[3-4]4-1光的干涉.doc

滬科教版高中物理選修3-4同步導(dǎo)學(xué)第4章 光的波動(dòng)性 謝步時(shí)編第4章 光的波動(dòng)性4.1 光的干涉【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1知識(shí)與技能：知道光的干涉現(xiàn)象，了解相干條件，知道光的雙縫干涉現(xiàn)象是如何產(chǎn)生的以及產(chǎn)生明暗條紋間距與波長(zhǎng)的關(guān)系；知道薄膜干涉是如何產(chǎn)生的，了解薄膜干涉的現(xiàn)象及技術(shù)上的應(yīng)用。2過程與方法：通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，與以前學(xué)過的機(jī)械波的干涉進(jìn)行類比，推理在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中形成亮條紋和暗條紋的原因及產(chǎn)生亮暗條紋的條件，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的能力以及對(duì)問題的分析、推理、探究、總結(jié)能力。3情感態(tài)度與價(jià)值觀：在做托馬斯楊的干涉實(shí)驗(yàn)中領(lǐng)略科學(xué)家的探究精神和認(rèn)識(shí)事物的物理思維方法，培養(yǎng)學(xué)生循著科學(xué)家足跡自主探究科學(xué)知識(shí)的能力。通過對(duì)薄膜干涉的實(shí)例分析，體會(huì)到物理與生活的緊密聯(lián)系，增強(qiáng)學(xué)習(xí)物理的興趣。【要點(diǎn)導(dǎo)學(xué)】1光的干涉現(xiàn)象頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定的兩列光相遇時(shí)，使某些地方振動(dòng)始終加強(qiáng)（顯得明亮），或者始終減弱（顯得暗淡）的現(xiàn)象，叫光的干涉現(xiàn)象。光的干涉有雙縫干涉和薄膜干涉兩種。 2相干光源 相干光的條件：頻率相同；振動(dòng)方向相同；相位差恒定。3產(chǎn)生明暗條紋的條件光程差（） 條紋為亮條紋光程差（） 條紋為暗條紋4用同一裝置但不同顏色的單色光或白光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（1）用單色光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，波長(zhǎng)越長(zhǎng)的單色光得到的條紋間距越大（用紅光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)得到的條紋間距最大；用紫光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)得到的條紋間距最?。＃?）用白紅光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，中央條紋為白色，兩側(cè)為彩色條紋。5薄膜干涉的原理與現(xiàn)象（1）薄膜干涉的相干光源：薄膜前后兩個(gè)面反射的兩列光波即是薄膜干涉的相干光源。（2）薄膜干涉的規(guī)律：光程差滿足（）出現(xiàn)亮條紋；光程差（）出現(xiàn)暗條紋；白光發(fā)生薄膜干涉時(shí)，出現(xiàn)彩色條紋。（3）薄膜干涉實(shí)例：肥皂泡、水面上的油膜和貝殼呈現(xiàn)彩色，相機(jī)鏡頭呈淡紫色等。6光的干涉現(xiàn)象證明了光的波動(dòng)性【方法舉例】1深入理解相干光源 （1）一般普通光源觀察不到干涉現(xiàn)象。