学年高中物理 第十三章 光 第3节 光的干涉教学案 新人教版选修34.docx
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学年高中物理第十三章光第3节光的干涉教学案新人教版选修34
第3节光_的_干_涉
1.英国物理学家托马斯·杨于1801年成功地观察到了光的干涉现象。
2.双缝干涉图样:
单色光——明暗相间的条纹。
3.干涉条件:
两列光的频率相同,振动方向相同,相位差恒定。
4.出现明纹与暗纹的条件:
两光源到屏上某点的距离之差等于半波长的偶数倍时出现亮条纹,奇数倍时出现暗条纹。
一、杨氏干涉实验
1.物理史实
1801年,英国物理学家托马斯·杨成功地观察到了光的干涉现象,开始让人们认识到光的波动性。
2.双缝干涉实验
(1)实验过程:
让一束平行的完全相同的单色光投射到一个有两条狭缝的挡板上,两狭缝相距很近,两狭缝就成了两个波源,它们的频率、相位和振动方向总是相同的,两个光源发出的光在挡板后面的空间互相叠加发生干涉。
(2)实验现象:
在屏上得到明暗相间的条纹。
(3)实验结论:
证明光是一种波。
二、光发生干涉的条件
1.干涉条件
两列光的频率相同、振动方向相同、相位差恒定。
2.相干光源
发出的光能够产生干涉的两个光源。
3.一般情况下很难观察到光的干涉现象的原因
由于不同光源发出的光的频率一般不同,即使是同一光源,它的不同部位发出的光也不一定有相同的频率和恒定的相位差,故一般情况下不易观察到光的干涉现象。
1.自主思考——判一判
(1)直接用强光照射双缝,发生干涉。
(×)
(2)若用白光作光源,干涉条纹是明暗相间的条纹。
(×)
(3)若用单色光作光源,干涉条纹是明暗相间的条纹。
(√)
(4)在双缝干涉实验中单缝屏的作用是为了获得一个线光源。
(√)
(5)双缝干涉实验证明光是一种波。
(√)
2.合作探究——议一议
(1)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:
不能。
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。
(2)在双缝干涉实验中,如果入射光用白光,在两条狭缝上,一个用红色滤光片(只允许通过红光)遮挡,一个用绿色滤光片(只允许通过绿光)遮挡。
试想:
屏上还有干涉条纹吗?
提示:
屏上不会出现干涉条纹,因为双缝用红、绿滤光片遮挡后,透过的两束光频率不相等,就不是相干光源了,不会再发生干涉。
对杨氏双缝干涉实验的理解
1.双缝干涉的装置示意图
实验装置如图1331所示,有光源、单缝、双缝和光屏。
图1331
2.单缝屏的作用
获得一个线光源,使光源有唯一的频率和振动情况。
3.双缝屏的作用
平行光照射到单缝S上,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相反。
具体产生亮、暗条纹的条件为:
(1)亮条纹的条件:
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=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。
[典例] 在双缝干涉实验中,光屏上某点P到双缝S1和S2的路程差为7.5×10-7m,如果用频率为6.0×1014Hz的黄光照射双缝,试问:
(1)该黄光的波长是多少;
(2)试通过计算分析P点出现亮条纹还是暗条纹。
[解析]
(1)λ=
=
m=5×10-7m;
(2)Δx=7.5×10-7m=
λ,所以是暗条纹。
[答案]
(1)5×10-7m
(2)暗条纹
双缝干涉中明暗条纹的判断方法
(1)判断屏上某点为亮条纹还是暗条纹,要看该点到两个光源(双缝)的路程差(光程差)与波长的比值。
(2)要记住:
路程差等于波长整数倍处出现亮条纹等于半波长奇数倍处为暗条纹。
(3)上述结论成立的条件是:
两个光源情况完全相同。
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整数倍处出现暗条纹
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
解析:
