高中物理选修3-4《光的干涉》教科版

1、 第一节、光的干涉第一节、光的干涉第五章 光的波动性一、光一、光 是什么是什么 17世纪的两种学说世纪的两种学说 牛牛顿顿的的微微粒粒说说 惠更斯的惠更斯的波动说波动说对光本性的认识，人类经历对光本性的认识，人类经历了十分漫长的过程，牛顿认了十分漫长的过程，牛顿认识光是一种粒子流，与牛顿识光是一种粒子流，与牛顿同时代的惠更斯则认为光是同时代的惠更斯则认为光是波，他开创了光的波动论。波，他开创了光的波动论。第一个问题第一个问题 光到底是什么？光到底是什么？17世纪形成了两种学说：世纪形成了两种学说：*微粒说微粒说-认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀

2、介质中以一定的速度传播。介质中以一定的速度传播。 代表人物：牛顿（英国）代表人物：牛顿（英国）能解释能解释-光的直进现象、光的反射；不能解释光的直进现象、光的反射；不能解释-同时发生反同时发生反射和折射、几束光相遇而互不干扰。射和折射、几束光相遇而互不干扰。波动说波动说-认为光是在空间传播的某种波。认为光是在空间传播的某种波。 代表人物：惠更斯（荷兰）代表人物：惠更斯（荷兰）能解释能解释-同时发生反射和折射、几束光相遇而互不干扰；同时发生反射和折射、几束光相遇而互不干扰；不能解释不能解释-光的直进现象。光的直进现象。由于早期的波动说不能用数学作严格的表达和分析、牛顿在由于早期的波动说不能用数学

3、作严格的表达和分析、牛顿在物理界的威望，微粒说一直占上风。物理界的威望，微粒说一直占上风。 * * 19世纪初，在实验中观察到光的干涉和衍射现世纪初，在实验中观察到光的干涉和衍射现象，不能用微粒说解释，因而证明了波动说的正象，不能用微粒说解释，因而证明了波动说的正确性。确性。是什么波？是什么波？ 19世纪世纪60年代性，麦克斯韦预言电磁波存在，年代性，麦克斯韦预言电磁波存在，光也是一种电磁波，赫兹实验证实这种学说。波光也是一种电磁波，赫兹实验证实这种学说。波动说得到了公认。动说得到了公认。* * 1919世纪末，发现了新现象世纪末，发现了新现象-光电效应，用波动光电效应，用波动 说无法解释。爱

4、因斯坦于说无法解释。爱因斯坦于2020世纪初提出光子说，世纪初提出光子说， 认为光具有粒子性，从而解释了光电效应。认为光具有粒子性，从而解释了光电效应。这儿的粒子不这儿的粒子不同于牛顿所说同于牛顿所说的微粒。的微粒。光到底是什么？光到底是什么？* * 现在人们认识到：光既具有波动性，又具有粒子性。现在人们认识到：光既具有波动性，又具有粒子性。本章介绍光的波动性，下章要介绍光的量子性。本章介绍光的波动性，下章要介绍光的量子性。干涉、衍射干涉、衍射是波特有的是波特有的现象！现象！ 假如你认为光是波，准假如你认为光是波，准备通过哪些物理现象来证备通过哪些物理现象来证明呢？明呢？假设假设光真的是一种波

5、光真的是一种波我们必然能看到波特有的现象我们必然能看到波特有的现象1801年，英国物理学家年，英国物理学家托马斯托马斯杨在实验室里杨在实验室里成功的观察到了光的干成功的观察到了光的干涉现象涉现象对光本性的认识，人类经对光本性的认识，人类经历了十分漫长的过程，牛历了十分漫长的过程，牛顿认识光是一种粒子流，顿认识光是一种粒子流，与牛顿同时代的惠更斯则与牛顿同时代的惠更斯则认为光是波，他开创了光认为光是波，他开创了光的波动论。的波动论。用一束平行的红色激用一束平行的红色激光束照射有两条狭缝光束照射有两条狭缝（也称双缝）（也称双缝）S1和和S2的档板的档板（S1和和S2相距相距0.1m），），观察挡板

