《光的干涉》课件

《光的干涉》肥皂泡看起来常常是彩色的雨后公路积水，上面漂浮的油膜也经常显现出彩色条纹或图样彩色条纹是怎样形成？一、光的双缝干涉现象1.实验2.视频——杨氏双缝干涉（1801年）为什么会形成双缝干涉现象呢？机械波的干涉

两列频率相同的波(相干波)相遇时,在某些区域振动加强(波峰与波峰、波谷与波谷叠加),而在某些区域振动减弱(波峰与波谷叠加);且振动加强的区域与振动减弱的区域相互间隔.这种现象叫波的干涉水波的干涉3.相关知识复习单缝双缝S1SS2屏获得两个振动情况完全相同的光源，叫相干光源(频率相同)②双缝的作用：①单缝的作用：

获得所需光源4.实验分析：杨氏双缝干涉实验证明了光是一种波二、对光的双缝干涉现象的解释1.干涉图样的特点:S1S2双缝屏幕P0

中央亮纹由于S1S2到中央亮纹的距离是相等的,又由于从S1S2发出的光是振动情况完全相同，那么，当其中一条光线传来的是波峰时，另一条传来的也一定是波峰，其中一条光线传来的是波谷时，另一条传来的也一定是波谷，在P点总是波峰与波峰相遇或波谷与波谷相遇，振幅A＝A1+A2为最大，P点总是振动加强的地方，故出现亮纹。光程差δ=S2P0－S1P0=0P1

第一亮纹

取P0点上方的点P1，若从S1S2发出的光到P1点的光程差，正好等于一个波长δ=S1P1－S2P2=λ，则当其中一条光线传来的是波峰时，另一条传来的也一定是波峰，其中一条光传来的是波谷时，另一条传来的也一定是波谷，在P1点总是波峰与波峰相遇或波谷与波谷相遇，振幅A＝A1+A2为最大，P1点总是振动加强的地方，故出现亮纹。λ第一条亮纹的形成原因分析光程差δ=S2P1－S1P1=λ双缝S1S2屏幕P2

第二亮纹2λ第二条亮纹的形成原因分析光程差δ=S2P2－S1P2=2λ双缝S1S2屏幕双缝S1S2屏幕P1第一亮纹δ=λP

中央亮纹δ=0P2第二亮纹δ=2λP3/

第三亮纹δ=3λP3第三亮纹δ=3λP2/

第二亮纹δ=2λP1/

第一亮纹δ=λ当光程差δ=nλ时出现亮纹以此类推当其中一条光传来的是波峰，另一条传来的就是波谷，其中一条光传来的是波谷，另一条传来的一定是波峰，Q1点总是波峰与波谷相遇，振幅最小，Q1点总是振动减弱的地方，故出现暗纹。2.暗条纹形成的原因取P0点上方的点Q1，与两个狭缝S1、S2光程差δ=S1Q1－S2Q1＝λ/2光程差δ=λ/2Q1

第一暗纹δ双缝S1S2屏幕取P0点上方的点Q2，与两个狭缝S1、S2光程差δ=S1－S2＝3λ/2当其中一条光传来的是波峰，另一条传来的就是波谷，其中一条光线传来的是波谷，另一条传来的一定是波峰，Q2点总是波峰与波谷相遇，振幅最小，Q2点总是振动减弱的地方，故出现暗纹。δ=3λ/2Q1

第一暗纹δ双缝S1S2屏幕Q2

第二暗纹双缝S1S2屏幕Q1第一暗纹δ=λ/2Q2第二暗纹δ=3λ/2Q3/

第三暗纹δ=5λ/2Q3第三暗纹δ=5λ/2Q2/

第二暗纹δ=3λ/2Q1/

第一暗纹δ=λ/2

当光程差δ=(2n+1)λ/2，即半波长奇数倍时，出现暗纹。以此类推（1）空间的某点距离光源S1和S2的光程差为0、λ、2λ、3λ等波长的整数倍（半波长的偶数倍）时，该点为振动加强点。

（2）空间的某点距离光源S1和S2的光程差为λ/2、3λ/2、5λ/2等半波长的奇数倍时，该点为振动减弱点。3.总结规律光程差δ=kλ（k=0，1，2，3……）光程差δ=（2k+1)λ/2

