光的干涉高二物理素養(yǎng)提升學(xué)案（人教版2019選擇性）

高中物理選擇性必修一素養(yǎng)提升學(xué)案第四章光

光的干涉【核心素養(yǎng)目標】物理觀念1.知道光的干涉現(xiàn)象，認識光干涉條紋的特征。2.了解薄膜干涉，了解其應(yīng)用?？茖W(xué)思維知道形成干涉的過程，體會干涉的條件，能判斷條紋間距的變化。科學(xué)探究經(jīng)歷光的雙縫干涉的實驗過程，體會科學(xué)探究的意義?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任通過對干涉圖像及干涉現(xiàn)象的應(yīng)用，體會物理知識之美?！局R點探究】知識點一光的雙縫干涉1.物理史實1801年，英國物理學(xué)家托馬斯·楊成功地觀察到了光的干涉現(xiàn)象，開始讓人們認識到光的波動性。2.雙縫干涉實驗（1）實驗過程：讓一束平行的單色光投射到一個有兩條狹縫S1和S2的擋板上，兩狹縫相距很近，兩狹縫就成了兩個波源，它們的頻率、相位和振動方向總是相同的，兩個波源發(fā)出的光在擋板后面的空間互相疊加發(fā)生干涉現(xiàn)象。（2）實驗現(xiàn)象：在屏上得到明暗相間的條紋。（3）實驗結(jié)論：光是一種波。3.決定條紋明暗的條件（1）當(dāng)兩個光源與屏上某點的距離之差等于波長λ的整數(shù)倍時，兩列光波在這點相互加強，出現(xiàn)亮條紋。（2）當(dāng)兩個光源與屏上某點的距離之差等于半波長的奇數(shù)倍時，兩列光波在這點相互減弱，出現(xiàn)暗條紋。4.干涉條紋和光的波長之間的關(guān)系（1）亮條紋中心的位置：x=nλ（n=0，±1，±2…）（2）相鄰兩條亮條紋或暗條紋的中心間距是：Δx=λ?！咎貏e提醒】（1）雙縫干涉的條件必須有相干光源，且雙縫間的距離必須很小。（2）楊氏干涉實驗采用將一束光一分為二的方法獲得相干光源。（3）用單色光作光源，干涉條紋是明暗相間的條紋。

（4）若用白光作光源，干涉條紋是彩色條紋。

知識點二薄膜干涉1.不同位置的液膜，厚度不同，因此在膜上不同的位置，一束自前后兩個面的反射光的路程差不同。在某些位置，這兩列波疊加后相互加強，出現(xiàn)了亮條紋；在另一位置，疊加后相互削弱，出現(xiàn)了暗條紋。2.薄膜干涉在技術(shù)上的應(yīng)用：可以在光學(xué)元件的表面鍍一層特定厚度的薄膜，增加光的透射或者反射，還可以利用薄膜干涉的原理對鏡面或其他精密的光學(xué)平面的平滑度進行檢測。【特別提醒】（1）從液膜上觀察的是從膜前、后兩表面反射回來的光（眼睛與光源在膜的同一側(cè)）。

（√）（2）用單色光照射液體薄膜得到明暗相間的條紋，用白光照射得到彩色條紋。

（√）（3）肥皂液薄膜的干涉條紋是水平的。

【考點探究】考點1光的雙縫干涉為什么會出現(xiàn)雙縫干涉現(xiàn)象？1.雙縫干涉的裝置示意圖實驗裝置如情境探究中圖所示，有光源、單縫、雙縫和光屏。2.單縫屏的作用獲得一個線光源，使光源有唯一的頻率和振動情況。3.雙縫屏的作用平行光通過單縫S后，又照射到雙縫S1、S2上，這樣一束光被分成兩束頻率相同和振動情況完全相同的相干光。4.產(chǎn)生干涉的條件：兩列光的頻率相同、相位相同、振動方向相同。實驗中可用“一分為二”的方法獲得兩個相干光源。5.