6、后观察挡板后面与档板平行的屏幕面与档板平行的屏幕上所出现的条纹。上所出现的条纹。观察思考？观察思考？二、双缝干涉二、双缝干涉单色光单色光屏屏S1S2双缝双缝1、相干光的获得、相干光的获得 双缝的作用双缝的作用：相当于两个振动情况完全相相当于两个振动情况完全相同的光源，双孔的作用是获得相干光源同的光源，双孔的作用是获得相干光源单色激光束单色激光束屏屏等间距等间距2、双缝干涉图样特征、双缝干涉图样特征图样有何特征？图样有何特征？S1S2亮条纹的中心线亮条纹的中心线亮条纹的中心线亮条纹的中心线暗条纹的中心线暗条纹的中心线暗条纹的中心线暗条纹的中心线双缝双缝中央亮条纹中央亮条纹明暗相间明暗相间单色光双

7、缝干涉图样条纹的特点单色光双缝干涉图样条纹的特点： （1）明暗相间明暗相间 （2）条纹等宽等距）条纹等宽等距 （3） 两缝两缝S1、S2中垂线与屏幕相交位置是亮条中垂线与屏幕相交位置是亮条纹纹-中央亮纹中央亮纹亮条纹亮条纹亮条纹亮条纹3 3、出现明暗相间条纹的条件、出现明暗相间条纹的条件S1S2亮条纹亮条纹出现亮条纹的条件出现亮条纹的条件2=n2sn （ n=0，1，2，3）暗条纹暗条纹探究探究2： 出现明暗相间条纹的条件出现明暗相间条纹的条件S1S2/2亮条纹亮条纹暗条纹暗条纹出现亮条纹和暗条纹的条件出现亮条纹和暗条纹的条件2=n2sn 212ns（ n=0，1，2，3）（ n=0，1，2，

8、3）双缝双缝S1S2屏幕屏幕P1 第一亮纹第一亮纹 s =P 中央亮纹中央亮纹 s =0P2 第二亮纹第二亮纹 s =2P3 / 第三亮纹第三亮纹 s =3P3 第三亮纹第三亮纹 s =3P3 / 第二亮纹第二亮纹 s =2P3 / 第一亮纹第一亮纹 s =Q2 第二暗纹第二暗纹Q 1 第一暗纹第一暗纹Q3 第三暗纹第三暗纹Q3 / 第三暗纹第三暗纹Q2 / 第二暗纹第二暗纹Q1 / 第一暗纹第一暗纹s=5/2s =/2s =3/2s =5/2s =3/2s =/2光的干涉光的干涉双缝干涉激光束双缝屏屏上看到明暗相间的条纹屏上看到明暗相间的条纹结论结论:光是一种波光是一种波4 4、干涉条纹的间

9、距与哪些因素有关、干涉条纹的间距与哪些因素有关? ?（1 1）、什么是干涉条纹的间距）、什么是干涉条纹的间距? ?双缝双缝S S1 1S S2 2屏幕屏幕x xx x 条纹间距的含义：亮条纹间距的含义：亮纹或暗纹之间的距离总是纹或暗纹之间的距离总是相等的，相邻亮纹和亮纹相等的，相邻亮纹和亮纹之间的距离或之间的距离或相邻相邻暗纹和暗纹和暗纹之间的距离叫做条纹暗纹之间的距离叫做条纹间距。间距。 我们所说的亮纹是指我们所说的亮纹是指最亮的地方，暗纹是最暗最亮的地方，暗纹是最暗的地方，从最亮到最暗有的地方，从最亮到最暗有一个过渡，条纹间距实际一个过渡，条纹间距实际上是上是最亮和最亮最亮和最亮或或最暗和

10、最暗和最暗最暗之间的距离。之间的距离。 观察思考？观察思考？（1 1）、改变光屏到双缝的距离）、改变光屏到双缝的距离L L，观察干涉条纹，观察干涉条纹的间距有何变化？的间距有何变化？（2 2）、改变双缝的间距）、改变双缝的间距d d，观察干涉条纹的间距，观察干涉条纹的间距有何变化？有何变化？（3 3）、分别用红光和紫光照射双缝，观察干涉）、分别用红光和紫光照射双缝，观察干涉条纹的间距有什么不同？条纹的间距有什么不同？想一想，双缝干部涉条纹的间距可能与哪些因素想一想，双缝干部涉条纹的间距可能与哪些因素有关？有关？白光白光干涉图样分析干涉图样分析红光红光700nm红蓝光蓝光470nm兰亮暗相间彩色

