資源簡介

(共65張PPT)
肥皂膜看起來常常是彩色的，雨后公路積水上面漂浮的油膜，也經(jīng)常顯現(xiàn)出彩色條紋。
這些彩色條紋或圖樣是怎樣形成的？
光是否也會產(chǎn)生這些現(xiàn)象
本節(jié)我們將探討
1.光的干涉及其產(chǎn)生條件
我們曾觀察過水波的干涉現(xiàn)象，用音叉很容易實現(xiàn)聲波的干涉。
那么，當兩光相遇時，
是否會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象呢
下面我們通過實驗來進行探索。
雙縫干涉現(xiàn)象
將一未激光照射到雙縫上，光通過雙縫后照射到光屏上(圖5-1)，
裝置特點：
1、單孔的作用：是獲得點光源
2、雙孔的作用：相當于兩個振動情況完全相同的光源，雙孔的作用是獲得相干光源
光的干涉條件：
相干光源：
可觀察到屏上出現(xiàn)明暗相間的條紋(圖5-2)。
5、干涉圖樣的特點：
（1）形成明暗相間的條紋
（2）亮紋間等距、暗紋間等距
（3）兩縫S1、S2中垂線與屏幕相交位置是亮條紋---中央亮紋
提出問題：（1）為什么會出現(xiàn)這樣的圖象？
（2）怎樣用波動理論進行解釋？
運用光的波動理論進行分析
復習：
（1）兩列波在波峰和波峰相遇或波谷與波谷相遇時振幅變大，說明此點為振動加強點 。
（2）兩列波在波峰和波谷相遇時振幅變小，說明此點為振動減弱點。
（3）對光發(fā)生干涉時
若光互相加強，出現(xiàn)亮條紋
若光互相削弱，出現(xiàn)暗條紋
激光光源發(fā)出的光，同時投射到縫S1和縫S2上，被分成兩列光波。
這兩列光波振動頻率、振動方向都相同，在雙縫后相遇，出現(xiàn)振動加強和減弱相間的區(qū)域，在屏上就出現(xiàn)了明暗相間的干涉條紋。
可見，兩束光相遇時，如果滿足一定的條件，也會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。
研究表明，要使兩列光波相遇時產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，兩列光波必須具有相同的頻率和振動方向。
干涉是波特有的一種現(xiàn)象，光確實具有波的特性。
1801年，英國物理學家托馬斯·楊
首次在實驗室成功進行了光的干涉實驗，即著名的楊氏雙縫干涉實驗。
雙縫干涉實驗示意圖如圖 5-3 所示。
在一個房間里同時開兩盞白熾燈，是看不到干涉現(xiàn)象的。
光的相干條件
兩列光波產(chǎn)生干涉的條件，除光波的頻率和振動方向必須相同之外，還要求振動必須保持恒定的相位差。如果兩列光波的頻率和振動方向都相同，但相位差變化不定，這樣的兩列光波疊加也不可能產(chǎn)生出穩(wěn)定的干涉圖樣。
人們把頻率相同、振動方向相同和相位差恒定這三個條件稱為光的相干條件，符合這三個條件的光源稱為相干光源。
2.光的雙縫干涉公式
兩列光波產(chǎn)生干涉時，為什么會在光屏上出現(xiàn)明暗相間的條紋呢
如圖 5-4所示，在光屏的中心取一個點 P0使它到縫S1 和縫S2的距離相等。當從縫S1和縫S2發(fā)出的振動情況相同的兩列光波經(jīng)過相等的路程到達點P0時，必然是兩列光波的波峰或波谷)同時到達點P0 。
這樣，兩列光波疊加的結果是該點的光總是得到加強，因此該點就出現(xiàn)亮條紋。
如果我們在點 P 的上方取一個點 P，
使縫S1 和縫S2到點P的距離之差 Δr
正好是光波的半個波長(即 Δr=λ)，
那么兩列光波必然是一列波的波峰(或波谷)與另一列波的波谷(或波峰)同時到達點P。
