4.3光的干涉（導學案）（教師版）

第3節(jié)光的干涉導學案【學習目標】1.了解相干光源，知道光的干涉條件，知道楊氏干涉實驗的設計原理。2.通過光的雙縫干涉實驗，認識雙縫干涉圖樣的特征。3.知道光的路程差的概念，知道產(chǎn)生明暗條紋的條件和相鄰兩個亮(暗)條紋中心間距與波長的關(guān)系。4.知道薄膜干涉的原理并能解釋一些現(xiàn)象?！緦W習重難點】1.教學重點：光的干涉的概念及表達式、光的干涉的條件、光的干涉的應用；2.教學難點：光的干涉的條件、光的干涉的應用?！局R回顧】波的干涉(1)定義頻率相同、相位差恒定、振動方向相同的兩列波疊加時，某些區(qū)域的振動總是加強，某些區(qū)域的振動總是減弱的現(xiàn)象。(2)穩(wěn)定干涉條件①兩列波的頻率必須相同。②兩個波源的相位差必須保持不變。(3)一切波都能夠發(fā)生干涉，干涉是波特有的現(xiàn)象。【自主預習】光的雙縫干涉1．楊氏雙縫干涉實驗1801年，英國物理學家托馬斯·楊成功地觀察到了光的干涉現(xiàn)象，即楊氏雙縫干涉實驗，實驗證明光是一種波。2．雙縫干涉(1)實驗裝置(說明：屏在擋板右側(cè)，沒有畫出)(2)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，兩個光源發(fā)出的光在擋板后面的空間互相疊加發(fā)生干涉。(3)實驗現(xiàn)象：在屏上得到明暗相間的條紋。(4)產(chǎn)生明暗條紋的條件①當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當兩個光源與屏上某點的距離之差等于半波長eq\f(λ,2)的奇數(shù)倍時，兩列光波在這點相互減弱，出現(xiàn)暗條紋。3．相鄰兩條亮條紋或暗條紋的中心間距Δx＝eq\f(l,d)λ。薄膜干涉1．定義：薄膜前后兩個面的反射光相互疊加，發(fā)生的干涉。2．形成原因不同位置的液膜，厚度不同，來自前后兩個面的反射光的路程差不同。(1)某些地方，兩列波疊加后互相加強，出現(xiàn)亮條紋；(2)在另一些位置，兩列波疊加后相互削弱，出現(xiàn)暗條紋。3．彩色條紋形成原因由于不同顏色的光的波長不同，薄膜上不同顏色光的條紋的明暗位置也不同，相互交錯，看上去會有彩色條紋。4．應用(1)在光學元件的表面鍍一層特定厚度的薄膜，增加光的透射或反射。(2)檢測鏡面或其他精密的光學平面的平滑度?！菊n堂探究】【新課導入】肥皂膜看起來常常是彩色的，雨后公路積水上面漂浮的油膜，也經(jīng)常顯現(xiàn)出彩色條紋。這些彩色條紋或圖樣是怎樣形成的？學生寫下自己的猜想兩列頻率相同的水波(相干波)相遇時,在某些區(qū)域振動加強,而在某些區(qū)域振動減弱;且振動加強的區(qū)域與振動減弱的區(qū)域相互間隔。這種現(xiàn)象叫波的干涉。干涉現(xiàn)象是波動獨有的特征，光是一種電磁波，那么光也應該能發(fā)生干涉現(xiàn)象。怎樣才能觀察光的干涉現(xiàn)象呢？學生寫出自己的猜想【新課教學】任務一、光的雙縫干涉（一）問題與思考光要發(fā)生干涉現(xiàn)象需要滿足什么條件？頻率和振動情況一致相干光源有沒有什么方法可以獲得相干光—頻率相同的光呢？學生寫出自己的設計并與其他同學交流。托馬斯·楊的設計光的雙縫干涉實驗現(xiàn)象分析：一束單色光投射到一個有兩條狹縫S1和S2的擋板上，狹縫S1和S2相距很近。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，這兩個光源發(fā)出的光在擋板后面的空間互相疊加。振動加強的地方出現(xiàn)亮條紋，振動減弱的地方出現(xiàn)暗條紋。什么時候出現(xiàn)亮條紋，什么時候又出現(xiàn)暗條紋呢？