高考物理选修知识点知识讲解光的干涉基础

光的干涉编稿：张金虎 审稿：李勇康 【学习目标】1知道光的干涉现象和干涉条件，并能从光的干涉现象中说明光是一种波 2理解杨氏干涉实验中亮暗条纹产生的原因 3了解相干光源，掌握产生干涉的条件4明确用双缝干涉测量光的波长实验原理 5知道实验操作步骤 6会进行数据处理和误差分析【要点梳理】要点一、光的干涉1光的干涉 （1）光的干涉：在两列光波的叠加区域，某些区域相互加强，出现亮纹，某些区域相互减弱，出现暗纹，且加强和减弱的区域相间，即亮纹和暗纹相间的现象 如图所示，让一束平行的单色光投射到一个有两条狭缝和的挡板上，狭缝和相距很近如果光是一种波，狭缝就成了两个波源，它们的振动情况总是相同的这两个波源发出的光在挡板后面的空间互相叠加，发生干涉现象，光在一些位置相互加强，在另一些位置相互削弱，因此在挡板后面的屏上得到明暗相间的条纹（2）干涉条件：两列光的频率相同，振动情况相同且相差恒定能发生干涉的两列波称为相干波，两个光源称为相干光源，相干光源可用同一束光分成两列而获得，称为分光法2屏上某处出现明、暗条纹的条件同机械波的干涉一样，光波的干涉也有加强区和减弱区，加强区照射到光屏上出现亮条纹，减弱区照射到光屏上就出现暗条纹对于相差为的两列光波如果光屏上某点到两个波源的路程差是波长的整数倍，该点是加强点；如果光屏上某点到两个波源的路程差是半波长的奇数倍，该点是减弱点因此，出现亮条纹的条件是路程差：， 出现暗条纹的条件是路程差：， 如图所示，若是亮条纹，则（） 由图知：， ， 由于很小，所以， （），该处出现亮条纹 当时，即图中的点，到达点的路程差为零，一定是振动加强点，出现亮纹，又叫中央亮纹 当时，为第一亮纹，由对称性可知在点的下方也有和点上方相对称的亮纹 同理，由（）， 可得（），该处出现暗条纹 3双缝干涉条纹特征 有关双缝干涉问题，一定要用双缝干涉的特点进行分析，一是两缝间距应很小；二是照射到两缝上的光波必须是相干光；三是两相邻亮纹或两相邻暗纹间的距离；四是出现亮纹的条件是路程差，；出现暗纹的条件是路程差（）；五是白光的干涉条纹为彩色，但中央亮纹仍为白色；六是单色光的干涉条纹宽度相同，明暗相间，均匀分布不同色光条纹宽度不同，波长越长的干涉条纹的宽度越大；七是白光干涉时，各色光的条纹间距离不等 4 一般情况下很难观察到光的干涉现象的原因 由于不同光源发出的光频率一般不同，即使是同一光源，它的不同部位发出的光也不一定有相同的频率和恒定的相差，在一般情况下，很难找到那么小的缝和那些特殊的装置故一般情况下不易观察到光的干涉现象要点二、用双缝干涉测量光的波长解题依据 1实验目的 （1）观察白光及单色光的双缝干涉图样；（2）测定单色光的波长2实验原理 （1）光源发出的光经滤光片成为单色光，单色光通过单缝后相当于线光源，经双缝产生稳定的干涉图样，通过屏可以观察到明暗相间的干涉条纹如果用白光通过双缝可以观察到彩色条纹（2）若双缝到屏的距离用z表示，双缝间的距离用表示，相邻两条亮纹间的距离用表示，则入射光的波长为实验中是已知的，测出、即可测出光的波长3实验器材双缝干涉仪包括：光具座、光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头，另外还有学生电源、导线、刻度尺4实验装置 如图所示，将直径约、长约的遮光筒平放在光具座上，筒的一端有双缝，另一端装上毛玻璃做光屏，其上有刻度，先取下双缝，打开光源，调节光源高度，使它发出的一束光恰沿遮光筒的轴线照亮光屏，然后放好单缝和双缝，两屏相距，使缝互相平行，且位于轴线上，这时可看到彩色干涉条纹，若在单缝屏和光源之间放置一块滤光片，则可观察到单色干涉条纹 5实验步骤 （1）调节双缝干涉仪，观察光的双缝干涉现象； （2）用单色光入射得到干涉条纹，测出条亮纹的距离，得相邻条纹的距离； （3）利用已知的双缝间距，用刻度尺测出双缝到屏的距离，根据公式计算出波长； （4）换用不同颜色的滤光片，观察干涉条纹间的距离有什么变化，并求出相应的波长 要点诠释：某种颜色的滤光片只能让这种颜色的光通过，其他颜色的光不能通过 条纹间距用测量头测出单缝与双缝闻的距离在6注意事项 （1）调节双缝干涉仪时，要注意调节光源的高度，使它发出的一束光能够沿着遮光筒的轴线把屏照亮； （2）放置单缝和双缝时，缝要相互平行，中心大致位于遮光筒的轴线上； （3）调节测量头时，应使分划板中心刻线对齐条纹的中心，记下此时手轮上的读数，转动测量头，使分划板中心刻线对齐另一条纹的中心，记下此时手轮上的读数，两次读数之差就表示这两条条纹间的距离； （4）不要直接测，要测几个条纹的间距计算得，这样可减小误差； （5）白光的干涉观察到的是彩色条纹，其中白色在中央，红色在最外层 