鲁科版物理选修34第5章 第1节.docx

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鲁科版物理选修34第5章第1节

第1节　光的干涉

光的干涉及其产生条件

[先填空]

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，在屏上出现明暗相间的干涉条纹．

2．由干涉现象得出的结论

光具有波的特性，光是一种波．

3．相干条件

要使两列光波相遇时产生干涉现象，两光源必须具有相同的频率和振动方向，还要满足相位差恒定．

4．相邻条纹间距公式：

Δy＝

λ.

[再判断]

1．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．（√）

2．在干涉条纹中，相邻两条亮纹或暗纹之间的距离是相等的．（√）

3．光波的波长λ越大，相邻两条纹间的距离越小．（×）

[后思考]

两只手电筒射出的光束在空间相遇，能否观察到光的干涉现象？

【提示】　两只手电筒射出的光束在空间相遇，不满足光发生干涉的条件，不能观察到光的干涉现象．

[核心点击]

1．双缝干涉的示意图

图511

2．单缝的作用

用同一极小部分光源产生的光形成点光源，最大限度地保证光的相干性．

3．双缝的作用

平行光照射到单缝S上后，又照到双缝S1、S2上，这样一束光被分成两束频率相同和振动情况完全一致的相干光．

4．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、暗条纹的条件为

（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|＝kλ＝2k·

（k＝0,1,2,3，…）

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）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|＝（2k－1）·

（k＝0,1,2,3，…）

k为暗条纹的级次，从第1级暗条纹开始向两侧展开．

5．干涉图样的特点

图512

（1）单色光的干涉图样特点：

中央为亮条纹，两边是明、暗相间的条纹，且相邻亮条纹与亮条纹中心间、相邻暗条纹与暗条纹中心间的距离相等．

（2）白光的干涉图样：

若用白光做实验，则中央亮条纹为白色，两则出现彩色条纹，彩色条纹显示不同颜色光的干涉条纹间距是不同的．

1．下列关于双缝干涉实验的说法中正确的是（　　）

A．单缝的作用是获得频率保持不变的相干光源

B．双缝的作用是获得两个振动情况相同的相干光源

C．光屏上距两缝的路程差等于半波长的奇数倍处出现暗条纹

D．在光屏上能看到光的干涉图样，但在双缝与光屏之间的空间却没有干涉发生

E．用同一装置做实验，不同颜色的光产生的干涉条纹间距不同

【解析】　在双缝干涉实验中，单缝的作用是获得一个线光源，使光源有唯一的频率和振动情况，双缝的作用是获得两个振动情况完全相同的相干光源，故选项A错误、B正确．在两个相干光源完全相同的情况下，光屏上距两缝的路程差为半波长的奇数倍处出现暗纹，选项C正确．两列光波只要相遇就会叠加，满足相干条件就能发生干涉，所以在双缝与光屏之间的空间也会发生光的干涉，用光屏接收只是为了肉眼观察的方便，故选项D错误．不同颜色的光波长不同，根据Δy＝

λ，E正确．

【答案】　BCE

2.在双缝干涉实验中，屏上一点P到双缝的距离之差为1.5×10－6m若用频率为5.0×1014Hz的单色光照射双缝，该点出现亮条纹还是暗条纹？

从屏中心算起这是第几条什么条纹？

【导学号：

78510053】

【解析】　该单色光的波长λ＝

＝

m＝6×10－7m，P点到双缝的距离差与波长的大小关系为1.5×10－6m＝2.5λ，即距离差为半波长的奇数倍，P点处是暗条纹．令2.5λ＝（2k－1）

（k＝1,2,3，…），得k＝3，这是第3条暗条纹．

【答案】　暗条纹　第3条暗条纹

分析双缝干涉中明暗条纹问题的步骤

1．由题设情况依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明条纹还是暗条纹．

3．根据明条纹的判断式Δr＝kλ（k＝0,1,2，…）或暗条纹的判断式Δr＝（2k＋1）

（k＝0,1,2，…），判断出k的取值，从而判断条纹数．

实验:

