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(共54張PPT)
人教版（2019）高中物理選擇性必修第一冊
第四章 光
4.3 光的干涉
授課人：揚帆起航
CONTENTS
01
02
干涉條紋和波長之間的關系
03
04
目錄
典型例題
光的雙縫干涉
薄膜干涉
01
光的雙縫干涉
光
課堂引入
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，也經常顯現出彩色條紋。
這些彩色條紋或圖樣是怎樣形成的？
2、產生干涉的條件
１、解釋干涉現象
3、重疊區內一質點振動是加強還是減弱，取決于什么？
牛頓 微粒說
光的本性學說的發展史
惠更斯 波動說
干涉現象是波動獨有的特征，如果光真的是一種波，就必然會觀察到光的干涉現象
思考1：光要發生干涉現象需要滿足什么條件？
思考2：有沒有什么方法可以獲得相干光—頻率相同的光呢？
相干光源（頻率和振動情況一致）
天才的設想
光束
單縫
雙縫
紅濾色片
(激光)
屏幕
s0
s1
s2
托馬斯·楊
楊氏雙縫實驗被評為十大最美麗實驗之一。
巧妙解決了相干光問題
1、裝置特點：
1）雙縫到單縫的距離相等
2）雙縫很近 d=0.1mm
2、單縫作用：
獲得線光源，使光源有唯一的頻率和振動情況．
3、雙縫作用：
獲得兩個頻率相同、振動情況完全相同的光源，叫相干光源
一、光的雙縫干涉
用氦氖激光器演示光的雙縫干涉
1801年，英國物理學家托馬斯·楊（1773-1829）在實驗室里成功的觀察到光的干涉．
等間距
4、雙縫干涉圖樣特點：
中央亮條紋
明暗相間
例1.(多選)以下光源不可作為相干光源的是(　　)
A.兩個相同亮度的燭焰
B.雙絲燈泡
C.出自一個光源的兩束光
D.一束平行單色光經雙縫后分為兩束
解析 根據光發生干涉的條件,可知選A、B。
答案 AB
討論1：為什么有的地方亮一些有些地方暗一些？
紅濾色片
單縫
S
1
S
2
S
*
*
*
屏幕
S1
S2
P
P
δ=0
中央亮紋
由于從S1S2發出的光是振動情況完全相同，又經過相同的路程到達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，故應出現亮紋，這一條亮紋叫中央亮紋。
雙縫
S1
S2
屏幕
討論2：亮紋和暗紋為什么相間（依次出現）呢？
P1
第一亮紋
雙縫
S1
S2
屏幕
S1
S2
P1
λ
λ
δ=λ
取P點上方的點P1，從S1S2發出的光到P1點的光程差就不同，若這個光程差正好等于波長的整數倍，比如δ= S1－S2=λ，出現第一條亮紋。
討論2：亮紋和暗紋為什么相間（依次出現）呢？
P2
第二亮紋
雙縫
S1
S2
屏幕
屏上P1點的上方還可以找到δ= S1－S2＝2λ
的P2點出現第二條亮紋。
2λ
討論2：亮紋和暗紋為什么相間（依次出現）呢？
P3
第三亮紋
雙縫
S1
S2
屏幕
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。
3λ
討論2：亮紋和暗紋為什么相間（依次出現）呢？
雙縫
S1
S2
屏幕
P1 第一亮紋 δ=λ
P 中央亮紋 δ=0
P2 第二亮紋 δ=2λ
P3 / 第三亮紋 δ=3λ
P3 第三亮紋 δ=3λ
P2 / 第二亮紋 δ=2λ
P1 / 第一亮紋 δ=λ
討論2：亮紋和暗紋為什么相間（依次出現）呢？
Q1
第一暗紋
雙縫
S1
S2
屏幕
S1
S2
Q1
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，故應出現暗紋。
λ/2
λ/2
P 中央亮紋
討論2：亮紋和暗紋為什么相間（依次出現）呢？
Q2
第二暗紋
雙縫
S1
S2
屏幕
屏上Q1點的上方還可以找到δ= S1－S2＝3λ/2的Q2點出現第二條暗紋。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。
3λ/2
Q1
第二暗紋
P 中央亮紋
討論2：亮紋和暗紋為什么相間（依次出現）呢？
雙縫
S1
S2
屏幕
P1 第一亮紋 δ=λ
P 中央亮紋 δ=0
P2 第二亮紋 δ=2λ
P3 / 第三亮紋 δ=3λ
P3 第三亮紋 δ=3λ
P3 / 第二亮紋 δ=2λ
P3 / 第一亮紋 δ=λ
Q2 第二暗紋
Q 1 第一暗紋
Q3 第三暗紋
Q3 / 第三暗紋
Q2 / 第二暗紋
Q1 / 第一暗紋
δ=5λ/2
δ=λ/2
δ=3λ/2
δ=5λ/2
δ=3λ/2
δ=λ/2
討論2：亮紋和暗紋為什么相間（依次出現）呢？
（1）空間的某點距離光源S1和S2的路程差為0、1 λ、2 λ、3 λ、等波長的整數倍（半波長的偶數倍）時，該點為振動加強點。