7测量条纹间隔的方法 两处相邻明（暗）条纹间的距离，用测量头测出测量头由分划板、目镜、手轮等构成，如图甲所示转动手轮，分划板会左、右移动测量时，应使分划板中心刻线对齐条纹的中心（如图乙所示），记下此时手轮上的读数，转动手轮，使分划板向一侧移动，当分划板中心刻线对齐另一条相邻的明条纹中心时，记下手轮上的刻度数，两次读数之差就是相邻两条明条纹间的距离即 要点诠释：x很小，直接测量时相对误差较大，通常测出条明条纹间的距离，再推算相邻两条明（暗）条纹间的距离 8洛埃镜干涉实验 1834年，洛埃利用单面镜得到了杨氏干涉的结果洛埃镜实验的基本装置如图13-3-16所示，为单色光源。为一平面镜经平面镜反射光和直接发出的光在光屏上相遇叠加形成干涉条纹，其光路如图所示，干涉的条纹宽度公式为 【典型例题】类型一、波的干涉条件的理解 例1如图所示为两个波源和在水面产生的两列波叠加后的干涉图样，由图可推知下列说法正确的是（ ） A两波源振动频率一定相同 B两波源振动频率可能不相同 C两列水波的波长相等 D两列水波的波长可能不相等 【思路点拨】利用两列波发生干涉的条件，结合波速波长、频率三者的关系【答案】A、C【解析】两列波产生干涉图样的条件是波的频率必须相同，故A项正确；在同种介质中，各种水波的传播速度相同，根据波长、波速和频率的关系可知，两列水波的波长一定相同。C项正确 【总结升华】明确两列波发生干涉的条件，知道波速波长、频率三者的关系举一反三: 【高清课堂：光的干涉 例1】【变式】下面是四种与光有关的事实：用光导纤维传播信号用透明的标准样板和单色光检查平面的平整度一束白光通过三棱镜形成彩色光带水面上的油膜呈现彩色其中，与光的干涉有关的是（ ） ABCD【答案】【解析】、光导纤维是利用光的全反射的原理传播光信号故与光的干涉无关、检查平面的平整度的原理是经过空气层的前后两面反射的光线在标准样板的下表面叠加发生薄膜干涉形成干涉条纹，故与光的干涉有关、白光是复色光，而同一种玻璃对不同的单色光的折射率不同，故虽然不同的单色光的入射角相同但经玻璃折射后的出射角不同即发生了色散，故是折射的结果与光的干涉无关、光照射在水面上的油膜上光在油膜的上下两个表面分别发生反射，两列反射光在油膜的上表面发生薄膜干涉形成彩色干涉条纹，故与光的干涉有关故与光的干涉有关的是，故B正确故选B类型二、产生明暗条纹的条件例2（2014 苏州校级月考）杨氏双缝干涉实验中，下列说法正确的是(n为自然数，为光波波长)()A在距双缝的路程相等的点形成暗条纹B在距双缝的路程差为n的点形成亮条纹C在距双缝的路程差为的点形成亮条纹D在距双缝的路程差为的点形成暗条纹【答案】BD【解析】在双缝干涉实验中，当某处距双缝距离之差x为波长的整数倍时，即xk，k0,1,2,3，这点为加强点，该处出现亮条纹；当某处距双缝距离之差x为半波长的奇数倍时，即，k0,1,2,3，这点为减弱点，该处出现暗条纹。 【总结升华】记住双缝干涉中后面光屏出现明暗条纹的条件：光程差是波长的整数倍处出现亮条纹；与两个狭缝的光程差是半波长的奇数倍处出现暗条纹举一反三: 【高清课堂：光的干涉 例3】【变式】劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图1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2所示干涉条纹有如下特点：任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；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1装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹（ ） A变疏 B变密 C不变 D消失【思路点拨】从空气膜的上下表面分别反射的两列光是相干光，其光程差为空气层厚度的倍，当光程差时此处表现为亮条纹，故相邻亮条纹之间的空气层的厚度差为【答案】A【解析】从空气膜的上下表面分别反射的两列光是相干光，其光程差为，即光程差为空气层厚度的倍，当光程差时此处表现为亮条纹，故相邻亮条纹之间的空气层的厚度差为，显然抽去一张纸后空气层的倾角变小，故相邻亮条纹（或暗条纹）之间的距离变大故干涉条纹条纹变疏，故A正确故选A【总结升华】掌握了薄膜干涉的原理和相邻条纹空气层厚度差的关系即可顺利解决此类题目类型三、光的干涉申明暗条纹的判断 