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第四章 光
第3節 光的干涉
《選擇性必修第一冊》（人教版）
肥皂泡看起來常常是彩色的
雨后公路積水，上面漂浮的油膜也經常顯現出彩色條紋或圖樣
彩色條紋是怎樣形成？
一、光的雙縫干涉現象
1.實驗
2.視頻——楊氏雙縫干涉（1801年）
為什么會形成雙縫干涉現象呢？
機械波的干涉
兩列頻率相同的波(相干波)相遇時,在某些區域振動加強(波峰與波峰、波谷與波谷疊加),而在某些區域振動減弱(波峰與波谷疊加);且振動加強的區域與振動減弱的區域相互間隔.這種現象叫波的干涉
水波的干涉
3.相關知識復習
單縫
雙縫
S1
S
S2
屏
獲得兩個振動情況完全相同的光源，叫相干光源(頻率相同)
②雙縫的作用：
①單縫的作用：
獲得所需光源
4.實驗分析：
楊氏雙縫干涉實驗證明了光是一種波
二、對光的雙縫干涉現象的解釋
1.干涉圖樣的特點:
S1
S2
雙縫
屏幕
P0 中央亮紋
由于S1S2到中央亮紋的距離是相等的, 又由于從S1S2發出的光是振動情況完全相同，那么，當其中一條光線傳來的是波峰時，另一條傳來的也一定是波峰，其中一條光線傳來的是波谷時，另一條傳來的也一定是波谷，在P點總是波峰與波峰相遇或波谷與波谷相遇，振幅A＝A1+A2為最大，P點總是振動加強的地方，故出現亮紋。
光程差δ=S2P0－S1P0=0
P1
第一亮紋
取P0點上方的點P1，若從S1S2發出的光到P1點的光程差，正好等于一個波長δ = S1P1－S2P2=λ，則當其中一條光線傳來的是波峰時，另一條傳來的也一定是波峰，其中一條光傳來的是波谷時，另一條傳來的也一定是波谷，在P1點總是波峰與波峰相遇或波谷與波谷相遇，振幅A＝A1+A2為最大，P1點總是振動加強的地方，故出現亮紋。
λ
第一條亮紋的形成原因分析
光程差δ=S2P1－S1P1=λ
雙縫
S1
S2
屏幕
P2
第二亮紋
2λ
第二條亮紋的形成原因分析
光程差δ=S2P2－S1P2=2λ
雙縫
S1
S2
屏幕
雙縫
S1
S2
屏幕
P1 第一亮紋 δ=λ
P 中央亮紋 δ=0
P2 第二亮紋 δ=2λ
P3 / 第三亮紋 δ=3λ
P3 第三亮紋 δ=3λ
P2/ 第二亮紋 δ=2λ
P1/ 第一亮紋 δ=λ
當光程差δ= nλ 時出現亮紋
以此類推
當其中一條光傳來的是波峰，另一條傳來的就是波谷，其中一條光傳來的是波谷，另一條傳來的一定是波峰，Q1點總是波峰與波谷相遇，振幅最小，Q1點總是振動減弱的地方，故出現暗紋。
2.暗條紋形成的原因
取P0點上方的點Q1，與兩個狹縫S1、S2光程差δ= S1Q1－S2Q1＝λ/2
光程差 δ = λ/2
Q1
第一暗紋
δ
雙縫
S1
S2
屏幕
取P0點上方的點Q2，與兩個狹縫S1、S2光程差δ= S1－S2＝3λ/2
當其中一條光傳來的是波峰，另一條傳來的就是波谷，其中一條光線傳來的是波谷，另一條傳來的一定是波峰，Q2點總是波峰與波谷相遇，振幅最小，Q2點總是振動減弱的地方，故出現暗紋。
δ= 3λ/2
Q1
第一暗紋
δ
雙縫
S1
S2
屏幕
Q2
第二暗紋
雙縫
S1
S2
屏幕
Q1 第一暗紋 δ=λ/2
Q2 第二暗紋 δ=3λ/2
Q3 / 第三暗紋 δ=5λ/2
Q3 第三暗紋 δ=5λ/2
Q2/ 第二暗紋 δ=3λ/2
Q1/ 第一暗紋 δ=λ/2
當光程差δ=(2n+1)λ /2 ，即半波長奇數倍時，出現暗紋。
以此類推
（1）空間的某點距離光源S1和S2的光程差為0、λ、2λ、3λ等波長的整數倍（半波長的偶數倍）時，該點為振動加強點。
（2）空間的某點距離光源S1和S2的光程差為λ /2、3 λ/2、5λ/2等半波長的奇數倍時，該點為振動減弱點。
3.總結規律
光程差 δ= kλ
（ k=0，1，2，3……）
光程差 δ =（2k+1)λ/2 ( k=0，1，2，3……）
暗紋
產生明、暗條紋的條件
亮紋：光程差 δ = kλ（ k= 0，1，2，3……）