用双缝干涉测定光的波长

1．实验目的

（1）观察白光及单色光的双缝干涉图样．

（2）掌握用公式Δy＝

λ测定单色光的波长的方法．

2．实验器材

双缝干涉仪（包括：

光具座、光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、光屏及测量头，其中测量头又包括：

分划板、目镜、手轮等）、学生电源、导线、米尺．

3．实验步骤

（1）器材的安装与调整：

①先将光源（线状光源）、遮光筒依次放于光具座上，如图513所示，调整光源的高度，使它发出的一束光沿着遮光筒的轴线把屏照亮；

图513

②将单缝和双缝安装在光具座上，使线状光源、单缝及双缝三者的中心位于遮光筒的轴线上，如图514所示，并注意使双缝与单缝相互平行，调节分划板位置到分划板中心刻线位于光屏中央．

图514

（2）观察双缝干涉图样：

①调节单缝的位置，使单缝和双缝间距离保持在5～10cm，使缝相互平行，中心大致位于遮光筒的轴线上，这时通过测量头上的目镜观察干涉条纹，若干涉条纹不清晰，可通过遮光筒上的调节长杆轻轻拨动双缝，即可使干涉条纹清晰明亮．在屏上就会看到白光的双缝干涉图样；

②将红色（或绿色）滤光片套在单缝前面，通过目镜可看到单色光的双缝干涉条纹；

③在光源及单缝之间加上一凸透镜，调节光源及单缝的位置，使光源灯丝成像于单缝上，可提高双缝干涉条纹的亮度，使条纹更加清晰，如图515所示．

图515

（3）测定单色光的波长：

①转动手轮，使分划板中心刻线对齐某条亮纹的中央，记下手轮上的读数a1；转动手轮，使分划板中心刻度线移动至另一条亮条纹的中央，记下此时手轮上的读数a2；并记下两次测量的条纹数n，则相邻两亮条纹间距Δy＝

；

②用刻度尺测量双缝到光屏的距离l（双缝间距d是已知的）；

③将测得的l、Δy代入Δy＝

λ求出光的波长λ；

④多次重复上述步骤，求出波长的平均值；

⑤换用不同的滤光片，重复上述实验．

3．如图516所示，在“用双缝干涉测光的波长”实验中，光具座上放置的光学元件依次为①光源、②________、③________、④________、⑤遮光筒、⑥光屏．对于某种单色光，为增大相邻亮纹（暗纹）间的距离，可采取____________________或____________________的方法．

图516

【解析】　做该实验时用单色光，应特别注意，②是滤光片，其他依次是单缝屏、双缝屏、遮光筒和毛玻璃屏．由条纹间距公式Δx＝

λ可知，要增大相邻条纹间距，应该增大双缝屏到光屏的距离或者减小两缝间距离．

【答案】　滤光片　单缝屏　双缝屏　增大双缝屏到光屏的距离　减小双缝屏两缝间距离

4．现有毛玻璃屏A、双缝B、白光光源C、单缝D和透红光的滤光片E等光学元件，要把它们放在如图517所示的光具座上组装成双缝干涉装置，用以测量红光的波长.

【导学号：

78510054】

图517

（1）将白光光源C放在光具座最左端，依次放置其他光学元件，由左至右，表示各光学元件的字母排列顺序应为C、________、A.

（2）本实验的实验步骤有：

①取下遮光筒左侧的元件，调节光源高度，使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮；

②按合理顺序在光具座上放置各光学元件，并使各元件的中心位于遮光筒的轴线上；

③用米尺测量双缝到屏的距离；

④用测量头（其读数方法同螺旋测微器）测量数条亮纹间的距离．

在操作步骤②时还应注意______________和______________．

（3）将测量头的分划板中心刻线与某亮纹中心对齐，将该亮纹定为第1条亮纹，此时手轮上的示数如图518甲所示．然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐，记下此时图518乙中手轮上的示数________mm，求得相邻亮纹的间距Δx为________mm.

图518

（4）已知双缝间距d为2.0×10－4m，测得双缝到屏的距离l为0.700m，由计算公式λ＝________，求得所测红光波长为________mm.

【解析】　

（1）双缝干涉仪各组成部分在光具座上的正确排序为光源、滤光片、单缝、双缝、屏，因此应填：

E、D、B.

