4-3光的干涉(人教版2019選擇性必修第一冊)(解析版)

第四章光第3節(jié)光的干涉重點+難點核心素養(yǎng)解讀1.知道光的干涉現(xiàn)象和產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的條件.2.理解產(chǎn)生明暗條紋的條件，知道條紋間距與波長的關系.3.知道薄膜干涉條紋的特點，并能用它解釋生活中的相關現(xiàn)象．1.物理觀念：建立光的干涉的概念，能利用光的干涉原理解釋一些現(xiàn)象．2.科學思維：通過楊氏雙縫干涉實驗，體會把一個點光源發(fā)出的一束光分成兩束，得到相干光源的設計思想．知識點一光的雙縫干涉1．光的干涉實驗最早是英國物理學家托馬斯·楊在1801年成功完成的，楊氏雙縫干涉實驗有力地證明了光是一種波．2．雙縫干涉實驗(1)實驗過程：讓一束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．出現(xiàn)明暗條紋的判斷(1)亮條紋：當兩個光源與屏上某點的距離之差等于半波長的偶(填“奇”或“偶”)數(shù)倍時，出現(xiàn)亮條紋．(2)暗條紋：當兩個光源與屏上某點的距離之差等于半波長的奇(填“奇”或“偶”)數(shù)倍時，出現(xiàn)暗條紋．知識點二干涉條紋和光的波長之間的關系1．若設雙縫間距為d，雙縫到屏的距離為l，光的波長為λ，則雙縫干涉中相鄰兩條亮條紋或暗條紋的中心間距為Δx＝eq\f(l,d)λ.2．用不同顏色的光進行干涉實驗，條紋間距不同，紅光條紋間距比黃光條紋間距大，藍光條紋間距比黃光條紋間距?。R點三薄膜干涉1．薄膜干涉是液膜前后兩個面反射的光共同形成的．2．不同位置液膜前后兩個面的反射光的路程差不同，某些位置兩列波疊加后相互加強，出現(xiàn)了亮條紋，另一些位置，兩列波疊加后相互削弱，出現(xiàn)了暗條紋．3．應用：在光學元件的表面鍍一層特定厚度的薄膜，增加光的透射或者反射；利用薄膜干涉的原理對鏡面或其他精密的光學表面的平滑度進行檢測．易錯易混點一光的雙縫干涉易錯易混點1.1對光的雙縫干涉的條件認識不清。例1．在雙縫干涉實驗中，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(只能透過紅光)，另一縫前放一綠色濾光片(只能透過綠光)，已知紅光與綠光的頻率、波長均不相等，這時()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【答案】C【解析】兩列光波發(fā)生干涉的條件之一是頻率相同，利用雙縫將一束光分成能夠發(fā)生疊加的兩束光，在光屏上形成干涉條紋，但分別用紅色濾光片和綠色濾光片擋住兩條縫后，紅光和綠光頻率不同，不能發(fā)生干涉，因此屏上不會出現(xiàn)干涉條紋，故選項C正確．易錯易混點1.1剖析1．光的干涉現(xiàn)象：兩列光波在空間相遇時發(fā)生疊加，在某些區(qū)域總加強，在另外一些區(qū)域總減弱，且加強區(qū)和減弱區(qū)相互間隔，從而出現(xiàn)明暗相間條紋的現(xiàn)象叫作光的干涉現(xiàn)象．2．干涉條件：兩列光的頻率相同，振動方向相同且相位差恒定．能發(fā)生干涉的兩列波稱為相干波，兩個光源稱為相干光源，相干光源通?？捎猛皇夥殖蓛闪卸@得，稱為分光法．易錯易混點1.2對屏上某處出現(xiàn)亮、暗條紋的條件認識不清。例2．用波長為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點處恰好出現(xiàn)亮條紋，則()A．改用波長為2λ的平行單色光照射，P點處一定出現(xiàn)亮條紋B．改用波長為2λ的平行單色光照射，P點處一定出現(xiàn)暗條紋C．改用波長為eq\f(λ,2)的平行單色光照射，P點處一定出現(xiàn)亮條紋D．