光的干涉原理光的干涉現(xiàn)象中雖然是波峰與波峰疊加或波谷與波谷疊加出現(xiàn)亮條紋，波峰與波谷疊加出現(xiàn)暗條紋，但仍遵循能量守恒的原則。干涉現(xiàn)象只是光波能量的重新分配，暗條紋處光能量幾乎為零，亮條紋處能量較強，存在光能量增強處并不是光的干涉產(chǎn)生的能量，而是按波的傳播規(guī)律，到達該處的光能量比較集中，而暗條紋處基本沒有光能量傳到該處?！镜淅?】1．某同學(xué)利用如圖所示實驗觀察光的干涉現(xiàn)象，其中A為單縫屏，B為雙縫屏，C為光屏。當(dāng)讓一束陽光照射A屏?xí)r，C屏上并沒有出現(xiàn)干涉條紋，移走B后，C上出現(xiàn)一窄亮斑。分析實驗失敗的原因可能是（）A．單縫S太窄B．單縫S太寬C．S到S1和S2距離不相等D．陽光不能作為光源【答案】B【詳解】雙縫干涉實驗中單縫的作用是獲得線光源，而線光源可以看成是由許多個點光源沿一條線排列組成的，單縫的寬度應(yīng)比較小，由題意知，這里觀察不到光的干涉現(xiàn)象是由于單縫太寬，得不到線光源。故選B。2．真空中，由兩個不同光源所發(fā)出的兩束白光落在同一點上，不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。這是因為()A．兩個光源發(fā)出光的頻率相同B．兩個光源發(fā)出光的強度不同C．兩個光源的光速不同D．這兩個光源是彼此獨立的，不是相干光源【答案】D【詳解】干涉現(xiàn)象是波的特征，頻率相同、性質(zhì)相同的兩列波相遇時才會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，兩束白光落在同一點上，不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，是因為它們的頻率不同，這兩個光源是彼此獨立的，不是相干光源，故D正確，ABC錯誤；故選D?？键c2雙縫干涉圖樣的特點如圖所示是幾種單色光的雙縫干涉圖樣，請問：幾種單色光的雙縫干涉圖樣（1）單色光干涉時相鄰兩亮條紋的間距和相鄰兩暗條紋的間距相等嗎？（2）用不同顏色的光做干涉實驗時干涉圖樣完全一樣嗎？1.條紋間距與波長的關(guān)系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。由數(shù)學(xué)知識可得條紋間距公式為Δx=λ，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。2.屏上某處出現(xiàn)亮、暗條紋的條件（1）亮條紋的條件：屏上某點P到兩條縫S1和S2的路程差正好是波長的整數(shù)倍或半波長的偶數(shù)倍。即：|PS1PS2|=kλ=2k·（k=0，1，2，3…）k=0時，PS1=PS2，此時P點位于光屏上的O處，為亮條紋，此處的條紋叫中央亮條紋或零級亮條紋，k為亮條紋的級次。（2）暗條紋的條件：屏上某點P到兩條縫S1和S2的路程差正好是半波長的奇數(shù)倍，即：|PS1PS2|=(2k1）·（k=1，2，3…）k為暗條紋的級次，從第1級暗條紋開始向兩側(cè)展開。3.單色光的干涉圖樣：若用單色光作光源，則干涉條紋是明暗相間的條紋，且條紋間距相等。4.白光的干涉圖樣：若用白光作光源，則干涉條紋是彩色條紋，且中央條紋是白色的。這是因為：（1）從雙縫射出的兩列光波中，各種色光都能形成明暗相間的條紋，各種色光都在中央條紋處形成亮條紋，從而復(fù)合成白色條紋。