2019最新高中物理 第五章 光的波动性 1 光的干涉学案 教科版选修3-4(考试专用)

1 光的干涉

[学习目标] 1.知道光的干涉现象和产生干涉现象的条件，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.理解明暗条纹的成因及出现明暗条纹的条件.4.理解薄膜干涉的成因，知道薄膜干涉的现象和应用.

一、双缝干涉

1.1801年，英国物理学家托马斯·杨在实验室里成功地观察到了光的干涉.

2.双缝干涉实验

(1)实验过程：激光束垂直射到两条狭缝S 1和S 2上，S 1和S 2相当于两个完全相同的光源，从S 1和S 2发出的光在挡板后面的空间叠加而发生干涉现象.

(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.出现明、暗条纹的条件

光从两狭缝到屏上某点的路程差为半波长λ2的偶数倍(即波长λ的整数倍)时，这些点出现明条纹；当路程差为半波长

λ2

的奇数倍时，这些点出现暗条纹. 二、薄膜干涉

1.原理：以肥皂膜为例，单色光平行入射到肥皂泡液薄膜上，由液膜前后两个表面反射回来的两列光是相干光，它们相互叠加产生干涉，肥皂泡上就出现了明暗相间的条纹或区域.

2.图样：以光照射肥皂泡为例，如果是单色光照射肥皂泡，肥皂泡上就会出现明暗相间的条纹或区域；如果是白光照射肥皂泡，液膜上就会出现彩色条纹.

3.应用：检查平面的平整程度.原理：空气层的上下两个表面反射的两列光波发生干涉.

[即学即用]

1.判断下列说法的正误.

(1)两只相同的手电筒射出的光在同一区域叠加后，看不到干涉图样的原因是干涉图样太细小看不清楚.( × )

(2)屏上到双缝的路程差等于半波长的整数倍，此处为暗条纹.( × )

(3)水面上的油膜呈现彩色条纹，是油膜表面反射光与入射光叠加的结果. ( × )

(4)观察薄膜干涉条纹时，应在入射光的另一侧.( × )

2.如图1所示，在杨氏双缝干涉实验中，激光的波长为5.30×10－7m ，屏上P 点距双缝S 1和

S2的路程差为7.95×10－7m.则在这里出现的应是________(填“亮条纹”或“暗条纹”).

图1

答案暗条纹

一、双缝干涉实验

[导学探究] 如图2为双缝干涉的示意图，单缝发出的单色光投射到相距很近的两条狭缝S1和S2上，狭缝就成了两个波源，发出的光向右传播，在后面的屏上观察光的干涉情况.

图2

(1)两条狭缝起什么作用？

(2)在屏上形成的光的干涉图样有什么特点？

答案(1)光线照到两狭缝上，两狭缝成为振动情况完全相同的光源.

(2)在屏上形成明暗相间、等间距的干涉条纹.

[知识深化]

1.杨氏双缝干涉实验

(1)双缝干涉的装置示意图

实验装置如图3所示，有光源、单缝、双缝和光屏.

图3

(2)单缝的作用：获得一个线光源，使光源有唯一的频率和振动情况.也可用激光直接照射双缝.

(3)双缝的作用：将一束光分成两束频率相同且振动情况完全一致的相干光.

2.光产生干涉的条件

两束光的频率相同、相位差恒定、振动方向相同.杨氏双缝干涉实验是靠“一分为二”的方法获得两个相干光源的.

3.干涉图样

(1)单色光的干涉图样：干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹.

(2)白光的干涉图样：中央条纹是白色的，两侧干涉条纹是彩色条纹.

例1 在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏幕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.红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其他颜色的干涉条纹依然存在

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

答案 C

解析 分别用绿色滤光片和红色滤光片挡住两条缝后，红光和绿光频率不等，不能发生干涉，因此屏上不会出现干涉条纹，但仍有光亮.

两束光发生干涉的条件是两束光的频率相同、相位差恒定、振动情况相同.

二、双缝干涉图样中的亮、暗条纹的判断

如图4所示，设屏上的一点P 到双缝的距离分别为r 1和r 2，路程差Δr ＝r 2－r 1.

图4

(1)亮条纹的条件：屏上某点P 到两条缝S 1和S 2的路程差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍.即：

Δr ＝k λ＝2k ·λ2

(k ＝0,1,2,3，…) k ＝0时，PS 1＝PS 2，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)暗条纹的条件：屏上某点P 到两条缝S 1和S 2的路程差正好是半波长的奇数倍.即：

Δr ＝(2k －1)·λ2

(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.

例2 如图5所示是双缝干涉实验装置，使用波长为600nm 的橙色光源照射单缝S ，在光屏中央P 处观察到亮条纹，在位于P 点上方的P 1点出现第一条亮条纹(即P 1到S 1、S 2的路程差为一个波长)，现换用波长为400nm 的紫光源照射单缝，则( )

图5

A.P 和P 1仍为亮条纹

B.P 为亮条纹，P 1为暗条纹

C.P 为暗条纹，P 1为亮条纹

D.P 、P 1均为暗条纹

答案 B

解析 从单缝S 射出的光被S 1、S 2两缝分成两束相干光，由题意知屏中央P 点到S 1、S 2距离相等，即分别由S 1、S 2射出的光到P 点的路程差为零，因此中央是亮条纹，无论入射光是什么颜色的光，波长多大，P 点都是中央亮条纹.而分别由S 1、S 2射出的光到P 1点的路程差刚好是橙光的一个波长，即|P 1S 1－P 1S 2|＝600nm ＝λ橙.当换用波长为400nm 的紫光时，|P 1S 1－P 1S 2|＝600nm ＝32λ紫，则两列光波到达P 1点时振动情况完全相反，即分别由S 1、S 2射出的光

到达P 1点时相互削弱，因此，在P 1点出现暗条纹.综上所述，选项B 正确.

判断屏上某点为亮条纹还是暗条纹，要看该点到两个光源(双缝)的路程差与波长的比值，要记住路程差等于波长整数倍处出现亮条纹，等于半波长奇数倍处出现暗条纹，还要注意这一结论成立的条件是：两个光源为相干光源.

针对训练 如图6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S 1、S 2的距离之差|r 1－r 2|应为( )

图6

A.c 2f

B.3c 2f

C.3c f

D.5c 2f

答案 D