魯科版物理選修3-4配套學(xué)案第5章第1節(jié)光的干涉Word版含答案

第1節(jié)光的干涉1.認(rèn)識(shí)光的干涉現(xiàn)象及光發(fā)生干涉的條件.（重點(diǎn)）2.理解光的干涉條紋的形成原因及干涉現(xiàn)象的本質(zhì)，認(rèn)識(shí)干涉條紋的特征.（重點(diǎn)＋難點(diǎn)）3.了解光的干涉條紋的特點(diǎn)，理解用雙縫干涉測光波波長的原理.（重點(diǎn)）4.知道薄膜干涉是如何獲得相干光源的，了解薄膜干涉產(chǎn)生的原因，知道薄膜干涉在技術(shù)上的應(yīng)用.（難點(diǎn)）一、光的干涉及其產(chǎn)生條件1.干涉現(xiàn)象：若兩束光波在空間傳播時(shí)相遇，將在相遇區(qū)域發(fā)生疊加，如果在某些區(qū)域光被加強(qiáng)，而在另一些區(qū)域光被減弱，且加強(qiáng)區(qū)域和減弱區(qū)域相互間隔，這種現(xiàn)象稱為光的干涉.2.由干涉現(xiàn)象得出的結(jié)論：光具有波的特性，光是一種波.3.相干條件：要使兩列光波相遇時(shí)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，兩光源必須具有相同的頻率和振動(dòng)方向，還要滿足相位差恒定.（1）頻率不相同的兩束光不能發(fā)生干涉.（）（2）兩個(gè)相同的燈泡發(fā)出光能夠發(fā)生干涉.（）（3）楊氏實(shí)驗(yàn)中，通過兩狹縫的光是相干光.（）提示：（1）√（2）×（3）√二、科學(xué)探究——測定光的波長1.在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，相鄰兩條亮（或暗）紋之間的距離：Δy＝eq\f(l,d)λ，其中，l表示兩縫到光屏的距離，d表示兩縫間的距離，λ表示光波的波長.2.測量光屏上亮（暗）條紋的寬度，為了減小誤差，測出n個(gè)條紋間的距離a，然后取平均值求出Δy，則Δy＝eq\f(a,n－1).1.實(shí)驗(yàn)中為什么不直接測量相鄰亮紋間的距離，而是測n條亮紋間的距離？提示：測n條亮紋間的距離，然后取平均值可減小實(shí)驗(yàn)誤差.三、薄膜干涉及其應(yīng)用1.薄膜干涉中相干光的獲得：光照射到薄膜上，在薄膜的前后兩個(gè)面反射的光波相遇而產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象.2.薄膜干涉的原理：光照在厚度不同的薄膜上時(shí)，在薄膜的不同位置，前后兩個(gè)面的反射光的路程差不同，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，兩列波相遇后被相互削弱，于是出現(xiàn)暗條紋.3.薄膜干涉的應(yīng)用（1）劈尖干涉是一種劈形空氣薄膜干涉，可用于檢查平面的平整程度；（2）在照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡等高質(zhì)量的光學(xué)儀器中，在其鏡頭的表面鍍上透明的增透膜，用來增加透射光的能量.2.在演示豎直放置的薄膜干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)從哪個(gè)角度觀察干涉條紋？提示：由于薄膜干涉是兩列反射光疊加而成的，因此觀察干涉條紋時(shí)，眼睛應(yīng)和光源在薄膜的同一側(cè).對光的雙縫干涉的理解1.雙縫干涉的裝置示意圖實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，有光源、單縫、雙縫和光屏.2.單縫屏的作用：獲得一個(gè)線光源，使光源有唯一的頻率和振動(dòng)情況，如果用激光直接照射雙縫，可省去單縫屏.楊氏那時(shí)沒有激光，因此他用強(qiáng)光照亮一條狹縫，通過這條狹縫的光再通過雙縫產(chǎn)生相干光.3.雙縫屏的作用：平行光照射到單縫S上，又照到雙縫S1、S2上，這樣一束光被分成兩束頻率相同和振動(dòng)情況完全一致的相干光.4.