133134 光的干涉.docx

133134 光的干涉.docx

《133134 光的干涉.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《133134 光的干涉.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

133134光的干涉

第3节　光的干涉

第4节　实验：

用双缝干涉测量光的波长

学习目标：

1.知道光的干涉现象，知道光是一种波.2.理解相干光源和产生干涉现象的条件.3.理解杨氏干涉实验明暗条纹的特点、成因及出现明暗条纹的条件.4.了解用双缝干涉测量光的波长的实验原理，能够利用双缝干涉实验测量单色光的波长．

一、杨氏干涉实验

[课本导读]

预习教材第54页～第55页“杨氏干涉实验和决定条纹间距的条件”部分，请同学们关注以下问题：

1．历史上是谁，通过什么实验，让人们开始认识到光的波动性的？

2．双缝干涉实验的过程、现象和结论是怎样的？

3．出现明暗条纹的条件是什么？

[知识识记]

1．1801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，发生干涉现象．

（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．当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的偶数倍时，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之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．

二、实验：

用双缝干涉测量光的波长

[课本导读]

预习教材第56页～第58页“实验：

用双缝干涉测量光的波长“部分，请同学们关注以下问题：

1．实验的原理是什么？

2．实验过程是怎样的？

3．实验中的注意事项是什么？

[知识识记]

1．相邻亮条纹（暗条纹）间的距离Δx与波长λ的关系：

Δx＝

λ，其中l为双缝到屏的距离，d为双缝之间的距离．

2．光源发出的光经滤光片成为单色光，把单缝照亮，单缝相当于一个线光源，它又把双缝照亮，来自双缝的光在双缝右边的空间发生干涉．遮光筒的一端有毛玻璃屏，我们将在这个屏上观察干涉条纹．

3．实验前先取下双缝，打开光源，调节光源的高度和角度，使它发出的光束沿着遮光筒的轴线把屏照亮．然后放好单缝和双缝，注意使单缝和双缝相互平行，尽量使缝的中点位于遮光筒的轴线上．

4．测量时，应使分划板的中心刻线与条纹的中心对齐，记下此时手轮上的读数．然后转动测量头，使分划板中心刻线与另一条纹的中心对齐，再次记下手轮上的读数．测出n个亮条纹的距离a，则相邻两个亮条纹的间距为Δx＝

.

1．光的干涉现象说明了光是一种波．（　　）

[答案]　√

2．两只手电筒射出的光束在空间相遇，能观察到光的干涉现象．（　　）

[答案]　×

3．用单色光作光源，干涉条纹是明暗相间的条纹．（　　）

[答案]　√

4．若用白光作光源，干涉条纹是明暗相间的条纹．（　　）

[答案]　×

5．当两个光源与屏上某点的距离之差为半波长的整数倍时出现暗条纹．（　　）

[答案]　×

6．杨氏双缝干涉实验中双缝的作用是获得两个振动情况相同的相干光源．（　　）

[答案]　√

7．测出n个亮条纹的距离a，则相邻两个亮条纹的间距为Δx＝

.（　　）

[答案]　×

要点一　双缝干涉实验的理解——原理理解型

[合作探究]

如图所示，机械波可以产生波的干涉现象，形成稳定的干涉图样；如果我们先假设光是一种波，那么按照我们所学的波的知识，光要发生干涉现象需要满足什么条件？

提示：

两光源必须有相同的频率，相位相同，振动情况相同，即两光源为相干光源．

[知识精要]

1．双缝干涉的条件是必须有相干光源，即两列光的频率相同、相位相同、振动方向相同，且双缝间的间距必须很小．光源不同部位发出的光不一定具有相同的频率和恒定的相位差，所以一般情况很难观察到光的干涉现象，本实验中是靠“一分为二”的方法获得两个相干光源的．