（2）单缝与双缝的间距为5～10cm，使单缝与双缝相互平行．

（3）甲图的读数为2.320mm

乙图的读数为13.870mm

Δx＝

mm＝2.310mm

（4）由Δx＝

λ可得：

λ＝

Δx

可求出λ＝

×2.310mm＝6.6×10－4mm

【答案】　

（1）E、D、B　

（2）单缝与双缝的间距为5～10cm　使单缝与双缝相互平行　（3）13.870　2.310　（4）

Δx　6.6×10－4

测量Δy的方法

测量头由分划板、目镜、手轮等构成，如图519所示，测量时先转动测量头，让分划板中心刻线与干涉条纹平行，然后转动手轮，使分划板向左（或向右）移动至分划板的中心刻线与条纹的中心对齐，记下此时读数，再转动手轮，用同样的方法测出n个亮纹间的距离a，则可求出相邻两亮纹间的距离Δy＝

.

测量头　　　　分划板中心刻线与条纹的中心对齐

图519

薄膜干涉及其应用

[先填空]

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．薄膜干涉实例

（1）色彩斑斓的肥皂泡；

（2）五颜六色的油膜．

3．薄膜干涉现象的实用价值

（1）劈尖干涉是一种劈形空气薄膜干涉，可用于平面平整程度检查；

（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增透膜，用来增加透射光的能量．

[再判断]

1．薄膜干涉是通过两个表面折射的光线产生的．（×）

2．增透膜的厚度应等于光在空气中的波长的四分之一．（√）

3．水面上漂浮的油膜出现彩色条纹是薄膜干涉现象．（√）

[后思考]

如图5110所示是几种常见的薄膜干涉图样，这些干涉图样是怎样形成的呢？

图5110

【提示】　是由薄膜上、下表面反射光束相遇而产生的干涉．

[核心点击]

1．薄膜干涉现象

（1）现象：

①每一条纹呈水平状态排列．

②由于各种色光干涉后相邻两亮纹中心的距离不同，所以若用白光做这个实验，会观察到彩色干涉条纹．

（2）成因：

①如图5111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．

图5111

②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，则出现亮条纹；在另一些位置，叠加后互相削弱，则出现暗条纹．故在单色光照射下，就出现了明暗相间的干涉条纹．

③若在白光照射下，则出现彩色干涉条纹．

2．用干涉法检查平面平整度：

如图5112甲所示，两板之间形成一层空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检测平面是光滑的，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5112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5112乙中Q所示．（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）

甲　　　　　　　　乙

图5112

5.如图5113所示，一束白光从左侧射入肥皂薄膜，下列说法正确的是（　　）

A．人从右侧向左看，可以看到彩色条纹

B．人从左侧向右看，可以看到彩色条纹

C．彩色条纹水平排列

D．彩色条纹竖直排列

E．肥皂膜的彩色条纹是前后两表面反射的光干涉形成的

图5113

【解析】　一束白光射到薄膜上，经前后两个界面反射回来的光相遇，产生干涉现象，我们由左向右看可以看到彩色条纹，故选项A错误，选项B正确；由于薄膜同一水平线上的厚度相同，所以彩色条纹是水平排列的，故选项C正确，选项D错误．肥皂膜的彩色条纹是前后两表面反射的光干涉形成的，E正确．

【答案】　BCE

6．劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图5114甲所示，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，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜．当光垂直入射后，从上往下看到的干涉条纹如图5114乙所示，干涉条纹有如下特点：

（1）任意一条亮条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；

（2）任意相邻亮条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定．现若在图甲装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹会发生怎样变化？

【导学号：

78510055】

甲　　　　　　乙

图5114

【解析】　光线在空气膜的上、下表面发生反射，并发生干涉，从而形成干涉条纹．设空气膜顶角为θ，d1、d2处为两相邻亮条纹，如图所示，则此两处的光程分别为δ1＝2d1，δ2＝2d2.

因为光程差δ2－δ1＝λ，所以d2－d1＝

λ.

设此两相邻亮纹中心的距离为Δl，则由几何关系得

＝tanθ，即Δl＝

当抽去一张纸片θ减小，Δl增大，条纹变疏．

【答案】　干涉条纹会变疏

薄膜干涉中的规律

1．用单色光照射薄膜时，两个表面反射的光是相干的，形成明暗相间的条纹．

2．用不同的单色光照射，看到亮纹的位置不同．

3．用白光照射时，不同颜色的光在不同位置形成不同的条纹，看起来就是彩色的．