鲁科版物理选修34第5章 第1节.docx
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鲁科版物理选修34第5章第1节
第1节 光的干涉
光的干涉及其产生条件
[先填空]
1.干涉现象
两束光相遇时,如果满足一定的条件,就会产生干涉现象,在屏上出现明暗相间的干涉条纹.
2.由干涉现象得出的结论
光具有波的特性,光是一种波.
3.相干条件
要使两列光波相遇时产生干涉现象,两光源必须具有相同的频率和振动方向,还要满足相位差恒定.
4.相邻条纹间距公式:
Δy=
λ.
[再判断]
1.如果两列光波到达某点时,路程差为波长的整数倍,这两列波互相加强,在那里就出现亮条纹.(√)
2.在干涉条纹中,相邻两条亮纹或暗纹之间的距离是相等的.(√)
3.光波的波长λ越大,相邻两条纹间的距离越小.(×)
[后思考]
两只手电筒射出的光束在空间相遇,能否观察到光的干涉现象?
【提示】 两只手电筒射出的光束在空间相遇,不满足光发生干涉的条件,不能观察到光的干涉现象.
[核心点击]
1.双缝干涉的示意图
图511
2.单缝的作用
用同一极小部分光源产生的光形成点光源,最大限度地保证光的相干性.
3.双缝的作用
平行光照射到单缝S上后,又照到双缝S1、S2上,这样一束光被分成两束频率相同和振动情况完全一致的相干光.
4.屏上某处出现亮、暗条纹的条件:
频率相同的两列波在同一点引起的振动的叠加,如亮条纹处某点同时参与的两个振动步调总是一致,即振动方向总是相同;暗条纹处振动步调总是相反.具体产生亮、暗条纹的条件为
(1)亮条纹产生的条件:
屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍.即:
|PS1-PS2|=kλ=2k·
(k=0,1,2,3,…)
k=0时,PS1=PS2,此时P点位于屏上的O处,为亮条纹,此处的条纹叫中央亮条纹或零级亮条纹.k为亮条纹的级次.
(2)暗条纹产生的条件:
屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是半波长的奇数倍.即:
|PS1-PS2|=(2k-1)·
(k=0,1,2,3,…)
k为暗条纹的级次,从第1级暗条纹开始向两侧展开.
5.干涉图样的特点
图512
(1)单色光的干涉图样特点:
中央为亮条纹,两边是明、暗相间的条纹,且相邻亮条纹与亮条纹中心间、相邻暗条纹与暗条纹中心间的距离相等.
(2)白光的干涉图样:
若用白光做实验,则中央亮条纹为白色,两则出现彩色条纹,彩色条纹显示不同颜色光的干涉条纹间距是不同的.
1.下列关于双缝干涉实验的说法中正确的是( )
A.单缝的作用是获得频率保持不变的相干光源
B.双缝的作用是获得两个振动情况相同的相干光源
C.光屏上距两缝的路程差等于半波长的奇数倍处出现暗条纹
D.在光屏上能看到光的干涉图样,但在双缝与光屏之间的空间却没有干涉发生
E.用同一装置做实验,不同颜色的光产生的干涉条纹间距不同
【解析】 在双缝干涉实验中,单缝的作用是获得一个线光源,使光源有唯一的频率和振动情况,双缝的作用是获得两个振动情况完全相同的相干光源,故选项A错误、B正确.在两个相干光源完全相同的情况下,光屏上距两缝的路程差为半波长的奇数倍处出现暗纹,选项C正确.两列光波只要相遇就会叠加,满足相干条件就能发生干涉,所以在双缝与光屏之间的空间也会发生光的干涉,用光屏接收只是为了肉眼观察的方便,故选项D错误.不同颜色的光波长不同,根据Δy=
λ,E正确.
【答案】 BCE
2.在双缝干涉实验中,屏上一点P到双缝的距离之差为1.5×10-6m若用频率为5.0×1014Hz的单色光照射双缝,该点出现亮条纹还是暗条纹?
从屏中心算起这是第几条什么条纹?
【导学号:
78510053】
【解析】 该单色光的波长λ=
=
m=6×10-7m,P点到双缝的距离差与波长的大小关系为1.5×10-6m=2.5λ,即距离差为半波长的奇数倍,P点处是暗条纹.令2.5λ=(2k-1)
(k=1,2,3,…),得k=3,这是第3条暗条纹.
【答案】 暗条纹 第3条暗条纹
分析双缝干涉中明暗条纹问题的步骤
1.由题设情况依λ真=nλ介,求得光在真空(或空气)中的波长.
2.由屏上出现明暗条纹的条件判断光屏上出现的是明条纹还是暗条纹.
3.根据明条纹的判断式Δr=kλ(k=0,1,2,…)或暗条纹的判断式Δr=(2k+1)
(k=0,1,2,…),判断出k的取值,从而判断条纹数.
