高中物理 第5章 第1节 光的干涉 第2节 光的衍射精品课件 鲁科版选修34.ppt

第5章光的干涉衍射偏振 第1节光的干涉第2节光的衍射 课前自主学案 核心要点突破 课堂互动讲练 课标定位 知能优化训练 第2节 课标定位学习目标 1 知道光产生干涉现象的条件 认识光的波动性 2 了解用双缝干涉测光波长的原理 会用双缝干涉测定光的波长 3 认识薄膜干涉现象 了解其应用 4 观察光的衍射现象 理解光的波动性 5 了解衍射光栅 重点难点 1 双缝干涉现象及形成条件 2 亮条纹 或暗条纹 位置的确定 3 光的衍射现象及发生明显衍射现象的条件 课前自主学案 一 光的干涉及其产生条件1 两束光相遇时 如果满足一定的条件 也会产生干涉现象 在屏上出现 的干涉条纹 实验结果显示 光具有 的特性 也是一种波 2 要使两列光波相遇时产生干涉现象 两光源必须具有相同的 和 明暗相间 波 频率 振动方向 两缝间的距离 光波的波长 三 薄膜干涉及其应用1 由薄膜两个面反射的光波相遇而产生的干涉现象叫做 由于各色光干涉后的条纹间距 薄膜上就会出现 2 身边的光的干涉现象 薄膜干涉实例有 色彩斑斓的肥皂泡 五颜六色的油膜 呈彩色的激光唱片等等 薄膜干涉 不同 彩色条纹 3 薄膜干涉现象具有广泛的实用价值 1 劈尖干涉是一种劈形空气薄膜干涉 可用于 2 在照相机 望远镜等高质量的光学仪器中 在其镜头的表面镀上透明的 用来增加 平面平整程度的检查 增透膜 透射光的能量 四 光的衍射1 衍射现象 1 实验表明 当圆孔 时 从屏上观察透过圆孔射到屏上的亮斑 可以看到在亮斑之外出现了 的圆环 说明光的传播已经绕到原来应该是阴影的范围之内 这种现象称为 足够小 明暗相间 光的衍射 2 与机械波的衍射相似 光的明显衍射也是有条件的 只有当障碍物或孔的尺寸 光的波长时 衍射才是明显的 3 衍射现象是 性最基本的表现之一 在光的传播过程中 只有当孔 缝或障碍物的大小比光波的波长 时 光才是近似 传播 接近 波动 大很多 沿直线 2 衍射对分辨本领的影响一个光学仪器的分辨本领 就是这个仪器能够把 的物体的像 的能力 透镜的直径 产生的衍射现象越明显 分辨本领就 彼此靠近 分离开来 越小 越低 3 衍射光栅 1 光栅的每一条狭缝产生的光是相干的 必定产生 形成 的条纹 所以 在接收屏上得到的光栅衍射图样是 和 的共同结果 2 白光通过光栅后能被分解并形成 利用这一现象 人们通过 拍摄灯光时 会得到一种奇妙的效果 干涉 明暗相间 单缝衍射 多缝干涉 彩色条纹 光栅 核心要点突破 一 对光的干涉现象的理解1 光的干涉现象及条件 1 光的干涉现象 在两列光波的叠加区域 某些区域振动相互加强 出现亮条纹 某些区域振动相互减弱 出现暗条纹 且加强和减弱的区域相间 即亮条纹和暗条纹相间的现象 2 光的干涉条件 两列光波的频率相同 振动方向相同和相位差恒定 能发生干涉的两列波称为相干波 如果两个光源发出的光能够产生干涉 那么这两个光源称为相干光源 相干光源可通过把同一束光分成两列来获得 2 双缝干涉分析 1 双缝分析的示意图图5 1 1 2 双缝屏的作用平行光照射到单缝s上后 又照到双缝s1 s2上 这样一束光被分成两束频率相同和振动情况完全一致的相干光 4 干涉图样的特点a 单色光的干涉图样特点 中央为亮条纹 两边是明 暗相间的条纹 且相邻亮条纹与亮条纹中心间 相邻暗条纹与暗条纹中心间的距离相等 b 白光的干涉图样 若用白光做实验 则中央亮条纹为白色 两侧出现彩色条纹 彩色条纹显示不同颜色光的干涉条纹间距是不同的 即时应用 即时突破 小试牛刀 1 杨氏双缝干涉实验中 两缝相距1mm 屏离缝1m 若所用光源发出波长 1 600nm和 2 540nm的两种光波 试求 1 两光波分别形成的条纹间距 2 两组条纹之间的距离与级数之间的关系 3 这两组条纹有可能重合吗 答案 1 y1 0 6mm y2 0 54mm 2 条纹间距随级数增加而增大 3 有可能重合 二 薄膜干涉的理解及应用1 薄膜干涉的理解 1 眼睛应与光源在同一侧才能看到干涉条纹 因为条纹是由从膜前 膜后两表面反射的光发生干涉形成的 不是由通过膜的光形成的 2 每一条纹呈水平状态排列 3 由于各种色光干涉后相邻两亮纹中心的距离不同 所以若用白光做这个实验 会观察到彩色干涉条纹 4 两列光的路程差是膜厚度的两倍 2 用干涉法检查平面如图5 1 2所示 被检查平面b与标准样板a之间形成了一个楔形的空气薄膜 