2024年高中物理新教材同步講義選修第一冊(cè)學(xué)習(xí)筆記第4章 3　光的干涉

3光的干涉[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道光的干涉現(xiàn)象和產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的條件(重點(diǎn))。2.理解產(chǎn)生明暗條紋的條件，知道條紋間距與波長(zhǎng)的關(guān)系(重難點(diǎn))。3.知道薄膜干涉條紋的特點(diǎn)，并能用它解釋生活中的相關(guān)現(xiàn)象(重點(diǎn))。一、光的雙縫干涉1．光的干涉實(shí)驗(yàn)最早是物理學(xué)家________________在1801年成功完成的，楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)有力地證明了光是一種________。2．雙縫干涉實(shí)驗(yàn)如圖所示，有光源、單縫、雙縫和光屏。(1)實(shí)驗(yàn)過(guò)程：讓一束單色光投射到一個(gè)有兩條狹縫S1和S2的擋板上，兩狹縫相距很近，兩狹縫就成了兩個(gè)波源，它們的______、________和________________總是相同的，兩個(gè)波源發(fā)出的光在擋板后面的空間互相疊加發(fā)生________________。(2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在屏上得到______________的條紋。3．屏上某處出現(xiàn)亮、暗條紋的條件頻率相同、振動(dòng)步調(diào)相同的兩列光波產(chǎn)生亮暗條紋的條件如下：(1)亮條紋的條件：屏上某點(diǎn)P到兩條縫S1和S2的路程差正好是波長(zhǎng)的________倍或半波長(zhǎng)的________倍．即：|PS1－PS2|＝kλ＝2k·eq\f(λ,2)(k＝0,1,2,3，…)說(shuō)明：k＝0時(shí)，PS1＝PS2，此時(shí)P點(diǎn)位于光屏上的O處，為亮條紋，此處的條紋叫中央亮條紋或零級(jí)亮條紋，k為亮條紋的級(jí)次。(2)暗條紋的條件：屏上某點(diǎn)P到兩條縫S1和S2的路程差正好是半波長(zhǎng)的________倍，即：|PS1－PS2|＝(2k－1)·eq\f(λ,2)(k＝1,2,3，…)說(shuō)明：k為暗條紋的級(jí)次，從第1級(jí)暗條紋開(kāi)始向兩側(cè)展開(kāi)。注意：當(dāng)頻率相同、振動(dòng)步調(diào)總是相反的兩列光波疊加時(shí)，產(chǎn)生亮、暗條紋的條件與上面的情況恰好相反。4．干涉圖樣(1)單色光的干涉圖樣：如圖所示，干涉條紋是等間距的明暗相間的條紋。(2)白光的干涉圖樣：中央條紋是白色的，兩側(cè)干涉條紋是彩色條紋。(1)頻率不同的兩列光波也能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，只是不穩(wěn)定。()(2)用兩個(gè)完全相同的相干光源做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)兩個(gè)狹縫到屏上的路程差是光波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)出現(xiàn)暗條紋。()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。若在雙縫中的一縫前放一紅色濾光片(只能透過(guò)紅光)，另一縫前放一綠色濾光片(只能透過(guò)綠光)，已知紅光與綠光的頻率、波長(zhǎng)均不相等，這時(shí)()A．只有紅色和綠色的雙縫干涉條紋，其他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，其他顏色的雙縫干涉條紋仍然存在C．任何顏色的雙縫干涉條紋都不存在D．至少有一種顏色的雙縫干涉條紋例2在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，雙縫到光屏上P點(diǎn)的距離之差為0.6μm，若分別用頻率為f1＝5.0×1014Hz和f2＝7.5×1014Hz的單色光垂直照射雙縫，試分析判斷P點(diǎn)應(yīng)出現(xiàn)亮條紋還是暗條紋？分別為第幾條亮條紋或暗條紋？(光在真空中的傳播速度c＝3×108m/s)_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________針對(duì)訓(xùn)練用波長(zhǎng)為λ的平行單色光照射單縫，經(jīng)雙縫后，在光屏上偏離中心的P點(diǎn)處恰好出現(xiàn)亮條紋，則()A．改用波長(zhǎng)為2λ的平行單色光照射，P點(diǎn)處一定出現(xiàn)亮條紋B．改用波長(zhǎng)為2λ的平行單色光照射，P點(diǎn)處一定出現(xiàn)暗條紋C．改用波長(zhǎng)為eq\f(λ,2)的平行單色光照射，P點(diǎn)處一定出現(xiàn)亮條紋D．改用波長(zhǎng)為eq\f(λ,2)的平行單色光照射，P點(diǎn)處一定出現(xiàn)暗條紋

