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新人教版 選擇性必修一
第四章 光
第3節 光的干涉
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？
新課引入
兩列頻率相同的水波(相干波)相遇時,在某些區域振動加強,而在某些區域振動減弱;且振動加強的區域與振動減弱的區域相互間隔.這種現象叫波的干涉。
干涉現象是波動獨有的特征，如果光是一種電磁波，那么光也應該能發生干涉現象？
溫故知新
問題思考
現象：出現亮暗相間條紋。
學習任務一：光的雙縫干涉
等間距
雙縫干涉圖樣特點：
中央亮條紋
明暗相間
1.實驗演示
P
P1S2－P1S1= d
光程差
S1
S2
P1
P
學習任務一：光的雙縫干涉
思考：為什么有的地方亮一些有些地方暗一些？請用我們所學的波動知識來解釋。
疊加（振動）加強的地方出現亮條紋，振動減弱的地方出現暗條紋。
2.實驗現象分析
（1）中央明條紋形成的原因
S1
S2
P
由于S1S2到中央亮紋的距離是相等的, 又由于從S1S2發出的光是振動情況完全相同，那么,當其中一條光傳來的是波峰時，另一條傳來的也一定是波峰，其中一條光傳來的是波谷時，另一條傳來的也一定是波谷，在P點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，故出現亮紋。
P
中央亮紋
雙縫
S1
S2
屏幕
光程差：δ= 0
光程差：δ= S1P－S2P
學習任務一：光的雙縫干涉
2.實驗現象分析
S1
S2
P1
P
d
S1
S2
P1
P1
P1S1
P1S2
d
S1
S2
P1
d =λ/2
光程差d= λ/2 ，S1、S2在P1處步調相反，該點振動減弱。(暗）
（2）第一暗紋形成原因
學習任務一：光的雙縫干涉
2.實驗現象分析
S1
S2
P2
P
d
S1
S2
P2
P2
P1S1
P1S2
d
S1
S2
P2
d =λ
光程差d= λ ，S1、S2在P2處步調一致，該點振動加強。(亮）
（3）第一亮紋形成原因
學習任務一：光的雙縫干涉
光程差：
S1
S2
P1
P
l
（4）雙縫干涉規律
n=0、1、2、3……
暗紋：
n=0、1、2、3……
亮紋：
學習任務一：光的雙縫干涉
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。
最早的光的干涉實驗
學習任務二：光的干涉條紋與光的波長之間的關系
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。
當兩列波的路程差為波長的整數倍，即
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：
相鄰兩個明(或暗)條紋之間的距離為
S1
S2
P1
P
l
1.亮（暗）紋間距的公式推導
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 :
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
S1
S2
P1
P
l
d
學習任務二：光的干涉條紋與光的波長之間的關系
2.條紋間距的公式
學習任務二：光的干涉條紋與光的波長之間的關系
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.不同色光的干涉條紋
學習任務二：光的干涉條紋與光的波長之間的關系
（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。
4.白光的干涉條紋
二、光的折射
學習任務三：薄膜干涉
1.實驗演示
二、光的折射
學習任務三：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
2.薄膜干涉的成因
二、光的折射
學習任務三：薄膜干涉
光程差為波長的整數倍，形成亮條紋。
白光照射時是彩色條紋
光程差為半波長的奇數倍，形成暗條紋。
2.薄膜干涉的成因
學習任務三：薄膜干涉
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
①——檢查表面的平整程度
3.薄膜干涉的應用
學習任務三：薄膜干涉
②——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
學習任務三：薄膜干涉
③——牛頓環
干涉圖樣：中央疏邊沿密的同心圓環
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，產生的干涉條紋稱牛頓環。
光到底是什么？這個問題早就引起了人們的注意，不過在很長的時期內人們對它的認識卻進展得很慢。
到 17 世紀時，科學界已經形成了兩種學說。一種是光的微粒說，認為光是從光源發出的一種物質微粒，在均勻的介質中以一定的速度傳播，牛頓支持微粒說。另一種是光的波動說，是惠更斯首先提出的，認為光是在空間傳播的某種波。 微粒說和波動說都能解釋一些光現象，但又不能解釋當時觀察到的全部光現象。
科學漫步
光的本性
到了 19 世紀初，人們在實驗中觀察到了光的干涉和衍射現象，這是波動的特征，不能用微粒說解釋，因而證明了波動說的正確性。19 世紀 60 年代，麥克斯韋預言了電磁波的存在，并認為光也是一種電磁波。此后，赫茲在實驗中證實了這種假說，至此，光的波動理論取得了巨大的成功。
但是，19 世紀末又發現了新的現象——光電效應，這種現象用波動說無法解釋。愛因斯坦于20 世紀初提出了光子說，認為光具有粒子性，從而解釋了光電效應。不過，這里說的光子已經不同于過去說的“微粒”了。
現在人們認識到，光既具有波動性，又具有粒子性。
科學漫步
光的本性
1.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
當堂達標訓練
B
2.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
當堂達標訓練
B
3.利用薄膜干涉的原理可以檢查平面的平整度和制成鏡頭增透膜.圖甲中,讓單色光從上方射入,這時從上方看可以看到明暗相間的條紋,下列說法正確的是(　)
A.圖甲中將薄片向著劈尖方向移動使劈角
變大時,條紋變疏
B.圖甲中將樣板微微平行上移,條紋疏密不變
C.在圖甲中如果看到的條紋如圖乙所示,說明被檢平面在此處是凸起
D.圖丙中鍍了增透膜的鏡頭看起來是有顏色的,那是增透了這種顏色的光的緣故
B
當堂達標訓練
[解析]當將薄片向著劈尖方向移動使劈角變大時,相鄰亮條紋或暗條紋中心間距變小,所以干涉條紋會變密,故A錯誤;
將樣板平行上移,導致原來滿足亮條紋光程差的間距向劈尖移動,因此出現條紋向著劈尖移動,但條紋疏密不變,故B正確;
從彎曲的條紋可知,此處檢查平面左邊處的空氣膜
厚度與右面的空氣膜厚度相同,知此處凹陷,故C錯誤;
照相機、望遠鏡的鏡頭表面鍍了一層透光的膜,可以增大某種光的透射強度,這種膜稱為增透膜,這是利用了光的干涉現象,同時鍍膜鏡頭看起來是有顏色的是因該種顏色的光沒有增透造成的,故D錯誤.
4. (多選)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同心內疏外密的圓環狀干涉條紋,稱為牛頓環,以下說法正確的是 (　 　)
A.干涉現象是由凸透鏡下表面反射光和玻璃上表面反射光疊加形成的
B.干涉現象是由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.干涉條紋越來越密是因為空氣膜厚度越來越大
當堂達標訓練
[解析]由于在凸透鏡和平板玻璃之間的空氣形成薄膜,所以形成相干光的反射面是凸透鏡的下表面和平板玻璃的上表面,故A正確,B錯誤;
由于凸透鏡的下表面是圓弧面,所以形成的薄膜厚度不是均勻變化的,形成不等間距的干涉條紋,若薄膜厚度是均勻變化的,則形成的干涉條紋是等間距的,故C正確,D錯誤.

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