這樣，兩列光波疊加的結果是該點的光總是減弱，
因此該點就出現(xiàn)暗條紋。
如果我們在點P的上方再取一個點Q，
使縫S1和縫S2到點 Q的距離之差 Δr
正好是光波的一個波長
(即 Δr=λ)，
那么兩列光波也是波峰(或波谷 )
同時到達點Q，
疊加的結果是該點的光總是得到加強，
因此該點也出現(xiàn)亮條紋。
依此類推，如果兩列光波到達某點時，
路程差 Δr 為波長的整數(shù)倍，
即滿足 Δr =±n λ(n=0，1，2，3，…)時，
這兩列光波互相加強， 在那里就出現(xiàn)亮條紋;
反之，如果兩列光波到達某點時，
路程差 Δr 為半個波長的奇數(shù)倍，
即滿足 Δr=±(2n+1)(n=0 ，1，2 ，3，…)時，就出現(xiàn)暗條紋。這樣，在屏上就形成了明暗相間的干涉圖樣，
研究表明，在雙縫干涉實驗中，
相鄰兩條亮條紋或暗條紋中心間距
式中，入為光波的波長，d為雙縫間距離,l為雙縫到光屏的距離。
由上式可見，當d和I一定時，入越大，條紋中心間距 v就越大。由該公式，我們可通過測量 v、d和1得出光波的波長 λ。
同一實驗裝置，用不同的色光來做雙縫干涉實驗，所產(chǎn)生的干涉條紋是不同的。圖5-5 是由三種色光產(chǎn)生的干涉條紋，請比較它們有什么異同，并說明原因。談談你的認識，并與同學討論交流。
用橙色光做雙縫干涉實驗時，測得雙縫間的距離為0.1cm，雙縫擋板與光屏間的距離為 205 cm，第1條亮線與第5條亮線中心間距為 0.5cm。求橙色光的波長和頻率。
①通過第1條紋和第5條紋的距離可求得相鄰條紋的間距
②再通過雙縫干涉條紋間距的公式即可得到光的波長
③然后通過波長與頻率的關系可求得頻率
分析
已知l=205cm，d=0.1cm，△y=
= △y=cm
=6.1×10-5cm=6.1 ×10-7 m
v==Hz=4.9 ×1014 Hz
解
在空氣中，橙光的波長范圍為597~622 nm，計算結果合理。不同波長的光波，引起人眼的顏色感覺不同。在可見光中，紅光波長最長，紫光波長最短。請查閱相關資料，了解不同顏色可見光的波長范圍。
討論
機械波中波長、頻率與波速間的關系v=λf，對光波仍然適用。
光在真空中的傳播速度為c。
光在介質(zhì)中的傳播速度，可通過v=計算。
如果我們把整個實驗裝置放入折射率大于1的介質(zhì)中，保持d和l不變化，條紋間距會發(fā)生變化嗎
光程與雙縫干涉的條紋間距
光在不同介質(zhì)中的傳播速度不同。如果光在某介質(zhì)中沿直線傳播的距離為1，經(jīng)歷時間為t，傳播速度為 v，則
再由折射率公式 n=
得 t=
我們把 nl 稱為光程，用 δ 表示。
如果光在真空或空氣中傳播，n = 1，則光程和路程相等。
光程可理解為在相同時間內(nèi)光在真空中傳播的距離。
在雙縫干涉實驗中，相鄰兩條亮紋或暗紋中心間距可由光程差推出。如圖5-6所示，若單色光在真空中波長為入，兩孔間距為 d，小孔至屏的距離為 l，
相鄰條紋間距為△y，介質(zhì)折射率為n，振動情況相同的兩光源到點P的光程差為
由于 θ 很小：sinθ≈tanθ=
點P出現(xiàn)第一條亮紋，其光程差為一個波長，即
Δl = λ
所以，相鄰條紋間距Δy= λ
在真空或空氣中，n = 1 Δy= λ
3.薄膜干涉及其應用
光的干涉現(xiàn)象就在我們身邊，色彩斑斕的肥皂泡、五顏六色的油膜(圖5-7)等,都與光的干涉有關。
如何解釋這些現(xiàn)象呢
下面先看一個小實驗。
肥皂液膜上的干涉
在酒精燈燈芯上撒一些食鹽，燈焰能發(fā)出明亮的黃光。把鐵絲圈在肥皂液中一下，使鐵絲圈掛上一層薄薄的液膜，用酒精燈的黃光照射液膜，液膜反射的光能使我們看到燈焰的像(圖5-8)。