屏上某處出現(xiàn)亮、暗條紋的條件頻率相同的兩列波在同一點(diǎn)引起振動(dòng)的疊加，如亮條紋處某點(diǎn)同時(shí)參與的兩個(gè)振動(dòng)步調(diào)總是一致，即振動(dòng)方向總是相同；暗條紋處振動(dòng)步調(diào)總相反.具體產(chǎn)生亮、暗條紋的條件為：（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的整數(shù)倍或半波長的偶數(shù)倍.即：|PS1－PS2|＝kλ＝2k·eq\f(λ,2)（k＝0，1，2，3，…）k＝0時(shí)，PS1＝PS2，此時(shí)P點(diǎn)位于屏上的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(diǎn)P到兩條縫S1和S2的路程差正好是半波長的奇數(shù)倍.即：|PS1－PS2|＝（2k－1）·eq\f(λ,2)（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）時(shí)間上的關(guān)系①亮條紋：Δt＝nT（n＝0，1，2，3，…）②暗條紋：Δt＝（2n＋1）·eq\f(T,2)（n＝0，1，2，3，…）式中Δt表示兩列光波到同一點(diǎn)的時(shí)間差；T＝eq\f(1,f)為光波的周期.（1）雙縫干涉的條件是必須有相干光源，且雙縫間的間距必須很小.（2）由于不同光源發(fā)出的光頻率一般不同，即使是同一光源，它的不同部位發(fā)出的光也不一定具有相同的頻率和恒定的相位差，故一般情況下不易觀察到光的干涉現(xiàn)象，所以楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)采用將一束光“一分為二”的方法獲得相干光源.如圖所示為雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置，當(dāng)使用波長為6×10－7m的橙色光做實(shí)驗(yàn)時(shí)，光屏P點(diǎn)及上方的P1點(diǎn)形成相鄰的亮條紋.若使用波長為4×10－7m的紫光重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，在P和P1點(diǎn)形成的亮、暗條紋的情況是（）A.P和P1都是亮條紋B.P是亮條紋，P1是暗條紋C.P是暗條紋，P1是亮條紋D.P和P1都是暗條紋[解題探究]（1）光屏上P點(diǎn)及P1點(diǎn)形成相鄰亮條紋的條件是什么？（2）用不同波長的光做實(shí)驗(yàn)時(shí)，P和P1兩點(diǎn)一定形成亮條紋嗎？[解析]eq\f(λ橙,λ紫)＝eq\f(6×10－7m,4×10－7m)＝1.5＝eq\f(3,2).P1點(diǎn)對橙光：Δr＝n·λ橙，對紫光：Δr＝nλ橙＝n·eq\f(3,2)λ紫＝3n·eq\f(λ紫,2)因?yàn)镻1與P相鄰，所以n＝1，P1點(diǎn)是暗條紋.對P點(diǎn)，因?yàn)棣＝0，所以仍是亮條紋，B正確.[答案]B判斷屏上某點(diǎn)為亮條紋還是暗條紋，要看該點(diǎn)到兩個(gè)光源（雙縫）的路程差（光程差）與波長的比值，要記住光程差等于波長的整數(shù)倍處出現(xiàn)亮條紋，等于半波長奇數(shù)倍處為暗條紋.還要注意這一結(jié)論成立的條件是兩個(gè)光源情況完全相同.雙縫干涉圖樣的特點(diǎn)1.單色光的干涉圖樣如圖所示，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.中央為亮條紋，兩相鄰亮紋（或暗紋）間距離與光的波長有關(guān)，波長越長，條紋間距越大.2.白光的干涉圖樣若用白光作光源，則干涉條紋是彩色條紋，且中央亮條紋是白色的.這是因?yàn)椋海?）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，各種色光都在中央亮條紋處形成亮條紋，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.