改用波長為eq\f(λ,2)的平行單色光照射，P點處一定出現(xiàn)暗條紋【答案】C【解析】P點恰好出現(xiàn)亮條紋，說明P點到雙縫的路程差等于波長λ的整數(shù)倍．改用波長為2λ的平行單色光照射雙縫，P點到雙縫的路程差不一定等于波長2λ的整數(shù)倍，選項A、B錯誤．改用波長為eq\f(λ,2)的平行單色光照射，P點到兩縫的路程差一定等于波長eq\f(λ,2)的整數(shù)倍，P點處一定出現(xiàn)亮條紋，選項D錯誤，C正確．易錯易混點1.2剖析1.頻率相同、振動步調相同的兩列光波產(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，…)說明：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：|PS1－PS2|＝(2k－1)·eq\f(λ,2)(k＝1,2,3，…)說明：k為暗條紋的級次，從第1級暗條紋開始向兩側展開．注意：當頻率相同、振動步調總是相反的兩列光波疊加時，產(chǎn)生亮、暗條紋的條件與上面的情況恰好相反．2．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，兩側干涉條紋是彩色條紋．易錯易混點二條紋間距與波長的關系易錯易混點2.1對條紋間距與波長的關系認識不清例3．1801年，托馬斯·楊用雙縫干涉實驗研究了光波的性質，證實了光的波動性，在光的波動說中具有重要的地位和意義．圖示為雙縫干涉實驗裝置，單縫S在雙縫S1、S2的中心對稱軸上，實驗中在屏上P點剛好得到的是中央亮條紋上方第3級亮條紋，現(xiàn)要使P處出現(xiàn)中央亮條紋上方第4級亮紋，可采取的措施有()A．適當增大屏到雙縫的距離B．適當增大單縫到雙縫的距離C．換用頻率更低的單色光D．換用波長更短的單色光【答案】D【解析】若使原來的第3級亮條紋變成第4級亮條紋，說明兩相鄰亮條紋的距離變小了，根據(jù)公式Δx＝eq\f(l,d)λ，l為屏到雙縫的距離，d為雙縫之間的距離，λ為波長，可適當減小屏到雙縫的距離，或增大雙縫之間的距離，或換用波長更短的單色光，或換用頻率更高的單色光，故選D.易錯易混點2.1剖析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．由數(shù)學知識可得條紋間距公式為Δx＝eq\f(l,d)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．2．兩相鄰亮條紋(或暗條紋)間距離與光的波長有關，波長越長，條紋間距越大．(1)對于同一單色光，條紋之間的距離相等，由該單色光的亮條紋和暗條紋組成．(2)白光的干涉條紋的中央是白色的，兩側是彩色的，這是因為：①白光是由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色組成的復色光，且從紅光到紫光波長逐漸變短．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，從而復合成白色條紋．③兩側條紋間距與各色光的波長成正比，條紋不能完全重合，這樣便形成了彩色干涉條紋．易錯易混點2.2對薄膜干涉的本質認識不清例4.(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，結果在上方觀察到如圖乙所示的內疏外密的同心圓環(huán)狀干涉條紋，稱為牛頓環(huán)，以下說法正確的是()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為空氣膜厚度不是均勻變化的D．干涉條紋不等間距是因為空氣膜厚度是均勻變化的【答案】AC【解析】凸透鏡下表面與玻璃上表面形成空氣薄膜，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，故A正確，B錯誤；干涉條紋不等間距是由于透鏡表面是曲面，使得空氣膜的厚度不均勻變化，導致間距不均勻增大，從而觀察到題圖乙所示的內疏外密的同心圓環(huán)狀條紋，故C正確，D錯誤．