（2）空間的某點距離光源S1和S2的路程差為λ /2、3 λ/2、5λ/2、等半波長的奇數倍時，該點為振動減弱點。
總結規律
光程差 δ =nλ（ n=0，1，2，等）
光程差 δ =（2n-1)λ/2 (n=1,2,3,等）
亮紋
暗紋
S1
S2
P1
P
l
02
干涉條紋和波長之間的關系
光
干涉條紋的間距(條紋寬度)與哪些因素有關
雙縫
S1
S2
屏幕
①什么是干涉條紋的間距(條紋寬度)
△x
△x
條紋間距的含義：相鄰兩條亮紋（或暗紋）中心之間的距離叫做條紋間距。
我們所說的亮紋是指最亮的地方，暗紋是最暗的地方，從最亮到最暗有一個過渡，條紋間距實際上是最亮和最亮或最暗和最暗之間的距離。
②影響條紋間距大小的因素
保持L、d不變，用不同的單色光進行實驗紅光的條紋間距最大，紫光的最小。
二、干涉條紋和光的波長之間的關系
L
d
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P1 S1＝r1， P1 S2＝r2。
S1
S2
P1
P
l
d
x
r2
r1
M
當兩列波的路程差為波長的整數倍，即
相鄰兩個明(或暗)條紋之間的距離為
在線段P1 S2上作P1 M＝ P1 S1，則S2M＝r2－r1，
因d l，三角形S1S2M可看做直角三角形。
有：r2－r1＝dsin θ(令∠S2S1M＝θ) ①
另：x＝ltan θ≈lsin θ ②
時才會出現亮條紋，亮條紋位置為：
亮（暗）紋間距的公式推導
1、相鄰明（暗）紋間的距離大小的影響因素：
（2）雙縫之間的距離d:
（3）雙縫與屏間的距離 l :
S1
S2
P1
P
l
波長越大，相鄰的亮紋間距越大
（1）波長λ:
d越小，相鄰的亮紋間距越大
L越大，相鄰的亮紋間距越大
d
雙縫干涉亮（暗）紋間距的公式
各色光在真空中的波長
光的 顏色 波長 nm 光的 顏色 波長
nm
紅 770－620 綠 580－490
橙 620－600 藍－靛 490－450
黃 600－580 紫 450－400
（2）不同顏色的光頻率不同：f紅（1）相同介質中，不同的光波長不同：λ紅>λ橙>λ黃>λ綠>λ青>λ藍>λ紫
（3）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
2、不同單色光干涉條紋寬度：
3、白光的干涉圖樣特點：
（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，紫光在內側。
例2.兩種單色光束a、b分別照射在同一套雙縫干涉演示實驗裝置時，
得到的干涉圖樣如圖(a)、（b）所示，則 （ ）
（b）
（a）
A．a光的波長大于b光的波長
B．a光的頻率大于b光的頻率
C．a光在真空中的速度大于b光在真空中的速度
D．同一種介質對a光的折射率大于對b光的折射率
A
例3. 雙縫干涉實驗裝置如圖所示,當使用波長為6×10-7 m的橙光做實驗時,光屏P點及上方的P1點形成相鄰的亮條紋。若使用波長為4×10-7 m的紫光重復上述實驗,在P和P1點形成的亮、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
B
解析 從單縫S射出的光波被S1、S2兩縫分成的兩束光為相干光,由題意,屏中央P到S1、S2距離相等,即由S1、S2分別射出的光到P的路程差為零,因此P處是亮紋中心,因而,無論入射光是什么顏色的光,波長多大,P處都是中央亮紋中心。
而P1到S1、S2的路程差剛好是橙光的一個波長,即|P1S1-P1S2|=600 nm=λ橙,則兩列光波到達P1時的振動情況完全一致,振動得到加強,因此,出現亮條紋。
當換用波長為400 nm的紫光時,|P1S1-P1S2|=600 nm= λ紫,則兩列光波到達P1時振動情況完全相反,即由S1、S2射出的光波到達P1時就相互削弱,因此,出現暗條紋。綜上所述,選項B正確。
答案 B
例4.(多選)用波長為λ的單色光照射單縫O,經過雙縫M、N在屏上產生明暗相間的干涉條紋,如圖所示,圖中a、b、c、d、e為相鄰亮條紋的位置,c為中央亮條紋,則(　　)
A.由O到達a、b的路程差為零
B.由M、N到達b的路程差為λ
C.由O到達a、c的路程差為4λ
D.由M、N到達e的路程差為2λ
BD
解析 從O到達某點可以經過M也可以經過N,根據已知條件無法比較從O到達某兩點的路程差,故A、C錯誤;b為中心亮紋旁邊的第一條亮紋,則M、N到達b的路程差為波長λ,故B正確;e為中心亮紋旁邊的第二條亮紋,M、N到達e的路程差為2λ,故D正確。
答案 BD
例5.用單色光做雙縫干涉實驗時，已知屏上一點P到雙縫的路程差δ＝1.5×10－6 m，當單色光波長λ1＝0.5 μm時，P點將形成亮條紋還是暗條紋？若單色光波長λ2＝0.6 μm，此時在中央亮條紋和P點之間有幾條暗條紋？