2．在单色光的干涉条纹中，两相邻明纹或暗纹间的距离是相等的，不同色光的条纹间距不相等．

3．双缝干涉的示意图（如图所示）

（1）单缝屏的作用：

获得一个有唯一频率和振动情况的线光源．也可用激光直接照射双缝．

（2）双缝屏的作用：

平行光照到单缝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，振动情况完全一致的相干光源．

4．屏上某处出现亮、暗条纹的条件

频率相同的两列波在屏上的同一点引起的振动叠加，若该点同时参与的两个振动的步调总是一致，则出现亮条纹；若同时参与的两个振动步调总相反，则出现暗条纹．具体出现亮、暗条纹的条件为：

（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纹．

（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＝0,1,2,3，…）

[题组训练]

1．（相干光源的理解）（多选）以下光源不可作为相干光源的是（　　）

A．两个相同亮度的烛焰

B．两个相同规格的灯泡

C．双丝灯泡

D．出自一个光源的两束光

E．一束平行单色光经双缝后分为两束

[解析]　相干光源的条件，必须是频率相同，相位差恒定，振动方向相同，故选项ABC正确．

[答案]　ABC

2．（干涉出现明暗条纹的条件）（多选）用单色光做双缝干涉实验时（　　）

A．屏上到双缝的路（光）程差等于波长整数倍处出现明条纹

B．屏上到双缝的路（光）程差等于半波长整数倍处，可能是明条纹，也可能是暗条纹

C．屏上的明条纹一定是两列光波的波峰与波峰相遇的地方

D．屏上的明条纹是两列光波的波峰与波谷相遇的地方

[解析]　在双缝干涉实验中，屏上到双缝的路（光）程差等于波长整数倍处出现明条纹，是振动加强处，不一定是两列光波的波峰与波峰相遇的地方，A选项正确，C选项错误；屏上到双缝的路（光）程差等于半波长整数倍处，可能是半波长的奇数倍（暗条纹），也可能是半波长的偶数倍（明条纹），B选项正确；两列光波的波峰与波谷相遇的地方，应是暗条纹，D选项错误．

[答案]　AB

3．（干涉条纹产生的条件）光通过双缝后在屏上产生彩色条纹，若用红色和绿色玻璃板分别挡住双狭缝，则屏上将出现（　　）

A．黄色的干涉条纹B．红绿相间的条纹

C．黑白相间的条纹D．无干涉条纹

[解析]　有色玻璃只允许同色光通过，红光和绿光的频率不同，根据干涉的条件，不能产生干涉现象．所以选项D正确．

[答案]　D

4．（产生明暗条纹的条件）如图所示，用频率为f的单色光（激光）垂直照射双缝，在光屏的P点出现第3条暗条纹，已知光速为c，则P到双缝S1、S2的距离之差（r1－r2）应为（　　）

A.

B.

C.

D.

[解析]　出现暗条纹，说明S1、S2到P点距离之差为

×（2n－1）＝

λ，而λ＝

，所以r1－r2＝

λ＝

，因而D是正确的．

[答案]　D

要点二　双缝干涉条纹的特点——现象理解型

[合作探究]

用白光做双缝干涉实验，会观察到什么现象？

试说明原因．

提示：

会看到中央是白色条纹，其他是彩色条纹．这是由于不同颜色的光波长不同，条纹间距不同，叠加后就显示出彩色条纹．

[知识精要]

1．若用单色光做光源，则干涉图样是明暗相间的条纹，且条纹间距相等，中央为亮条纹．

2．两相邻亮纹（或暗纹）间距离与光的波长有关，波长越长，条纹间距越大．相邻亮条纹（暗条纹）间的距离Δx与波长λ的关系：

Δx＝

λ，其中l为双缝到屏的距离，d为双缝之间的距离．

3．若用白光做光源，则双缝射出的两列波中，各种颜色的光都形成明暗相间的条纹，由于不同颜色的光，条纹间距不同，除中央条纹外，其他条纹不重合，因此干涉条纹是彩色条纹，且中央条纹是白色．

[题组训练]

1．（影响条纹间距大小的因素）（多选）关于用单色光做双缝干涉实验，以下说法正确的是（　　）

A．入射光波长越长，干涉条纹间距越大

B．入射光频率越高，干涉条纹间距越大

C．把入射光由绿光变成紫光，干涉条纹间距变小

D．把入射光由绿光变成红光，干涉条纹间距变小

[解析]　由相邻明纹或暗纹间距公式Δx＝

λ知，入射光波长越长，干涉条纹间距越大，弄清红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫波长大小关系，故选A、C.