易錯易混點2.2剖析1．薄膜干涉的原理(1)光照射到薄膜上，在薄膜的前、后兩個面反射的光是由同一個實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，前、后兩個面的反射光的路程差等于相應位置膜厚度的2倍，在某些位置，兩列波疊加后相互加強，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．形成亮、暗條紋的條件薄膜干涉是經(jīng)薄膜前、后面反射的兩束光疊加的結果．出現(xiàn)亮條紋的位置，兩束光的路程差Δr＝kλ(k＝0,1,2，3…)，出現(xiàn)暗條紋的位置，兩束光的路程差Δr＝eq\f(2k＋1,2)λ(k＝0,1,2,3…)．公式中的λ為光在薄膜介質中的波長．3．薄膜干涉的應用(1)干涉法檢查平面平整度如圖甲所示，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，兩列波疊加時相互加強或相互削弱的情況也相同．如果被測表面是平整的，得到的干涉圖樣必是一組平行的直線．如果被測表面某處凹陷，則對應亮條紋(或暗條紋)向左彎曲，如圖乙中P處所示；如果某處凸起，則對應條紋向右彎曲，如圖乙中Q處所示．(2)增透膜膜的折射率小于光學元件折射率，增透膜的厚度為光在介質中波長的eq\f(1,4)，使經(jīng)膜的前后表面反射的光干涉減弱，即減少反射光、增加透射光．(3)增反膜膜的折射率大于光學元件折射率，在前表面反射光存在半波損失，故增反膜的厚度也為光在介質中波長的eq\f(1,4)，使經(jīng)膜的前后表面反射的光干涉加強，即增加反射光、減小透射光．針對訓練1.下列關于雙縫干涉實驗的說法中正確的是()A．單縫的作用是獲得頻率保持不變的相干光源B．雙縫的作用是獲得兩個振動情況相同的相干光源C．光屏上距兩縫的路程差等于半波長的整數(shù)倍時出現(xiàn)暗條紋D．在光屏上能看到光的干涉圖樣，但在雙縫與光屏之間的空間卻沒有干涉發(fā)生【答案】B【解析】在雙縫干涉實驗中，單縫的作用是通過衍射獲得同相位的線光源，雙縫的作用是獲得兩個振動情況完全相同的相干光源，A錯誤，B正確；在兩個相干光源完全相同的情況下，光屏上距兩縫的路程差為半波長的奇數(shù)倍時出現(xiàn)暗條紋，C錯誤；兩列光波只要相遇就會疊加，滿足相干條件就能發(fā)生干涉，所以在雙縫與光屏之間的空間也會發(fā)生光的干涉，用光屏接收只是為了肉眼觀察的方便，D錯誤。2.某同學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。當讓一束陽光照射A屏時，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【解析】雙縫干涉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，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B正確。3.(多選)已知白光中含有紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七色光，其波長依次減小．在楊氏雙縫干涉實驗中，如果()A．用白光作為光源，屏上將呈現(xiàn)黑白相間的條紋B．用紅光作為光源，屏上將呈現(xiàn)紅黑相間的條紋C．用紅光照射一條狹縫，用紫光照射另一條狹縫，屏上將呈現(xiàn)彩色干涉條紋D．用白光作為光源，屏上將呈現(xiàn)彩色的條紋【答案】BD【解析】用白光作為楊氏雙縫干涉實驗的光源，屏上將呈現(xiàn)彩色條紋，A錯誤，D正確；用紅光作為光源，屏上將呈現(xiàn)相間的紅色條紋與暗條紋(即黑條紋)，B正確；紅光和紫光頻率不同，不能產(chǎn)生干涉條紋，C錯誤．