(k=0，1，2，3……）暗纹产生明、暗条纹的条件

亮纹：光程差δ=

kλ（k=0，1，2，3……）暗纹：光程差δ=（2k+1)λ/2(k=0，1，2，3……）亮纹三、干涉条纹与光的波长之间的关系猜想：在其它条件不变的情况下，不同颜色的光，条纹间距不同。波长为的单色光照射到双缝上。两缝中心间距为d，两缝S1、S2的中垂线与屏的交点为P0，双缝到屏的距离为OP0=l。对于屏上与P0的距离为x的一点P1，两缝与P1的距离分别为r1、r2，且d

l亮纹条件：相邻两条亮条纹或暗条纹中心的间距是：θ理论探究：1、红光：波长范围：625~740nm；2、橙光：波长范围：590~610nm；3、黄光：波长范围：570~585nm；4、绿光：波长范围：492~577nm；5、靛光：波长范围：420~440nm；6、蓝光：波长范围：440~475nm；7、紫光：波长范围：380~420nm。

生活中有没有见过光的干涉现象呢？四、薄膜干涉

在酒精灯的灯芯上撒一些食盐，灯焰就能发出明亮的黄光。把铁丝圈在肥皂水中蘸一下，让它挂上一层薄薄的液膜。把这个液膜当作一个平面镜，用它观察灯焰。1.现象2.现象解释由于重力的作用，肥皂薄膜将形成上薄下厚的楔形。光从薄膜的前后两个表面反射出来两列光波，这两列光波的频率相同，产生干涉。前表面后表面现象：在一个不太长的时间段里，会看到像上亮暗相间的条纹间隔逐渐变密，为什么？3.应用举例

在照相机、望远镜等光学仪器中，要用到许多透镜、棱镜。光在通过这些元器件时，在每一个表面上都会发生一部分反射，从而导致透过这些元器件的光能量减少。为了降低光能损失，人们在这些元器件的表面镀上透明的薄膜，即增透膜，如氟化镁薄膜。增透膜两个表面的反射光所通过的光程差等于半个波长，这样反射回来的光会因产生干涉而相互抵消，增加了透射光的能量。4.练习与应用劈尖干涉是一种薄膜干涉，如图所示。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，当光从上方入射后，从上往下看到的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。

现若在如图所示装置中抽去一张纸片，则当光入射到劈形空气薄膜后，从上往下可以观察到干涉条纹发生了怎样的变化？3面4面1面2面d1d2lθθ两处光程差为

1=2d1，

2=2d2

2－

1=，所以d2－d1=/2由几何关系可得即结论：当抽去一张纸片时，θ减小，

l增大，即条纹变稀疏。平整时3面凹陷时亮纹1亮纹23面4面1面2面牛顿环干涉图样：中央疏、边沿密的同心圆环贝壳呈现的彩纹等都与光的干涉有关，均为两个面的反射光干涉的结果。五、光的本性光的本质是什么？1.牛顿的微粒说：光是高速粒子流，解释光的直进，光的反射。2.惠更斯的波动说：光是某种振动，以波的形式向周围传播，解释光的折射、干涉和衍射，光的直进，光的反射。机械弹性波动（以太）。3.麦克斯韦的电磁说：光是一种电磁波，发展了光的波动理论。4.爱因斯坦的光子说：成功解释光电效应，认为光具有粒子性。5.德布罗意的波粒二象性学说：光既有粒子性，又有波动性。光的本性学说发展史上的五个学说t18世纪19世纪20世纪17世纪·2000多年前中国的《墨经》·惠更斯，波动说，1678年《论光》微粒说占主导·1801年托马斯·杨的双缝干涉实验··1865年麦克斯韦理论，1888年赫兹实验·1905年，爱因斯坦的光子说解释光电效应·新的光学理论·牛顿，微粒说，《光学》课堂小结：1.光的干涉现象2.光的双缝干涉原理3.薄膜干涉现象与原理4.干涉现象的应用5.光的本性及其发展史问题一双缝干涉实验原理透析[情境探究]波的干涉现象是两列波在传播中相遇叠加而形成的,是波的特性。产生稳定干涉现象的条件是有相干波源——频率相等、振动方向相同、相位差恒定的两列波,干涉图样中的“亮”“暗”条纹就是相干波源叠加形成的振动“加强区”和“减弱区”。在1801年英国物理学家托马斯·杨成功完成了光的干涉实验,这对研究光的本性提供了什么样的帮助作用?要点提示