暗紋：光程差 δ =（2k+1)λ/2 (k=0，1，2，3……）
亮紋
三、干涉條紋與光的波長之間的關系
猜想：在其它條件不變的情況下，不同顏色的光，條紋間距不同。
波長為 的單色光照射到雙縫上。兩縫中心間距為d，兩縫S1、S2的中垂線與屏的交點為P0，雙縫到屏的距離為OP0=l。
對于屏上與P0的距離為x的一點P1，兩縫與P1的距離分別為r1、r2，且d l
亮紋條件：
相鄰兩條亮條紋或暗條紋中心的間距是：
θ
理論探究：
1、紅光：波長范圍：625~740nm；
2、橙光：波長范圍：590~610nm；
3、黃光：波長范圍：570~585nm；
4、綠光：波長范圍：492~577nm；
5、靛光：波長范圍：420~440nm；
6、藍光：波長范圍：440~475nm；
7、紫光：波長范圍：380~420 nm。
生活中有沒有見過光的干涉現象呢？
四、薄膜干涉
在酒精燈的燈芯上撒一些食鹽，燈焰就能發出明亮的黃光。把鐵絲圈在肥皂水中蘸一下，讓它掛上一層薄薄的液膜。把這個液膜當作一個平面鏡，用它觀察燈焰。
1.現象
2.現象解釋
由于重力的作用，肥皂薄膜將形成上薄下厚的楔形。
光從薄膜的前后兩個表面反射出來兩列光波，這兩列光波的頻率相同，產生干涉。
前表面
后表面
現象：在一個不太長的時間段里，會看到像上亮暗相間的條紋間隔逐漸變密，為什么？
3.應用舉例
在照相機、望遠鏡等光學儀器中，要用到許多透鏡、棱鏡。光在通過這些元器件時，在每一個表面上都會發生一部分反射，從而導致透過這些元器件的光能量減少。為了降低光能損失，人們在這些元器件的表面鍍上透明的薄膜，即增透膜，如氟化鎂薄膜。增透膜兩個表面的反射光所通過的光程差等于半個波長，這樣反射回來的光會因產生干涉而相互抵消，增加了透射光的能量。
4.練習與應用
劈尖干涉是一種薄膜干涉，如圖所示。將一塊平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夾入兩張紙片，從而在兩玻璃表面之間形成一個劈形空氣薄膜，當光從上方入射后，從上往下看到的干涉條紋有如下特點：
（1）任意一條明條紋或暗條紋所在位置下面的薄膜厚度相等；
（2）任意相鄰明條紋或暗條紋所對應的薄膜厚度差恒定。
現若在如圖所示裝置中抽去一張紙片，則當光入射到劈形空氣薄膜后，從上往下可以觀察到干涉條紋發生了怎樣的變化？
3 面
4 面
1 面
2 面
d1
d2
l
θ
θ
兩處光程差為 1=2d1， 2=2d2
2－ 1= ，所以d2－d1= /2
由幾何關系可得
即
結論：
當抽去一張紙片時，θ減小， l增大，即條紋變稀疏。
平整時
3面凹陷時
亮紋1
亮紋2
3 面
4 面
1 面
2 面
牛頓環
干涉圖樣：
中央疏、邊沿密的同心圓環
貝殼呈現的彩紋等都與光的干涉有關，均為兩個面的反射光干涉的結果。
五、光的本性
光的本質是什么？
1.牛頓的微粒說：光是高速粒子流，解釋光的直進，光的反射。
2.惠更斯的波動說：光是某種振動，以波的形式向周圍傳播，解釋光的折射、干涉和衍射，光的直進，光的反射。機械彈性波動（以太）。
3.麥克斯韋的電磁說：光是一種電磁波，發展了光的波動理論。
4.愛因斯坦的光子說：成功解釋光電效應，認為光具有粒子性。
5.德布羅意的波粒二象性學說：光既有粒子性，又有波動性。
光的本性學說發展史上的五個學說
t
18世紀
19世紀
20世紀
17世紀
·
2000多年前中國的《墨經》
·
惠更斯，波動說，1678年《論光》
微粒說占主導
·
1801年托馬斯·楊的雙縫干涉實驗
·
·
1865年麥克斯韋理論，1888年赫茲實驗
·
1905年，愛因斯坦的光子說解釋光電效應
·
新的光學理論
·
牛頓，微粒說，《光學》
課堂小結：
1.光的干涉現象
2.光的雙縫干涉原理
3.薄膜干涉現象與原理
4.干涉現象的應用
5.光的本性及其發展史

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