兩個(gè)獨(dú)立光源發(fā)出的光，即使是“頻率相同的單色光（實(shí)際上嚴(yán)格的單色光并不存在），也不能保持有恒定的相差；即使是同一個(gè)單色光源的兩部分發(fā)出的光，因?yàn)椴荒鼙ＷC有恒定的相位差，也不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。（2）形成相干波源的方法有兩種：1、利用激光（因?yàn)榧す獍l(fā)出的是單色性、平行度極好的光）。SS /bdac平面鏡肥皂膜空氣膜SS1S2平行光圖4-1-12、設(shè)法將同一束光分為兩束。分別是利用雙縫、利用空氣膜、利用肥皂膜、利用平面鏡形成相干光源的示意圖。2正確理解干涉現(xiàn)象中明暗條紋的形成原理，能用干涉規(guī)律分析干涉現(xiàn)象。干涉現(xiàn)象中明暗相間條紋反映光的能量在空間分布情況，用光的波動(dòng)理論來解釋，凡光程差等于波長(zhǎng)整數(shù)倍的位置，相當(dāng)于同相位疊加（波峰與波峰疊加），產(chǎn)生亮條紋，亮條紋處的光能量比較強(qiáng)，光能量增加也不是光的干涉可以產(chǎn)生能量，而是按波的傳播規(guī)律，到達(dá)該處的能量比較集中；凡光程差等于半波奇數(shù)倍的位置，產(chǎn)生暗條紋，暗條紋處光能量幾乎是零表明兩列光波疊加彼此相互抵消這并不是光能量損耗了或變成其它形式能量，而是按波的傳播規(guī)律，沒有能量傳到該處。明暗明圖4-1-23薄膜干涉以及薄膜干涉在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用如圖4-1-2,豎直放置的肥皂膜，在入射光接近垂直于薄膜表面入射的情況下，實(shí)線代表從前表面反射，虛線代表從后表面反射，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，因此每一條亮線都是水平的。入射光在薄膜前后兩個(gè)表面分別反射后的光程差等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍的各處，同相位疊加出現(xiàn)亮條紋。豎直放置的肥皂膜從上到下厚度逐漸增大，光程差也逐漸增大。由于紫光波長(zhǎng)最短，因此每一組亮線中總是紫光的光程差先達(dá)到波長(zhǎng)整數(shù)倍，也就是紫光的亮紋在最上方，紅光的亮紋在最下方，形成彩色的干涉條紋。薄膜干涉的應(yīng)用(1)照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡的鏡頭表面的增透膜。（2）檢查工件表面是否平整。例1 在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，以白光為光源，在屏幕上觀察到了彩色干涉條紋，若在雙縫中的一條縫前放一塊紅色濾光片(只能透過紅光)，另一條縫前放一塊綠色濾光片(只能透過綠光)，這時(shí)在光屏上將會(huì)看到怎樣的現(xiàn)象（ ） （A）只有紅色和綠色的雙縫干涉條紋，其它顏色的雙縫干涉條紋消失 （B）紅色和綠色的雙縫干涉條紋消失，其它顏色的雙縫干涉條紋依然存在 （C）任何顏色的雙縫干涉條紋都不存在，但屏上仍有光亮 （D）屏上仍然有彩色干涉條紋，只是干涉條紋的亮度變暗了一些解析在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，白光通過單縫成為線光源，從單縫時(shí)出的光通過雙縫分成兩束光，它們?cè)诠馄辽闲纬刹噬母缮鏃l紋，現(xiàn)在兩個(gè)縫前分別放上紅色和綠色濾光片，紅光和綠光的頻率不同，不是相干光，所以屏上沒有干涉條紋，但屏上有亮光，選擇項(xiàng)C圖4-1-3 說明能否產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的關(guān)鍵是，入射光源是否滿足相干光源的條件，不同顏色的光頻率不同，因此不同顏色的兩列光不能形成干涉。