用白光做干涉實(shí)驗(yàn)，從紅光到紫光其波長由大到小，它們的干涉條紋間距也是從大到小，屏中央各色光都得到加強(qiáng)，復(fù)合成白色，而兩側(cè)因條紋間距不同而分開成彩色，而且同一級條紋內(nèi)紫外紅.在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，分別用紅色和綠色的激光照射同一雙縫，在雙縫后的屏幕上，紅光的干涉條紋間距Δx1與綠光的干涉條紋間距Δx2相比，Δx1Δx2（填“>”“＝”或“<”）.若實(shí)驗(yàn)中紅光的波長為630nm，雙縫與屏幕的距離為1.00m，測得第1條到第6條亮條紋中心間的距離為10.5mm，則雙縫之間的距離為mm.[解題探究]（1）在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，光的波長越長，其干涉條紋間距（選填“越大”或“越小”）.（2）如何由條紋間距求雙縫間的距離？[解析]根據(jù)Δx＝eq\f(l,d)λ，因?yàn)榧t光的波長比綠光的長，所以紅光的干涉條紋間距Δx1比綠光的干涉條紋間距Δx2大；由題意得相鄰亮條紋的間距為Δx＝eq\f(x,5)＝eq\f(10.5,5)mm＝2.1×10－3m，再由Δx＝eq\f(l,d)λ可以解得d＝0.300mm.[答案]＞0.3001.一束白光通過雙縫后在屏上觀察到干涉條紋，除中央白色條紋外，兩側(cè)還有彩色條紋，是因?yàn)椋ǎ〢.各色光的波長不同，因而各色光產(chǎn)生的干涉條紋間距不同B.各色光的速度不同，造成條紋間距不同C.各色光的強(qiáng)度不同D.各色光通過雙縫的距離不同解析：選A.雙縫干涉條紋的間距與波長成正比，各色光的波長不同，則條紋間距不同，故選項(xiàng)A正確.薄膜干涉的理解及應(yīng)用1.薄膜干涉的理解（1）眼睛應(yīng)與光源在同一側(cè)才能看到干涉條紋，因?yàn)闂l紋是由從膜前、膜后兩表面反射的光發(fā)生干涉形成的，不是由通過膜的光形成的；（2）每一條紋呈水平狀態(tài)排列；（3）由于各種色光干涉后相鄰兩亮紋中心的距離不同，所以若用白光做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，會(huì)觀察到彩色干涉條紋.（4）兩列光的路程差是膜厚度的兩倍.2.薄膜干涉的應(yīng)用（1）增透膜：照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡的鏡頭表面常鍍一層透光的膜，膜的上表面與玻璃表面反射的光發(fā)生干涉，由于只有一定波長（一定顏色）的光干涉時(shí)才會(huì)相互加強(qiáng)，所以鍍膜鏡頭看起來是有顏色的.鍍膜厚度不同，鏡頭的顏色也不一樣.一般增透膜的厚度是光在薄膜介質(zhì)中傳播的波長的eq\f(1,4)，即d＝eq\f(λ,4)，若厚為綠光在薄膜中波長的eq\f(1,4)，則鏡頭看起來呈淡紫色.（2）用干涉法檢查平面：如圖所示，被檢查平面與標(biāo)準(zhǔn)樣板之間形成了一個(gè)楔形的空氣薄膜，用單色光照射時(shí)，入射光從空氣膜的上、下表面反射出兩列光波，形成干涉條紋.被檢查平面若是平的，空氣膜厚度相同的各點(diǎn)就位于一條直線上，干涉條紋平行；若被檢查表面某些地方不平，那里的空氣膜產(chǎn)生的干涉條紋將發(fā)生彎曲.增透膜的“增透”應(yīng)理解為：兩束反射光相互抵消，反射光的能量減少，由于總的能量是守恒的，反射光的能量被削弱了，透射光的能量就必然得到增強(qiáng).增透膜是通過“消反”來確?！霸鐾浮钡?關(guān)于光在豎直的肥皂液薄膜上產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，下列說法中正確的是（）A.干涉條紋的產(chǎn)生是由于光在薄膜前后兩表面發(fā)生反射，形成的兩列光波疊加的結(jié)果B.若出現(xiàn)明暗相間的條紋相互平行，說明肥皂膜的厚度是均勻的C.用綠色光照射薄膜產(chǎn)生的干涉條紋間距比黃光照射間距大D.薄膜上的干涉條紋基本上是豎直的[思路點(diǎn)撥]豎直的肥皂液膜厚度從上到下是逐漸增加的，所以兩列反射光的路程差是逐漸增加的，再根據(jù)薄膜干涉的原理進(jìn)行分析.