資源簡(jiǎn)介

(共54張PPT)
第四章　光及其應(yīng)用
第四節(jié)　光的干涉
1
通過(guò)觀察演示實(shí)驗(yàn)，知道光的干涉現(xiàn)象和產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的條件。
2
通過(guò)對(duì)干涉現(xiàn)象的分析，理解產(chǎn)生明暗條紋的條件，知道條紋間距與波長(zhǎng)的關(guān)系。
3
通過(guò)實(shí)例分析，理解薄膜干涉及其應(yīng)用。
重點(diǎn)
重難點(diǎn)
難點(diǎn)
雨后公路積水上面漂浮的彩色油膜
彩色的肥皂泡
這些彩色條紋或圖樣是怎樣形成的？
光照射到肥皂膜或油膜上發(fā)生了干涉現(xiàn)象，形成了彩色條紋或圖樣。
光的雙縫干涉現(xiàn)象及條件
一
光的本性學(xué)說(shuō)的發(fā)展史
牛頓 微粒說(shuō)
惠更斯 波動(dòng)說(shuō)
干涉現(xiàn)象是波動(dòng)獨(dú)有的特征，如果光真的是一種波，就必然會(huì)觀察到光的干涉現(xiàn)象
波的干涉：如果兩列機(jī)械波的頻率相同、相位差恒定、振動(dòng)方向相同，就會(huì)發(fā)生干涉。光是一種電磁波，那么光是否也會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象？
光的干涉條件——相干光源
1801年，英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊（1773~1829）巧妙地解決了相干光源問(wèn)題，成功地觀察到了光的干涉現(xiàn)象，直接證明了光的波動(dòng)特性。
托馬斯·楊（1773~1829）
楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)被評(píng)為十大最美麗的物理實(shí)驗(yàn)之一
雙縫干涉圖樣
在暗室中用氦氖激光器發(fā)出的紅色激光照射金屬擋板上的兩條平行的狹縫，在后面的屏上觀察光的干涉情況。
演示實(shí)驗(yàn)：觀察光的干涉現(xiàn)象
兩只激光筆發(fā)出來(lái)的光是相干光嗎？
將一束激光照射到縫S1和縫S2上，縫S1和縫S2將這束激光分成兩列光波，這兩列光波振動(dòng)頻率、振動(dòng)方向都相同，這兩列光波在雙縫后相遇，出現(xiàn)振動(dòng)加強(qiáng)和減弱相間的區(qū)域，在屏上就出現(xiàn)明暗相間的干涉條紋。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象分析
圖樣特點(diǎn)
①振動(dòng)加強(qiáng)的地方出現(xiàn)亮條紋，振動(dòng)減弱的地方出現(xiàn)暗條紋。
②亮條紋和暗條紋相互間隔，間距相等。
③亮條紋的位置和暗條紋的位置是不隨時(shí)間而改變的。
振動(dòng)加強(qiáng)
震動(dòng)減弱
實(shí)驗(yàn)結(jié)論
兩束光相遇時(shí)，如果滿足一定的條件，會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。光的干涉現(xiàn)象證明了光是一種波。
能夠產(chǎn)生穩(wěn)定干涉的條件是什么？
光波產(chǎn)生干涉的條件：① 頻率相同
② 振動(dòng)方向相同
③ 相位差恒定
S1
P0S1
S2
P0S2
S1、S2在P0處步調(diào)一致，P0點(diǎn)振動(dòng)加強(qiáng)。 (亮)
Δr=
路程差
S1
S2
雙縫
屏幕
P0 中央亮紋
亮條紋形成的原因
S1
S2
P1
P1
P1S1
P1S2
S1、S2在P2處步調(diào)一致，P1點(diǎn)振動(dòng)加強(qiáng)。(亮)
P1
第一亮紋
λ
雙縫
S1
S2
屏幕
Δr=
λ
P2
第二亮紋
2λ
雙縫
S1
S2
屏幕
S1
S2
P2
P2
P2S1
P2S2
Δr=
S1、S2在P2處步調(diào)一致，P2點(diǎn)振動(dòng)加強(qiáng)。(亮)
2λ
暗條紋形成的原因
Q1
第一暗紋
雙縫
S1
S2
屏幕
S1
S2
Q1
Q1
Q1S1
Q1S2
Δr=
S1、S2在Q1處步調(diào)相反，Q1點(diǎn)振動(dòng)減弱。(暗)
雙縫
S1
S2
屏幕
Q2
第二暗紋
S1
S2
Q2
Q2S1
Q2S2
Δr=