选B 在双缝干涉实验中,单缝的作用是获得一个线光源,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;光屏上距两缝的路程差为半波长的奇数倍处出现暗条纹,选项C错误;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。
2.如图1332所示是单色光双缝干涉实验某一时刻的波形图,实线表示波峰,虚线表示波谷。
在此时刻,介质中A点为波峰相叠加点,B点为波谷相叠加点,A、B连线上的C点为某中间状态相叠加点,如果把屏分别放在A、B、C三个位置,那么( )
图1332
A.A、B、C三个位置都出现亮条纹
B.B位置出现暗条纹
C.C位置出现亮条纹或暗条纹要由其他条件决定
D.以上结论都不对
解析:
选A 本题中,A、B、C三点总是振动加强的点屏上对应出现的都是亮条纹。
另外,要特别注意波谷与波谷相遇的点(图中B点)振动也是加强的,不要以为B点是暗的。
3.如图1333所示为双缝干涉实验装置,当使用波长为6×10-7m的橙色光做实验时,光屏P点及上方的P1点形成相邻的亮条纹。
若使用波长为4×10-7m的紫光重复上述实验,在P和P1点形成的亮、暗条纹的情况是( )
图1333
A.P和P1都是亮条纹
B.P是亮条纹,P1是暗条纹
C.P是暗条纹,P1是亮条纹
D.P和P1都是暗条纹
解析:
选B
=
=1.5=
P1点对橙光:
Δr=n·λ橙,
对紫光:
Δr=nλ橙=n·
λ紫=3n·
因为P1与P相邻,所以n=1,P1点是暗条纹。
对P点,因为Δr=0,所以仍是亮条纹,B正确。
双缝干涉图样的特点
1.单色光的干涉图样
若用单色光作光源,则干涉条纹是明暗相间的条纹,且条纹间距相等。
中央为亮条纹,两相邻亮条纹(或暗条纹)间距离与光的波长有关,波长越大,条纹间距越大。
2.白光的干涉图样
若用白光作光源,则干涉条纹是彩色条纹,且中央条纹是白色的。
这是因为:
(1)从双缝射出的两列光波中,各种色光都能形成明暗相间的条纹,各种色光都在中央条纹处形成亮条纹,从而复合成白色条纹。
(2)两侧条纹间距与各色光的波长成正比,即红光的亮条纹间距宽度最大,紫光的亮条纹间距宽度最小,即除中央条纹以外的其他条纹不能完全重合,这样便形成了彩色干涉条纹。
1.关于光的干涉,下列说法中正确的是( )
A.在双缝干涉现象里,相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是不等的
B.在双缝干涉现象里,入射光波长变短,相邻两个亮条纹间距将变宽
C.只有频率相同的两列光波才能产生干涉
D.频率不同的两列光波也能产生干涉现象,只是不稳定
解析:
选C 在双缝干涉现象中,相邻两亮条纹和相邻两暗条纹间距是相等的。
入射光的波长越长,相邻两个亮条纹间距越大。
两列波产生干涉时,频率必须相同。
2.在光的双缝干涉现象里,下列描述正确的是( )
A.用白光做光的干涉实验时,偏离中央亮条纹较远的是波长较长的红光
B.用白光做光的干涉实验时,偏离中央亮条纹较远的是波长较短的紫光
C.相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是不等的
D.在双缝干涉现象里,把入射光由红光换成紫光,相邻两个亮条纹间距将变宽
解析:
选A 条纹间距与光的波长成正比,在可见光中,红光波长最长,紫光波长最短,故偏离中央亮条纹最远的是红光,A正确、B错误。
双缝干涉现象中,相邻两亮条纹或两暗条纹是等宽间距的,故C错误。
红光的波长比紫光的波长大,所以换成紫光后,相邻两亮条纹间距将变窄,故D错误。
3.(多选)a光经过某干涉仪形成的光的干涉图样如图1334甲所示,若只将a光换成b光照射同一干涉仪,形成的光的干涉图样如图乙所示。
则下述说法正确的是( )
图1334
A.a光的频率较大 B.b光的频率较大
C.a光的波长较大D.b光的波长较大
解析:
选BC 同样的双缝干涉装置,干涉条纹间距只与入射光的波长有关,波长越长,条纹间距越大,对于题图可知,a光的波长大于b光的波长,由c=λν可知,b光的频率大于a光的频率,故B、C正确,A、D错误。
1.(多选)对两列光波在空中叠加,以下说法中正确的是( )
A.不同的色光有可能发生干涉现象
B.不同的色光不可能发生干涉现象
C.光的强度不同有可能发生干涉现象
D.光的强度不同不可能发生干涉现象
解析:
选BC 两列光波叠加是否发生干涉现象关键看两列光波是否是相干光,即是否满足频率相同、相位差恒定的条件,不同的色光频率不同,所以不可能发生干涉现象,故B项正确;光的强度不同,但仍有可能满足相干条件,也就是有可能发生干涉现象,故选项C正确,D错误。
2.某同学利用如图1所示实验观察光的干涉现象,其中A为单缝屏,B为双缝屏,C为光屏。
当他让一束阳光照射A屏时,C屏上并没有出现干涉条纹,他移走B后,C上出现一窄亮斑。
分析实验失败的原因可能是( )
图1
A.单缝S太窄
B.单缝S太宽
C.S到S1和S2距离不相等
D.阳光不能作光源
解析:
选B 双缝干涉中单缝的作用是获得线光源,而线光源可以看做是由许多个点光源沿一条线排列组成的,这里观察不到光的干涉现象是由于单缝太宽,得不到线光源。
故选项B正确。
3.(多选)杨氏双缝干涉实验中,下列说法正确的是(n为自然数,λ为光波波长)( )
A.在距双缝的光程差相等的点形成暗条纹
B.在距双缝的光程差为nλ的点形成明条纹
C.在距双缝的光程差为n
的点形成明条纹
D.在距双缝的光程差为
λ的点形成暗条纹
解析:
选BD 在双缝干涉实验中,当某处距双缝距离之差Δδ为波长的整数倍时,即Δδ=nλ,n=0、1、2、3…这点为加强点,该处出现明条纹;当距离之差Δδ为半波长的奇数倍时,即Δδ=(2n+1)
,n=0、1、2、3…这点为减弱点,该处出现暗条纹。
B、D正确。
4.在双缝干涉实验中,光屏上P点到双缝S1、S2的距离之差ΔS1=0.75μm,光屏上Q点到双缝S1、S2的距离之差ΔS2=1.5μm。
若用频率ν=6.0×1014Hz的黄光照射双缝,则( )
A.P点出现亮条纹,Q点出现暗条纹
B.P点出现暗条纹,Q点出现亮条纹
C.两点均出现亮条纹
D.两点均出现暗条纹
解析:
选B 由光的频率ν=6.0×1014Hz,知光的波长λ=
=5×10-7m。
P点到双缝S1、S2的距离之差ΔS1=0.75μm=7.5×10-7m=1.5λ。
Q点到双缝S1、S2的距离之差ΔS2=1.5μm=15×10-7m=3λ,因此,P点出现暗条纹,Q点出现亮条纹,本题的正确答案是选项B。
5.杨氏干涉实验证明光的确是一种波。
一束单色光投射在两条相距很近的狭缝上,两狭缝就成了两个光源,它们发出的光波满足干涉的必要条件,即两列光的________相同。
如图2所示,在这两列光波相遇的区域中,实线表示波峰,虚线表示波谷,如果放置光屏,在________(选填“A”“B”或“C”)点会出现暗条纹。
图2
解析:
当一束光投射到两条相距很近的狭缝上,狭缝成了两个光源,两列光的频率、相位、振动方向相同。
A、B两点是振动加强点,出现亮条纹,C点是波峰与波谷的叠加,为振动减弱点,出现暗条纹。
答案:
频率 C
6.如图3所示,用频率为f的单色光(激光)垂直照射双缝,在光屏的P点出现第3条暗条纹,已知光速为c,则P到双缝S1、S2的距离之差|r1-r2|应为( )
图3
A.
B.
C.
D.
解析:
选D 出现暗条纹,说明S1、S2到P点距离之差为
×(2n-1)=
λ,而λ=
,所以|r1-r2|=
λ=
,因此D是正确的。
7.如图4所示,在杨氏双缝干涉实验中,激光的波长为5.30×10-7m,屏上P点距双缝S1和S2的路程差为7.95×10-7m。
则在这里出现的应是________(选填“明条纹”或“暗条纹”)。
现改用波长为6.30×10-7m的激光进行上述实验,保持其他条件不变,则屏上的条纹间距将________(选填“变宽”“变窄”或“不变”)。
图4
解析:
根据路程差Δx=
·3,故路程差是半波长的奇数倍,是暗条纹。
改用波长为6.30×10-7m的激光,则波长变大,条纹间距变宽。
答案:
暗条纹 变宽
8.在双缝干涉实验中,用频率ν=5×1014Hz的单色光照射双缝,若屏上P点到双缝距离之差为0.9μm,则P点将出现________条纹。
若将整个装置放入折射率n=2的介质中进行上述实验,则P点将出现________条纹。
解析:
由c=λν得λ=
=
m=0.6×10-6m
=
=
。
即Δx=
λ,故P点出现暗条纹
放入n=2的介质中,
v=
=1.5×108m/s
由v=λ′ν得λ′=
=
m=0.3×10-6m
=
=3
即Δx=3λ′,故P点出现亮条纹。
答案:
暗 亮
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