11、条纹亮暗相间彩色条纹=LXd结论：结论：(1)(1)、改变光屏到双缝的距离、改变光屏到双缝的距离L L，观察干涉条纹的，观察干涉条纹的间距有何变化？间距有何变化？(2)(2)、改变双缝的间距、改变双缝的间距d d，观察干涉条纹的间距有，观察干涉条纹的间距有何变化？何变化？(3)(3)、分别用红光和紫光照射双缝，观察干涉条纹、分别用红光和紫光照射双缝，观察干涉条纹的间距有什么不同？的间距有什么不同？想一想，双缝干部涉条纹的间距可能与哪些因素想一想，双缝干部涉条纹的间距可能与哪些因素有关？有关？随随双缝的间距双缝的间距d d增大而减小增大而减小随随光屏到双缝的距离光屏到双缝的距离L L增大而增大增

12、大而增大红光波长长干涉条纹的间距大红光波长长干涉条纹的间距大=LXd用一根吸管蘸一点肥皂用一根吸管蘸一点肥皂溶液，可以吹出一串肥溶液，可以吹出一串肥皂泡，每个肥皂泡都呈皂泡，每个肥皂泡都呈现出现出五五颜颜六六色色，你能，你能解释这个现象吗？解释这个现象吗？三、三、薄膜干涉薄膜干涉产生原因是当肥皂膜竖直放置产生原因是当肥皂膜竖直放置，由于重力作用，膜上薄下厚，由于重力作用，膜上薄下厚。光照射到肥皂膜上，经前后。光照射到肥皂膜上，经前后膜两次反射，又叠加在一起，膜两次反射，又叠加在一起，后膜反射光的路程比前膜反射后膜反射光的路程比前膜反射多多2倍膜厚。若膜厚度倍膜厚。若膜厚度2倍等于倍等于波长整数

13、倍，两列光波加强，波长整数倍，两列光波加强，呈现明纹。若某种膜厚度呈现明纹。若某种膜厚度2倍等倍等于半个波长奇数倍，此处两处于半个波长奇数倍，此处两处两列波互相减弱，出现暗纹。两列波互相减弱，出现暗纹。膜厚度变化是连续的，就了现膜厚度变化是连续的，就了现明暗相间条纹。明暗相间条纹。1、薄膜干涉、薄膜干涉：产生原因：产生原因2、光的干涉现象在技术中的、光的干涉现象在技术中的应用应用（1）、用干涉法）、用干涉法检查各种镜面的平检查各种镜面的平整程度。整程度。如果被测平面是平如果被测平面是平的，干涉条纹就是的，干涉条纹就是一组平行的。如果一组平行的。如果干涉条纹发生弯曲，干涉条纹发生弯曲，就表明被测

14、表面不就表明被测表面不平的。精度可达平的。精度可达10-5cm同一干涉条纹处的空气层厚度同一干涉条纹处的空气层厚度相同相同同一干涉条纹处的空气层厚度同一干涉条纹处的空气层厚度相同相同（2 2）、增透膜）、增透膜（2 2）、增透膜）、增透膜原理：原理：当当薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的的时时，在薄膜的两个面上的反射光，光，在薄膜的两个面上的反射光，光程差恰好等于半波长，因而相互抵消，达到程差恰好等于半波长，因而相互抵消，达到减小反射光，增大透射光的作用减小反射光，增大透射光的作用思考：思考：增透膜能否将所有反射光都抵消增透膜能否将所有反射光都抵消 思考：思考：那么

15、，怎样来确定增透膜的厚度？那么，怎样来确定增透膜的厚度？ 因为人的视觉最敏感的色光为绿光，所以因为人的视觉最敏感的色光为绿光，所以增透膜的增透膜的厚度为绿光在厚度为绿光在增透膜中波长增透膜中波长的的1/4。以增大绿光的。以增大绿光的透射强度。透射强度。因为红光与紫光反射强度大，所以因为红光与紫光反射强度大，所以照相机的镜头照相机的镜头常呈淡紫色或蓝色常呈淡紫色或蓝色照相机和望远镜照相机和望远镜【例例1 1】关于光的干涉，下列说法正确的是关于光的干涉，下列说法正确的是A.A.只有频率相同的两列光波才能产生干涉只有频率相同的两列光波才能产生干涉B.B.频率不同的两列光波也能产生干涉现象，只是不稳定