S1、S2在Q2處步調(diào)相反，Q2點(diǎn)振動(dòng)減弱。(暗)
Q2
S1
S2
P0 中央亮紋：Δr=0
P1 第一亮紋：Δr=λ
λ
P1 第一亮紋：Δr=λ
2λ
P2 第二亮紋：Δr=2λ
P2 第二亮紋：Δr=2λ
Q1第一暗紋：Δr=
Q1第一暗紋：Δr=
Q2第二暗紋：Δr=
Q2第二暗紋：Δr=
Q3第三暗紋：Δr=
Q3第三暗紋：Δr=
零級(jí)亮紋
①兩列相干光波到達(dá)明(暗)干涉條紋的位置的路程差Δr是波長(zhǎng)的_______(或半波長(zhǎng)的 )，即滿足
明條紋：Δr＝_______________________
明暗條紋的判斷
②如果兩列光不是在真空或空氣中傳播，而是在絕對(duì)折射率為n的介質(zhì)中傳播路程r，則
明條紋：Δ(nr)＝________________________
k為明(暗)條紋的級(jí)次
Δ(nr)為兩列相干光到達(dá)明(暗)干涉條紋處的路徑與絕對(duì)折射率乘積的差值，叫作光程差。
整數(shù)倍
奇數(shù)倍
kλ(k＝0，±1，±2，…)
kλ(k＝0，±1，±2，…)
1.楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)為什么采用雙縫？是為了滿足干涉的哪個(gè)條件？
通過(guò)雙縫出來(lái)的光能保證頻率相同、振動(dòng)方向相同，同時(shí)兩束光的相位差由屏到雙縫的距離L以及雙縫之間的距離d決定，故可以保證相位差恒定，從而滿足干涉的條件——頻率相同，振動(dòng)方向相同，相位差恒定。
2.為什么兩支激光筆發(fā)出的激光照射到屏上無(wú)法產(chǎn)生干涉？
兩支激光筆即使相同，只能保證激光的頻率相同，而激光筆發(fā)出的光的初相位由每支筆發(fā)光的隨機(jī)性決定，因而它們發(fā)出的光相位差不恒定。故兩支激光筆發(fā)出的光不是相干光，在同一空間不出現(xiàn)干涉條紋。
(1)發(fā)生干涉的兩束光的振幅必須相同。(　　)
(2)在光屏上能看到光的干涉圖樣，但在雙縫與光屏之間的空間卻沒(méi)有發(fā)生干涉。(　　)
(3)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，光屏上距兩縫的光程差等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍處出現(xiàn)暗條紋。(　　)
×
×
×
例1　在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，以白光為光源，在屏幕上觀察到了彩色干涉條紋。若在雙縫中的一縫前放一紅色濾光片(只能透過(guò)紅光)，另一縫前放一綠色濾光片(只能透過(guò)綠光)，已知紅光與綠光的頻率、波長(zhǎng)均不相等，這時(shí)
A.只有紅色和綠色的雙縫干涉條紋，其他顏色的雙縫干涉條紋消失
B.紅色和綠色的雙縫干涉條紋消失，其他顏色的雙縫干涉條紋仍然存在
C.任何顏色的雙縫干涉條紋都不存在
D.至少有一種顏色的雙縫干涉條紋
√
例2　在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，雙縫到光屏上P點(diǎn)的距離之差為0.6 μm，若分別用頻率為f1＝5.0×1014 Hz和f2＝7.5×1014 Hz的單色光垂直照射雙縫，試分析判斷P點(diǎn)應(yīng)出現(xiàn)明條紋還是暗條紋？分別為第幾條明條紋或暗條紋？(光在真空中的傳播速度c＝3×108 m/s)
答案　用頻率為f1的單色光照射時(shí)，P處應(yīng)出現(xiàn)明條紋，且為第一條明條紋(不包含中間明條紋)；用頻率為f2的單色光照射時(shí)，P處應(yīng)出現(xiàn)暗條紋，且為第二條暗條紋。
　 在圖示的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，光源S到縫S1、S2的光程差為實(shí)驗(yàn)用光波波長(zhǎng)的1.5倍，P0為S1、S2連線中垂線與光屏的交點(diǎn)。光屏上P1點(diǎn)到S2、S1的光程差為實(shí)驗(yàn)用光波波長(zhǎng)的2.5倍。則P0處和P1處將分別呈現(xiàn)
A.明條紋、暗條紋 B.明條紋、明條紋
C.暗條紋、明條紋 D.暗條紋、暗條紋
針對(duì)訓(xùn)練
√
條紋間距與波長(zhǎng)的關(guān)系
二
雙縫
S1
S2
屏幕
x
x
條紋間距的含義：
相鄰兩條明條紋(或暗條紋)中心之間的距離叫作條紋間距.