實驗現(xiàn)象解讀——亮紋由于從S1S2發(fā)出的光是振動情況完全相同，又經(jīng)過相同的路程到達P點，其中一條光傳來的是波峰，另一條傳來的也一定是波峰，其中一條光傳來的是波谷，另一條傳來的也一定是波谷，確信在P點激起的振動總是波峰與波峰相遇或波谷與波谷相遇，振幅A＝A1+A2為最大，P點總是振動加強的地方，故應出現(xiàn)亮紋，這一條亮紋叫中央亮紋。取P點上方的點P1，從S1S2發(fā)出的光到P1點的光程差就不同，若這個光程差正好等于波長的整數(shù)倍，比如δ=S1－S2=λ，出現(xiàn)第一條亮紋。屏上P1點的上方還可以找到δ=S1－S2＝4λ的P2點，δ=S1－S2＝5λ的P3點……等處的第四條、第五條……亮紋；在中央明紋P的下方可找到δ=S1－S2＝λ的P1/點，δ=S1－S2＝2λ的P2/點，δ=S1－S2＝3λ的P3/點等處與中央明紋為對稱的第一、第二、第三…，第n條亮紋。由此可以得出出現(xiàn)亮條紋的規(guī)律是什么？亮紋規(guī)律：，n=0、1、2、3……光程差是半波長的的偶數(shù)倍或波長的整數(shù)倍時出現(xiàn)亮條紋。實驗現(xiàn)象解讀——暗紋取P點上方的點Q1，與兩個狹縫S1、S2路程差δ=S1－S2＝λ/2，其中一條光傳來的是波峰，另一條傳來的就是波谷，其中一條光傳來的是波谷，另一條傳來的一定是波峰，Q1點激起的振動總是波峰與波谷相遇，振幅最小，Q1點總是振動減弱的地方，故應出現(xiàn)暗紋。屏上Q1點的上方還可以找到δ=S1－S2＝3λ/2的Q2點出現(xiàn)第二條暗紋。同樣可以找到第三條暗紋Q3……，在中央明紋下方也可以找到對稱的Q1/、Q2/、Q3/……等暗紋。由此可以得出出現(xiàn)暗條紋的規(guī)律是什么？暗紋：，n=0、1、2、3……光程差是半波長的的奇數(shù)倍時出現(xiàn)暗條紋。任務二、干涉條紋和光的波長之間的關(guān)系（一）亮（暗）紋間距的公式推導如圖所示，雙縫間距為d，雙縫到屏的距離為l。雙縫S1、S2的連線的中垂線與屏的交點為P。對屏上與P距離為x的一點P1，兩縫與P1的距離P1S1＝r1，P1S2＝r2。相鄰兩個明(或暗)條紋之間的距離為與波長有什么關(guān)系？在線段P1S2上作P1M＝P1S1，則S2M＝r2－r1，有：r2－r1＝dsinθ(令∠S2S1M＝θ)①另：x＝ltanθ≈lsinθ②當兩列波的路程差為波長的整數(shù)倍，即時才會出現(xiàn)亮條紋，亮條紋位置為：相鄰兩個明(或暗)條紋之間的距離為相鄰兩個明(或暗)條紋之間的距離為干涉條紋和光的波長之間的關(guān)系雙縫干涉亮（暗）紋間距的公式，1.相鄰明（暗）紋間的距離大小的影響因素：（1）波長λ:波長越大，相鄰的亮紋間距越大（2）雙縫之間的距離d:d越小，相鄰的亮紋間距越大（3）雙縫與屏間的距離l:L越大，相鄰的亮紋間距越大2、不同單色光干涉條紋寬度：不同單色光干涉條紋寬度大小規(guī)律是怎樣的？（1）相同介質(zhì)中，不同的光波長不同：λ紅>λ橙>λ黃>λ綠>λ青>λ藍>λ紫（2）相同雙縫干涉裝置，不同的光條紋間距不同：Δx紅>Δx橙>Δx黃>Δx綠>Δx青>Δx藍>Δx紫3.白光的干涉圖樣特點：白光的干涉圖會是什么樣的？（1）明暗相間的彩色條紋；（2）中央為白色亮條紋；（3）干涉條紋是以中央亮紋為對稱點排列的；（4）在每條彩色亮紋中紅光總是在外側(cè)，紫光在內(nèi)側(cè)。任務三、薄膜干涉觀察與思考觀察實驗：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？請解析看到的現(xiàn)象?，F(xiàn)象：觀察到燈焰的像出現(xiàn)了明暗相間的干涉條紋。該條紋是怎樣形成的？該條紋是由液膜前后兩個面反射的光相互疊加發(fā)生干涉形成的。