实验:
用双缝干涉测定光的波长
1.实验目的
(1)观察白光及单色光的双缝干涉图样.
(2)掌握用公式Δy=
λ测定单色光的波长的方法.
2.实验器材
双缝干涉仪(包括:
光具座、光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、光屏及测量头,其中测量头又包括:
分划板、目镜、手轮等)、学生电源、导线、米尺.
3.实验步骤
(1)器材的安装与调整:
①先将光源(线状光源)、遮光筒依次放于光具座上,如图513所示,调整光源的高度,使它发出的一束光沿着遮光筒的轴线把屏照亮;
图513
②将单缝和双缝安装在光具座上,使线状光源、单缝及双缝三者的中心位于遮光筒的轴线上,如图514所示,并注意使双缝与单缝相互平行,调节分划板位置到分划板中心刻线位于光屏中央.
图514
(2)观察双缝干涉图样:
①调节单缝的位置,使单缝和双缝间距离保持在5~10cm,使缝相互平行,中心大致位于遮光筒的轴线上,这时通过测量头上的目镜观察干涉条纹,若干涉条纹不清晰,可通过遮光筒上的调节长杆轻轻拨动双缝,即可使干涉条纹清晰明亮.在屏上就会看到白光的双缝干涉图样;
②将红色(或绿色)滤光片套在单缝前面,通过目镜可看到单色光的双缝干涉条纹;
③在光源及单缝之间加上一凸透镜,调节光源及单缝的位置,使光源灯丝成像于单缝上,可提高双缝干涉条纹的亮度,使条纹更加清晰,如图515所示.
图515
(3)测定单色光的波长:
①转动手轮,使分划板中心刻线对齐某条亮纹的中央,记下手轮上的读数a1;转动手轮,使分划板中心刻度线移动至另一条亮条纹的中央,记下此时手轮上的读数a2;并记下两次测量的条纹数n,则相邻两亮条纹间距Δy=
;
②用刻度尺测量双缝到光屏的距离l(双缝间距d是已知的);
③将测得的l、Δy代入Δy=
λ求出光的波长λ;
④多次重复上述步骤,求出波长的平均值;
⑤换用不同的滤光片,重复上述实验.
3.如图516所示,在“用双缝干涉测光的波长”实验中,光具座上放置的光学元件依次为①光源、②________、③________、④________、⑤遮光筒、⑥光屏.对于某种单色光,为增大相邻亮纹(暗纹)间的距离,可采取____________________或____________________的方法.
图516
【解析】 做该实验时用单色光,应特别注意,②是滤光片,其他依次是单缝屏、双缝屏、遮光筒和毛玻璃屏.由条纹间距公式Δx=
λ可知,要增大相邻条纹间距,应该增大双缝屏到光屏的距离或者减小两缝间距离.
【答案】 滤光片 单缝屏 双缝屏 增大双缝屏到光屏的距离 减小双缝屏两缝间距离
4.现有毛玻璃屏A、双缝B、白光光源C、单缝D和透红光的滤光片E等光学元件,要把它们放在如图517所示的光具座上组装成双缝干涉装置,用以测量红光的波长.
【导学号:
78510054】
图517
(1)将白光光源C放在光具座最左端,依次放置其他光学元件,由左至右,表示各光学元件的字母排列顺序应为C、________、A.
(2)本实验的实验步骤有:
①取下遮光筒左侧的元件,调节光源高度,使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮;
②按合理顺序在光具座上放置各光学元件,并使各元件的中心位于遮光筒的轴线上;
③用米尺测量双缝到屏的距离;
④用测量头(其读数方法同螺旋测微器)测量数条亮纹间的距离.
在操作步骤②时还应注意______________和______________.
(3)将测量头的分划板中心刻线与某亮纹中心对齐,将该亮纹定为第1条亮纹,此时手轮上的示数如图518甲所示.然后同方向转动测量头,使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐,记下此时图518乙中手轮上的示数________mm,求得相邻亮纹的间距Δx为________mm.
图518
(4)已知双缝间距d为2.0×10-4m,测得双缝到屏的距离l为0.700m,由计算公式λ=________,求得所测红光波长为________mm.
【解析】
(1)双缝干涉仪各组成部分在光具座上的正确排序为光源、滤光片、单缝、双缝、屏,因此应填:
E、D、B.
(2)单缝与双缝的间距为5~10cm,使单缝与双缝相互平行.