用单色光照射时 入射光从空气膜的上 下表面反射出两列光波 形成干涉条纹 被检查平面若是平的 空气膜厚度相同的各点就位于一条直线上 干涉条纹平行 若被检查表面某些地方不平 那里的空气膜产生的干涉条纹将发生弯曲 图5 1 2 特别提醒 增透膜的 增透 应理解为 两束反射光相互抵消 反射光的能量减少 由于总的能量是守恒的 反射光的能量被削弱了 透射光的能量就必然得到增强 增透膜是通过 消反 来确保 增透 的 即时应用 即时突破 小试牛刀 2 关于光在竖直肥皂液薄膜上产生的干涉现象 下列说法中正确的是 a 干涉条纹的产生是由于光在薄膜前后两表面发生反射 形成的两列光波叠加的结果b 若出现明暗相间的条纹相互平行 说明肥皂膜的厚度是均匀的c 用绿色光照射薄膜产生的干涉条纹间距比黄光照射间距大d 薄膜上的干涉条纹基本上是竖直的 解析 选a 要想产生干涉现象 必须有两列相干光源 在肥皂膜干涉中 薄膜前后两表面反射的光正好是两个相干光源 它们相互叠加形成干涉条纹 所以选项a正确 肥皂膜在重力作用下 上面薄 下面厚 厚度是不均匀的 并且厚度均匀的薄膜是不会出现干涉条纹的 若厚度相同 路程差处处相等 两列波叠加后 若是加强 处处光线加强 若是减弱 处处光线减弱 不会出现明暗相间条纹 所以选项b错误 波长越短的光波 对同一装置 干涉条纹越窄 绿光的波长小于黄光的波长 所以绿光照射薄膜产生的干涉条纹间距比黄光照射的间距小 选项c错误 出现亮 暗条纹的位置与薄膜厚度有关 对于某位置 若光线叠加后加强 则与此等厚度的位置反射光线叠加都加强 从而形成亮条纹 对暗条纹也是一样道理 由于薄膜同一水平线上的厚度相同 因此干涉条纹基本上是水平的 所以选项d错误 三 理解光的衍射及几种不同的衍射现象的特点1 对光的衍射的理解 1 衍射现象当单色光通过很窄的缝或者很小的孔时 光离开了直线路径 绕到障碍物的阴影里 光所达到的范围会远远超过它沿直线传播所对应照明的区域 形成明暗相间的条纹或光环 这就是光的衍射现象 2 产生明显衍射的条件障碍物的尺寸跟波长相近或比光的波长还小时 能产生明显的衍射 对同样的障碍物 波长越长的光 衍射现象越明显 对某种波长的光 障碍物越小 衍射现象越明显 2 几种图样的比较 1 单缝衍射和双缝干涉的比较 2 障碍物的衍射图样各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射 致使影的轮廓模糊不清 若在单色光 如激光 传播途中放一个较小的圆形障碍物 会发现在影的中心有一个亮斑 这就是著名的泊松亮斑 形成泊松亮斑时 圆形阴影的边缘是模糊的 在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环 亮环或暗环间距随半径的增大而减小 如图5 1 3所示 图5 1 3 3 衍射光栅 单缝衍射的条纹比较宽 而且距离中央亮条纹较远的条纹亮度也很小 因此 无论从测量的精确度 还是从可分辨的程度上说 单缝衍射都不能达到实用要求 如果增加狭缝的个数 衍射条纹的宽度将变窄 亮度将增大 光学仪器中用的衍射光栅就是据此制成的 它是由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学仪器 即时应用 即时突破 小试牛刀 3 如图5 1 4所示是通过游标卡尺两测量脚间的狭缝观察白炽灯线光源时所拍下的四张照片 图5 1 4 1 试通过图样分析四张照片对应的两测量脚间的宽度大小关系 2 试说明照片 丁 中中央条纹的颜色及成因 解析 1 由题图知 从图 甲 到图 丁 衍射越来越明显 说明两测量脚间的狭缝越来越小 2 图 丁 中中央条纹的颜色为白色 因为各种色光在屏中央均为亮条纹 七色光叠加后 中央条纹即为白色 答案 见解析 课堂互动讲练 在双缝干涉实验中 双缝到光屏上p点的距离之差为0 6 m 若分别用频率为f1 5 0 1014hz和f2 7 5 1014hz的单色光a b垂直照射双缝 试分析判断p点应出现亮条纹还是暗条纹 自主解答 如图5 1 5所示 双缝s1 s2到光屏上任一点p的路程之差 r s2s2 当 r等于单色光波长的整数倍时 s2和s1同时到达波峰或波谷 由s1和s2发出的光在p点互相加强 p点出现亮条纹 图5 1 5 因此 用单色光a照射时 p处应出现亮条纹 用单色光b照射时 p处应出现暗条纹 答案 亮暗 经典回放 