（二）薄膜干涉薄膜干涉成因由于重力的作用，肥皂薄膜將形成上薄下厚的楔形。光從薄膜的前后兩個表面反射出來兩個光波，這兩列光波的頻率相同，產(chǎn)生干涉。（三）薄膜干涉的應用1.檢查表面的平整程度如果被檢表面是平的，產(chǎn)生的干涉條紋就是平行的,如圖（b）所示；如果觀察到的干涉條紋如圖（c）所示，則表示被檢測表面微有凸起或凹下，這些凸起或凹下的地方的干涉條紋就彎曲。從彎曲的程度就可以了解被測表面的平整情況。這種測量精度可達106cm。2.增透膜因為人眼對綠光最敏感，所以一般增強綠光的透射，即薄膜的厚度是綠光在薄膜中波長的1/4。由于其它色光不能被有效透射，故反射較強，這樣的鏡頭呈淡紫色。在透鏡或棱鏡的表面上涂上一層薄膜(一般用氟化鎂)。當薄膜的厚度適當時，在薄膜的兩個表面上反射路程差恰好等于半個波長，因而互相抵消，這就大大減小光的反射損失，增強了透射光的強度，這種薄膜叫增透膜。3.牛頓環(huán)將一塊半徑很大的平凸透鏡與一塊平板玻璃疊放在一起，二者之間便形成類似劈尖形的空氣層。用單色平行光垂直照射，在空氣層上表面兩束反射光干涉，產(chǎn)生的干涉條紋稱牛頓環(huán)【自我測評】1．關(guān)于楊氏雙縫干涉實驗，下列說法中錯誤的是()A．單色光通過小孔后射向兩個靠得很近的狹縫可作為振動情況總是相同的波源B．兩波源發(fā)出的光波在波谷與波谷疊加的地方，光相互抵消或者削弱，屏上出現(xiàn)暗條紋C．兩個波源發(fā)出的光波在波峰與波峰疊加的地方，光相互加強，屏上出現(xiàn)亮條紋D．兩波源發(fā)出的光波在波峰與波谷疊加的地方，光相互抵消或削弱，屏上出現(xiàn)暗條紋【答案】B【解析】在楊氏雙縫干涉實驗中，兩個狹縫的光源來自同一光源，頻率、相位和振動方向均相同，具備干涉條件，所以通過兩個狹縫的光在屏上疊加，在波峰和波峰疊加的地方以及波谷和波谷疊加的地方，光相互加強，屏上出現(xiàn)亮條紋，在波峰和波谷疊加的地方，光相互抵消或削弱，形成暗條紋，B錯誤，A、C、D正確。2．關(guān)于薄膜干涉，下列說法中正確的是()A．只有厚度均勻的薄膜才會發(fā)生干涉現(xiàn)象B．只有厚度不均勻的楔形薄膜，才會發(fā)生干涉現(xiàn)象C．厚度均勻的薄膜會形成干涉條紋D．觀察肥皂液膜的干涉現(xiàn)象時，觀察者應和光源在液膜的同一側(cè)【答案】D【詳解】當光從薄膜的一側(cè)照射到薄膜上時，只要前后兩個面反射回來的光波的路程差滿足振動加強的條件，就會出現(xiàn)明條紋，滿足振動減弱的條件就會出現(xiàn)暗條紋，這種情況在薄膜厚度不均勻時才會出現(xiàn)。當薄膜厚度均勻時，不會出現(xiàn)干涉條紋，但也發(fā)生干涉現(xiàn)象。觀察肥皂液膜的干涉現(xiàn)象時，觀察者應和光源在液膜的同一側(cè)。故D項正確。3．在雙縫干涉實驗中，以白光為光源，在屏上觀察到彩色干涉條紋，若在雙縫中的一縫前放一紅色濾光片(只能透過紅光)，另一縫前放一綠色濾光片(只能透過綠光)，這時()A．只有紅色和綠色的干涉條紋，其他顏色的雙縫干涉條紋消失B．紅色和綠色的干涉條紋消失，其他顏色的干涉條紋仍然存在C．任何顏色的干涉條紋都不存在，但屏上仍有亮光D．屏上無任何亮光【答案】C【詳解】由于兩條縫上放了紅色濾光片和綠色濾光片，其他顏色的光沒有到達屏，不會有其他色光的干涉，而紅光和綠光頻率不同，也不能發(fā)生干涉，但屏上有紅光和綠光出現(xiàn)，故選項C正確，選項A、B、D均錯誤。4．某同學希望在暗室中用如圖實驗裝置觀察光現(xiàn)象：平面鏡水平放置，單色線光源S垂直于紙面放置，S發(fā)出的光有一部分直接入射到豎直放置的光屏上，一部分通過平面鏡反射后再到光屏上，則()A．光現(xiàn)象為干涉現(xiàn)象，光屏上的條紋與鏡面垂直B．光現(xiàn)象為衍射現(xiàn)象，光屏上的條紋與