人教版(新教材)高中物理选择性必修一学案：4 3 光的干涉

人教版（新教材）高中物理选择性必修第一册PAGEPAGE1第3节光的干涉学习目标要求核心素养和关键能力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。2.掌握光的双缝干涉现象的产生，出现亮、暗条纹的位置。3.知道产生干涉条纹的条件，能进行干涉条纹间距的计算。4.知道薄膜干涉现象以及相关的应用。1.与机械波的干涉进行比较。2.通过干涉图样的观察，体会物理现象之美。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，开始让人们认识到光的波动性。2.双缝干涉实验(1)实验过程：让一束平行的完全相同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。(2)实验现象：在屏上得到明暗相间的条纹。(3)实验结论：光是一种波。3.干涉条件：两列光的频率相同、振动方向相同、相位差恒定。4.相干光源：发出的光能够发生干涉的两个光源。〖判一判〗(1)双缝干涉实验中，双缝的作用是产生两束相干光。(√)(2)只要两列光波的频率相同，在同一区域叠加时就会产生干涉现象。(×)(3)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。(√)二、干涉条纹和光的波长之间的关系1.出现亮条纹的条件：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|＝nλ＝2n·eq\f(λ,2)(n＝0，1，2，3…)。2.出现暗条纹的条件：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|＝(2n＋1)·eq\f(λ,2)(n＝0，1，2，3…)。3.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Δx(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Δx＝eq\f(l,d)λ。〖判一判〗(1)屏上某处到两缝的间距相等，此处为中央亮条纹。(√)(2)屏上某处到两缝的间距相差半个波长，此处为暗条纹。(√)(3)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。(√)三、薄膜干涉1.薄膜干涉中相干光的获得：光照射到薄膜上，在薄膜的前后两个面反射的光是由同一个光波分解而成的，它们具有相同的频率、振动方向及恒定的相位差。2.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，两列波相遇后相互削弱，于是出现暗条纹。〖做一做〗(2020·江苏省响水中学高二期中)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〖解析〗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，但也可能发生干涉现象，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，故A、B、C错误；薄膜干涉条纹，是两列频率相同的反射光在薄膜上出现的现象，因此观察者应和光源在液膜的同一侧，故D正确。探究1光的双缝干涉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通过单缝S后，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情况完全相同的相干光。3.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。4.光的干涉原理光的干涉现象中虽然是波峰与波峰叠加或波谷与波谷叠加出现亮条纹，波峰与波谷叠加出现暗条纹，但仍遵循能量守恒的原则。干涉现象只是光波能量的重新分配，暗条纹处光能量几乎为零，亮条纹处能量较强，存在光能量增强处并不是光的干涉产生的能量，而是按波的传播规律，到达该处的光能量比较集中，而暗条纹处基本没有光能量传到该处。〖例1〗(2020·江苏鼓楼高二期末)用双缝干涉实验装置得到红光的干涉条纹。先增加光源与单缝之间的距离，再将光源与单缝之间的红色滤光片换为绿色滤光片，下列说法正确的是()A.增加光源与单缝之间的距离后，得到的条纹间距变大B.增加光源与单缝之间的距离后，得到的条纹间距变小C.换为绿色滤光片后，得到的条纹间距变小D.换为绿色滤光片后，得到的条纹间距变大〖答案〗C〖解析〗根据Δx＝eq\f(l,d)λ可知，增加光源与单缝之间的距离后，得到的条纹间距不变，选项A、B错误；换为绿色滤光片后，波长变短，则得到的条纹间距变小，选项C正确，D错误。〖针对训练1〗(2021·枣庄市三中高二月考)在双缝干涉实验中，图甲是用绿光进行实验时，屏上观察到的条纹情况，a处为中央亮条纹，图乙是用同一实验装置只是换用另一种颜色的单色光进行实验时，屏上观察到的条纹情况，a处仍为中央亮条纹，则以下说法中正确的是()A.图乙可能是用红光实验产生的条纹，表明红光波长较长B.图乙可能是用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较长C.图乙可能是用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较短D.图乙可能是用红光实验产生的条纹，表明红光波长较短〖答案〗A〖解析〗在同一实验装置下，l、d相同，由Δx＝eq\f(l,d)λ可知，相邻两条亮条纹(或暗条纹)之间的距离Δx与λ成正比。由题意知乙中条纹间距大于甲中条纹间距，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。探究2条纹间距与波长的关系1.条纹间距与波长的关系：Δx＝eq\f(l,d)λ。2.亮、暗条纹的判断如图所示，设屏上的一点P到双缝的距离分别为r1和r2，路程差Δr＝r2－r1。(1)若满足路程差为波长的整数倍，即Δr＝kλ(其中k＝0，1，2，3，…)，则P处出现亮条纹。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)若满足路程差为半波长的奇数倍，即Δr＝(2k＋1)eq\f(λ,2)(其中k＝0，1，2，3，…)，则P处出现暗条纹，k为暗条纹的级次，从第1级暗条纹开始向两侧展开。