知识讲解光的干涉和色散.docx

知识讲解光的干涉和色散.docx

《知识讲解光的干涉和色散.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《知识讲解光的干涉和色散.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

知识讲解光的干涉和色散

光的干涉

【学习目标】

1．知道光的干涉现象和干涉条件，并能从光的干涉现象中说明光是一种波．

2．理解氏干涉实验中亮暗条纹产生的原因．

3．了解相干光源，掌握产生干涉的条件．

4．明确《用双缝干涉测量光的波长》实验原理．

5．知道实验操作步骤．

6．会进行数据处理和误差分析．

【要点梳理】

要点一、光的干涉

1．光的干涉

（1）光的干涉：

在两列光波的叠加区域，某些区域相互加强，出现亮纹，某些区域相互减弱，出现暗纹，且加强和减弱的区域相间，即亮纹和暗纹相间的现象．

如图所示，让一束平行的单色光投射到一个有两条狭缝和的挡板上，狭缝和相距很近．如果光是一种波，狭缝就成了两个波源，它们的振动情况总是相同的．这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，光在一些位置相互加强，在另一些位置相互削弱，因此在挡板后面的屏上得到明暗相间的条纹．

（2）干涉条件：

两列光的频率相同，振动情况相同且相差恒定．能发生干涉的两列波称为相干波，两个光源称为相干光源，相干光源可用同一束光分成两列而获得，称为分光法．

2．屏上某处出现明、暗条纹的条件

同机械波的干涉一样，光波的干涉也有加强区和减弱区，加强区照射到光屏上出现亮条纹，减弱区照射到光屏上就出现暗条纹．对于相差为的两列光波如果光屏上某点到两个波源的路程差是波长的整数倍，该点是加强点；如果光屏上某点到两个波源的路程差是半波长的奇数倍，该点是减弱点．因此，出现亮条纹的条件是路程差：

，出现暗条纹的条件是路程差：

，

如图所示，若是亮条纹，则（）．

由图知：

，

，，

由于很小，，所以，

（），该处出现亮条纹．

当时，即图中的点，到达点的路程差为零，一定是振动加强点，出现亮纹，又叫中央亮纹．

当时，为第一亮纹，由对称性可知在点的下方也有和点上方相对称的亮纹．

同理，由（），

可得（），该处出现暗条纹．

3．双缝干涉条纹特征

有关双缝干涉问题，一定要用双缝干涉的特点进行分析，一是两缝间距应很小；二是照射到两缝上的光波必须是相干光；三是两相邻亮纹或两相邻暗纹间的距离；四是出现亮纹的条件是路程差，；出现暗纹的条件是路程差（）；五是白光的干涉条纹为彩色，但中央亮纹仍为白色；六是单色光的干涉条纹宽度相同，明暗相间，均匀分布．不同色光条纹宽度不同，波长越长的干涉条纹的宽度越大；七是白光干涉时，各色光的条纹间距离不等．

4一般情况下很难观察到光的干涉现象的原因

由于不同光源发出的光频率一般不同，即使是同一光源，它的不同部位发出的光也不一定有相同的频率和恒定的相差，在一般情况下，很难找到那么小的缝和那些特殊的装置．故一般情况下不易观察到光的干涉现象．

要点二、用双缝干涉测量光的波长解题依据

1．实验目的

（1）观察白光及单色光的双缝干涉图样；

（2）测定单色光的波长．

2．实验原理

（1）光源发出的光经滤光片成为单色光，单色光通过单缝后相当于线光源，经双缝产生稳定的干涉图样，通过屏可以观察到明暗相间的干涉条纹．如果用白光通过双缝可以观察到彩色条纹．

（2）若双缝到屏的距离用z表示，双缝间的距离用表示，相邻两条亮纹间的距离用表示，则入射光的波长为．实验中是已知的，测出、即可测出光的波长．

3．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、毛玻璃屏、测量头，另外还有学生电源、导线、刻度尺．

4．实验装置

如图所示，将直径约、长约的遮光筒平放在光具座上，筒的一端有双缝，另一端装上毛玻璃做光屏，其上有刻度，先取下双缝，打开光源，调节光源高度，使它发出的一束光恰沿遮光筒的轴线照亮光屏，然后放好单缝和双缝，两屏相距，使缝互相平行，且位于轴线上，这时可看到彩色干涉条纹，若在单缝屏和光源之间放置一块滤光片，则可观察到单色干涉条纹．