(3)甲图的读数为2.320mm
乙图的读数为13.870mm
Δx=
mm=2.310mm
(4)由Δx=
λ可得:
λ=
Δx
可求出λ=
×2.310mm=6.6×10-4mm
【答案】
(1)E、D、B
(2)单缝与双缝的间距为5~10cm 使单缝与双缝相互平行 (3)13.870 2.310 (4)
Δx 6.6×10-4
测量Δy的方法
测量头由分划板、目镜、手轮等构成,如图519所示,测量时先转动测量头,让分划板中心刻线与干涉条纹平行,然后转动手轮,使分划板向左(或向右)移动至分划板的中心刻线与条纹的中心对齐,记下此时读数,再转动手轮,用同样的方法测出n个亮纹间的距离a,则可求出相邻两亮纹间的距离Δy=
.
测量头 分划板中心刻线与条纹的中心对齐
图519
薄膜干涉及其应用
[先填空]
1.薄膜干涉
由薄膜两个面反射的光波相遇而产生的干涉现象.
2.薄膜干涉实例
(1)色彩斑斓的肥皂泡;
(2)五颜六色的油膜.
3.薄膜干涉现象的实用价值
(1)劈尖干涉是一种劈形空气薄膜干涉,可用于平面平整程度检查;
(2)在照相机、望远镜等高质量的光学仪器中,在其镜头的表面镀上透明的增透膜,用来增加透射光的能量.
[再判断]
1.薄膜干涉是通过两个表面折射的光线产生的.(×)
2.增透膜的厚度应等于光在空气中的波长的四分之一.(√)
3.水面上漂浮的油膜出现彩色条纹是薄膜干涉现象.(√)
[后思考]
如图5110所示是几种常见的薄膜干涉图样,这些干涉图样是怎样形成的呢?
图5110
【提示】 是由薄膜上、下表面反射光束相遇而产生的干涉.
[核心点击]
1.薄膜干涉现象
(1)现象:
①每一条纹呈水平状态排列.
②由于各种色光干涉后相邻两亮纹中心的距离不同,所以若用白光做这个实验,会观察到彩色干涉条纹.
(2)成因:
①如图5111所示,竖直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用,下面厚、上面薄.
图5111
②在薄膜上不同的地方,从膜的前、后表面反射的两列光波叠加,在某些位置这两列波叠加后互相加强,则出现亮条纹;在另一些位置,叠加后互相削弱,则出现暗条纹.故在单色光照射下,就出现了明暗相间的干涉条纹.
③若在白光照射下,则出现彩色干涉条纹.
2.用干涉法检查平面平整度:
如图5112甲所示,两板之间形成一层空气膜,用单色光从上向下照射,如果被检测平面是光滑的,得到的干涉图样必是等间距的.如果被测表面某处凹下,则对应亮条纹(或暗条纹)提前出现,如图5112乙中P条纹所示;如果某处凸起来,则对应条纹延后出现,如图5112乙中Q所示.(注:
“提前”与“延后”不是指在时间上,而是指由左到右的位置顺序上)
甲 乙
图5112
5.如图5113所示,一束白光从左侧射入肥皂薄膜,下列说法正确的是( )
A.人从右侧向左看,可以看到彩色条纹
B.人从左侧向右看,可以看到彩色条纹
C.彩色条纹水平排列
D.彩色条纹竖直排列
E.肥皂膜的彩色条纹是前后两表面反射的光干涉形成的
图5113
【解析】 一束白光射到薄膜上,经前后两个界面反射回来的光相遇,产生干涉现象,我们由左向右看可以看到彩色条纹,故选项A错误,选项B正确;由于薄膜同一水平线上的厚度相同,所以彩色条纹是水平排列的,故选项C正确,选项D错误.肥皂膜的彩色条纹是前后两表面反射的光干涉形成的,E正确.
【答案】 BCE
6.劈尖干涉是一种薄膜干涉,其装置如图5114甲所示,将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上,在一端夹入两张纸片,从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜.当光垂直入射后,从上往下看到的干涉条纹如图5114乙所示,干涉条纹有如下特点:
(1)任意一条亮条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等;
(2)任意相邻亮条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定.现若在图甲装置中抽去一张纸片,则当光垂直入射到新劈形空气薄膜后,从上往下观察到的干涉条纹会发生怎样变化?
【导学号:
78510055】
甲 乙
图5114
【解析】 光线在空气膜的上、下表面发生反射,并发生干涉,从而形成干涉条纹.设空气膜顶角为θ,d1、d2处为两相邻亮条纹,如图所示,则此两处的光程分别为δ1=2d1,δ2=2d2.
因为光程差δ2-δ1=λ,所以d2-d1=
λ.
设此两相邻亮纹中心的距离为Δl,则由几何关系得
=tanθ,即Δl=
当抽去一张纸片θ减小,Δl增大,条纹变疏.
【答案】 干涉条纹会变疏
薄膜干涉中的规律
1.用单色光照射薄膜时,两个表面反射的光是相干的,形成明暗相间的条纹.
2.用不同的单色光照射,看到亮纹的位置不同.
3.用白光照射时,不同颜色的光在不同位置形成不同的条纹,看起来就是彩色的.
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