光的干涉高二物理素养提升学案(人教版2019选择性)

高中物理选择性必修一素养提升学案

第四章光

光的干涉

【核心素养目标】

物理观念

1.知道光的干涉现象，认识光干涉条纹的特征。

2.了解薄膜干涉，了解其应用。

科学思维

知道形成干涉的过程，体会干涉的条件，能判断条纹间距的变化。

科学探究

经历光的双缝干涉的实验过程，体会科学探究的意义。

科学态度与责任

通过对干涉图像及干涉现象的应用，体会物理知识之美。

【知识点探究】

知识点一光的双缝干涉

1.物理史实

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，两个波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.决定条纹明暗的条件

（1）当两个光源与屏上某点的距离之差等于波长λ的整数倍时，两列光波在这点相互加强，出现亮条纹。

（2）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，两列光波在这点相互减弱，出现暗条纹。

4.干涉条纹和光的波长之间的关系

（1）亮条纹中心的位置：x=nλ（n=0，±1，±2…）

（2）相邻两条亮条纹或暗条纹的中心间距是：Δx=λ。

【特别提醒】

（1）双缝干涉的条件必须有相干光源，且双缝间的距离必须很小。

（2）杨氏干涉实验采用将一束光一分为二的方法获得相干光源。

（3）用单色光作光源，干涉条纹是明暗相间的条纹。

（4）若用白光作光源，干涉条纹是彩色条纹。

知识点二薄膜干涉

1.不同位置的液膜，厚度不同，因此在膜上不同的位置，一束自前后两个面的反射光的路程差不同。在某些位置，这两列波叠加后相互加强，出现了亮条纹；在另一位置，叠加后相互削弱，出现了暗条纹。

2.薄膜干涉在技术上的应用：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。

【特别提醒】

（1）从液膜上观察的是从膜前、后两表面反射回来的光（眼睛与光源在膜的同一侧）。（√）

（2）用单色光照射液体薄膜得到明暗相间的条纹，用白光照射得到彩色条纹。（√）（3）肥皂液薄膜的干涉条纹是水平的。

【考点探究】

考点1光的双缝干涉

为什么会出现双缝干涉现象？

1.双缝干涉的装置示意图

实验装置如情境探究中图所示，有光源、单缝、双缝和光屏。

2.单缝屏的作用

获得一个线光源，使光源有唯一的频率和振动情况。

3.双缝屏的作用

平行光通过单缝S后，又照射到双缝S1、S2上，这样一束光被分成两束频率相同和振动情况完全相同的相干光。

4.产生干涉的条件：两列光的频率相同、相位相同、振动方向相同。实验中可用“一分为二”的方法获得两个相干光源。

5.光的干涉原理

光的干涉现象中虽然是波峰与波峰叠加或波谷与波谷叠加出现亮条纹，波峰与波谷叠加出现暗条纹，但仍遵循能量守恒的原则。干涉现象只是光波能量的重新分配，暗条纹处光能量几乎为零，亮条纹处能量较强，存在光能量增强处并不是光的干涉产生的能量，而是按波的传播规律，到达该处的光能量比较集中，而暗条纹处基本没有光能量传到该处。

【典例1】

1．某同学利用如图所示实验观察光的干涉现象，其中A为单缝屏，B为双缝屏，C为光屏。当让一束阳光照射A屏时，C屏上并没有出现干涉条纹，移走B后，C上出现一窄亮斑。分析实验失败的原因可能是（）

A．单缝S太窄

B．单缝S太宽

C．S到S1和S2距离不相等

D．阳光不能作为光源

【答案】B

【详解】双缝干涉实验中单缝的作用是获得线光源，而线光源可以看成是由许多个点光源沿一条线排列组成的，单缝的宽度应比较小，由题意知，这里观察不到光的干涉现象是由于单缝太宽，得不到线光源。

故选B。

2．真空中，由两个不同光源所发出的两束白光落在同一点上，不会产生干涉现象。这是因为()

A．两个光源发出光的频率相同

B．两个光源发出光的强度不同

C．两个光源的光速不同

D．这两个光源是彼此独立的，不是相干光源

【答案】D

【详解】干涉现象是波的特征，频率相同、性质相同的两列波相遇时才会产生干涉现象，两束白光落在同一点上，不会产生干涉现象，是因为它们的频率不同，这两个光源是彼此独立的，不是相干光源，故D正确，ABC错误；

故选D。

考点2双缝干涉图样的特点

如图所示是几种单色光的双缝干涉图样，请问：

几种单色光的双缝干涉图样

（1）单色光干涉时相邻两亮条纹的间距和相邻两暗条纹的间距相等吗？

（2）用不同颜色的光做干涉实验时干涉图样完全一样吗？

1.条纹间距与波长的关系

条纹间距是指相邻亮条纹中心或相邻暗条纹中心间的距离。

由数学知识可得条纹间距公式为Δx=λ，其中l为双缝到屏的距离，d为双缝间的距离，λ为入射光的波长。

2.屏上某处出现亮、暗条纹的条件

（1）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：

|P S1P S2|=kλ=2k·（k=0，1，2，3…）

k=0时，P S1=P S2，此时P点位于光屏上的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：|P S1P S2|=(2k1）·（k=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。

3.单色光的干涉图样：若用单色光作光源，则干涉条纹是明暗相间的条纹，且条纹间距相等。

4.白光的干涉图样：若用白光作光源，则干涉条纹是彩色条纹，且中央条纹是白色的。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，各种色光都在中央条纹处形成亮条纹，从而复合成白色条纹。

（2）两侧条纹间距与各色光的波长成正比，即红光的亮条纹间距宽度最大，紫光的亮条纹间距宽度最小，即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。

【命题角度1】干涉图样分析

【典例2】

3．如图甲所示为双缝干涉实验的装置示意图，图乙为用绿光进行实验时，在屏上观察到的条纹情况，a为中央亮条纹，图丙为换用另一种颜色的单色光做实验时观察到的条纹情况，a′为中央亮条纹，则以下说法中正确的是（）

A．图丙可能为用红光实验产生的条纹，表明红光波长较长