[3-4]4-1光的干涉.doc

沪科教版高中物理选修3-4同步导学第4章 光的波动性 谢步时编第4章 光的波动性4.1 光的干涉【学习目标】 1知识与技能：知道光的干涉现象，了解相干条件，知道光的双缝干涉现象是如何产生的以及产生明暗条纹间距与波长的关系；知道薄膜干涉是如何产生的，了解薄膜干涉的现象及技术上的应用。2过程与方法：通过实验现象，与以前学过的机械波的干涉进行类比，推理在双缝干涉实验中形成亮条纹和暗条纹的原因及产生亮暗条纹的条件，培养学生的自主学习的能力以及对问题的分析、推理、探究、总结能力。3情感态度与价值观：在做托马斯杨的干涉实验中领略科学家的探究精神和认识事物的物理思维方法，培养学生循着科学家足迹自主探究科学知识的能力。通过对薄膜干涉的实例分析，体会到物理与生活的紧密联系，增强学习物理的兴趣。【要点导学】1光的干涉现象频率相同、振动方向相同、相位差恒定的两列光相遇时，使某些地方振动始终加强（显得明亮），或者始终减弱（显得暗淡）的现象，叫光的干涉现象。光的干涉有双缝干涉和薄膜干涉两种。 2相干光源 相干光的条件：频率相同；振动方向相同；相位差恒定。3产生明暗条纹的条件光程差（） 条纹为亮条纹光程差（） 条纹为暗条纹4用同一装置但不同颜色的单色光或白光做双缝干涉实验的实验现象（1）用单色光做双缝干涉实验，波长越长的单色光得到的条纹间距越大（用红光做双缝干涉实验得到的条纹间距最大；用紫光做双缝干涉实验得到的条纹间距最小）。（2）用白红光做双缝干涉实验时，中央条纹为白色，两侧为彩色条纹。5薄膜干涉的原理与现象（1）薄膜干涉的相干光源：薄膜前后两个面反射的两列光波即是薄膜干涉的相干光源。（2）薄膜干涉的规律：光程差满足（）出现亮条纹；光程差（）出现暗条纹；白光发生薄膜干涉时，出现彩色条纹。（3）薄膜干涉实例：肥皂泡、水面上的油膜和贝壳呈现彩色，相机镜头呈淡紫色等。6光的干涉现象证明了光的波动性【方法举例】1深入理解相干光源 （1）一般普通光源观察不到干涉现象。两个独立光源发出的光，即使是“频率相同的单色光（实际上严格的单色光并不存在），也不能保持有恒定的相差；即使是同一个单色光源的两部分发出的光，因为不能保证有恒定的相位差，也不能产生干涉现象。（2）形成相干波源的方法有两种：1、利用激光（因为激光发出的是单色性、平行度极好的光）。SS /bdac平面镜肥皂膜空气膜SS1S2平行光图4-1-12、设法将同一束光分为两束。分别是利用双缝、利用空气膜、利用肥皂膜、利用平面镜形成相干光源的示意图。2正确理解干涉现象中明暗条纹的形成原理，能用干涉规律分析干涉现象。干涉现象中明暗相间条纹反映光的能量在空间分布情况，用光的波动理论来解释，凡光程差等于波长整数倍的位置，相当于同相位叠加（波峰与波峰叠加），产生亮条纹，亮条纹处的光能量比较强，光能量增加也不是光的干涉可以产生能量，而是按波的传播规律，到达该处的能量比较集中；凡光程差等于半波奇数倍的位置，产生暗条纹，暗条纹处光能量几乎是零表明两列光波叠加彼此相互抵消这并不是光能量损耗了或变成其它形式能量，而是按波的传播规律，没有能量传到该处。明暗明图4-1-23薄膜干涉以及薄膜干涉在现实中的应用如图4-1-2,竖直放置的肥皂膜，在入射光接近垂直于薄膜表面入射的情况下，实线代表从前表面反射，虚线代表从后表面反射，光程差是薄膜的厚度d的2倍，在同一水平高度，膜的厚度是相同的，因此每一条亮线都是水平的。入射光在薄膜前后两个表面分别反射后的光程差等于波长的整数倍的各处，同相位叠加出现亮条纹。竖直放置的肥皂膜从上到下厚度逐渐增大，光程差也逐渐增大。由于紫光波长最短，因此每一组亮线中总是紫光的光程差先达到波长整数倍，也就是紫光的亮纹在最上方，红光的亮纹在最下方，形成彩色的干涉条纹。薄膜干涉的应用(1)照相机、望远镜的镜头表面的增透膜。（2）检查工件表面是否平整。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，若在双缝中的一条缝前放一块红色滤光片(只能透过红光)，另一条缝前放一块绿色滤光片(只能透过绿光)，这时在光屏上将会看到怎样的现象（ ） （A）只有红色和绿色的双缝干涉条纹，其它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，其它颜色的双缝干涉条纹依然存在 （C）任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮 （D）屏上仍然有彩色干涉条纹，只是干涉条纹的亮度变暗了一些解析在双缝干涉实验中，白光通过单缝成为线光源，从单缝时出的光通过双缝分成两束光，它们在光屏上形成彩色的干涉条纹，现在两个缝前分别放上红色和绿色滤光片，红光和绿光的频率不同，不是相干光，所以屏上没有干涉条纹，但屏上有亮光，选择项C图4-1-3 说明能否产生干涉现象的关键是，入射光源是否满足相干光源的条件，不同颜色的光频率不同，因此不同颜色的两列光不能形成干涉。