03
薄 膜 干 涉
光
水面上的油膜呈彩色
1、演示實驗
（1）你會看到什么現象？
（2）為什么會出現這樣的現象？
三、薄膜干涉
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，產生干涉。
前表面
后表面
薄膜干涉成因
三、薄膜干涉
光程差為波長的整數倍，形成亮條紋。
光程差為半波長的奇數倍，形成暗條紋。
白光照射時是彩色條紋
薄膜干涉的應用（一）——檢查表面的平整程度
取一個透明的標準樣板，放在待檢查的部件表面并在一端墊一薄片，使樣板的平面與被檢查的平面間形成一個楔形空氣膜，用單色光從上面照射，入射光從空氣層的上下表面反射出兩列光形成相干光，從反射光中就會看到干涉條紋
標準樣板
待檢部件
空氣薄層
如果被檢表面是平的，產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10-6cm。
(a) (b) (c)
單色光
標準樣板
薄片
被檢測平面
注：薄片厚度一般僅為零點零幾毫米左右，只相當于一張紙片的厚度
薄膜干涉的應用（一）——檢查表面的平整程度
薄膜干涉的應用（二）——增透膜
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。
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。
鍍層薄膜
標準驗規
待測透鏡
暗紋

檢驗透鏡球表面質量
薄膜干涉的應用（三）——牛頓環
04
典型例題
光
1．一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，兩側還有彩色條紋，是因為（　　）
A．各色光的波長不同，因而各色光產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．各色光的強度不同
D．各色光通過雙縫的距離不同
A
2．小華利用如圖所示的裝置測量某單色光的波長。實驗中，小華想增加從目鏡中觀察到的條紋數量，可（　　）
A．將透鏡向單縫靠近
B．使用間距更大的雙縫
C．將單縫向靠近雙縫的方向移動
D．將毛玻璃向遠離雙縫的方向移動
B
3．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點出現第2條暗條紋，已知光速為c，則P到雙縫S1、S2的距離之差|r1－r2|應為（　　）
B
4．用同一雙縫干涉實驗裝置在真空中做紅光和紫光的雙縫干涉實驗，獲得甲、乙兩種干涉條紋，如圖所示，則下列說法正確的是（　　）
A．甲為紫光，乙為紅光
B．甲光在水中的傳播速率大于乙光在水中的傳播速率
C．在同一種介質中，甲光的折射率大，乙光的折射率小
D．在同一種介質中，甲光的全反射臨界角小，乙光的全反射臨界角大
B
5．雙縫干涉實驗裝置的截面圖如圖所示。光源S到S1、S2的距離相等，O點為S1、S2連線中垂線與光屏的交點。光源S發出的波長為λ的光，經S1出射后垂直穿過玻璃片傳播到O點，經S2出射后直接傳播到O點，由S1到O點與S2由到O點，光傳播的時間差為 t。玻璃片厚度為10λ，玻璃對該波長光的折射率為1.5，空氣中光速為c，不計光在玻璃片內的反射。以下判斷正確的是（　　）
A
6．如圖所示，用單色光照射透明標準板M來檢查平面N的上表面的平滑情況，觀察到如圖所示條紋中的P和Q情況，這說明（　　）
A．此操作利用了光的偏振原理
B．N的上表面B處向上凸起
C．若出現兩條相連的直線干涉條紋，則說明兩條相連的
干涉條紋所對應的空氣薄膜厚度相等
D．干涉條紋是由M下表面的入射光線和N的上表面的反射光線干涉形成的
B
7．如圖是楊氏雙縫干涉實驗示意圖，其中S1、S2為雙縫，D為光屏，實驗中觀察到屏上O點為中央亮紋的中心，P1為第一級亮紋的中心，若將雙縫間的距離變小，其他條件不變，則（　　）
A．屏上干涉條紋的間距將變小
B．屏上O點仍然為中央亮條紋的中心
C．屏上P1位置仍然可能為亮條紋的中心
D．屏上P1位置可能為暗條紋的中心
BD
8．現有a、b兩束光通過同一狹縫，分別產生了如圖甲和乙所示的衍射圖樣，則下列說法正確的是（　　 ）
A．a光的波長小于b光
B．若用a光照射某金屬板產生了光電效應，則用b光照射該板一定會產生光電效應
C．將a、b兩束光分別通過同一楊氏雙縫干涉儀，條紋間距較大的是a光
D．將分別能發出a光和b光的兩個點光源安裝在水下同一深度，水面上的人從光源的正上方看下去，感覺到a光的深度大
BCD
思維導圖

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