高中物理 第5章 光的干涉 衍射 偏振 第1節(jié) 光的干涉知識(shí)導(dǎo)航素材 魯科版選修34

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1、 第1節(jié) 光的干涉 思維激活 1.從上章的折射定律知:光的折射與波的折射遵守同樣的規(guī)律,光是否也是一種波?若是一種波,它一定能發(fā)生干涉,光的干涉又有哪些現(xiàn)象和條件? 提示:光是一種波,只是滿足相干條件的光源不易獲得和發(fā)現(xiàn),只有用巧妙的方法和特制的儀器才能獲得相干光源、觀察到光的干涉現(xiàn)象.如雙縫干涉和肥皂泡薄膜干涉等現(xiàn)象. 2.觀察照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡等高質(zhì)量光學(xué)儀器的鏡頭,你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的顏色有什么特點(diǎn)?為什么會(huì)呈現(xiàn)這種特點(diǎn)? 提示:鏡頭呈現(xiàn)淡紫色,這是因?yàn)殓R頭表面涂有一層增透膜,膜的上表面與玻璃表面反射的光發(fā)生干涉.由于只有一定波長(一定顏色)的光干涉時(shí)才會(huì)相互加強(qiáng),所以鍍膜鏡頭看起來

2、是有顏色的. 自主整理 一、光的干涉及其產(chǎn)生條件 1.干涉現(xiàn)象 若兩束光波在空間傳播時(shí)相遇,將在相遇區(qū)域發(fā)生___________,如果在某些區(qū)域光被___________,而在另一些區(qū)域光被,且加強(qiáng)區(qū)域和減弱區(qū)域是___________,這種現(xiàn)象稱為光的干涉現(xiàn)象.光的干涉圖樣是___________的條紋. 2.產(chǎn)生條件 產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的兩束光必須符合的3個(gè)條件分別是(1)___________;(2)___________;(3) ___________.這種光源被稱為___________. 二、科學(xué)探究——測定光的波長 1.在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中,相鄰兩條亮紋或

3、暗紋之間的距離:Δy=______,其中,l表示____________,d表示___________,λ表示___________. 2.測量光屏上亮(暗)條紋的寬度,為了減小誤差,測出n個(gè)條紋間的距離a,然后取平均值求出Δy,則___________. 三、薄膜干涉及其應(yīng)用 1.身邊的光的干涉現(xiàn)象——薄膜干涉實(shí)例有:(1)_________________________________;(2) _________________________________;(3)_________________________________;等等. 2.薄膜干涉現(xiàn)象具有廣泛的實(shí)用價(jià)值:(

4、1)劈尖干涉是一種劈形空氣薄膜干涉,可用于__________________;(2)在照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡等高質(zhì)量的光學(xué)儀器中,在其鏡頭的表面鍍上透明的___________,用來增加____________________________________________. 高手筆記 光的雙縫干涉和薄膜干涉 (1)光的干涉說明光是一種波,光程差為半波長奇數(shù)倍的位置,兩光相互削弱,為暗紋;光程差為半波長偶數(shù)倍的位置,兩光相互加強(qiáng),為亮紋. (2)測定單色光的波長可根據(jù)λ=,通過觀察單色光的干涉圖樣測得條紋間距離Δx,再測得雙縫間距離d和雙縫到屏的距離L,算得λ. (3)測條紋間距Δx,不能

5、單測一條,而是測多條的間距,再推算得一條的間距,以達(dá)到減小誤差的目的. (4)白光通過雙縫干涉和薄膜干涉都能分解成單色光發(fā)生干涉,出現(xiàn)彩色條紋. 名師解惑 1.在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中,屏上出現(xiàn)明、暗條紋的條件是什么? 剖析:如圖5-1-1所示,S1、S2是兩個(gè)狹縫,=d,縫到屏的距離為l,ld,O是S1、S2的中垂線與屏的相交點(diǎn). 圖5-1-1 若兩列光波到屏上某點(diǎn)的光程差為半波長的偶數(shù)倍,這一點(diǎn)將出現(xiàn)亮紋;若兩列光波到某點(diǎn)的光程差為半波長的奇數(shù)倍,該點(diǎn)就出現(xiàn)暗紋,即δ=nλ(n=0,1,2,…),出現(xiàn)亮條紋:δ=(2n+1) (n=0,1,2,…),出現(xiàn)暗條紋. 說明:

6、(1)當(dāng)n=0時(shí),即圖中O點(diǎn),S1和S2到達(dá)O點(diǎn)的光程差為零,O點(diǎn)是振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn),出現(xiàn)亮條紋,為中央亮紋. (2)k=1時(shí),為第一亮紋,……可知在O點(diǎn)上、下方有對(duì)稱的亮條紋. 2.如何獲得相干光源? 剖析:兩列波要產(chǎn)生干涉,它們的頻率必須相同,而且相位差要保持不變.只有這樣,一旦它們?cè)诳臻g某點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)相互加強(qiáng),才會(huì)一直是相互加強(qiáng)的關(guān)系,否則不可能出現(xiàn)干涉現(xiàn)象. 由于不同光源發(fā)出的光頻率一般不同,即使是同一光源,它的不同部位發(fā)出的光也不一定有相同的頻率和恒定的相差,故一般情況下不易觀察到光的干涉現(xiàn)象. 為了獲得相干光源,科學(xué)家們采用了“一分為二”的方法,將同一列

7、光波分解成兩列(或幾列)光波,使各分光束經(jīng)過不同的路程,然后相遇,產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉現(xiàn)象.課本楊氏實(shí)驗(yàn)的相干光源就是這樣獲得的,在薄膜干涉中,由薄膜的兩個(gè)面形成的兩束反射光也是相干光源. 講練互動(dòng) 【例題1】如圖5-1-2所示,在用單色光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí),若單縫S從雙縫S1、S2的中央對(duì)稱軸位置處稍微向上移動(dòng),則（ ） 圖5-1-2 A.不再產(chǎn)生干涉條紋 B.仍可產(chǎn)生干涉條紋,且中央亮紋P的位置不變 C.仍可產(chǎn)生干涉條紋,中央亮紋P的位置略向上移 D.仍可產(chǎn)生干涉條紋,中央亮紋P的位置略向下移 解析：本實(shí)驗(yàn)中單縫S的作用是形成頻率一定的線光源,雙縫S1、S2的作用是形成相

8、干光源,稍微移動(dòng)S后,沒有改變傳到雙縫的光的頻率,由S1、S2射出的仍是相干光,由單縫S發(fā)出的光到達(dá)屏上P點(diǎn)下方某點(diǎn)的光程差為零,故中央亮紋下移. 答案：D 綠色通道 本題主要考查是否了解雙縫干涉中單縫和雙縫的作用,知道托馬斯楊巧妙獲得相干光源的方法及產(chǎn)生中央明紋的條件. 變式訓(xùn)練 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(只能透過紅光),另一縫前放一綠色濾光片(只能透過綠光),已知紅光與綠光頻率、波長均不相等,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

9、條紋消失,其他顏色的干涉條紋依然存在 C.任何顏色的雙縫干涉條紋都不存在,但屏上仍有光亮 D.屏上無任何光亮 解析:兩列光波發(fā)生干涉的條件之一是頻率相等,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,但分別用綠色濾光片和紅色濾光片擋住兩條縫后,紅光和綠光頻率不等,不能發(fā)生干涉,因?yàn)槠辽喜粫?huì)出現(xiàn)干涉條紋,故A、B錯(cuò).狹縫相當(dāng)于兩個(gè)光源,故紅光和綠光可以到達(dá)屏上,在屏上看到的是紅光和綠光疊加后的光,故C對(duì),D錯(cuò). 答案:C 【例題2】某同學(xué)在做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí),測得雙縫間距d=3.010-3 m,雙縫到光屏間的距離為1 m,前兩次測量手輪上的示數(shù)分別為0.610-3 m和