（2）兩側(cè)條紋間距與各色光的波長成正比，即紅光的亮條紋間距寬度最大，紫光的亮條紋間距寬度最小，即除中央條紋以外的其他條紋不能完全重合，這樣便形成了彩色干涉條紋?！久}角度1】干涉圖樣分析【典例2】3．如圖甲所示為雙縫干涉實驗的裝置示意圖，圖乙為用綠光進行實驗時，在屏上觀察到的條紋情況，a為中央亮條紋，圖丙為換用另一種顏色的單色光做實驗時觀察到的條紋情況，a′為中央亮條紋，則以下說法中正確的是（）A．圖丙可能為用紅光實驗產(chǎn)生的條紋，表明紅光波長較長B．圖丙可能為用紫光實驗產(chǎn)生的條紋，表明紫光波長較長C．圖丙可能為用紫光實驗產(chǎn)生的條紋，表明紫光波長較短D．圖丙可能為用紅光實驗產(chǎn)生的條紋，表明紅光波長較短【答案】A【詳解】對比乙、丙兩圖可以看出丙圖中條紋間距大，根據(jù)可知，Δx是由波長決定的，所以圖丙對應(yīng)入射光的波長比綠光大，按題目中應(yīng)為紅光。故選A?！究疾榻嵌?】明暗條紋的分析【典例3】4．如圖所示，在雙縫干涉實驗中，S1和S2為雙縫，P是光屏上的一點，已知P點與S1、S2距離之差為2.1×10－6m，分別用A、B兩種單色光在空氣中做雙縫干涉實驗，問P點是亮條紋還是暗條紋？（1）已知A光在折射率為n=1.5的介質(zhì)中波長為4×10－7m；（2）已知B光在某種介質(zhì)中波長為3.15×10－7m，當(dāng)B光從這種介質(zhì)射向空氣時，臨界角為37°，sin37°=0.6?！敬鸢浮浚?）暗條紋；（2）亮條紋【詳解】（1）設(shè)A光在空氣中波長為λ1，在折射率nλ2，由n=得λ1=nλ2=1.5×4×10－7m=6×10－7m因光程差Δr=2.1×10－6m所以N1=由此可知，從S1和S2到P點的光程差是波長λ1的3.5倍，所以P點為暗條紋。（2）根據(jù)臨界角與折射率的關(guān)系sinC=得n=由此可知，B光在空氣中的波長為λ3=nλ介=×3.15×10－7m=5.25×10－7m由光程差Δr和波長的關(guān)系N2==4可見用B光為光源，P點為亮條紋。思路點撥：判斷光屏上某點為亮條紋還是暗條紋，要看該點到兩個光源的路程差與波長的比值，要記住路程差等于波長的整數(shù)倍時出現(xiàn)亮條紋，等于半波長的奇數(shù)倍時出現(xiàn)暗條紋?？键c3薄膜干涉在酒精燈的燈芯上撒一些食鹽，燈焰就能發(fā)出明亮的黃光。把鐵絲圈在肥皂水中蘸一下，讓它掛上一層薄薄的液膜。把這層液膜當(dāng)作一個平面鏡，用它觀察燈焰的像。這個像與直接看到的燈焰有什么不同？如果用白光做實驗，情況又會怎樣？燈焰在肥皂膜上所成的像提示：1.薄膜干涉的形成：入射光經(jīng)薄膜上表面反射后得第一束光，折射光經(jīng)薄膜下表面反射，又經(jīng)上表面折射后得第二束光，這兩束光在薄膜的同側(cè)，由同一入射振動分出，是相干光。2.用干涉法檢查平面平整度：如圖甲所示，兩板之間形成一層空氣膜，用單色光從上向下照射，如果被檢測平面是光滑的，得到的干涉圖樣必是等間距的。如果被檢測表面某處凹下，則對應(yīng)亮條紋（或暗條紋）提前出現(xiàn)，如圖乙中P條紋所示；如果某處凸起來，則對應(yīng)條紋延后出現(xiàn)，如圖乙中Q所示。（注：“提前”與“延后”不是指在時間上，而是指由左到右的位置順序上）甲乙3.增透膜：（1）為了減少光學(xué)裝置中的反射光的損失，可在元件表面涂一層透明薄膜，一般是氟化鎂。