4.3光的干涉（导学案）（教师版）

第3节光的干涉导学案【学习目标】1.了解相干光源，知道光的干涉条件，知道杨氏干涉实验的设计原理。2.通过光的双缝干涉实验，认识双缝干涉图样的特征。3.知道光的路程差的概念，知道产生明暗条纹的条件和相邻两个亮(暗)条纹中心间距与波长的关系。4.知道薄膜干涉的原理并能解释一些现象。【学习重难点】1.教学重点：光的干涉的概念及表达式、光的干涉的条件、光的干涉的应用；2.教学难点：光的干涉的条件、光的干涉的应用。【知识回顾】波的干涉(1)定义频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两列波叠加时，某些区域的振动总是加强，某些区域的振动总是减弱的现象。(2)稳定干涉条件①两列波的频率必须相同。②两个波源的相位差必须保持不变。(3)一切波都能够发生干涉，干涉是波特有的现象。【自主预习】光的双缝干涉1．杨氏双缝干涉实验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，即杨氏双缝干涉实验，实验证明光是一种波。2．双缝干涉(1)实验装置(说明：屏在挡板右侧，没有画出)(2)实验过程：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，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。(3)实验现象：在屏上得到明暗相间的条纹。(4)产生明暗条纹的条件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eq\f(λ,2)的奇数倍时，两列光波在这点相互减弱，出现暗条纹。3．相邻两条亮条纹或暗条纹的中心间距Δx＝eq\f(l,d)λ。薄膜干涉1．定义：薄膜前后两个面的反射光相互叠加，发生的干涉。2．形成原因不同位置的液膜，厚度不同，来自前后两个面的反射光的路程差不同。(1)某些地方，两列波叠加后互相加强，出现亮条纹；(2)在另一些位置，两列波叠加后相互削弱，出现暗条纹。3．彩色条纹形成原因由于不同颜色的光的波长不同，薄膜上不同颜色光的条纹的明暗位置也不同，相互交错，看上去会有彩色条纹。4．应用(1)在光学元件的表面镀一层特定厚度的薄膜，增加光的透射或反射。(2)检测镜面或其他精密的光学平面的平滑度。【课堂探究】【新课导入】肥皂膜看起来常常是彩色的，雨后公路积水上面漂浮的油膜，也经常显现出彩色条纹。这些彩色条纹或图样是怎样形成的？学生写下自己的猜想两列频率相同的水波(相干波)相遇时,在某些区域振动加强,而在某些区域振动减弱;且振动加强的区域与振动减弱的区域相互间隔。这种现象叫波的干涉。干涉现象是波动独有的特征，光是一种电磁波，那么光也应该能发生干涉现象。怎样才能观察光的干涉现象呢？学生写出自己的猜想【新课教学】任务一、光的双缝干涉（一）问题与思考光要发生干涉现象需要满足什么条件？频率和振动情况一致相干光源有没有什么方法可以获得相干光—频率相同的光呢？学生写出自己的设计并与其他同学交流。托马斯·杨的设计光的双缝干涉实验现象分析：一束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，这两个光源发出的光在挡板后面的空间互相叠加。振动加强的地方出现亮条纹，振动减弱的地方出现暗条纹。什么时候出现亮条纹，什么时候又出现暗条纹呢？实验现象解读——亮纹由于从S1S2发出的光是振动情况完全相同，又经过相同的路程到达P点，其中一条光传来的是波峰，另一条传来的也一定是波峰，其中一条光传来的是波谷，另一条传来的也一定是波谷，确信在P点激起的振动总是波峰与波峰相遇或波谷与波谷相遇，振幅A＝A1+A2为最大，P点总是振动加强的地方，故应出现亮纹，这一条亮纹叫中央亮纹。取P点上方的点P1，从S1S2发出的光到P1点的光程差就不同，若这个光程差正好等于波长的整数倍，比如δ=S1－S2=λ，出现第一条亮纹。屏上P1点的上方还可以找到δ=S1－S2＝4λ的P2点，δ=S1－S2＝5λ的P3点……等处的第四条、第五条……亮纹；在中央明纹P的下方可找到δ=S1－S2＝λ的P1/点，δ=S1－S2＝2λ的P2/点，δ=S1－S2＝3λ的P3/点等处与中央明纹为对称的第一、第二、第三…，第n条亮纹。由此可以得出出现亮条纹的规律是什么？亮纹规律：，n=0、1、2、3……光程差是半波长的的偶数倍或波长的整数倍时出现亮条纹。实验现象解读——暗纹取P点上方的点Q1，与两个狭缝S1、S2路程差δ=S1－S2＝λ/2，其中一条光传来的是波峰，另一条传来的就是波谷，其中一条光传来的是波谷，另一条传来的一定是波峰，Q1点激起的振动总是波峰与波谷相遇，振幅最小，Q1点总是振动减弱的地方，故应出现暗纹。屏上Q1点的上方还可以找到δ=S1－S2＝3λ/2的Q2点出现第二条暗纹。同样可以找到第三条暗纹Q3……，在中央明纹下方也可以找到对称的Q1/、Q2/、Q3/……等暗纹。由此可以得出出现暗条纹的规律是什么？暗纹：，n=0、1、2、3……光程差是半波长的的奇数倍时出现暗条纹。