[答案]　AC

2．（影响条纹间距大小的因素）（多选）如图所示的双缝干涉实验，用绿光照射单缝S时，在光屏P上观察到干涉条纹．要得到相邻条纹间距更小的干涉图样，不可以的是（　　）

A．增大S1与S2的间距

B．减小双缝屏到光屏的距离

C．将绿光换为红光

D．将绿光换为紫光

[解析]　双缝干涉中，相邻两条亮纹（或暗纹）间的距离Δx＝

λ，要想减小条纹间距，可以增大两缝间距d，或者减小双缝屏到光屏的距离l，或者换用波长更短的光做实验．由此可知，选项C正确，选项A、B、D错误．

[答案]　ABD

3．（影响条纹间距大小的因素）如图所示，用单色光做双缝干涉实验，P处为第二条暗条纹，改用频率较低的单色光重做上述实验（其他条件不变）时，则同侧第二条暗条纹的位置（　　）

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

[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Δr＝

λ，当λ变大时，Δr也要变大，故第二条暗条纹的位置向上移，在P点上方，B正确．

[答案]　B

4．（干涉条纹的特点）关于杨氏双缝干涉实验，下列说法正确的是（　　）

A．用白光作为光源，屏上将呈现黑白相间的条纹

B．用红光作为光源，屏上将呈现红黑相间的条纹

C．若仅将入射光由红光改为紫光，则条纹间距一定变大

D．用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上将呈现彩色条纹

[解析]　用白光做杨氏双缝干涉实验，屏上将呈现彩色条纹，A错；用红光作为光源，屏上将呈现红色亮条纹与暗条纹（即黑条纹）相间，B对；λ变小，Δx变小，C错；红光和紫光频率不同，不能产生干涉条纹，D错．

[答案]　B

要点三　用双缝干涉测量单色光的波长——实验创新型

[合作探究]

教材P57的思考与讨论

1．利用Δx＝

λ估算：

按照你所用的器材、光源，实验中相邻两个亮条纹的距离预期为多少？

从Δx＝

λ看，改变什么条件可以增大相邻亮条纹的距离以便于测量？

在你的实验器材中，哪些条件可以改变，哪些难以改变？

提示：

预期为0.2mm，据Δx＝

λ可知，要增大相邻亮条纹间的距离Δx，可以①通过减小两缝间的距离d，②增大双缝到屏的距离，③增大光的波长．在给出的器材中①③容易，②难以实现．

2．不同颜色的单色光的干涉条纹会有什么不同？

请你做出猜想，并在后面的实验中验证．

提示：

据Δx＝

λ知，不同颜色单色光的干涉条纹间距不同，波长越大，条纹间的距离越大．

[知识精要]

1．实验原理

相邻两条纹中心间距Δx，与入射波长λ之间有λ＝

Δx，其中l为双缝到屏的距离，d为双缝之间的距离．若n个亮条纹间的距离为a，则Δx＝

，算出条纹间距，然后利用公式λ＝

Δx，求出此单色光的波长λ.

2．实验器材及装置，如图所示：

测量头由分划板、目镜、手轮构成．转动手轮，分划板会左右移动．测量时，应使分划板的中心刻线与条纹的中心对齐，记下此时手轮上的读数．然后转动测量头，使分划板中心刻线与另一条纹的中心对齐，再次记下手轮上读数．两次读数之差表示这两个条纹间的距离a.（如图甲、乙所示）

3．实验步骤

（1）按如图所示安装仪器．

（2）将光源中心、单缝中心、双缝中心调节在遮光筒的中心轴线上，并使单缝、双缝平行且竖直．

（3）使光源发光，在光源和单缝之间加红（绿）色滤光片，让通过后的条形光斑恰好落在双缝上，通过调节遮光筒上测量头的目镜，观察单色光的干涉条纹．

（4）调节手轮，使分划板的中心刻线对齐某一条纹的中心，记下此时手轮的读数，然后继续转动手轮使分划板移动，直到分划板的中心刻线对齐另一条纹的中心，再次记下此时手轮读数和移过分划板中心刻线的条纹数n.