5．实验步骤

（1）调节双缝干涉仪，观察光的双缝干涉现象；

（2）用单色光入射得到干涉条纹，测出条亮纹的距离，得相邻条纹的距离；

（3）利用已知的双缝间距，用刻度尺测出双缝到屏的距离，根据公式计算出波长；

（4）换用不同颜色的滤光片，观察干涉条纹间的距离有什么变化，并求出相应的波长．

要点诠释：

①某种颜色的滤光片只能让这种颜色的光通过，其他颜色的光不能通过．

②条纹间距用测量头测出．

③单缝与双缝闻的距离在．

6．注意事项

（1）调节双缝干涉仪时，要注意调节光源的高度，使它发出的一束光能够沿着遮光筒的轴线把屏照亮；

（2）放置单缝和双缝时，缝要相互平行，中心大致位于遮光筒的轴线上；

（3）调节测量头时，应使分划板中心刻线对齐条纹的中心，记下此时手轮上的读数，转动测量头，使分划板中心刻线对齐另一条纹的中心，记下此时手轮上的读数，两次读数之差就表示这两条条纹间的距离；

（4）不要直接测，要测几个条纹的间距计算得，这样可减小误差；

（5）白光的干涉观察到的是彩色条纹，其中白色在中央，红色在最外层．

7．测量条纹间隔的方法

两处相邻明（暗）条纹间的距离，用测量头测出．测量头由分划板、目镜、手轮等构成，如图甲所示．转动手轮，分划板会左、右移动．测量时，应使分划板中心刻线对齐条纹的中心（如图乙所示），记下此时手轮上的读数，转动手轮，使分划板向一侧移动，当分划板中心刻线对齐另一条相邻的明条纹中心时，记下手轮上的刻度数，两次读数之差就是相邻两条明条纹间的距离．即．

要点诠释：

Δx很小，直接测量时相对误差较大，通常测出条明条纹间的距离，再推算相邻两条明（暗）条纹间的距离．

．

8．洛埃镜干涉实验

1834年，洛埃利用单面镜得到了氏干涉的结果．洛埃镜实验的基本装置如图13-3-16所示，为单色光源。

为一平面镜．经平面镜反射光和直接发出的光在光屏上相遇叠加形成干涉条纹，其光路如图所示，干涉的条纹宽度公式为．

光的衍射、偏振、色散、激光

【学习目标】

1．了解光的衍射现象及观察方法．

2．理解光产生衍射的条件．

3．知道几种不同衍射现象的图样．

5．知道振动中的偏振现象，偏振是横波特有的性质．

6．明显偏振光和自然光的区别．

7．知道光的偏振现象及偏振光的应用．

8．知道光的色散、光的颜色及光谱的概念．

9．理解薄膜干涉的原理并能解释一些现象．

10．知道激光和自然光的区别．

11．了解激光的特点和应用．

【要点梳理】

要点一、光的衍射

1．光的衍射现象

当单色光通过很窄的缝或很小的孔时，光离开了直线路径，绕到障碍物的阴影里去，光所达到的围会远远超过它沿直线传播所应照明的区域，形成明暗相间的条纹或光环．

2．产生明显衍射的条件

障碍物的尺寸可以跟光的波长相近或比光的波长还要小时能产生明显的衍射．对同样的障碍物，波长越长的光，衍射现象越明显；对某种波长的光，障碍物越小，衍射现象越明显．由于波长越长，衍射性越好，所以要观察到声波的衍射现象就比观察到光波的衍射现象容易得多．

3．三种衍射现象和图样特征

（1）单缝衍射．

①单缝衍射现象．

如图所示，点光源发出的光经过单缝后照射到光屏上，若缝较宽，则光沿着直线传播，传播到光屏上的区域；若缝足够窄，则光的传播不再沿直线传播，而是传到几何阴影区，在区还出现亮暗相间的条纹，即发生衍射现象．

要点诠释：

衍射是波特有的一种现象，只是有的明显，有的不明显而已．

②图样特征．

单缝衍射条纹分布是不均匀的，中央亮条纹与邻边的亮条纹相比有明显的不同：

用单色光照射单缝时，光屏上出现亮、暗相间的衍射条纹，中央条纹宽度大，亮度也大，如图所示，与干涉条纹有区别．用白光照射单缝时，中间是白色亮条纹，两边是彩色条纹，其中最靠近中央的色光是紫光，最远离中央的是红光．

