置的路程差相同,因此弯曲处比原薄膜厚,即玻璃表面向下凹陷,A、C错误;如果有一个沿ab方向凹陷的沟,那么所有条纹都应向同一方向弯曲,因此D错误,B正确。
被测平面凹下或凸起的判断方法把干涉条纹看成“矮人”的行走轨迹。让一个小矮人在两板间沿着一条条纹直立行走,始终保持脚踏被测板,头顶样板,在行走过程中:若遇凹下,他必向薄膜的尖端去绕,方可按上述要求行走,即条纹某处弯向薄膜尖端,该处为一凹下;若遇一凸起,他必向薄膜的底部去绕,方可按上述要求行走,即条纹某处弯向薄膜底部,该处为一凸起。
【变式训练3】 如图(a)、(b)所示,将一块平板玻璃ABCD放置在另一平板玻璃之上,在CD下夹入两张纸片,当光竖直向下射入后,从上往下看,下列说法正确的是(　　)
A.观察到的条纹如图(c)所示B.干涉条纹由空气薄膜上下两个表面反射的光线叠加而成C.抽去一张纸片,干涉条纹变密D.更换波长较长的光,重新观察,干涉条纹变密答案:B解析:任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等,故干涉条纹如题图(d)所示,故A错误;劈尖干涉是由空气薄膜上下两个表面反射的光线叠加而成,故B正确;抽去一张纸片后,空气薄膜的厚度变化范围减小,以致干涉时的光程差的变化范围减小,故条纹数减少,条纹变疏,故C错误;同理,更换波长较长的光后,干涉时的光程差的变化范围减小,故条纹数减少,条纹变疏,故D错误。
【变式训练4】 (多选)如图所示,用单色光照射透明标准板M来检查平面N的上表面的平滑情况,观察到如图所示条纹中的P和Q情况,这说明(　　)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
解析:空气厚度从左向右依次增大,则两表面的反射光的路程差自左向右依次增大。同一条纹上的各点对应的厚度相同(类比于地理上的等高线),当条纹向左弯曲(P)说明等高线向左移动,即现在A处的高度和A处右边点的高度相同,因此高度变大,A处下凹。当条纹向右弯曲(Q),说明等高线右移,即现在B处的高度和左边点的高度相同,B处上凸。B、C正确。
1.(双缝干涉实验)在双缝干涉实验中,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.若仅将入射光由红光改为紫光,则条纹间距一定变大D.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答案:B解析:用白光做双缝干涉实验,屏上将呈现彩色条纹,A错误;用红光作为光源,屏上将呈现红色亮条纹与暗条纹(即黑条纹)相间的条纹,B正确;若仅将入射光由红光改为紫光,波长变小,条纹间距变小,C错误;红光和紫光频率不同,不能产生干涉条纹,D错误。
2.(决定条纹间距的条件)下图为双缝干涉实验中产生的条纹图样,图(a)为绿光进行实验的图样,图(b)为换用另一种单色光进行实验的图样,则以下说法正确的是(　　)
A.(b)图可能是用红光进行实验产生的条纹,表明红光波长较长B.(b)图可能是用紫光进行实验产生的条纹,表明紫光波长较长C.(b)图可能是用紫光进行实验产生的条纹,表明紫光波长较短D.(b)图可能是用红光进行实验产生的条纹,表明红光波长较短
答案:A解析:题图(b)中条纹的间距比题图(a)大,故题图(b)中光的波长较长,即比绿光的波长长。红光的波长比绿光长,紫光的波长比绿光短,A正确。
3.(决定条纹间距的条件)如图所示,用单色光做双缝干涉实验,P处为第二条暗条纹,改用频率较低的单色光重做上述实验(其他条件不变,屏足够大),则同侧第二条暗条纹的位置(　　)A.仍在P处B.在P点上方C.在P点下方D.要将屏向双缝方向移近一些才能看到
4.(亮、暗条纹的判断)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,则P点出现亮、暗条纹的情况是(　　)A.用单色光f1和f2分别照射时,均出现亮条纹B.用单色光f1和f2分别照射时,均出现暗条纹C.用单色光f1照射时出现亮条纹,用单色光f2照射时出现暗条纹D.用单色光f1照射时出现暗条纹,用单色光f2照射时出现亮条纹答案:C