16、频率不同的两列光波也能产生干涉现象，只是不稳定C.C.两个完全相同的相干光源做双缝干涉实验时，从两个两个完全相同的相干光源做双缝干涉实验时，从两个狭缝到达屏上的路程差是光波长的整数倍时出现亮条纹狭缝到达屏上的路程差是光波长的整数倍时出现亮条纹D.D.两个完全相同的相干光源做双缝干涉实验时，从两个两个完全相同的相干光源做双缝干涉实验时，从两个狭缝到达屏上的路程差是光波长的奇数倍时出现暗条纹狭缝到达屏上的路程差是光波长的奇数倍时出现暗条纹A A、C C【标准解答标准解答】选选A A、C.C.两列波产生干涉时，频率必须相同两列波产生干涉时，频率必须相同，否则不可能产生干涉现象，而不是干涉不稳定，故，

17、否则不可能产生干涉现象，而不是干涉不稳定，故A A正正确、确、B B错错. .两个完全相同的相干光源做双缝干涉实验时，从两个完全相同的相干光源做双缝干涉实验时，从两个狭缝到达屏上的路程差是光波长的整数倍时出现亮两个狭缝到达屏上的路程差是光波长的整数倍时出现亮条纹；若该路程差是光半波长的奇数倍时出现暗条纹（条纹；若该路程差是光半波长的奇数倍时出现暗条纹（注意是半波长而不是波长），故注意是半波长而不是波长），故C C正确、正确、D D错错. .【变式训练】（【变式训练】（20102010南京高二检测）下列关于双缝干南京高二检测）下列关于双缝干涉实验的说法中正确的是涉实验的说法中正确的是( )( )

18、A.A.单缝的作用是获得频率保持不变的相干光源单缝的作用是获得频率保持不变的相干光源B.B.双缝的作用是获得两个振动情况相同的相干光源双缝的作用是获得两个振动情况相同的相干光源C.C.光屏上距两缝的路程差等于半波长的整数倍处出现暗光屏上距两缝的路程差等于半波长的整数倍处出现暗条纹条纹D.D.在光屏上能看到光的干涉图样，但在双缝与光屏之间在光屏上能看到光的干涉图样，但在双缝与光屏之间的空间却没有干涉发生的空间却没有干涉发生B B【解析解析】选选B.B.在双缝干涉实验中，单缝的作用是获得一个在双缝干涉实验中，单缝的作用是获得一个线光源，使光源有惟一的频率和振动情况，双缝的作用线光源，使光源有惟一的

19、频率和振动情况，双缝的作用是获得两个振动情况完全相同的相干光源，故选项是获得两个振动情况完全相同的相干光源，故选项A A错误错误、B B正确正确. .在两个相干光源完全相同的情况下，光屏上距两在两个相干光源完全相同的情况下，光屏上距两缝的路程差为半波长的奇数倍处出现暗纹，选项缝的路程差为半波长的奇数倍处出现暗纹，选项C C错误错误. .两列光波只要相遇就会叠加，满足相干条件就能发生干两列光波只要相遇就会叠加，满足相干条件就能发生干涉，所以在双缝与光屏之间的空间也会发生光的干涉，涉，所以在双缝与光屏之间的空间也会发生光的干涉，用光屏接收只是为了肉眼观察的方便，故选项用光屏接收只是为了肉眼观察的方

20、便，故选项D D错误错误. .【例【例2 2】（】（20102010福州高二检测）关于杨氏双缝干涉实验福州高二检测）关于杨氏双缝干涉实验，下列说法正确的是（，下列说法正确的是（ ）A.A.用白光作为光源，屏上将呈现黑白相间的条纹用白光作为光源，屏上将呈现黑白相间的条纹B.B.用红光作为光源，屏上将呈现红黑相间的条纹用红光作为光源，屏上将呈现红黑相间的条纹C.C.用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上将呈现彩色条纹将呈现彩色条纹D.D.照射单缝的单色光的波长越短，光屏上出现的条纹宽照射单缝的单色光的波长越短，光屏上出现的条纹宽度越宽度越宽B