10、6.610-3 m,兩次分劃板中心刻線間有5條暗條紋,求該單色光的波長. 解析：相鄰兩暗條紋間距:Δy= = =1.510-3 m 由Δy=λ得,該單色光的波長為: λ=m=2.410-3 m. 答案：2.410-3 m 綠色通道 Δx應(yīng)等于m=1.510-3 m,不是等于,因?yàn)榉謩澃逯行目叹€位于亮條紋中心,如圖5-1-3所示,分劃板兩次中心刻線間有兩個(gè)半寬度的亮條紋,所以Δx=. 分劃板中心刻線 圖5-1-3 變式訓(xùn)練 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Δx=0.6 μm;若分別用頻率為f1=5.01014Hz和f2=7.51014 Hz的單

11、色光垂直照射雙縫,則P點(diǎn)出現(xiàn)明、暗條紋的情況為（ ） A.用頻率為f1的單色光照射時(shí),出現(xiàn)明條紋 B.用頻率為f2的單色光照射時(shí),出現(xiàn)明條紋 C.用頻率為f1的單色光照射時(shí),出現(xiàn)暗條紋 D.用頻率為f2的單色光照射時(shí),出現(xiàn)暗條紋 解析:根據(jù)c=λf,可得兩種單色光的波長分別為 λ1==m=0.6 μm λ2=m=0.4 μm 與題給的條件(Δx=0.6 μm)比較可知 Δx1=λ1 Δx2=λ2 故用頻率為f1的光照射雙縫時(shí),P點(diǎn)出現(xiàn)明條紋;用頻率為f2的光照射雙縫時(shí),P點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋,該題的正確選項(xiàng)為A、D. 答案:AD 【例題3】(

12、經(jīng)典回放)劈尖干涉是一種薄膜干涉,其裝置如圖5-1-4甲所示,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(gè)劈形空氣薄膜.當(dāng)光垂直入射后,從上往下看到的干涉條紋如圖乙所示,干涉條紋有如下特點(diǎn):(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(duì)應(yīng)的薄膜厚度差恒定.現(xiàn)若在圖甲裝置中抽去一張紙片,則當(dāng)光垂直入射到新劈形空氣薄膜后,從上往下觀察到的干涉條紋…（ ） 圖5-1-4 A.變疏 B.變密 C.不變 D.消失 解析：當(dāng)光垂直

13、入射到劈形空氣薄膜后,是空氣薄膜的上、下兩個(gè)表面的反射光相遇疊加,干涉的條件是兩束光的路程差要符合一定的條件才能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象.從裝置中抽出一張紙片,光干涉的條件不變,即形成明暗條紋時(shí)空氣膜的厚度不變,相同水平距離上,劈勢厚度變化減小,導(dǎo)致波程差變化減小,條紋變寬,條紋數(shù)量變少.即A正確. 答案：A 綠色通道 劈尖產(chǎn)生的干涉條紋是由劈形空氣薄膜的上下兩表面反射光疊加形成的,干涉條紋的疏密取決于楔形空氣層厚度變化.空氣層的厚度越小(θ變小)干涉條紋越稀疏;空氣層的厚度越大(θ變大)干涉條紋越密.本題主要考查光的干涉,真正體現(xiàn)了題在書外而理在書中,應(yīng)用物理規(guī)律解答現(xiàn)實(shí)現(xiàn)象是一個(gè)永恒的主

14、題. 變式訓(xùn)練 3.如圖5-1-5所示,一束白光從左側(cè)射入肥皂薄膜,下列說法中正確的是（ ） 圖5-1-5 A.人從右側(cè)向左看,可看到彩色條紋 B.人從左側(cè)向右看,可看到彩色條紋 C.彩色條紋水平排列 D.彩色條紋豎直排列 解析:一束白光照到薄膜上,經(jīng)薄膜前后兩個(gè)界面上反射回來的光再相遇時(shí)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象,這樣人從左側(cè)向右看時(shí),可以看見干涉條紋,故B項(xiàng)正確.由于重力作用薄膜自上向下逐漸加厚,在同一水平線上的厚度相同,故彩色條紋是水平排列的,故C正確. 答案:BC 體驗(yàn)探究 【問題】用雙縫干涉測光的波長.實(shí)