例2 如图4-1-3所示，在双缝干涉实验中，光源发出波长为6.010-7 m的橙光时，在光屏上获得明暗相间的橙色干涉条纹。在屏上的P点恰是中央亮纹一侧的第二条亮条纹。现改用频率为6.251014 Hz的光，则在屏上A点应出现明条纹还是暗条纹？解析双缝干涉实验中，中央亮纹是路程差=0的第0条明条纹，中央亮纹一侧第二条亮纹是=2的点，所以对于P点=2=26.010-7 m=1210-7 m。若改用频率为6.251014 Hz的光，由c=f得= m=4.80-7m，=2.5，即d=5，故P点是暗条纹。说明此题考查干涉现象中出现明条纹条件（），出现暗条纹条件（，），解决这类问题的一般方法是掌握波在叠加区域加强和减弱的条件。第零条明条纹指=0，第一条明条纹指=1，第二条明条纹指=2，依此类推。第一条暗条纹=，第二条暗条纹=，依此类推。 例3 人的视觉最敏感的色光为绿光，为了增加通光量，通常在照相机镜头上涂一层薄膜（一般用氟化镁），称为增透膜，以增强绿光的透射强度，薄膜的折射率为n，真空中绿光的波长为 ，则增透膜的厚度应为多厚？为什么照相机的镜头常呈淡紫色或蓝色？解析在镜面涂上一层厚度适当厚度的透明薄膜，入射光在薄膜的前、后的反射光相遇时的光程差=2d ；人的视觉最敏感的色光为绿光，要增强绿光的透射强度，即应使绿光在薄膜的前、后的反射光的光程差是绿光在膜中波长的，即 = ，因此膜的厚度d应等于绿光在薄膜中波长的，即，这样绿光的反射光反相叠加后互相抵消，减弱了绿光反射的强度，增加了绿光透射的强度。一般情况下入射光是白光，其中各种色光的波长是不同的。因此在确定薄膜厚度时要使白光中人的视觉最敏感的绿光在垂直入射时完全抵消。这时红光和紫光的反射光不可能完全抵消，因此我们看到的这些镜头的颜色总是呈现淡紫色或蓝色。说明 由于光程差是薄膜厚度的2倍，因此光程差是入射光波长的 ； 由于光程差发生在薄膜中，因此特别要注意增透膜的厚度应为薄膜中波长的，而不是真空中的；某一增透膜由于厚度确定，因此只能增强一种光的透射强度，不可能同时增强多种光的透射强度。【基础训练营】 一、选择题1能产生干涉现象的两束光是（ ）（A）频率相同、振幅相同的两束光（B）频率相同、相位差恒定的两束光（C）两只完全相同的灯光发出的光（D）同一光源的两个发光部分发出的光2如图图4-1-4所示为一显示薄膜干涉现象的实验装置，P是附有肥皂膜的铁丝圈，S是一点燃的酒精灯。往火焰上洒些盐后，在肥皂膜上观察到的干涉图象应是下图中的（ ）图4-1-4A B C D3关于薄膜干涉，下述说法中正确的是（ ）（A）干涉条纹的产生是由于光在膜的前后两表面反射，形成的两列光波叠加的结果（B）干涉条纹中的暗纹是由于上述两列反射光的波谷与波谷叠加的结果（C）干涉条纹是平行等间距的平行线时，说明膜的厚度处处相等（D）观察薄膜干涉条纹时，应在入射光的同一侧ab单色光标准样板薄片厚玻璃板图4-1-54如图图4-1-5所示,是用干涉法检查某块厚玻璃板的上表面是否平的装置。所用单色光是用普通光源加滤光片产生的。检查中所观察到的干涉条纹是由下列哪两个表面反射的光线叠加而成的（ ）（A）a的上表面与b的下表面（B）a的上表面与b的上表面（C）a 的下表面与b的上表面（D）a的下表面与b的下表面5下列现象中属于干涉现象的是（ ）（A）涂有增透膜的照相机镜头是淡紫色 （B）夏季雨后天空中出现的彩虹（C）肥皂泡在阳光下呈现彩色条纹 （D）孔雀羽毛呈现彩色6在双缝实验中，双缝到光屏上P点的距离之差d=0.6 m。若分别用频率为f1=5.01014 Hz和频率为f2=7.51014 Hz的单色光垂直照射双缝，则P点出现条纹的情况是（ ）（A）用频率为f1的单色光照射时，P点出现明条纹S1S2PP1P2Q2Q1图4-1-6（B）用频率为f2的单色光照射时，P点出现明条纹（C）用频率为f1的单色光照射时，P点出现暗条纹（D）用频率为f2的单色光照射时，P点出现暗条纹7图4-1-6为双缝干涉及示意图，S1、S2为双缝，屏上P点与S1、S2距离相等，用波长为6000橙光照射，P1、P2为P上方最近的两条相邻的亮纹，Q1、Q2为暗条纹，改用波长为4000的紫光照射，下列说法正确的是（ ）（A）P点仍是亮纹（B）P1点仍是亮纹（C）P2点仍是亮纹（D）以上三点都变成暗条纹 二、填空题81801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现象.