例2 如圖4-1-3所示，在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，光源發(fā)出波長(zhǎng)為6.010-7 m的橙光時(shí)，在光屏上獲得明暗相間的橙色干涉條紋。在屏上的P點(diǎn)恰是中央亮紋一側(cè)的第二條亮條紋。現(xiàn)改用頻率為6.251014 Hz的光，則在屏上A點(diǎn)應(yīng)出現(xiàn)明條紋還是暗條紋？解析雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，中央亮紋是路程差=0的第0條明條紋，中央亮紋一側(cè)第二條亮紋是=2的點(diǎn)，所以對(duì)于P點(diǎn)=2=26.010-7 m=1210-7 m。若改用頻率為6.251014 Hz的光，由c=f得= m=4.80-7m，=2.5，即d=5，故P點(diǎn)是暗條紋。說明此題考查干涉現(xiàn)象中出現(xiàn)明條紋條件（），出現(xiàn)暗條紋條件（，），解決這類問題的一般方法是掌握波在疊加區(qū)域加強(qiáng)和減弱的條件。第零條明條紋指=0，第一條明條紋指=1，第二條明條紋指=2，依此類推。第一條暗條紋=，第二條暗條紋=，依此類推。 例3 人的視覺最敏感的色光為綠光，為了增加通光量，通常在照相機(jī)鏡頭上涂一層薄膜（一般用氟化鎂），稱為增透膜，以增強(qiáng)綠光的透射強(qiáng)度，薄膜的折射率為n，真空中綠光的波長(zhǎng)為 ，則增透膜的厚度應(yīng)為多厚？為什么照相機(jī)的鏡頭常呈淡紫色或藍(lán)色？解析在鏡面涂上一層厚度適當(dāng)厚度的透明薄膜，入射光在薄膜的前、后的反射光相遇時(shí)的光程差=2d ；人的視覺最敏感的色光為綠光，要增強(qiáng)綠光的透射強(qiáng)度，即應(yīng)使綠光在薄膜的前、后的反射光的光程差是綠光在膜中波長(zhǎng)的，即 = ，因此膜的厚度d應(yīng)等于綠光在薄膜中波長(zhǎng)的，即，這樣綠光的反射光反相疊加后互相抵消，減弱了綠光反射的強(qiáng)度，增加了綠光透射的強(qiáng)度。一般情況下入射光是白光，其中各種色光的波長(zhǎng)是不同的。因此在確定薄膜厚度時(shí)要使白光中人的視覺最敏感的綠光在垂直入射時(shí)完全抵消。這時(shí)紅光和紫光的反射光不可能完全抵消，因此我們看到的這些鏡頭的顏色總是呈現(xiàn)淡紫色或藍(lán)色。說明 由于光程差是薄膜厚度的2倍，因此光程差是入射光波長(zhǎng)的 ； 由于光程差發(fā)生在薄膜中，因此特別要注意增透膜的厚度應(yīng)為薄膜中波長(zhǎng)的，而不是真空中的；某一增透膜由于厚度確定，因此只能增強(qiáng)一種光的透射強(qiáng)度，不可能同時(shí)增強(qiáng)多種光的透射強(qiáng)度?！净A(chǔ)訓(xùn)練營】 一、選擇題1能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的兩束光是（ ）（A）頻率相同、振幅相同的兩束光（B）頻率相同、相位差恒定的兩束光（C）兩只完全相同的燈光發(fā)出的光（D）同一光源的兩個(gè)發(fā)光部分發(fā)出的光2如圖圖4-1-4所示為一顯示薄膜干涉現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置，P是附有肥皂膜的鐵絲圈，S是一點(diǎn)燃的酒精燈。