影響因素：雙縫到屏的距離、雙縫間的距離、入射光的波長(zhǎng)
光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，條紋間距的含義是什么？它可能與哪些因素有關(guān)？
亮
亮
L
L
屏
屏
波長(zhǎng)越大，相鄰的明紋間距越大
影響條紋間距的因素
亮
亮
亮
d2
d1
L
L
屏
雙縫的距離d越小，相鄰的明紋間距越大
亮
屏
屏A
屏B
L1
L2
d
雙縫與屏的距離 L 越大，相鄰的明紋間距越大
單色光
波長(zhǎng)：λ
擋板
屏
d：雙縫間距
L：擋板到屏的距離
在線段P1S2上作P1M＝P1 S1
由幾何知識(shí)得
r2－r1＝dsin θ ①
x＝Ltan θ≈Lsin θ ②
消去 sin θ
r2－r1＝d
d L
條紋間距的公式推導(dǎo)
明條紋：d ＝ n λ (n ＝ 0，±1，±2 …)
明條紋中心的位置為：x ＝ nλ
相鄰兩個(gè)明條紋或暗條紋的中心間距是：
x ＝ λ
對(duì) x ＝ λ 公式的理解
(1)對(duì)于同一干涉裝置和同一單色光，條紋之間的距離相等.
(2)對(duì)于不同顏色的光，波長(zhǎng)不同，由 x ＝ λ知條紋之間的距離與光波
的波長(zhǎng)成正比.
紅光干涉條紋
紫光干涉條紋
藍(lán)光干涉條紋
如果用白光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，會(huì)得到怎樣的干涉條紋？為什么？
會(huì)得到中央條紋是白色兩側(cè)為彩色條紋的干涉條紋，而且同一級(jí)條紋內(nèi)紫外紅。因?yàn)榘坠馐怯杉t、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色組成的復(fù)色光，且從紅光到紫光波長(zhǎng)逐漸變短。各種色光都能形成明暗相間的條紋，都在中央條紋處形成明條紋，從而復(fù)合成白色條紋。兩側(cè)條紋間距與各色光的波長(zhǎng)成正比，條紋不能完全重合，這樣便形成了彩色干涉條紋。
例3　(2024·廣東番禺中學(xué)高二期中)殲20是我國(guó)自主研制的第五代戰(zhàn)斗機(jī)，其優(yōu)秀的性能受到全世界的關(guān)注。殲20著陸光學(xué)系統(tǒng)中用到了雙縫干涉的知識(shí)，如圖甲所示的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，用綠光照射單縫S時(shí)，在屏上觀察到如圖乙所示的條紋，僅改變一個(gè)實(shí)驗(yàn)條件后，觀察到的條紋如圖丙所示。他改變的實(shí)驗(yàn)條件可能是
A.減小雙縫到光屏之間的距離
B.增大雙縫之間的距離
C.將綠光換為紅光
D.減小光源到單縫的距離
√
薄膜干涉
三
觀察到燈焰的像出現(xiàn)了明暗相間的干涉條紋。該條紋是由液膜前后兩個(gè)面反射的光相互疊加發(fā)生干涉形成的。
在酒精燈的燈芯上撒一些食鹽，燈焰就能發(fā)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。把這層液膜當(dāng)作一個(gè)平面鏡，用它觀察燈焰的像。這個(gè)像與直接看到的燈焰有什么不同？請(qǐng)解析看到的現(xiàn)象。