他用单色光照射屏上的一个小孔,是为了获得_；由小孔射出来的光再射到两个小孔上,是为了获得_。9 S1和S2是两个相干的光源,发出的光波的波长为4.0010-7 m , A点与S1和S2的路程差为1.8010-6 m.若光源S1和S2的振动方向相同,则A点将出现_ 条纹；若光源S1和S2的振动方向相反,则A点将出现_ _条纹.(填“亮”或“暗”)。10为了减少玻璃表面光的反射损失,在玻璃表面涂上一层折射率n=1.25的增透膜设入射光在真空中的波长=700 nm,为使这种波长的反射光能最大限度地被减弱,所涂薄膜的最小厚度应是 ?三、计算题11在观察牛顿环时，用= 0.5的第6个亮环与用的第7个暗环重合，求波长= ？12在双缝干涉实验中,用氦氖激光器作光源,其发出的红光频率为4.74Hz，从双缝射出的光的振动情况完全相同，它们到达光屏上某点的路程差为2 531.6 nm.那么该点将出现怎样的干涉图样?13登山运动员在登雪山时要注意防止紫外线的过度照射，尤其是眼睛更不能长时间被紫外线照射，否则将会严重地损坏视力。有人想利用薄膜干涉的原理设计一种能大大减小紫外线对眼睛的伤害的眼镜。他选用的薄膜材料的折射率为n=1.5，所要消除的紫外线的频率为8.11014Hz，那么它设计的这种“增反膜”的厚度至少是多少？【能力提高站】一、选择题1如图4-1-7所示，一束白光从左侧射入肥皂薄膜，下列说法中正确的是（ ） 图4-1-7（A）人从右侧向左看，可看到彩色条纹（B）人从左侧向右看，可看到彩色条纹 （C）彩色条纹水平排列 （D）彩色条纹竖直排列图4-1-82把一个平行玻璃板压在另一个平行玻璃板上，一端用薄片垫起，构成空气劈尖，让单色光从上方射入,如图4-1-8，这时可以看到亮暗相间的条纹，下面关于条纹的说法中正确的是（ ）（A）将薄片向着劈尖移动使劈角变大时，条纹变疏（B）将薄片远离劈尖移动使劈角变小时，条纹变疏（C）将上玻璃板平行上移，条纹向着劈尖移动（D）将上玻璃板平行上移，条纹远离劈尖移动3市场上有种灯具俗称“冷光灯”，用它照射物品时能使被照物品处产生的热效应大大降低，从而广泛地应用于博物馆、商店等处.这种灯降低热效应的原因之一是在灯泡后面放置的反光镜玻璃表面上镀了一层薄膜(例如氟化镁)，这种膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的热效应最显著的红外线。以表示此红外线的波长，则所镀薄膜的厚度最小应为( )（A）/8 （B）/4 （C）/4 （D）4如图4-1-9甲所示，在一块平板玻璃上放置一平凸薄透镜，让一束单一波长的光垂直入射到该装置上，结果在上方观察到如图4-1-9乙所示的同心内疏外密的圆环状干涉条纹，称为牛顿环，以下说法正确的是( ) 入射光甲乙图4-1-9（A）干涉现象是由于凸透镜下表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的（B）干涉现象是由于凸透镜上表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的（C）干涉条纹不等间距,中央疏边缘密的同心圆环（D）干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度是不均匀变化的5用如图4-1-10所示，的装置来观察双缝干涉现象时，以下推断正确的是（ ）图4-1-10（A）狭缝的作用是使入射光到达双缝屏时，双缝就成了两个振动情况总是相同的波源（B）若入射光是白光，像屏上产生的条纹是黑白相间的干涉条纹（C）像屏上某点到双缝的距离差为入射光波长的1.5倍时，该点处一定是亮条纹（D）双缝干涉中各种色光的亮条纹之间的距离相等，暗条纹之间的距离也相等6图4-1-11是研究光的双缝干涉的示意图，挡板上有两条狭缝S1、S2，由S1、S2发出的两列波到达屏上时会产生干涉条纹，已知入射激光的波长为，屏上的P点到两缝的距离相等，如果把P处的亮纹记作第0号亮纹，由P向上数，与0号亮纹相邻的亮纹为1号亮纹，与1号亮纹相邻的亮纹为2号亮纹，则P1处的亮纹恰好是10号亮纹。设直线S1P1的长度为L1，S2P1的长度为L2，则L2L1等于( )图4-1-11（A）5 （B）10