15、驗(yàn)裝置如圖5-1-6(甲)所示,已知單縫與雙縫間的距離L1=100 mm,雙縫與屏的距離L2=700 mm,雙縫間距d=0.25 mm.用測量頭來測量亮紋中心的距離.測量頭由分劃板、目鏡、手輪等構(gòu)成,轉(zhuǎn)動(dòng)手輪,使分劃板左右移動(dòng),讓分劃板的中心刻線對(duì)準(zhǔn)亮紋的中心〔如圖(乙)所示〕,記下此時(shí)手輪上的讀數(shù),轉(zhuǎn)動(dòng)測量頭,使分劃板中心刻線對(duì)準(zhǔn)另一條亮紋的中心,記下此時(shí)手輪上的讀數(shù). (1)分劃板的中心刻線分別對(duì)準(zhǔn)第1條和第4條亮紋的中心時(shí),手輪上的讀數(shù)如圖(丙)所示,則對(duì)準(zhǔn)第1條時(shí)讀數(shù)x1=__________mm,對(duì)準(zhǔn)第4條時(shí)讀數(shù)x2=__________mm. (2)寫出計(jì)算波長λ的表達(dá)式:λ=

16、__________(用符號(hào)表示),λ=__________nm. (甲) (乙) (丙) 圖5-1-6 導(dǎo)思:正確調(diào)節(jié)測量頭得到清晰的干涉圖樣,并學(xué)會(huì)利用螺旋測微器原理讀手輪刻度,是本實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵.在具體實(shí)驗(yàn)操作中要親自實(shí)踐、觀察、體會(huì). Δy的測量可用測量頭完成,測量頭由分劃板、目鏡、手輪等構(gòu)成,通過測量頭可清晰看到干涉條紋,分劃板上中心有刻線,以此為標(biāo)準(zhǔn),并根據(jù)手輪的讀數(shù)可求得Δy.由于Δy較小,可測出幾條亮(或暗)條紋的間距a,則相鄰亮條紋間的距離Δy=. 探究:(1)手輪的讀數(shù)類似于螺旋測微器的讀數(shù)方法,如圖丙所示,固定刻度線上方半

17、毫米刻度線未露出,所以不足2.5 mm,即圖中第一條讀數(shù)固定刻度讀為2 mm,手輪刻度為0.19 mm,加上估讀刻度,即第1條讀數(shù)為2.190 mm;第四條由于固定刻度線上方半毫米刻度露出,所以固定刻度讀數(shù)為7.5 mm,手輪刻度為0.36 mm,估讀刻度為0.008 mm,加在一起,第四條時(shí)讀數(shù)為7.868 mm.所以讀數(shù)為x1=2.190 mm,x2=7.868 mm.即 答案:2.190;7.868. (2)要測單色光的波長,單色光通過雙縫干涉后產(chǎn)生明暗相間的等間距直條紋,條紋的間距與相干光源的波長有關(guān),設(shè)雙縫寬d,雙縫到屏間的距離為L,相干光源的波長為λ,則產(chǎn)生干涉圖樣中相鄰兩條亮

18、(或暗)條紋之間的距離Δy=λ,由此得:λ=,代入數(shù)據(jù)得λ=676 nm.即 答案:;676 nm. 教材鏈接 【討論與交流】 通過對(duì)課本中第91頁的圖5-6的認(rèn)識(shí),總結(jié)干涉圖樣的特點(diǎn). 答:用單色光做實(shí)驗(yàn),中央為亮紋,兩邊是明暗相間的條紋,且亮紋與亮紋間、暗紋與暗紋間的間距相等,等于Δy=λ,因?yàn)棣思t>λ藍(lán),所以Δy紅>Δy藍(lán). 用白光做實(shí)驗(yàn),中央亮紋為白色,是因?yàn)槠叻N單色光經(jīng)過雙縫干涉后在中央都是亮紋,結(jié)果這些光的條紋又重合在一起,復(fù)合成白色.但是由于不同的光頻率不同,波長不同,在中央形成的條紋寬度不同.其中紅光波長最長,形成的條紋寬度最大,邊緣處不與其他光重合,所以中央亮紋的邊緣處為紅色.紫光波長最短,最靠近中央.彩色條紋顯示出了不同顏色的干涉條紋間距是不同的. 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375