白光照射下，薄膜上不同顏色的光的條紋的明暗位置不同，相互交錯(cuò)，所以，看上去會(huì)有彩色條紋。
1.薄膜干涉中相干光波的來(lái)源
薄膜前后兩個(gè)表面 的兩組光波。
薄膜干涉
2.薄膜干涉的原理
由于 的作用，從膜的上部到膜的下部呈現(xiàn)楔形。在膜不同的地方，其內(nèi)、外表面反射光的________不同，故總有一些地方的光程差滿足明、暗條紋條件。
反射回來(lái)
重力
光程差
增透膜
薄膜厚度d=
(1)特征：減少光的 損失，增強(qiáng)光的 強(qiáng)度。
(2)厚度與波長(zhǎng)的關(guān)系：當(dāng)光由空氣射向鏡頭上的增透膜時(shí)，膜的后表面上的反射光比前表面上的反射光多經(jīng)歷的路程為膜厚度的兩倍。所以膜厚度應(yīng)為光在薄膜介質(zhì)中波長(zhǎng)的，使兩反射光相互抵消。由此可知，增透膜的厚度d＝(其中n為膜的折射率，λ為光在空氣中的波長(zhǎng))。
3.薄膜干涉的應(yīng)用
增透膜
反射
透射
有人想利用薄膜干涉的原理設(shè)計(jì)一種“增反膜”來(lái)增加反射，減少透射，若膜的折射率為n，空氣中的波長(zhǎng)為λ，這種“增反膜”的厚度至少是多少？
要使反射光加強(qiáng)，兩列光波的光程差(大小等于薄膜厚度的2倍)至少應(yīng)等于光在薄膜中的波長(zhǎng)λ′即2d＝λ′＝，膜的厚度為光在薄膜中波長(zhǎng)的，即d＝ 。
例4　用單色光照射位于豎直平面內(nèi)的肥皂液薄膜，所觀察到的干涉條紋為
√
例5　(多選)將精度很高的標(biāo)準(zhǔn)玻璃板(樣板)放在被檢查工件上面，如圖甲所示，在樣板的右端墊薄片，使標(biāo)準(zhǔn)玻璃板與被檢查平面之間形成一楔形空氣膜。用平行單色光從上方射入，這時(shí)可以看到明暗相間的條紋如圖乙所示。下列說(shuō)法正確的是
A.干涉條紋是樣板的下表面和被檢查工件的上表面的反射光干涉形成的
B.眼睛應(yīng)從入射光的另一側(cè)觀測(cè)干涉條紋
C.圖乙條紋彎曲處對(duì)應(yīng)著被檢查平面處有
凸起
D.增大薄片的厚度，條紋間距增大
√
√
干涉法檢查平面平整度
如圖甲所示，在利用薄膜干涉檢查平面的平整度時(shí)，在被檢查平面與透明樣板間墊一個(gè)薄片，使其間形成一個(gè)楔形的空氣薄層。
用單色光從上面照射時(shí)，空氣層的上下兩個(gè)表面反射的兩列光波發(fā)生干涉，空氣層厚度相同的地方，兩列波光程差相同，兩列波疊加時(shí)相互加強(qiáng)或相互削弱的情況也相同。如果被測(cè)表面是平整的，得到的干涉圖樣必是一組平行的直線。
樣板下表面
工件上表面
空氣薄膜
如果被測(cè)表面某處凹陷，則對(duì)應(yīng)明條紋(或暗條紋)向左彎曲，如圖乙中P 處所示；如果某處凸起，則對(duì)應(yīng)明條紋(或暗條紋)向右彎曲，如圖乙中Q 處所示。
判斷方法：同一條紋上對(duì)應(yīng)的膜的厚度相同。
（等厚干涉）
以P 點(diǎn)為例，如下圖所示，薄膜干涉是等厚干涉，即同一亮條紋處空氣膜的厚度相同，從彎曲的條紋可知，被檢查平面左邊處的空氣膜與其右面的空氣膜厚度相同，知該處凹下；增大光的頻率，則波長(zhǎng)變短，分析可知，干涉條紋將變密，若僅減小薄片的厚度，干涉條紋將變疏。
空氣薄膜
兩處對(duì)應(yīng)空氣膜厚度相等
凹下
牛頓環(huán)：由一塊平板玻璃和一平凸透鏡組成