任务二、干涉条纹和光的波长之间的关系（一）亮（暗）纹间距的公式推导如图所示，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P。对屏上与P距离为x的一点P1，两缝与P1的距离P1S1＝r1，P1S2＝r2。相邻两个明(或暗)条纹之间的距离为与波长有什么关系？在线段P1S2上作P1M＝P1S1，则S2M＝r2－r1，有：r2－r1＝dsinθ(令∠S2S1M＝θ)①另：x＝ltanθ≈lsinθ②当两列波的路程差为波长的整数倍，即时才会出现亮条纹，亮条纹位置为：相邻两个明(或暗)条纹之间的距离为相邻两个明(或暗)条纹之间的距离为干涉条纹和光的波长之间的关系双缝干涉亮（暗）纹间距的公式，1.相邻明（暗）纹间的距离大小的影响因素：（1）波长λ:波长越大，相邻的亮纹间距越大（2）双缝之间的距离d:d越小，相邻的亮纹间距越大（3）双缝与屏间的距离l:L越大，相邻的亮纹间距越大2、不同单色光干涉条纹宽度：不同单色光干涉条纹宽度大小规律是怎样的？（1）相同介质中，不同的光波长不同：λ红>λ橙>λ黄>λ绿>λ青>λ蓝>λ紫（2）相同双缝干涉装置，不同的光条纹间距不同：Δx红>Δx橙>Δx黄>Δx绿>Δx青>Δx蓝>Δx紫3.白光的干涉图样特点：白光的干涉图会是什么样的？（1）明暗相间的彩色条纹；（2）中央为白色亮条纹；（3）干涉条纹是以中央亮纹为对称点排列的；（4）在每条彩色亮纹中红光总是在外侧，紫光在内侧。任务三、薄膜干涉观察与思考观察实验：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？请解析看到的现象。现象：观察到灯焰的像出现了明暗相间的干涉条纹。该条纹是怎样形成的？该条纹是由液膜前后两个面反射的光相互叠加发生干涉形成的。（二）薄膜干涉薄膜干涉成因由于重力的作用，肥皂薄膜将形成上薄下厚的楔形。光从薄膜的前后两个表面反射出来两个光波，这两列光波的频率相同，产生干涉。（三）薄膜干涉的应用1.检查表面的平整程度如果被检表面是平的，产生的干涉条纹就是平行的,如图（b）所示；如果观察到的干涉条纹如图（c）所示，则表示被检测表面微有凸起或凹下，这些凸起或凹下的地方的干涉条纹就弯曲。从弯曲的程度就可以了解被测表面的平整情况。这种测量精度可达106cm。2.增透膜因为人眼对绿光最敏感，所以一般增强绿光的透射，即薄膜的厚度是绿光在薄膜中波长的1/4。由于其它色光不能被有效透射，故反射较强，这样的镜头呈淡紫色。在透镜或棱镜的表面上涂上一层薄膜(一般用氟化镁)。当薄膜的厚度适当时，在薄膜的两个表面上反射路程差恰好等于半个波长，因而互相抵消，这就大大减小光的反射损失，增强了透射光的强度，这种薄膜叫增透膜。3.牛顿环将一块半径很大的平凸透镜与一块平板玻璃叠放在一起，二者之间便形成类似劈尖形的空气层。用单色平行光垂直照射，在空气层上表面两束反射光干涉，产生的干涉条纹称牛顿环【自我测评】1．关于杨氏双缝干涉实验，下列说法中错误的是()A．单色光通过小孔后射向两个靠得很近的狭缝可作为振动情况总是相同的波源B．两波源发出的光波在波谷与波谷叠加的地方，光相互抵消或者削弱，屏上出现暗条纹C．两个波源发出的光波在波峰与波峰叠加的地方，光相互加强，屏上出现亮条纹D．两波源发出的光波在波峰与波谷叠加的地方，光相互抵消或削弱，屏上出现暗条纹【答案】B【解析】在杨氏双缝干涉实验中，两个狭缝的光源来自同一光源，频率、相位和振动方向均相同，具备干涉条件，所以通过两个狭缝的光在屏上叠加，在波峰和波峰叠加的地方以及波谷和波谷叠加的地方，光相互加强，屏上出现亮条纹，在波峰和波谷叠加的地方，光相互抵消或削弱，形成暗条纹，B错误，A、C、D正确。2．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【答案】D【详解】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。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。故D项正确。3．在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏上观察到彩色干涉条纹，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)，这时()A．只有红色和绿色的干涉条纹，其他颜色的双缝干涉条纹消失B．红色和绿色的干涉条纹消失，其他颜色的干涉条纹仍然存在C．任何颜色的干涉条纹都不存在，但屏上仍有亮光D．屏上无任何亮光【答案】C【详解】由于两条缝上放了红色滤光片和绿色滤光片，其他颜色的光没有到达屏，不会有其他色光的干涉，而红光和绿光频率不同，也不能发生干涉，但屏上有红光和绿光出现，故选项C正确，选项A、B、D均错误。4．某同学希望在暗室中用如图实验装置观察光现象：平面镜水平放置，单色线光源S垂直于纸面放置，S发出的光有一部分直接入射到竖直放置的光屏上，一部分通过平面镜反射后再到光屏上，则()A．光现象为干涉现象，光屏上的条纹与镜面垂直B．光现象为衍射现象，光屏上的条纹与