从实验的角度证实光是一种波。[知识归纳]1.双缝干涉实验的装置示意图:实验装置如图所示,有光源、单缝、双缝和光屏。(1)单缝屏的作用:获得一个线光源,使光源有唯一的频率和振动情况。(2)双缝屏的作用:平行光照射到单缝S上,又照射到双缝S1、S2上,这样一束光被分成两束频率相同和振动方向相同、相位差恒定的相干光。2.屏上某处出现亮、暗条纹的条件:频率相同的两列波在同一点引起的振动的叠加,如亮条纹处某点同时参与的两个振动步调总是一致,即振动方向总是相同;暗条纹处振动步调总是相反。具体产生亮、暗条纹的条件:(1)亮条纹产生的条件:屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍。即|PS1-PS2|=kλ=2k·(k=0,1,2,3,…)k=0时,PS1=PS2,此时P点位于屏上的O处,为亮条纹,此处的条纹叫中央亮条纹或零级亮条纹。k为亮条纹的级次。(2)暗条纹产生的条件:屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是半波长的奇数倍。即|PS1-PS2|=(2k-1)·(k=1,2,3,…),k为暗条纹的级次,从第1级暗条纹开始向两侧展开。要点笔记

双缝干涉的条件必须是相干光源,且双缝间的间距必须很小。[典例剖析]例题1双缝干涉实验装置如图所示,当使用波长为6×10-7m的橙光做实验时,光屏P点及上方的P1点形成相邻的亮条纹。若使用波长为4×10-7m的紫光重复上述实验,在P和P1点形成的亮、暗条纹的情况是(

)A.P和P1都是亮条纹B.P是亮条纹,P1是暗条纹C.P是暗条纹,P1是亮条纹D.P和P1都是暗条纹解析

从单缝S射出的光波被S1、S2两缝分成的两束光为相干光,由题意,屏中央P到S1、S2距离相等,即由S1、S2分别射出的光到P的路程差为零,因此P处是亮纹中心,因而,无论入射光是什么颜色的光,波长多大,P处都是中央亮纹中心。而P1到S1、S2的路程差刚好是橙光的一个波长,即|P1S1-P1S2|=600

nm=λ橙,则两列光波到达P1时的振动情况完全一致,振动得到加强,因此,出现亮条纹。当换用波长为400

nm的紫光时,|P1S1-P1S2|=600

nm=λ紫,则两列光波到达P1时振动情况完全相反,即由S1、S2射出的光波到达P1时就相互削弱,因此,出现暗条纹。综上所述,选项B正确。答案

B规律方法

分析双缝干涉中亮暗条纹问题的步骤(1)明确光在真空(或空气)中的波长。(2)由屏上出现亮暗条纹的条件判断光屏上出现的是亮条纹还是暗条纹。(3)根据亮条纹的判断式Δr=kλ(k=0,1,2,…)或暗条纹的判断式Δr=(2k+1)(k=0,1,2,…),判断出k的取值,从而判断条纹数。变式训练1(多选)(2021山东泰安第二中学高二月考)用波长为λ的单色光照射单缝O,经过双缝M、N在屏上产生明暗相间的干涉条纹,如图所示,图中a、b、c、d、e为相邻亮条纹的位置,c为中央亮条纹,则(

)A.由O到达a、b的路程差为零B.由M、N到达b的路程差为λC.由O到达a、c的路程差为4λD.由M、N到达e的路程差为2λ解析

从O到达某点可以经过M也可以经过N,根据已知条件无法比较从O到达某两点的路程差,故A、C错误;b为中心亮纹旁边的第一条亮纹,则M、N到达b的路程差为波长λ,故B正确;e为中心亮纹旁边的第二条亮纹,M、N到达e的路程差为2λ,故D正确。答案

BD问题二双缝干涉图样的特点[情境探究]如图所示,几种单色光的双缝干涉图样,请问:(1)单色光干涉时相邻两亮条纹的间距和相邻两暗条纹的间距相等吗?(2)用不同颜色的光做干涉实验时干涉图样完全一样吗?要点提示