路程差為半波長(zhǎng)奇數(shù)倍
——暗條紋
步調(diào)相同
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
干涉
條件
亮暗條紋條件
路程差為半波長(zhǎng)偶數(shù)倍
——亮條紋
頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定
條紋間距與波長(zhǎng)的光的關(guān)系
薄膜干涉
光的雙縫干涉現(xiàn)象及產(chǎn)生條件
干涉原理
應(yīng)用
增透膜和增反膜
檢查平整度
光的干涉
x ＝ λ
兩列光波發(fā)生干涉的條件之一是頻率相同，利用雙縫將一束光分成能夠發(fā)生疊加的兩束光，在光屏上形成干涉條紋，但分別用紅色濾光片和綠色濾光片擋住兩條縫后，紅光和綠光頻率不同，不能發(fā)生干涉，因此屏上不會(huì)出現(xiàn)干涉條紋，故選項(xiàng)C正確。
雙縫S1、S2到光屏上P點(diǎn)的路程之差Δr等于單色光波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，由S1和S2發(fā)出的光在P點(diǎn)互相加強(qiáng)，P點(diǎn)出現(xiàn)明條紋；當(dāng)Δr等于單色光半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，由S1和S2發(fā)出的光在P點(diǎn)互相抵消，出現(xiàn)暗條紋。
頻率為f1的單色光的波長(zhǎng)
頻率為f2的單色光的波長(zhǎng)
可知，用頻率為f1的單色光照射時(shí)，P處應(yīng)出現(xiàn)明條紋，且為第一條明條紋(不包含中間明條紋)；用頻率為f2的單色光照射時(shí)，P處應(yīng)出現(xiàn)暗條紋，且為第二條暗條紋。
光源S到縫S1、S2的光程差為實(shí)驗(yàn)用光波波長(zhǎng)的1.5倍，S1、S2到P0處的光程一樣，則光源S到P0處的光程差就等于光波波長(zhǎng)的1.5倍，所以是暗條紋；光屏上P1點(diǎn)到S2、S1的光程差為實(shí)驗(yàn)用光波波長(zhǎng)的2.5倍，則光源S到P1處的光程差等于光波波長(zhǎng)，所以為明條紋，故選C。
由于在光的干涉中明、暗條紋的位置取決于兩列光波相遇時(shí)通過(guò)的光程差，則在薄膜干涉中取決于入射點(diǎn)處薄膜的厚度。因肥皂液薄膜在重力作用下形成了一個(gè)上薄下厚的楔形膜，厚度相等的位置在同一條水平線上，故同一條干涉條紋必然是水平的，由此可知只有選項(xiàng)B正確。
干涉條紋是樣板的下表面和被檢查工件的上表面的反射光干涉形成的，故A正確；干涉發(fā)生在樣板上側(cè)，所以眼睛應(yīng)從入射光的一側(cè)觀測(cè)干涉條紋，故B錯(cuò)誤；題圖乙條紋彎曲，表明k級(jí)條紋在原有k＋1級(jí)條紋位置滯后出現(xiàn)，即此處光程差變小，空氣膜厚度變小，對(duì)應(yīng)著被檢查平面處有凸起，故C正確；增大薄片的厚度，
在被檢查平面同一位置處光程差增大，
對(duì)應(yīng)干涉條紋級(jí)數(shù)增大，而此位置到
首級(jí)干涉條紋的距離不變，所以條紋
間距減小，故D錯(cuò)誤。

展開(kāi)更多......

收起↑