（5）将两次手轮的读数相减，求出n个亮条纹间的距离Δx＝

，然后利用公式λ＝

Δx，求出此单色光的波长λ（d、l仪器中都已给出）．

（6）换用不同颜色的滤光片，重复步骤（3）、（4），并求出相应的波长．

4．注意事项

（1）保证光源、单缝、双缝、测量头和遮光筒共轴，单缝和双缝平行．

（2）为减小误差，利用“累积法”测n条亮纹间距，再由Δx＝

求得相邻条纹间距离．

题组训练]

1．（实验注意事项的考查）（多选）某同学在做双缝干涉实验时，按装置图安装好实验装置，在光屏上却观察不到干涉图样，这可能是由于（　　）

A．光束的中央轴线与遮光筒的轴线不一致，相差较大

B．没有安装滤光片

C．单缝与双缝不平行

D．光源发出的光束太强

[解析]　安装实验器材时要注意：

光束的中央轴线与遮光筒的轴线要重合，光源与光屏正面相对，滤光片、单缝和双缝要在同一高度，中心位置在遮光筒轴线上，单缝与双缝要相互平行，才能使实验成功．当然还要使光源发出的光束不致太暗．综上所述，可知选项A、C正确．

[答案]　AC

2．（实验原理的考查）在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中，若已知双缝间的距离d.

（1）若测定绿光的波长，应选用________色的滤光片．实验时需要测定的物理量有________和________．

（2）已知双缝到光屏之间的距离l＝500mm，双缝之间的距离d＝0.50mm，单缝到双缝之间的距离s＝100mm，某同学在用测量头测量时，调整手轮，在测量头目镜中先看到分划板中心刻线对准A条亮纹的中心，然后他继续转动，使分划板中心刻线对准B条亮纹的中心，前后两次游标卡尺的读数如图所示．则入射光的波长λ＝________m（结果保留两位有效数字）．

（3）实验中发现条纹太密，难以测量，可以采用的改善办法有________．

A．改用波长较长的光（如红光）作为入射光

B．增大双缝到屏的距离

C．增大双缝到单缝的距离

D．增大双缝间距

[解析]　

（1）由于测量绿光的波长，

因此应用绿色滤光片．

由Δx＝

λ可知要想测λ必须测定双缝到屏的距离l和条纹间距Δx.

（2）游标卡尺读数精确度为0.1mm，

A位置主尺读数为11mm，游标尺读数为1，

读数为x1＝11mm＋1×0.1mm＝11.1mm，

同理B位置读数为x2＝15.6mm，

则条纹间距Δx＝

≈0.64mm，

利用λ＝

Δx＝6.4×10－7m.

（3）由Δx＝

λ可知，要增大条纹间距，可用波长更长的入射光或增大双缝到屏的距离，故选项A、B正确．

[答案]　

（1）绿　双缝到屏的距离　相邻条纹间距

（2）6.4×10－7　（3）AB

课堂归纳小结

[知识体系]

[本节小结]

1．对双缝干涉实验的理解．

（1）干涉的条件：

相干光源（要点一题组训练1）；

（2）实验装置的理解：

单缝、双缝的作用（要点一题组训练2）；（3）出现明暗条纹的条件：

某点到双缝的距离差是半波长奇数倍时出现暗条纹，是波长的整数倍时出现亮条纹．（要点一题组训练2）

2．双缝干涉条纹的特点：

光源是单色光时，出现明暗相间的条纹，且条纹间距相等；光源为白色光时，中央为亮条纹．干涉条纹是彩色条纹，且中央条纹是白色．

3．用双缝干涉实验测光的波长．明白实验原理、方法，如用累积法测相邻亮条纹的间距，会操作，注意实验事项.