例3如图所示是双缝干涉实验装置，使用波长为的橙色光源照射单缝，在光屏中央处观察到亮条纹，在位于点上方的点出现第一条亮纹中心（即到的光程差为一个波长），现换用波长为的紫光源照射单缝，则（ ） A和仍为亮点 B为亮点，为暗点 C为暗点，为亮点 D、均为暗点【思路点拨】两个光源情况完全相同时，光程差等于波长的整数倍处出现亮条纹，等于半波长奇数倍处为暗条纹 【答案】B【解析】从单缝射出的光波被两缝分成的两束光为相干光，由题意，屏中央点到距离相等，即由分别射出的光到点的路程差为零，因此是亮纹中心，因而，无论入射光是什么颜色的光，波长多大，点都是中央亮纹中心 而点到的光程差刚好是橙光的一个波长，即，则两列光波到达点振动情况完全一致，振动得到加强，因此，出现亮条纹 当换用波长为的紫光时，则两列光波到达点时振动情况完全相反，即由射出的光波到达点时就相互消弱，因此，出现暗条纹综上所述，B项正确【总结升华】判断屏上某点为亮纹还是暗纹，要看该点到两个光源（双缝）的路程差（光程差）与波长的比值，要记住光程差等于波长的整数倍处出现亮条纹，等于半波长奇数倍处为暗条纹还要注意这一结论成立的条件是：两个光源情况完全相同类型四、实验原理的应用 例4分别以红光和紫光先后用同一装置进行双缝干涉实验，已知，在屏上得到相邻亮纹间的距离分别为和，则（ ） A B C若双缝间距减小，而其他条件保持不变，则增大 D若双缝间距减小，而其他条件保持不变，则不变 【答案】B、C【解析】该题考查条纹间距的表达式由，得，B项正确当双缝间距减小，其他条件不变时，条纹间距应增大，故C项正确【总结升华】根据即可得出结论，举一反三:【变式】（2015 山西校级期末）如图所示的双缝干涉实验，用绿光照射单缝S时，在光屏P上观察到干涉条纹要得到相邻条纹间距更大的干涉图样，可以()A增大S1与S2的间距B减小双缝屏到光屏的距离C将绿光换为红光D将绿光换为紫光 【答案】C【解析】在双缝干涉实验中，相邻两条亮条纹(或暗条纹)间的距离，要想增大条纹间距可以减小两缝间距d，或者增大双缝屏到光屏的距离l，或者换用波长更长的光做实验由此可知，选项C正确，选项A、B、D错误 类型五、实验器材的安装 例5用双缝干涉测光的波长，实验中采用双缝干涉仪，它包括以下元件： A白炽灯 B单缝片 C光屏 D双缝 E滤光片（其中双缝和光屏连在遮光筒上） （1）把以上元件安装在光具座上时，正确的排列顺序是：（A已写好） （2）正确调节后，在屏上观察到红光干涉条纹，用测量头测出条红亮纹间的距离为；改用绿色滤光片，其他条件不变，用测量头测出条绿亮纹间的距离为，则一定有（填“大于”“小于”或“等于”） 【思路点拨】光源、滤光片、单缝、双缝、光屏在光具座上可从左向右排，也可从右向左排，但任何两个元件之间的顺序不能颠倒，尤其是滤光片和单缝之间。【答案】（1） （2）大于【解析】光源、滤光片、单缝、双缝、光屏在光具座上可从左向右排，也可从右向左排，但任何两个元件之间的顺序不能颠倒，尤其是滤光片和单缝之间，二者顺序颠倒后会使实验现象大打折扣。要注意这一点 本题第一项已填好，故答案是唯一的，即由知，波长越长，条纹越宽，间距越大，或由干涉条纹的特征均可得出一定大于 【总结升华】本题重点考查了实验器材的选择和排序问题本实验中的器材排序是历年来高考的热点类型六、根据实验测波长的数据处理 例6某同学在做双缝干涉实验时，测得双缝间距，双缝到光屏间的距离为，两次测量头手轮上的示数分别为和，两次分划板中心刻线间有条亮条纹，求该单色光的波长 【答案】【解析】依题意可知 ， 【总结升华】应等于与而不是，因为分划板中心刻线位于亮条纹中心，中心刻线间有两个半宽度的亮条纹，所以类型七、光波波长的测量例7（1）如图（）所示，在杨氏双缝干涉实验中，激光的波长为，屏上点距双缝和的路程差为，则在这里出现的应是（填“明条纹”或“暗条纹”）现改用波长为的激光进行上述实验，保持其他条件不变，则屏上的条纹间距将（填“变宽”“变窄”或“不变”） （2）如图（）所示，一束激光从点由空气射入厚度均匀的介质，经下表面反射后，从上表面的点射出已知入射角为，与相距，介质的折射率为，试求介质的厚度 【答案】（1）暗条纹 变宽 （2）见解析【解析】（1）由光的干涉规律知，处为振动减弱点（2）设折射角为，根据折射定律有；根据几何关系有，解得 举一反三: 【高清课堂：光的干涉 例2】【变式1】下图是研究光的双缝干涉的示意图，挡板上有两条狭缝，由和发出的两列波到达屏上时会产生干涉条纹已知入射激光波长为，屏上的点到两缝和的距离相等，如果把处的亮条纹记作第号亮纹，由向上数与号亮纹相邻的亮