(1)相等。(2)不一样。[知识归纳]1.相邻亮条纹(或暗条纹)间的距离Δx与入射光波长λ之间的定量关系推导如下图所示,双缝间距d,双缝到屏的距离l。双缝S1、S2的连线的中垂线与屏的交点为P0。对屏上与P0距离为x的一点P,两缝与P的距离PS1=r1,PS2=r2。在线段PS2上作PM=PS1,则S2M=r2-r1,因d≪l,三角形S1S2M可看作直角三角形。则:r2-r1=dsinθ(令∠S2S1M=θ)。2.单色光的干涉图样(1)若用单色光作光源,则干涉条纹是明暗相间的条纹,且条纹间距相等。(2)用不同的单色光做双缝干涉实验,得到的条纹之间的距离不一样,但都是明暗相间的单色条纹。由Δx=λ知,红光波长最长,Δx最大,紫光波长最短,Δx最小。3.白光的干涉图样若用白光作光源,则干涉条纹是彩色条纹,且中央条纹是白色的。这是因为:(1)从双缝射出的两列光波中,各种色光都能形成明暗相间的条纹。各种色光都在中央条纹处形成亮条纹,从而复合成白色条纹。(2)两侧条纹间距与各色光的波长成正比,即红光的亮条纹间距宽度最大,紫光的亮条纹间距宽度最小,即除中央条纹以外的其他条纹不能完全重合,这样便形成了彩色干涉条纹。要点笔记

双缝干涉的相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是相等的。[典例剖析]例题2如图甲为双缝干涉实验的装置示意图。图乙为用绿光进行实验时,在屏上观察到的条纹情况,a为中央亮条纹,丙图为换用另一颜色的单色光做实验时观察到的条纹情况,a'为中央亮条纹。若已知红光、绿光和紫光的波长大小关系为红光的波长最长,紫光的波长最短。则以下说法正确的是(

)A.丙图可能为用红光实验产生的条纹,表明红光波长较长B.丙图可能为用紫光实验产生的条纹,表明紫光波长较长C.丙图可能为用紫光实验产生的条纹,表明紫光波长较短D.丙图可能为用红光实验产生的条纹,表明红光波长较短解析

根据双缝干涉图样的特点,入射光的波长越长,同一装置产生的双缝干涉图样中条纹的间距就越大。由本题的条件可确定另一种颜色的单色光比绿光的波长长,因此A正确,B、C、D错误。答案

A规律方法

对干涉条纹间距的理解干涉条纹间距是两个相邻的同类条纹中线间的距离,既可以是两相邻亮条纹中线间的距离,也可以是两相邻暗条纹中线间的距离。变式训练2关于光的干涉,下列说法正确的是(

)A.在双缝干涉现象中,相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是不等的B.在双缝干涉现象中,把入射光由波长较长的红光换成波长较短的紫光,相邻两个亮条纹间距将变宽C.在双缝干涉现象中,将绿光换为红光,相邻两个亮条纹间距将变宽D.在双缝干涉现象中,入射光为白光时得到的彩色条纹为内红外紫解析

在双缝干涉现象中,相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是相等的,故选项A错误;入射光的波长越长,相邻两个亮条纹的间距越大,故选项B错误,C正确;由于各色条纹间距不同,且红光条纹最宽,紫光条纹最窄,故除中间条纹外,前几条彩色条纹应为内紫外红,越往外由于重叠严重,没有明显干涉条纹,只是看到彩光,选项D错误。答案

C问题三薄膜干涉现象及其应用[情境探究]在酒精灯的灯芯上撒一些食盐,灯焰就能发出明亮的黄光。把铁丝圈在肥皂水中蘸一下,让它挂上一层薄薄的液膜。把这层液膜当作一个平面镜,用它观察灯焰的像。这个像与直接看到的灯焰有什么不同?如果用白光做实验情况又会如何?要点提示

灯焰的像由明暗相间的水平条纹组成。如果用白光做实验,肥皂膜上会出现彩色条纹。[知识归纳]1.薄膜干涉的成因及特点(1)形成原因①由薄膜的前、后表面的反射光叠加而形成明暗相间的条纹。②如果膜的厚度为h,折射率为n,前、后表面的反射光的路程差为2h。若满足2h为膜中波长的整数倍时,该处出现亮条纹;满足2h为膜中半波长的奇数倍时,该处出现暗条纹。(2)特点:因为在同一水平高度处,薄膜的厚度相同,从前、后两表面反射的光的路程差均相同,如果此时两反射光互相加强,则此高度水平方向各处均加强,因此,明暗相间的干涉条纹应为水平方向。2.应用(1)等倾法检查平面平整度如图所示,在被测平面上放一个透明的样板,在样板的一端垫一个薄片,使样板的标准平面与被测平面之间形成一个楔形空气薄层。用单色光照射时,空气层的上、下两个表面反射的两列光波发生干涉。空气厚度相同的地方,两列波的路程差相同,两列波叠加时互相加强或减弱的情况相同,因此若被测面是平的,干涉条纹就是一组平行的直线,如果干涉条纹是弯曲的,就表明被测平面不平整。(2)增透膜①原理:为了减少光学装置中的反