為什么燈焰的像會出現(xiàn)明暗相間的橫條紋
薄膜干涉的成因
如圖所示，豎直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用使下面厚、上面薄，因此在薄膜上不同的地方，從膜的前、后表面反射的兩列光波疊加，若兩列波疊加后互相加強，則出現(xiàn)亮紋；
在另一些地方，疊加后互相減弱，則出現(xiàn)暗紋。
故在單色光照射下，就出現(xiàn)了明暗相間的干涉條紋；
若在白光照射下，則出現(xiàn)彩色干涉條紋。
平時我們看到的
蚌殼內(nèi)表面透明薄膜上呈現(xiàn)出各種色彩
有些昆蟲薄而透明的翅翼上出現(xiàn)彩色光
帶有透明薄膜保護層的激光唱片呈現(xiàn)彩色……
都是薄膜干涉現(xiàn)象。
兩塊疊放在一起的玻璃板之間存在很薄的一層空氣薄膜，光波分別在與該空氣薄膜接觸的兩玻璃面上反射。
當這兩部分反射光相遇時，也會產(chǎn)生薄膜干涉，形成干涉條紋。
輕壓玻璃板，被壓處空氣薄膜的厚度會變化，從而導致干涉條紋彎曲變形(圖5-9)。
如圖5-10所示，在被測平面上放一個透明的標準平面樣板，在樣板的一端墊一個薄片，使標準平面和被測平面之間形成一個楔形空氣薄膜:
我們可利用這一特點來檢查平面的平整程度:
再用單色光照射樣板。
這時分別從空氣薄膜上、下兩表面反射的兩列光波就會發(fā)生干涉。
如果被測表面是平的，干涉條紋就是一組平行的直條紋。
如果干涉條紋發(fā)生彎曲，就表明被測表面不平。
這種測量的精度可達 10-8m。
增透膜：在透鏡表面涂上一層薄膜，當薄膜的厚度等于入射光的在薄膜中的波長的1/4時，從薄膜前后兩表面反射回來的光的路程差恰好等于半個波長，它們干涉相消，減小了反射光的能量，增強了透射光的能量，稱為增透膜。
1.如圖所示，一鐵絲環(huán)中有肥皂液膜，當日光照射肥皂液膜時會出現(xiàn)彩色條紋。請分析原因。
2.用白光做雙縫干涉實驗時，多數(shù)亮紋都是彩色的，為什么中間的一條亮條紋是白色的
3.在如圖所示的雙縫干涉實驗中，用波長λ=600 nm 的橙色光照射，在光屏中心點P0呈現(xiàn)亮條紋。
若點P0上方的點P到S1、S2的路程差恰為λ ，現(xiàn)改用波長為400 nm 的紫光照射，則
A. P0和P都呈現(xiàn)亮條紋
B. P0為亮條紋，P為暗條紋
C. P0為暗條紋，P為亮條紋
D. P0和P都呈現(xiàn)暗條紋
4.用干涉法檢查厚玻璃板b的上表面是否平整的裝置如圖所示。干涉條紋是由某兩個表面反射的光疊加產(chǎn)生的，這兩個表面是
A.a的上表面、b 的下表面
B.a的上表面、b 的上表面
C.a的下表面、b 的上表面
D.a的下表面、b 的下表面
5.在雙縫干涉實驗中，分別用紅色和綠色的激光照射同一雙縫，在雙縫后的屏幕上，紅光的干涉條紋間距與綠光的干涉條紋間距哪個更大 若實驗中紅光的波長為630nm，雙縫與屏幕的距離為 1.00 m，測得第1條到第6條亮條紋中心間的距離為 10.5 mm，雙縫之間的距離有多大
*6.如圖所示，在雙縫干涉實驗中，若單色光源S到兩縫S1、S2距離相等，則屏上中央亮條紋位于圖中O處。現(xiàn)將光源S向下移動到示意圖中的S“位置，則（ ）
A.中央亮條紋向下移動，且條紋間距不變
B.中央亮條紋向上移動，且條紋間距不變
C.中央亮條紋向下移動，且條紋間距增大
D.中央亮條紋向上移動，且條紋間距增大

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