劈尖干涉是一种薄膜干涉 其装置如图5 1 6甲所示 将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上 在一端夹入两张纸片 从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜 当光垂直入射后 从上往下看到的干涉条纹如图乙所示 干涉条纹有如下特点 1 任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等 2 任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定 现若在图甲装置中抽去一张纸片 则当光垂直入射到新劈形空气薄膜后 从上往下观察到的干涉条纹 图5 1 6 a 变疏b 变密c 不变d 消失 精讲精析 当光垂直入射到劈形空气薄膜后 空气薄膜的上 下两个表面的反射光相遇叠加 产生干涉的条件是两束光的路程差要符合一定的条件才能产生干涉现象 从装置中抽出一张纸片 光产生干涉的条件不变 即形成明暗条纹时空气膜的厚度不变 相同水平距离上 劈形空气薄膜厚度变化减小 导致波程差变化减小 条纹变宽 条纹数量变少 即a正确 答案 a 方法总结 劈尖产生的干涉条纹是由劈形空气薄膜的上下两表面反射光叠加形成的 干涉条纹的疏密取决于劈形空气层的厚度变化 空气层的厚度越小 变小 干涉条纹越稀疏 空气层的厚度越大 变大 干涉条纹越密 变式训练1 2011年南京六中高二期末 如图5 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5 1 7 人从右侧向左看 可看到彩色条纹 人从左侧向右看 可看到彩色条纹 彩色条纹水平排列 彩色条纹竖直排列a b c d 解析 选a 白光从左侧射入肥皂薄膜 经薄膜前后两个界面反射回来的光在左侧面相遇产生干涉 所以从左侧向右看 可以看到彩色条纹 由于重力的作用 薄膜自上而下逐渐加厚 在同一水平线上厚度相同 所以彩色条纹是水平的 故选a 关于光的衍射现象 下面说法正确的有 a 只有当光的波长等于障碍物或小孔的尺寸时 才会产生光的衍射现象b 当光的波长大于障碍物尺寸时 完全不产生衍射现象c 发生小孔衍射时 若减小小孔直径 条纹变亮d 发生小孔衍射时 若略为增大小孔直径 条纹变亮 思路点拨 产生明显衍射的条件是波长不小于障碍物或小孔的尺寸 精讲精析 对a b选项 没有很好地理解衍射的条件 光离开直线传播的路线进入障碍物的几何阴影里去的现象叫做光的衍射 任何障碍物都可以使光产生衍射 但当障碍物或孔的尺寸跟波长相差不多或小于光的波长时 将产生明显的衍射现象 现象明显了 才容易被观察到 所以衍射并不要求波长与障碍物或孔的尺寸一定相等 对选项c 没有正确理解明显衍射现象与衍射条纹亮度的关系 认为衍射越明显就是衍射条纹越亮 犯了想当然的错误 当发生小孔衍射时 孔径越小 衍射越明显 屏上衍射图样分布的范围越大 但由于通过孔的光的能量少 故而图样将变暗 答案 d 方法总结 光遇到任何障碍物时都产生衍射现象 只是明显程度不同 衍射现象明显与否 并不是指条纹是否明亮 小孔越小 衍射现象越明显 但由于通过小孔的光的能量少 故而图样将变暗 变式训练2观察单缝衍射现象时 把缝宽由0 2mm逐渐增大到0 8mm 看到的现象是 a 衍射条纹的间距逐渐变小 衍射现象逐渐不明显b 衍射条纹的间距逐渐变大 衍射现象越来越明显c 衍射条纹的间距不变 只是亮度增强d 以上现象都不会发生 解析 选a 由单缝衍射实验的调整与观察可知 狭缝宽度越小 衍射现象越明显 衍射条纹越宽 条纹间距也越大 本题的调整是将缝调宽 现象向相反的方向发展 故选项a正确 b c d错 关于光现象的叙述 以下说法正确的是 a 太阳光照射下肥皂膜呈现的彩色属于光的干涉b 雨后天空中出现的彩虹属于光的衍射c 通过捏紧的两只铅笔间的狭缝观看工作着的日光灯管 看到的彩色条纹 属于光的色散d 阳光照射下 树影中呈现的一个个小圆形光斑 属于光的衍射现象 精讲精析 太阳光照射下肥皂膜呈现彩色 属于薄膜干涉 a正确 雨后天空中出现的彩虹 是天空中小水滴对阳光色散形成的 通过笔间狭缝观看日光灯管出现彩色 属于单缝衍射 而阳光下树影中呈现的小圆斑 则属于树叶间形成的小孔成像 故b c d均错误 正确理解干涉 衍射 色散及小孔成像等光现象的不同成因 是正确做出判断的关键 否则易被这