（2）圆孔衍射．

①圆孔衍射的现象．

如图甲所示，当挡板上的圆孔较大时，光屏上出现图乙中所示的情形，无衍射现象发生；当挡板上的圆孔很小时，光屏上出现图丙中所示的衍射图样，出现亮、暗相间的圆环．

②图样特征．

衍射图样中，中央亮圆的亮度大，外面是亮、暗相间的圆环，但外围亮环的亮度小，用不同的光照射时所得图样也有所不同，如果用单色光照射时，中央为亮圆，外面是亮度越来越暗的亮环．如果用白光照射时，中央亮圆为白色，周围是彩色圆环．

（3）圆板衍射．

在1818年，法国物理学家菲涅耳提出波动理论时，著名的数学家泊松根据菲涅耳的波动理论推算出圆板后面的中央应出现一个亮斑，这看起来是一个荒谬的结论，于是在同年，泊松在巴黎科学院宣称他推翻了菲涅耳的波动理论，并把这一结果当作菲涅耳的谬误提了出来但有人做了相应的实验，发现在圆板阴影的中央确实出现了一个亮斑，这充分证明了菲涅耳理论的正确性，后人把这个亮斑就叫泊松亮斑．

小圆板衍射图样的中央有个亮斑——泊松亮斑，图样中的亮环或暗环间的距离随着半径的增大而减小．

4．衍射光栅

（1）构成：

由许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学仪器．

（2）特点：

它产生的条纹分辨程度高，便于测量．

（3）种类：

．

5．衍射现象与干涉现象的比较

种类

项目

单缝衍射

双缝干涉

不同点

产生条件

只要狭缝足够小，任何光都能发生

频率相同的两列光波相遇叠加

条纹宽度

条纹宽度不等，中央最宽

条纹宽度相等

条纹间距

各相邻条纹间不等

各相邻条纹等间距

亮度

中央条纹最亮，两边变暗

清晰条纹，亮度基本相等

相同点

干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹

6．三种衍射图样的比较

如图所示是光经狭缝、小孔、小圆屏产生的衍射图样的照片．由图可见：

（1）光经不同形状的障碍物产生的衍射图样的形状是不同的．

（2）衍射条纹的间距不等．

（3）仔细比较乙图和丙图可以发现小孔衍射图样和小圆屏衍射图样的区别：

①小圆屏衍射图样的中央有个亮斑——著名的“泊松亮斑”；②小圆屏衍射图样中亮环或暗环间距随着半径的增大而减小，而圆孔衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而增大；③乙图背景是黑暗的，丙图背景是明亮的．

要点二、光的偏振

1．光是横波

光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，但不能由此确定光究竟是横波还是纵波．

要点诠释：

电磁波是横波，电磁波中的电场强度和磁感应强度都与波的传播方向垂直．既然光是电磁波，也应该是横波，光的作用主要是由其电场强度引起的．

2．偏振现象

（1）狭缝对横波、纵波的影响：

如果在波的传播方向上放一带狭缝的木板，不管狭缝方向如何，纵波都能自由通过狭缝；对横波，只有狭缝的方向与横波质点的振动方向相同时，横波才能毫无阻碍地通过狭缝；当狭缝的方向与质点的振动方向垂直时，横波就不能通过狭缝，这种现象叫做横波的偏振．如图所示．

（2）横波独有的特征：

偏振现象是横波所特有的，故利用偏振现象可判断一列波是横波或是纵波．

（3）光的偏振现象说明光波是横波．

3．自然光和偏振光

（1）自然光：

从普通光源直接发出的自然光是无数偏振光的无规则集合，所以直接观察时不能发现光强偏向哪一个方向．这种沿着各个方向振动的光波强度都相同的光叫自然光．

自然光介绍：

太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同。

如图所示。

要点诠释：

偏振片是由特殊材料制成的，其“狭缝”用肉眼不能看见，它只允许振动方向与“狭缝”平行的光波通过．通过偏振片后，自然光就变成了偏振光．如图所示，普通光源发出的光经过偏振片时，后面的光屏是明亮的，说明光透过了偏振片，若转动偏振片，光屏上亮度不变，说明透过光的强度不变，由此可知，自然光沿着各个方向振动的光波的强度都相同．

（2）偏振光：

只沿着一个特定的方向振动的光叫偏振光．如经过偏振片后的