〖例2〗(2021·河北新乐市一中高二月考)如图所示，在双缝干涉实验中，S1、S2为双缝，P是光屏上的一点，已知P到S1、S2的距离之差为2.1μm，现分别用A、B两束单色光在空气中做双缝干涉实验。(1)若A光在折射率为n＝1.5的介质中波长为4×10－7m，则P点是亮条纹还是暗条纹；(2)若B光在某介质中的波长为3.15×10－7m，当B光从这种介质射向空气时，临界角为37°，则P点是亮条纹还是暗条纹。〖答案〗(1)暗条纹(2)亮条纹〖解析〗(1)由于光从一种介质进入另一种介质中频率不变，故λA＝nλ1＝6×10－7m根据PS1－PS2＝kλA求得k＝3.5于是P点出现暗条纹。(2)对B光由临界角为37°可知n1＝eq\f(sin90°,sin37°)＝eq\f(5,3)故λB＝n1λ2＝5.25×10－7m根据PS1－PS2＝k1λB求得k1＝4于是P点出现亮条纹。〖针对训练2〗(2021·1月福建省新高考适应性考试，2)在图示的双缝干涉实验中，光源S到缝S1、S2距离相等，P0为S1S2连线中垂线与光屏的交点。用波长为400nm的光实验时，光屏中央P0处呈现中央亮条纹(记为第0条亮条纹)，P处呈现第3条亮条纹。当改用波长为600nm的光实验时，P处将呈现()A.第2条亮条纹 B.第3条亮条纹C.第2条暗条纹 D.第3条暗条纹〖答案〗A〖解析〗根据双缝干涉出现亮条纹的条件为光程差是波长的整数倍，有Δr＝nλ＝3×400nm＝1200nm，又Δr＝n′λ′，λ′＝600nm，则n′＝2，故A正确。探究3薄膜干涉〖例3〗(多选)(2020·福建福州一中高二期末)利用薄膜干涉的原理可以检查平面的平整度和制成镜头增透膜。图1中，让单色光从上方射入，这时从上方看可以看到明暗相间的条纹，下列说法正确的是()A.图1中将薄片向着劈尖方向移动使劈角变大时，条纹变疏B.图1中将样板微微平行上移，条纹疏密不变C.在图1中如果看到的条纹如图2所示，说明被检平面在此处是凹下D.图3中镀了增透膜的镜头看起来是有颜色的，那是增透了这种颜色的光的缘故〖答案〗BC〖解析〗当将薄片向着劈尖方向移动使劈角变大时，相邻亮条纹间距变小，所以干涉条纹会变密；故A错误；将样板平行上移，导致原来满足亮条纹光程差的间距向劈尖移动，因此出现条纹向着劈尖移动，但条纹疏密不变，故B正确；从弯曲的条纹可知，此处检查平面左边处的空气膜厚度与右面的空气膜厚度相同，知此处凹陷，故C正确；照相机、望远镜的镜头表面镀了一层透光的膜，可以增大某种光的透射强度，这种膜称为增透膜，这是利用了光的干涉现象，同时镀膜镜头看起来是有颜色的是因该种颜色的光没有增透造成的，故D错误。〖针对训练3〗(多选)(2020·中国地质大学附中高二期末)如图所示是一竖立的肥皂液薄膜的横截面，关于在竖直放置的肥皂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、后表面反射的两列光波的叠加B.用蓝光照射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.薄膜上干涉条纹基本上是水平的〖答案〗ABD〖解析〗由于重力的作用，肥皂膜形成了上薄下厚的薄膜，干涉条纹的产生是由于光线在薄膜前、后两表面反射的两列光波的叠加，故A正确；条纹间距与光的波长成正比，由于蓝光波长短，故蓝光条纹间距窄，故B正确；干涉条纹间的亮纹是由于两反射光叠加增强产生的，故C错误；薄膜的干涉是等厚干涉，同一条纹对应薄膜的厚度相同，故条纹是水平的，故D正确。1.(光的双缝干涉)(多选)(2020·海原县一中高二期末)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，光强不变，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Δx＝eq\f(l,d)λ，可知改变双缝到屏的距离，即l改变，则条纹间距改变，入射光波长变短，条纹间距减小，A、B错误；入射光频率变化，则入射光波长发生变化，则间距跟着变化，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，D正确。2.(光的双缝干涉)(多选)(2020·江苏盐城中学高二期中)某同学用单色光进行双缝干涉实验，在屏上观察到甲图所示的条纹，仅改变一个实验条件后，观察到的条纹乙图所示。他改变的实验条件可能是()A.仅增大双缝之间的距离B.仅减小双缝之间的距离C.仅减小双缝到光屏之间的距离D.仅增大双缝到光屏之间的距离〖答案〗AC〖解析〗乙图中条纹的间距比甲图小，根据双缝干涉的条纹间距公式Δx＝eq\f(l,d)λ知，乙图中可能是光的波长较小，也可能缝与屏间距减小，也可能双缝间距变大。故A、C正确，B、D错误。3.(条纹间距与波长的关系)(2020·山东烟台高二期末)在双缝干涉实验中，用波长为5×10－7m的黄光照射双缝。已知两缝间的间距为0.3mm，双缝到光屏的距离为1.2m，光屏上P点到双缝S1和S2的路程差为7.5×10－7m，则下列说法中正确的是()A.P点出现的是亮条纹，相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为2mmB.P点出现的是暗条纹，相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为2mmC.P点出现的是亮条纹，相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为4mmD.P点出现的是暗条纹，相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为4mm〖答案〗B〖解析〗光屏上P点到双缝S1和S2的路程差为7.5×10－7m，黄光的波长为5×10－7m，则n＝eq\f(Δr,\f(λ,2))＝3，为奇数，在P点出现暗条纹，相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为Δx＝eq\f(l,d)λ＝eq\f(1.2m,0.0003m)×5×10－7m＝2×10－3m，B正确，A、C、D错误。4.(薄膜干涉)(2020·枣庄市三中高二月考)如图所示，把一个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