二、干涉條紋和光的波長(zhǎng)之間的關(guān)系1．條紋間距是指相鄰亮條紋中心或相鄰暗條紋中心間的距離。條紋間距公式：Δx＝________其中l(wèi)為雙縫到屏的距離，d為雙縫間的距離，λ為入射光的波長(zhǎng)。2．兩相鄰亮條紋(或暗條紋)間距離與光的波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，條紋間距越大。(1)對(duì)于同一單色光，條紋之間的距離________，由該單色光的亮條紋和暗條紋組成。(2)用不同顏色的光進(jìn)行干涉實(shí)驗(yàn)，條紋間距________，紅光條紋間距比黃光條紋間距________，藍(lán)光條紋間距比黃光條紋間距________。(3)白光的干涉條紋的中央是________色的，兩側(cè)是________色的，這是因?yàn)椋孩侔坠馐怯杉t、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色組成的復(fù)色光，且從紅光到紫光波長(zhǎng)逐漸變短。②各種色光都能形成明暗相間的條紋，都在中央條紋處形成亮條紋，從而復(fù)合成白色條紋。③兩側(cè)條紋間距與各色光的波長(zhǎng)成正比，條紋不能完全重合，這樣便形成了彩色干涉條紋。(1)在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置一定的情況下，光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，條紋間距越大。()(2)用白光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，屏幕各處不會(huì)再出現(xiàn)白色條紋。()例3圖甲是雙縫干涉示意圖，兩種單色光分別通過(guò)同一雙縫干涉裝置得到的干涉圖樣如圖乙、丙所示。下列說(shuō)法正確的是()A．形成乙圖樣的光的波長(zhǎng)比形成丙圖樣的光的波長(zhǎng)長(zhǎng)B．形成丙圖樣的光的頻率比形成乙圖樣的光的頻率大C．若只增大擋板與屏間的距離l，兩種單色光相鄰亮條紋間的距離Δx都將增大D．若只減小擋板上兩個(gè)狹縫間的距離d，兩種單色光相鄰亮條紋間的距離Δx都將減小三、薄膜干涉1．薄膜干涉：如圖，不同位置的液膜，厚度________，液膜前后兩個(gè)面____________相互疊加發(fā)生干涉。2.不同位置液膜前后兩個(gè)面的反射光的____________不同，某些位置兩列波疊加后相互________，出現(xiàn)了亮條紋，另一些位置，兩列波疊加后相互________，出現(xiàn)了暗條紋。3．應(yīng)用：在光學(xué)元件的表面鍍一層特定厚度的薄膜，增加光的________或者_(dá)_______；利用薄膜干涉的原理對(duì)鏡面或其他精密的光學(xué)平面的平滑度進(jìn)行檢測(cè)。1．薄膜干涉的原理(1)光照射到薄膜上，在薄膜的前、后兩個(gè)面反射的光是由同一個(gè)實(shí)際的光源分解而成的，它們具有相同的頻率，恒定的相位差，是相干光。(2)光照在厚度不同的薄膜上時(shí)，前、后兩個(gè)面的反射光的路程差等于相應(yīng)位置膜厚度的2倍，在某些位置，兩列波疊加后相互加強(qiáng)，于是出現(xiàn)亮條紋；在另一些位置，疊加后相互削弱，于是出現(xiàn)暗條紋。2．干涉法檢查平面平滑度如圖甲所示，兩平面之間形成一楔形空氣薄層，用單色光從上向下照射，空氣層的上下兩個(gè)表面反射的兩列光波發(fā)生干涉，空氣層厚度相同的地方，兩列波路程差相同，兩列波疊加時(shí)相互加強(qiáng)或相互削弱的情況也相同。如果被測(cè)表面是平整的，得到的干涉圖樣必是一組平行的直線。如果被測(cè)表面某處凹陷，則對(duì)應(yīng)亮條紋(或暗條紋)向左彎曲，如圖乙中P處所示；如果某處凸起，則對(duì)應(yīng)條紋向右彎曲，如圖乙中Q處所示。3．增透膜膜的折射率小于光學(xué)元件折射率，增透膜的厚度為光在介質(zhì)中波長(zhǎng)的eq\f(1,4)，從膜前后表面反射的光的路程差為eq\f(1,2)波長(zhǎng)，所以兩列光波相互削弱，使反射光的強(qiáng)度大大降低，入射光的強(qiáng)度得以加強(qiáng)。(1)水面上的油膜呈現(xiàn)彩色條紋，是油膜表面反射光與入射光疊加的結(jié)果。()(2)干涉條紋是等間距的平行線時(shí)，說(shuō)明薄膜厚度處處相等。()例4用單色光照射位于豎直平面內(nèi)的肥皂液薄膜，所觀察到的干涉條紋為()例5(多選)(2022·湖北部分名校聯(lián)考)將精度很高的標(biāo)準(zhǔn)玻璃板(樣板)，放在被檢查工件上面，如圖甲所示，在樣板的右端墊薄片，使標(biāo)準(zhǔn)玻璃板與被檢查平面之間形成一楔形空氣膜。用平行單色光從上方射入，這時(shí)可以看到明暗相間的條紋如圖乙所示。下列說(shuō)法正確的是()A．干涉條紋是樣板的下表面和被檢查工件的上表面的反射光干涉形成的B．眼睛應(yīng)從入射光的另一側(cè)觀測(cè)干涉條紋C．圖乙條紋彎曲處對(duì)應(yīng)著被檢查平面處有凸起D．增大薄片的厚度，條紋間距增大例6(多選)(2022·林州一中月考)如圖甲所示，在一塊平板玻璃上放置一平薄凸透鏡，在兩者之間形成厚度不均勻的空氣膜，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乙所示的內(nèi)疏外密的同心圓環(huán)狀干涉條紋，稱為牛頓環(huán)，以下說(shuō)法正確的是()A．干涉現(xiàn)象是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．干涉條紋不等間距是因