高中物理第4章光的波动性41光的干涉学案沪科版选修34.docx

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高中物理第4章光的波动性41光的干涉学案沪科版选修34

1　光的干涉

[学习目标定位]　1.知道什么是相干光源以及光产生干涉现象的条件.2.观察光的干涉现象，认识双缝干涉条纹的特点及其明暗条纹的位置特点.3.观察薄膜干涉现象，知道薄膜干涉条纹的特点，并能用它解释生活中的相关现象．

1．波的干涉：

频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，并且振动加强和振动减弱的区域互相间隔，这种现象叫波的干涉．

2．杨氏双缝干涉实验

（1）史实：

1801年，英国物理学托马斯·杨做了著名的光的双缝干涉实验，成功地观察到了光的干涉现象．

（2）双缝干涉图样：

如图1所示，用单色光去照射双缝，屏幕上就会出现明暗相间的等距离的条纹．

图1

（3）干涉条件：

两列光的频率相同，振动方向一致，且相位差恒定．

（4）能发生干涉的两束光称为相干光．

（5）意义：

光的干涉现象充分表明光是一种波．

3．明暗条纹位置的判断方法

当两个光源与屏上某点的距离差等于半波长的偶数倍（即恰好等于波长的整数倍时），两列光在这点相互加强，这里出现亮条纹；当两个光源与屏上某点的距离差等于半波长的奇数倍时，两列光在这点相互削弱，这里出现暗条纹．

4．奇妙的薄膜干涉

（1）观察薄膜干涉：

如图2所示，把这层液膜当作一个平面镜，用它观察灯焰的像时会发现水平方向的明暗相间的条纹．

图2

（2）相干光源：

液膜前后两表面反射的两列光波．

（3）薄膜干涉的成因

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光程差不同，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，两列波叠加后相互削弱，于是出现暗条纹.

一、杨氏双缝干涉实验

[问题设计]

麦克斯韦预言光是一种电磁波．光若是一种波，它就应该有衍射、干涉现象，托马斯·杨通过双缝实验观察到了光的干涉现象，从而证明了光具有波动性．波发生干涉的必要条件是什么？

托马斯·杨如何得到两个相干光源的？

答案　波发生干涉的必要条件是两列波频率相同．托马斯·杨通过两个狭缝获得了两个相干光源．

[要点提炼]

1．杨氏双缝干涉实验示意图，如图3所示．

图3

2．单缝的作用：

获得线光源．

3．双缝的作用：

获得两个相干光源．

4．实验现象：

在屏上出现一系列明暗相间的条纹．

5．实验结论：

光具有波动性．

例1　在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏上观察到了彩色干涉条纹．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），已知红光与绿光的频率、波长均不相等，这时（　　）

A．只有红色和绿色的双缝干涉条纹，其他颜色的双缝干涉条纹消失

B．有除红色、绿色外的其他颜色的双缝干涉条纹

C．任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮

D．屏上无任何光亮

解析　两列光波发生干涉的条件之一是频率相等．利用双缝将一束光分成能够发生干涉的两束光，在屏上形成干涉条纹，但分别用红滤光片和绿滤光片挡住两条缝后，红光和绿光频率不相等，不能发生干涉，因此屏上不会出现干涉条纹，故选C.

答案　C

二、光屏上出现明暗条纹的条件

[问题设计]

机械波发生干涉现象时，形成的图样有什么特点？

光发生干涉现象时为什么会出现明暗相间的条纹？

答案　机械波的干涉图样的特点是：

振动加强区和振动减弱区相互间隔，其分布不变．

光发生干涉现象时，振动加强区和振动减弱区也会交替分布．反映在屏上，振动加强区，光能量较强——亮；振动减弱区，光能量较弱——暗，即得到明暗相间的干涉条纹．

[要点提炼]

屏上某处出现亮、暗条纹的条件

1．出现亮条纹的条件：

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，…）

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．即：

|PS1－PS2|＝（2k－1）·（k＝1,2,3，…）

例2　用波长为λ的单色光照射单缝O，经过双缝M、N在屏上产生明暗相间的干涉条纹，如图4所示，图中a、b、c、d、e为相邻亮条纹的位置，c为中央亮条纹，则（　　）

图4

A．O到达a、b的路程差为零

B．M、N到达b的路程差为λ

C．O到达a、c的路程差为4λ

D．M、N到达e的路程差为2λ

解析　振动方向一致的两光源在空间发生干涉，得到亮条纹的条件需满足ΔL＝kλ（k＝0,1,2,3…）．

答案　BD

三、奇妙的薄膜干涉

[问题设计]

如图5所示，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，放在酒精灯旁，膜上就会出现灯焰的像．肥皂膜上为什么会出现灯焰的像呢？

这个像有什么特点？

图5

答案　液膜上的像是液膜前后两个面反射的光形成的．特点：

此像由明暗相间的水平条纹组成．

[要点提炼]

1．薄膜干涉的原理

与双缝干涉的情况相同，在膜上不同位置，来自前后两个面的反射光（用图6中实线和虚线来代表）所走的路程差不同．路程差是光在介质中波长的整数倍的位置上时，叠加后加强，出现了亮条纹；路程差是光在介质中半波长的奇数倍的位置上时，叠加后相互削弱，于是出现了暗条纹．