[解析]要想產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，必須有兩列相干光源.在肥皂膜干涉中，薄膜前后兩表面反射的光正好是兩個(gè)相干光源，它們相互疊加形成干涉條紋，所以選項(xiàng)A正確.肥皂膜在重力作用下，上面薄、下面厚，厚度是不均勻的，并且厚度均勻的薄膜是不會(huì)出現(xiàn)干涉條紋的（若厚度相同，路程差處處相等，兩列波疊加后，若是加強(qiáng)，處處光線加強(qiáng)，若是減弱，處處光線減弱，不會(huì)出現(xiàn)明暗相間條紋），所以選項(xiàng)B錯(cuò)誤.波長越短的光波，對同一裝置，干涉條紋越窄.綠光的波長小于黃光的波長，所以綠色光照射薄膜產(chǎn)生的干涉條紋間距比黃光照射時(shí)間距小.選項(xiàng)C錯(cuò)誤.出現(xiàn)亮、暗條紋的位置與薄膜厚度有關(guān)，對于某位置，若光線疊加后加強(qiáng)，則在與此相等厚度的位置上反射光線疊加都加強(qiáng)，從而形成亮條紋.對暗條紋也是一樣道理.由于薄膜同一水平線上的厚度相同，因此干涉條紋基本上是水平的，所以選項(xiàng)D錯(cuò)誤.[答案]A2.如圖所示，在一塊平板玻璃上放置一平凸薄透鏡，在兩者之間形成厚度不均勻的空氣膜，讓一束單一波長的光垂直入射到該裝置上，結(jié)果在上方觀察到圓環(huán)狀條紋，稱為牛頓環(huán)，以下說法正確的是（）A.干涉現(xiàn)象是由于凸透鏡下表面反射光和凸透鏡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.干涉條紋是中央疏邊緣密的同心圓環(huán)D.干涉條紋不等間距是由于平板玻璃不平造成的解析：選C.薄膜干涉是凸透鏡與玻璃之間的空氣薄膜上、下表面反射的光發(fā)生干涉，即凸透鏡下表面與玻璃反射的光發(fā)生干涉，A、B錯(cuò)誤，由于薄膜厚度不是均勻變化，干涉條紋不是等間距，而是中央疏邊緣密的同心圓環(huán)，C正確，D錯(cuò)誤.規(guī)范答題——雙縫干涉時(shí)明、暗條紋的判斷在雙縫干涉實(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？分別為第幾條亮紋或暗紋？[思路點(diǎn)撥]關(guān)鍵是找出兩光源的路程差與光波長間的倍數(shù)關(guān)系，然后依據(jù)疊加原理加以判斷.[解析]如圖所示，雙縫S1、S2到光屏上任一點(diǎn)P的路程之差Δr＝S2S2′，當(dāng)Δr等于單色光波長的整數(shù)倍時(shí)，S2和S1同時(shí)到達(dá)波峰或波谷，由S1和S2發(fā)出的光在P點(diǎn)互相加強(qiáng)，P點(diǎn)出現(xiàn)亮紋；當(dāng)Δr等于單色光半個(gè)波長的奇數(shù)倍時(shí)，若S2達(dá)到波峰時(shí)，則S1達(dá)到波谷，這樣由S1和S2發(fā)出的光在P點(diǎn)互相抵消，出現(xiàn)暗條紋.頻率為f1的單色光的波長λ1＝eq\f(c,f1)＝eq\f(3×108,5.0×1014)m＝0.6×10－6m＝0.6μm.頻率為f2的單色光的波長λ2＝eq\f(c,f2)＝eq\f(3×108,7.5×1014)m＝0.4×10－6m＝0.4μm.可見Δr＝λ1＝eq\f(3,2)λ2.故用頻率為f1的單色光照射時(shí)，P處應(yīng)出現(xiàn)亮條紋，且為第一條亮紋；用頻率為f2的單色光照射時(shí)，P處應(yīng)出現(xiàn)暗條紋，且為第二條暗紋.[答案]見解析判斷屏上某點(diǎn)是亮條紋還是暗條紋，要看該點(diǎn)到兩個(gè)光源（雙縫）的路程差與波長的比值.應(yīng)記住，路程差等于波長整數(shù)倍處出現(xiàn)亮條紋，若該整數(shù)為n，則該處為第n條亮紋；路程差等于半波長的奇數(shù)倍處為暗條紋，若整數(shù)為n（n為奇數(shù)），則為第eq\f(n＋1,2)條暗紋.在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，光屏上P點(diǎn)到雙縫S1、S2的距離之差Δs