高中物理-选择性必修1-第四章-3-光的干涉

3光的干涉1.了解杨氏双缝干涉实验装置和实验现象,了解相干光源的概念及产生干涉现象的

条件。2.能阐述干涉现象的成因及明暗条纹的位置特点。3.知道双缝干涉条纹间距和光的波长之间的关系。4.通过实验和观察,了解薄膜干涉现象及其应用。1.史实1801年,英国物理学家①

托马斯·杨

成功地观察到了光的干涉现象,证明了光的

确是一种②

波

。1|光的双缝干涉 2.实验如图所示,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③

波源

,它们的振动情况总是④

相同

的,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。3.现象在挡板后面的屏上得到了⑤

明暗相间

的条纹。4.决定明暗条纹的条件当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的⑥

偶数

倍时(即恰好等于波

长的整数倍时),两列光波在这点相互加强,这里出现亮条纹;当两个光源与屏上某

点的距离之差等于半波长的⑦

奇数

倍时,两列光波在这点相互削弱,这里出现

暗条纹。5.光发生干涉的条件两列光波的光源的⑧

频率

相同,相位差恒定,在同一方向上振动。发生双缝干涉时,相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距是Δx=⑨

λ

,其中l

为⑩

双缝到屏

的距离,d为

两缝中心之间

的距离,λ为

入射光

的波长。2|干涉条纹和光的波长之间的关系1.在用肥皂膜做薄膜干涉的实验中,灯焰的像是液膜前后两个面

反射

的光形成的,两个面反射的这两列光波是由同一个光源发出的,所以它们具有相同

的

频率

、恒定的相位差,它们是

相干

光源。2.应用:薄膜干涉在技术上有很多应用。例如,可以在光学元件的表面镀一层特定

厚度的薄膜,增加光的透射或者反射,还可以利用薄膜干涉的原理对镜面或其他精

密的光学平面的平滑度进行检测。3|薄膜干涉判断正误，正确的画“√”，错误的画“✕”。1.托马斯·杨用光的干涉实验证明了光是一种波。

(

√

)2.在双缝干涉实验中,中央亮纹的宽度最大。

(

✕

)3.在双缝干涉实验中,光屏上何处出现亮条纹,何处出现暗条纹是由光的路程差所

决定的。

(

√

)4.用白光做实验时,偏离中央亮条纹最远的是红光。

(

√

)提示:在其他条件一定时,条纹间距与波长成正比,红光的波长最长,偏离中央亮条纹最远的是红光。5.在光的双缝干涉实验中,若仅将入射光由绿光改为红光,则干涉条纹间距变宽。

(√)提示:在光的双缝干涉实验中,若仅将入射光由绿光改为红光,红光的波长大于绿光

的波长,根据条纹间距公式Δx=

λ知,干涉条纹间距变宽。6.只有频率相同的两列光波才能产生干涉。

(√)7.频率不同的两列光波也能产生干涉现象,只是不稳定。

(

✕)提示:频率不同的两列光波不能产生干涉现象,但可以相互叠加。8.在太阳光照射下,水面上油膜出现彩色花纹是光的薄膜干涉现象。

(√)提示:光在油膜的上下两个表面分别发生反射,两列反射光在油膜的上表面发生薄

膜干涉,不同色光干涉条纹的间距不同,从而形成彩色花纹。1|对光的双缝干涉的理解光的干涉在两列光波的叠加区域,某些区域相互加强,出现亮条纹,某些区域相互削弱,出现暗

条纹,且加强和削弱的区域相间隔,即出现亮条纹和暗条纹相间的现象。对杨氏双缝干涉实验的理解(1)实验装置示意图(2)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。(3)双缝的作用:光照射到单缝S上,又照到双缝S1、S2上,这样一束光被分成两束振动

情况完全一致的相干光。(4)屏上某处出现亮、暗条纹的条件①产生亮条纹的条件屏上某点P到两缝S1和S2的距离之差正好是半波长的偶数倍,即|PS1-PS2|=kλ=2k·

(k=0,1,2,…)。k=0时,PS1=PS2,此时P点位于屏上的中心O处,为亮条纹,此处的条纹叫

中央亮条纹。②产生暗条纹的条件屏上某点P到两缝S1和S2的距离之差正好是半波长的奇数倍,即|PS1-PS2|=(2k+1)

(k=0,1,2,…)。2|光的双缝干涉图样的特点单色光的干涉图样若用单色光作为光源,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,条纹间距与光的波长有关,其他条件相同时,波长越长,条纹间距越大。白光的干涉图样若用白光作为光源,则干涉条纹是彩色条纹,且中央亮条纹是白色的。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,各种色光都在屏