图6

2．薄膜干涉中应注意的问题

（1）观察的是从膜前、后两表面反射回来的光（眼睛与光源在膜的同一侧）

（2）用单色光照射时得到明暗相间的条纹，用白色光照射时得到彩色条纹．

例3　用如图7所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象，图（a）是点燃的酒精灯（在灯芯上撒些盐），图（b）是竖立的附着一层肥皂液薄膜的金属线圈，将金属线圈在其所在的竖直平面内缓慢旋转，观察到的现象是（　　）

图7

A．当金属线圈旋转30°时，干涉条纹同方向旋转30°

B．当金属线圈旋转45°时，干涉条纹同方向旋转90°

C．当金属线圈旋转60°时，干涉条纹同方向旋转30°

D．干涉条纹保持不变

解析　竖直肥皂膜是由重力作用产生的上薄下厚的薄膜，所以金属线圈的转动，改变不了肥皂液膜的上薄下厚的形状，由干涉原理可知，同一厚度处的干涉条纹在同一级次上，所形成的干涉条纹都是水平的，与金属线圈在该竖直平面内的转动无关，仍然是水平的干涉条纹，D正确．

答案　D

1．能发生干涉的两束光应是（　　）

A．亮度一样　　　　　　　　B．颜色一样

C．频率相等D．传播方向相同

答案　C

解析　产生干涉的条件是两光源的频率相同，振动方向相同，相位差恒定．

2．某同学自己动手利用如图8所示器材，观察光的干涉现象．其中，A为单缝屏，B为双缝屏，C为像屏．当他用一束阳光照射到A上时，屏C上并没有出现干涉条纹．他移走B后，C上出现一窄亮斑．分析实验失败的原因，最大的可能是（　　）

图8

A．单缝S太窄B．单缝S太宽

C．S到S1和S2距离不等D．太阳光不能做光源

答案　B

解析　因为移走B屏后，在C上出现一窄亮斑，说明单缝S太宽．本实验中，单缝S应非常窄，才可看作“理想线光源”，也才能成功地观察到干涉现象，故B正确，A错误；S到S1和S2距离不等时也能出现干涉条纹，但中央不一定是亮条纹，C错误；太阳光是复色光，可出现彩色干涉条纹，D错误．

3．在双缝干涉实验中，双缝到光屏上P点的距离之差为0.6μm，若分别用频率为f1＝5.0×1014Hz和f2＝7.5×1014Hz的单色光垂直照射双缝，则P点出现明、暗条纹的情况是（　　）

A．单色光f1和f2分别照射时，均出现明条纹

B．单色光f1和f2分别照射时，均出现暗条纹

C．单色光f1照射时出现明条纹，单色光f2照射时出现暗条纹

D．单色光f1照射时出现暗条纹，单色光f2照射时出现明条纹

答案　C

解析　判定某处是明条纹还是暗条纹，关键是看该处到两光源的光程差是该光波长的多少倍，若是整数倍，该处为明条纹；若为整数倍加半个波长，则为暗条纹．

单色光f1的波长λ1＝＝0.6×10－6m＝0.6μm.

单色光f2的波长λ2＝＝0.4×10－6m＝0.4μm

可见ΔL＝λ1，ΔL＝λ2，故用f1照射时，P点出现明条纹，用f2照射时，P点出现暗条纹．

[基础题]

1．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　两束光的相位差不恒定，且都不是单色光，故不是相干光源，因此不能产生干涉图样．

2．关于光的干涉，下列说法正确的是（　　）

A．只有频率相同的两列光波才能产生干涉

B．频率不同的两列光波也能产生干涉现象，只是不稳定

C．两个完全相同的相干光源做双缝干涉实验时，从两个狭缝到达屏上的路程差是光波长的整数倍时出现亮条纹

D．两个完全相同的相干光源做双缝干涉实验时，从两个狭缝到达屏上的路程差是光波长的奇数倍时出现暗条纹

答案　AC

解析　两列波产生干涉时，频率必须相同，否则不可能产生干涉现象，而不是干涉不稳定，故A正确，B错误．两个完全相同的相干光源做双缝干涉实验时，从两个狭缝到达屏上的路程差是光波长的整数倍时出现亮条纹；若该路程差是光半波长的奇数倍时出现暗条纹（注意是半波长而不是波长），故C正确，D错误．

3．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整数倍处出现暗条纹

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

答案　B

解析　在双缝干涉实验中，单缝的作用是获得一个线光源，使光源有惟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条纹，选项C错误．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．

4．下列关于双缝干涉条纹的说法中正确的是（　　）

A．用同一种单色光做双缝干涉实验，能观察到明暗相间的单色条纹

B．用同一种单色光经双缝干涉的明条纹到两缝的距离之差为该色光波长的整数倍

C．用同一种单色光经双缝干涉的明条纹到两缝的距离之差一定为该色光波长的奇数倍

D．用同一种单色光经双缝干涉的暗条纹到两缝的距离之差一定为该色光半波长的奇数倍

答案　ABD

解析　同一单色光干涉条纹为明暗相间的单色条纹，选项A正确；光程差ΔL＝kλ（k为整数）时，为明条纹，选项B正确，C错误；ΔL＝（k＝1,2…）时，为暗条纹，选项D正确．

5．如图1所示，用单色光做双缝干涉实验，P处为第二暗条纹，改用频率较低的单色光重做上述实验（其他条件不变）时，则同侧第二暗条纹的位置（　　）

图1

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

答案　B

解析　由λ＝知f变小，λ变大．若出现第二条暗条纹，则P到双缝的光程差ΔL＝λ，当λ变大时，ΔL也要变大，故第二条暗条纹的位置向上移，即在P点上方，B正确．

6．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，就会出现亮条纹，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