21、B【自主解答自主解答】选选B.B.用白光做杨氏双缝干涉实验，屏上将呈用白光做杨氏双缝干涉实验，屏上将呈现彩色条纹，故现彩色条纹，故A A错错. .用红光作光源，屏上将呈现红色亮用红光作光源，屏上将呈现红色亮条纹与暗条纹（即黑条纹）相间，故条纹与暗条纹（即黑条纹）相间，故B B正确正确. .红光和紫光频红光和紫光频率不同，不能产生干涉条纹，故率不同，不能产生干涉条纹，故C C错错. .单色光的波长越短单色光的波长越短，光屏上出现的条纹越窄，故，光屏上出现的条纹越窄，故D D错错. .【典例典例2 2】在双缝干涉实验中，双缝到光屏上在双缝干涉实验中，双缝到光屏上P P点的距点的距离之差为离之差为0

22、.6 m,0.6 m,若分别用频率为若分别用频率为f f1 1=5.0=5.010101414HzHz和和f f2 2=7.5=7.510101414Hz Hz 的单色光垂直照射双缝，则的单色光垂直照射双缝，则P P点出现明点出现明、暗条纹的情况是、暗条纹的情况是A.A.单色光单色光f f1 1和和f f2 2分别照射时，均出现明条纹分别照射时，均出现明条纹B.B.单色光单色光f f1 1和和f f2 2分别照射时，均出现暗条纹分别照射时，均出现暗条纹C.C.单色光单色光f f1 1照射时出现明条纹，单色光照射时出现明条纹，单色光f f2 2照射时出现暗照射时出现暗条纹条纹D.D.单色光单色光

23、f f1 1照射时出现暗条纹，单色光照射时出现暗条纹，单色光f f2 2照射时出现明照射时出现明条纹条纹【自主解答自主解答】选选C.C.单色光单色光f f1 1的波长的波长1 1= = m=0.6 = m=0.61010-6-6 m=0.6 m m=0.6 m，单色光单色光f f2 2的波长的波长2 2= m=0.4= m=0.41010-6-6 m=0.4 m m=0.4 m，因因P P点到双缝的距离之差点到双缝的距离之差x=0.6 m=x=0.6 m=1 1, ,所以用所以用f f1 1照照射时射时P P点出现亮条纹点出现亮条纹.x=0.6 m= .x=0.6 m= 2 2, ,所以用所以

24、用f f2 2照照射时射时P P点出现暗条纹，故选项点出现暗条纹，故选项C C正确正确. .1cf8143 10 5.0 108142c3 10 =f7.5 1032【思路点拨思路点拨】判断屏上某点是亮条纹还是暗条纹，要判断屏上某点是亮条纹还是暗条纹，要看该点到两个光源看该点到两个光源( (双缝双缝) )的路程差与波长的比值的路程差与波长的比值. .【例【例3 3】关于光在竖直肥皂液薄膜上产生的干涉现象，下】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（列说法中正确的是（ ）A.A.干涉条纹的产生是由于光在薄膜前后两表面发生反射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

25、的两列光波叠加的结果，形成的两列光波叠加的结果B.B.若出现明暗相间的条纹相互平行，说明肥皂膜的厚度是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均匀的C.C.用绿色光照射薄膜产生的干涉条纹间距比黄光照射间用绿色光照射薄膜产生的干涉条纹间距比黄光照射间距小距小D.D.薄膜上的干涉条纹基本上是竖直的薄膜上的干涉条纹基本上是竖直的A A、C C【标准解答标准解答】选选A A、C.C.要想产生干涉现象，必须有两列相要想产生干涉现象，必须有两列相干光源干光源. .在肥皂膜干涉中，薄膜前后两表面反射的光正好在肥皂膜干涉中，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

26、选是两个相干光源，它们相互叠加形成干涉条纹，所以选项项A A正确正确. .肥皂膜在重力作用下，上面薄、下面厚，厚度是不均匀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，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），所以选项暗相间条纹），所以选项B B错误错误. .波长越短的光波，对同一装置，干涉条纹越窄波长越短的光波，对同一装置，干涉条纹越窄. .绿光的波绿光的波长小于黄光的波长，所以绿色光照射薄膜产生的干涉条长小于黄光的波长，所以绿色光照射薄膜产生的干涉条纹间距比黄光照射的间距小纹间距比黄光照射的间距小. .选项选项C C正确正确. .出现亮、暗条纹的位置与薄膜厚度有关，对于某位置，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，从而形成亮条纹都加强，从而形成亮条纹