中央形成亮条纹,从而复合成白色亮条纹。(2)两侧条纹间距与各色光的波长成正比,故红光的亮条纹间距最大,紫光的亮条纹间距最小,故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。说明用白光做干涉实验,从红光到紫光其波长由长到短,它们的干涉条纹间距从

大到小,屏中央各色光都得到加强,复合成白色,但两侧因条纹间距不同而分开成彩

色,而且同一级亮条纹内紫外红。3|干涉条纹间距与波长的关系情境

激光散斑测速是一种崭新的测速技术,它应用了光的干涉原理。用二次曝

光照相所获得的“散斑对”相当于双缝干涉实验中的双缝,待测物体的速度v与二

次曝光时间间隔Δt的乘积等于双缝间距。实验中可测得二次曝光时间间隔Δt、

“散斑对”到屏之间的距离L以及相邻两条亮纹的中心间距Δx,若所用激光波长为

λ,则该实验确定物体运动的速度v=

。问题1.仅将激光波长变长,则相邻两条亮纹的中心间距如何变化?提示:相邻两条亮纹的中心间距变大。2.仅将“散斑对”到屏之间的距离增大,则相邻两条亮纹的中心间距如何变化?提示:相邻两条亮纹的中心间距变大。3.物体运动的速度是如何求得的?提示:根据相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距公式Δx=

λ和双缝间距d=vΔt联立求得。

干涉条纹和光的波长之间的关系如图所示,波长为λ的单色光照射到双缝上,与两缝之间的距离d相比,每个狭缝都很

窄,宽度可以忽略。两缝S1、S2的连线的中垂线与屏的交点为P0,双缝到屏的距离

OP0=l。屏上P1与P0点间的距离为x,两缝到P1的距离分别为P1S1=r1,P1S2=r2。在P1S2上作P1M=P1S1,于是S2M=r2-r1,由于两缝之间的距离远小于缝到屏的距离,所以

能够认为三角形S1S2M是直角三角形,根据三角函数的关系,有r2-r1=dsinθ。另一方面,x=ltanθ≈lsinθ。因此有r2-r1=d

。当两列波的路程差为波长的整数倍,即d

=±kλ(k=0,1,2,…)时会出现亮条纹,也就是说,亮条纹中心的位置为x=±k

λ。相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距Δx=

λ。根据双缝干涉中相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距Δx=

λ,得λ=

Δx。已知双缝间距d,再测出双缝到屏的距离l和相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距Δx,就可

以求得光波的波长。4|薄膜干涉情境

将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上,在一端夹入两张纸片,从而在相

对的两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄层如图甲所示。当光垂直入射后,从上

往下看到的干涉条纹如图乙所示,这就是劈尖干涉,劈尖干涉是一种薄膜干涉。问题1.从空气膜的上下表面分别反射的两列光是相干光吗?提示:是相干光。2.干涉条纹是如何产生的?提示:干涉条纹是光在空气劈尖的前、后两表面反射形成的两列光波叠加的结果。3.干涉条纹中的暗纹是如何产生的?提示:干涉条纹中的暗纹是上述两列反射光的波谷与波峰叠加的结果。4.现若在装置中抽去一张纸片,则当光垂直入射到新的劈形空气薄层后,从上往下

观察到的干涉条纹间距如何变化?为什么?提示:干涉条纹间距变大。从空气层的上下表面分别反射的两列光是相干光,其光

程差为Δr=2d,即光程差为空气层厚度的2倍;当光程差Δr=nλ时,此处为亮条纹,故相

邻亮条纹之间的空气层的厚度差为Δd=

λ。抽去一张纸片后,空气层的倾角变小,故相邻亮条纹(或暗条纹)之间的距离变大。肥皂液膜干涉现象(1)白光的干涉图样是彩色的:因重力的作用,竖直放置的肥皂液膜上面薄、下面厚,

由于不同颜色的光的波长不同,从前后两个面反射的光,在不同的位置相互加强,换

句话说,不同颜色的光对应亮条纹的位置不同,因此看起来是彩色的。(2)条纹是水平方向的:因为在同一水平高度处,薄膜的厚度相同,从前、后两个面反

射的光路程差均相同,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的,如图所示。薄膜干涉的应用(1)干涉法检查平面平整度如图甲所示,两平面之间形成一个楔形空气薄层,用单色光从上向下照射,空气层的

上下两个表面反射的两列光波发生干涉。空气层厚度相同的地方,两列波路程差

相同,两列波叠加时相互加强或相互削弱的情况也相同。如果被测表面是平整的,

得到的干涉图样必是一