往火焰上灑些鹽后，在肥皂膜上觀察到的干涉圖象應(yīng)是下圖中的（ ）圖4-1-4A B C D3關(guān)于薄膜干涉，下述說法中正確的是（ ）（A）干涉條紋的產(chǎn)生是由于光在膜的前后兩表面反射，形成的兩列光波疊加的結(jié)果（B）干涉條紋中的暗紋是由于上述兩列反射光的波谷與波谷疊加的結(jié)果（C）干涉條紋是平行等間距的平行線時(shí)，說明膜的厚度處處相等（D）觀察薄膜干涉條紋時(shí)，應(yīng)在入射光的同一側(cè)ab單色光標(biāo)準(zhǔn)樣板薄片厚玻璃板圖4-1-54如圖圖4-1-5所示,是用干涉法檢查某塊厚玻璃板的上表面是否平的裝置。所用單色光是用普通光源加濾光片產(chǎn)生的。檢查中所觀察到的干涉條紋是由下列哪兩個(gè)表面反射的光線疊加而成的（ ）（A）a的上表面與b的下表面（B）a的上表面與b的上表面（C）a 的下表面與b的上表面（D）a的下表面與b的下表面5下列現(xiàn)象中屬于干涉現(xiàn)象的是（ ）（A）涂有增透膜的照相機(jī)鏡頭是淡紫色 （B）夏季雨后天空中出現(xiàn)的彩虹（C）肥皂泡在陽光下呈現(xiàn)彩色條紋 （D）孔雀羽毛呈現(xiàn)彩色6在雙縫實(shí)驗(yàn)中，雙縫到光屏上P點(diǎn)的距離之差d=0.6 m。若分別用頻率為f1=5.01014 Hz和頻率為f2=7.51014 Hz的單色光垂直照射雙縫，則P點(diǎn)出現(xiàn)條紋的情況是（ ）（A）用頻率為f1的單色光照射時(shí)，P點(diǎn)出現(xiàn)明條紋S1S2PP1P2Q2Q1圖4-1-6（B）用頻率為f2的單色光照射時(shí)，P點(diǎn)出現(xiàn)明條紋（C）用頻率為f1的單色光照射時(shí)，P點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋（D）用頻率為f2的單色光照射時(shí)，P點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋7圖4-1-6為雙縫干涉及示意圖，S1、S2為雙縫，屏上P點(diǎn)與S1、S2距離相等，用波長(zhǎng)為6000橙光照射，P1、P2為P上方最近的兩條相鄰的亮紋，Q1、Q2為暗條紋，改用波長(zhǎng)為4000的紫光照射，下列說法正確的是（ ）（A）P點(diǎn)仍是亮紋（B）P1點(diǎn)仍是亮紋（C）P2點(diǎn)仍是亮紋（D）以上三點(diǎn)都變成暗條紋 二、填空題81801年英國物理學(xué)家托馬斯楊在實(shí)驗(yàn)室里成功地觀察到了光的干涉現(xiàn)象.他用單色光照射屏上的一個(gè)小孔,是為了獲得_；由小孔射出來的光再射到兩個(gè)小孔上,是為了獲得_。9 S1和S2是兩個(gè)相干的光源,發(fā)出的光波的波長(zhǎng)為4.0010-7 m , A點(diǎn)與S1和S2的路程差為1.8010-6 m.若光源S1和S2的振動(dòng)方向相同,則A點(diǎn)將出現(xiàn)_ 條紋；若光源S1和S2的振動(dòng)方向相反,則A點(diǎn)將出現(xiàn)_ _條紋.(填“亮”或“暗”)。10為了減少玻璃表面光的反射損失,在玻璃表面涂上一層折射率n=1.25的增透膜設(shè)入射光在真空中的波長(zhǎng)=700 nm,為使這種波長(zhǎng)的反射光能最大限度地被減弱,所涂薄膜的最小厚度應(yīng)是 ?三、計(jì)算題11在觀察牛頓環(huán)時(shí)，用= 0.5的第6個(gè)亮環(huán)與用的第7個(gè)暗環(huán)重合，求波長(zhǎng)= ？12在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中,用氦氖激光器作光源,其發(fā)出的紅光頻率為4.74Hz，從雙縫射出的光的振動(dòng)情況完全相同，它們到達(dá)光屏上某點(diǎn)的路程差為2 531.6 nm.