（2）如圖所示，在增透膜的前后表面反射的兩列光波形成相干波，相互疊加，當(dāng)路程差為半波長的奇數(shù)倍時，在兩個表面反射的光產(chǎn)生相消干涉，反射光的能量幾乎等于零。增透膜的最小厚度：增透膜厚度d=（k=0，1，2，3…），最小厚度為。（λ為光在介質(zhì)中傳播時的波長）（3）由于白光中含有多種波長的光，所以增透膜只能使其中一定波長的光相消。（4）因為人眼對綠光最敏感，一般選擇對綠光起增透作用的膜，所以在反射光中綠光強度幾乎為零，而其他波長的光并沒有完全抵消，所以增透膜呈現(xiàn)淡紫色?！镜淅?】5．劈尖干涉是一種薄膜干涉，其裝置如圖甲所示，將一塊平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夾入兩張紙片，從而在兩玻璃表面之間形成一個劈形空氣薄膜，當(dāng)光垂直入射后，從上往下看到的干涉條紋如圖乙所示．干涉條紋有如下特點：（1）任意一條亮條紋或暗條紋所在位置下面的薄膜厚度相等．（2）任意相鄰亮條紋或暗條紋所對應(yīng)的薄膜厚度差恒定．現(xiàn)若在圖甲所示裝置中抽去一張紙片，則當(dāng)光垂直入射到新的劈形空氣薄膜后，從上往下觀察到的干涉條紋()A．變疏 B．變密C．不變 D．消失【答案】A【詳解】光照射到一個位置，在楔形模的上下兩個面發(fā)生兩次反射，疊加后形成干涉圖樣，厚度的兩倍為光程差，光程差相同的點構(gòu)成同一條亮（暗）條紋，當(dāng)抽去一張紙片后，相同的厚度間隔變疏。故選A?！就接?xùn)練】6．如圖所示，利用單色光照射透明標準板來檢查平面N的上表面的平滑情況，觀察到現(xiàn)象如圖乙所示的條紋中的A和B的情況，這說明（）A．N的上表面A處向上凸起 B．N的上表面B處向上凸起C．N的上表面A處向下凹陷 D．N的上表面B處向下凹陷【答案】BC【詳解】AC．A處所在的條紋是同一條紋，若為直線，則說明該處同一水平線，線上各點對應(yīng)的空氣層厚度都相同，但實際上A處條紋向左彎曲，意味著后一級條紋圖中白色條紋提前出現(xiàn)，可見平面的上表面的A處所對應(yīng)的空氣層厚度與后一級條紋對應(yīng)的空氣層厚度相同，而后一級條紋本來對應(yīng)的空氣層厚度比前一級大，可見A處向下凹陷，才能實現(xiàn)該處空氣層厚度與下一級條紋對應(yīng)的空氣層厚度一樣，故A錯誤，C正確；BD．薄膜干涉是等厚干涉，即同一條明紋處空氣膜的厚度相同；從彎曲的條紋可知，B處應(yīng)該在同一條紋上，厚度相同，但現(xiàn)在推遲出現(xiàn)條紋，說明平面的上表面B處向上凸起，故B正確，D錯誤。故選BC。（江西新余一中2020高二下月考）7．如圖所示，用單色光做雙縫干涉實驗，P為第二條亮條紋，改用頻率較高的單色光再做實驗（其他不變）時，則第二個亮條紋的位置A．仍在P點B．在P點上方C．在P點下方D．要將屏向雙縫方向移近一些才能看到亮條紋【答案】C【詳解】ABC．頻率增大，則波長變小，根據(jù)雙縫干涉條紋的間距公式可知，相鄰條紋的間距變小，則第二條暗紋的中點在P點的下方．故AB錯誤，C正確；D．當(dāng)改用頻率較高的單色光，則波長變小時，出現(xiàn)明（暗）條紋的間距寬度變小，若將屏向雙縫方向遠離一些即可看到第二個亮條紋的位置，故D錯誤．故選C．（2023山東泰安模擬）8．