4.在雙縫干涉實驗中，雙縫到光屏上P點的距離之差為0.6μm，若兩次實驗分別用頻率為f1＝5.0×1014Hz的單色光a和f2＝7.5×1014Hz的單色光b進行實驗，則P點出現(xiàn)明、暗條紋的情況是()A．單色光a和b分別照射時，均出現(xiàn)明條紋B．單色光a和b分別照射時，均出現(xiàn)暗條紋C．單色光a照射時出現(xiàn)明條紋，單色光b照射時出現(xiàn)暗條紋D．單色光a照射時出現(xiàn)暗條紋，單色光b照射時出現(xiàn)明條紋【答案】C【解析】根據(jù)λ＝eq\f(c,f)，單色光a的波長λ1＝eq\f(c,f1)＝eq\f(3×108,5.0×1014)m＝0.6×10－6m＝0.60μm；單色光b的波長λ2＝eq\f(c,f2)＝eq\f(3×108,7.5×1014)m＝0.4×10－6m＝0.40μm。由Δx＝0.60μm＝λ1＝eq\f(3,2)λ2＝3×eq\f(λ2,2)，可得出C正確。5.把一個具有球面的平凸透鏡平放在平行透明玻璃板上(如圖所示)．現(xiàn)用單色光垂直于平面照射，在裝置的上方向下觀察，可以看到干涉條紋．下列關于兩束干涉光及干涉條紋的說法中，正確的是(C)A．兩束干涉光是a、b面反射形成的B．干涉條紋是中央密、邊緣疏的同心圓C．兩束干涉光是b、c面反射形成的D．改變入射光的顏色，條紋不發(fā)生任何改變【答案】C【解析】在平凸透鏡b面與玻璃板的c面形空氣膜，空氣膜的上下表面的反射光相互疊加，形成中央疏、邊緣密的同心圓(形成的條紋如圖所示，也叫牛頓環(huán))，所以A、B錯誤，C正確；因為入射光的顏色改變，波長也發(fā)生改變，故條紋的間距會發(fā)生變化，所以D錯誤．6.劈尖干涉是一種薄膜干涉，其裝置如圖(a)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。當光垂直入射后，從上往下看到的干涉條紋如圖(b)所示，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)任意相鄰明條紋或暗條紋所對應的薄膜厚度差恒定。現(xiàn)若在圖(a)裝置中抽去一張紙片，則當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【解析】干涉條紋是由空氣薄膜的上下兩個表面反射的光線疊加而成的，當抽去一張紙片后，劈形空氣薄膜傾角減小，相鄰明條紋(或暗條紋)必須變疏才能符合所在位置下面對應的薄膜厚度差跟原先一樣，故A正確。7.在雙縫干涉實驗中，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．屏上無任何光亮【答案】C【解析】紅光和綠光的頻率不同，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，故不能產(chǎn)生干涉條紋，但屏上仍有光亮。8.如圖所示，用頻率為f的單色光(激光)垂直照射雙縫，在光屏的P點出現(xiàn)第3條暗條紋，已知光速為c，則P到雙縫S1、S2的路程差|r1－r2|應為()A.eq\f(c,2f)B.eq\f(3c,2f)C.eq\f(3c,f)D.eq\f(5c,2f)【答案】D【解析】在光屏P點出現(xiàn)第3條暗條紋，說明S1、S2到P點距離之差為eq\f(5,2)λ，而λ＝eq\f(c,f)，所以|r1－r2|＝eq\f(5,2)λ＝eq\f(5c,2f)，D項正確．9.雙縫干涉實驗裝置如圖所示，雙縫間距離為d，雙縫到光屏的距離為L，調整實驗裝置使光屏上出現(xiàn)清晰的干涉條紋．關于該干涉條紋及改變條件后其變化情況，下列敘述中正確的是()A．屏上所有暗條紋都是從雙縫中出來的兩列光波的波谷與波谷疊加形成的B．若將光屏向右平移一小段距離，屏上仍有清晰的干涉條紋C．若只減小雙縫間距d，屏上兩相鄰亮條紋間距離變小D．若