那么該點(diǎn)將出現(xiàn)怎樣的干涉圖樣?13登山運(yùn)動(dòng)員在登雪山時(shí)要注意防止紫外線的過度照射，尤其是眼睛更不能長(zhǎng)時(shí)間被紫外線照射，否則將會(huì)嚴(yán)重地?fù)p壞視力。有人想利用薄膜干涉的原理設(shè)計(jì)一種能大大減小紫外線對(duì)眼睛的傷害的眼鏡。他選用的薄膜材料的折射率為n=1.5，所要消除的紫外線的頻率為8.11014Hz，那么它設(shè)計(jì)的這種“增反膜”的厚度至少是多少？【能力提高站】一、選擇題1如圖4-1-7所示，一束白光從左側(cè)射入肥皂薄膜，下列說法中正確的是（ ） 圖4-1-7（A）人從右側(cè)向左看，可看到彩色條紋（B）人從左側(cè)向右看，可看到彩色條紋 （C）彩色條紋水平排列 （D）彩色條紋豎直排列圖4-1-82把一個(gè)平行玻璃板壓在另一個(gè)平行玻璃板上，一端用薄片墊起，構(gòu)成空氣劈尖，讓單色光從上方射入,如圖4-1-8，這時(shí)可以看到亮暗相間的條紋，下面關(guān)于條紋的說法中正確的是（ ）（A）將薄片向著劈尖移動(dòng)使劈角變大時(shí)，條紋變疏（B）將薄片遠(yuǎn)離劈尖移動(dòng)使劈角變小時(shí)，條紋變疏（C）將上玻璃板平行上移，條紋向著劈尖移動(dòng)（D）將上玻璃板平行上移，條紋遠(yuǎn)離劈尖移動(dòng)3市場(chǎng)上有種燈具俗稱“冷光燈”，用它照射物品時(shí)能使被照物品處產(chǎn)生的熱效應(yīng)大大降低，從而廣泛地應(yīng)用于博物館、商店等處.這種燈降低熱效應(yīng)的原因之一是在燈泡后面放置的反光鏡玻璃表面上鍍了一層薄膜(例如氟化鎂)，這種膜能消除不鍍膜時(shí)玻璃表面反射回來的熱效應(yīng)最顯著的紅外線。以表示此紅外線的波長(zhǎng)，則所鍍薄膜的厚度最小應(yīng)為( )（A）/8 （B）/4 （C）/4 （D）4如圖4-1-9甲所示，在一塊平板玻璃上放置一平凸薄透鏡，讓一束單一波長(zhǎng)的光垂直入射到該裝置上，結(jié)果在上方觀察到如圖4-1-9乙所示的同心內(nèi)疏外密的圓環(huán)狀干涉條紋，稱為牛頓環(huán)，以下說法正確的是( ) 入射光甲乙圖4-1-9（A）干涉現(xiàn)象是由于凸透鏡下表面反射光和玻璃上表面反射光疊加形成的（B）干涉現(xiàn)象是由于凸透鏡上表面反射光和玻璃上表面反射光疊加形成的（C）干涉條紋不等間距,中央疏邊緣密的同心圓環(huán)（D）干涉條紋不等間距是因?yàn)榭諝饽ず穸仁遣痪鶆蜃兓?用如圖4-1-10所示，的裝置來觀察雙縫干涉現(xiàn)象時(shí)，以下推斷正確的是（ ）圖4-1-10（A）狹縫的作用是使入射光到達(dá)雙縫屏?xí)r，雙縫就成了兩個(gè)振動(dòng)情況總是相同的波源（B）若入射光是白光，像屏上產(chǎn)生的條紋是黑白相間的干涉條紋（C）像屏上某點(diǎn)到雙縫的距離差為入射光波長(zhǎng)的1.5倍時(shí)，該點(diǎn)處一定是亮條紋（D）雙縫干涉中各種色光的亮條紋之間的距離相等，暗條紋之間的距離也相等6圖4-1-11是研究光的雙縫干涉的示意圖，擋板上有兩條狹縫S1、S2，由S1、S2發(fā)出的兩列波到達(dá)屏上時(shí)會(huì)產(chǎn)生干涉條紋，已知入射激光的波長(zhǎng)為，屏上的P點(diǎn)到兩縫的距離相等，如果把P處的亮紋記作第0號(hào)亮紋，由P向上數(shù)，與0號(hào)亮紋相鄰的亮紋為1號(hào)亮紋，與1號(hào)亮紋相鄰的亮紋為2號(hào)亮紋，則P1處的亮紋恰好是10號(hào)亮紋。設(shè)直線S1P1的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，S2P1的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，則L2L1等于( )圖4-1-11（A）5 （B）10