如圖，將水平面上一塊平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，使在兩玻璃表面之間形成一個傾角很小的劈形空氣薄膜，光從上方入射后，從上往下看到的干涉條紋有如下特點：（1）任意一條明條紋或暗條紋所在位置下面的薄膜厚度相等；（2）任意相鄰明條紋中心位置或暗條紋中心位置所對應(yīng)的薄膜厚度差恒定。由此可以判定在垂直水平面的入射光不變的情況下，相鄰明條紋或暗條紋的間距與傾角（單位為rad）的關(guān)系圖像可能正確的是（）A． B． C． D．【答案】D【詳解】設(shè)任意相鄰明條紋或暗條紋中心位置所對應(yīng)的薄膜厚度差為，根據(jù)幾何關(guān)系可得由于任意相鄰明條紋或暗條紋所對應(yīng)的薄膜厚度差恒定，又傾角很小，則有可得故選D。（2023廣東實驗中學(xué)質(zhì)檢）9．利用光的干涉規(guī)律可以檢測工件表面的平整度與設(shè)計要求之間的微小差異?，F(xiàn)將精度很高的標準玻璃板（樣板），放在被檢查工件上面，如圖甲所示，在樣板的左端墊薄片，使標準玻璃板與被檢查平面之間形成一楔形空氣膜。用平行單色光向下照射，檢查不同平面時可觀察到圖乙或圖丙的干涉條紋。下列說法正確的是（）A．干涉條紋是樣板的上下兩個表面的反射光干涉形成的B．當(dāng)稍向右移動圖甲中的薄片時，條紋間距會變小C．當(dāng)換用頻率更高的單色光照射時，條紋間距不變D．圖丙條紋彎曲處對應(yīng)著被檢查平面處是凹陷的【答案】BD【詳解】A．干涉條紋是樣板的下表面和被檢查表面的上表面的反射光干涉形成的，A錯誤；B．如下圖所示，當(dāng)稍向右移動圖甲中的薄片時，A、B兩點之間的距離增大，根據(jù)，相當(dāng)于雙縫之間的距離d增大，條紋間距Δx變小，B正確；C．根據(jù)，當(dāng)換用頻率更高的單色光照射時，波長λ變短，條紋間距Δx變小，C錯誤；D．如下圖所示，在A、B兩點的光程差相等，經(jīng)過A點的兩列相干光產(chǎn)生的亮條紋與經(jīng)過B點的兩列相干光產(chǎn)生的亮條紋是同一條亮條紋，所以圖丙條紋彎曲處對應(yīng)著被檢查平面處是凹陷的，D正確。故選BD。（2023石家莊三模）10．如圖甲所示為雙縫干涉實驗的原理圖，屏上的點位于雙縫和的中垂線上，在雙縫與屏之間充滿折射率為n的均勻介質(zhì)。用一單色光垂直照射雙縫，在屏上會產(chǎn)生干涉條紋，屏上點是一條暗條紋的中心，點到點的距離為x。已知該單色光在真空中的波長為，雙縫與屏之間的距離為L，則雙縫和間的距離為（）A． B．C． D．【答案】A【詳解】點到點的距離為x，根據(jù)圖乙有雙縫與屏之間充滿折射率為n的均勻介質(zhì)，則有根據(jù)干涉規(guī)律有解得故選A。（2023江蘇南京市中華中學(xué)一模）11．肥皂泡在陽光下呈現(xiàn)斑斕色彩，下列說法中正確的是（）A．肥皂泡的斑斕色彩是由于光的色散形成的B．肥皂膜厚度的改變會導(dǎo)致彩色花紋的改變C．肥皂泡表面水分子間的作用力表現(xiàn)為斥力D．肥皂泡內(nèi)氣體的壓強等于外部大氣的壓強【答案】B【詳解】A．肥皂泡的斑斕色彩是由于光的干涉形成的，故A錯誤；B．隨著肥皂膜厚度越來越薄，發(fā)生干涉的光的波長也越來越短，會導(dǎo)致彩色花紋的改變，故B正確；C．肥皂泡表面水分子間的作用力表現(xiàn)為引力，故C錯誤；D．由于液體的表面張力作用，肥皂泡有收縮