資源簡介

(共28張PPT)
3、光的干涉
微粒說
（笛卡兒→牛頓）
波動說
光的本性
（胡克→惠更斯）
由于牛頓的權威，微粒說占統治地位達一個世紀之久。
托馬斯·楊的雙縫干涉實驗
菲涅耳的衍射理論和泊松亮斑
電磁說（麥克斯韋）
光的波動說戰勝了微粒說，波動理論在比較堅實的基礎上建立起來。在托馬斯·楊的雙縫干涉和泊松亮斑的事實的確證下，光的粒子說開始崩潰了。
黑體輻射和康普頓效應
光電效應
光子說（愛因斯坦）
波粒二象性
楊氏雙縫干涉實驗被評為十大最美麗實驗之一。
第10名：
傅科鐘擺證明地球自轉
第9名：
盧瑟福α粒子散射實驗，
原子核式結構
第8名：
伽利略的加速度實驗
第7名：
埃拉托色尼測量地球圓周長
第6名：
卡文迪什扭秤實驗
第5名：
托馬斯·楊的光干涉實驗
第4名：
牛頓的棱鏡色散實驗
第3名：
密立根的油滴實驗
第2名：
伽利略的自由落體實驗
第1名：
托馬斯·楊的雙縫演示應用于電子干涉實驗
托馬斯·楊
托馬斯·楊（Thomas Young，1773年-1829年 ）英國醫生、物理學家，光的波動說的奠基人之一。
托馬斯·楊在物理光學領域的研究是具有開拓意義的，他第一個測量了7種光的波長，最先建立了三原色原理：指出一切色彩都可以從紅、綠、藍這三種原色中得到。
1801年他進行了著名的楊氏雙縫實驗，發現了光的干涉性質，證明光以波動形式存在，而不是牛頓所想象的光顆粒，該實驗被評為“物理最美實驗”之一。二十世紀初物理學家將楊的雙縫實驗結果和愛因斯坦的光量子假說結合起來，提出了光的波粒二象性，后來又被德布羅意利用量子力學引申到所有粒子上。
一、楊氏雙縫干涉實驗
１、實驗裝置
①雙縫S1、S2到單縫S的距離相等。
②雙縫很近 0.1mm。
單縫
雙縫
S1
S
S2
屏
獲得單色光
獲得線光源，使光源有唯一的頻率和振動情況。
一束光被分成兩束頻率相同且振動情況完全一致的相干光。
天才的設想
巧妙解決了相干光問題
①屏上形成明暗相間的條紋
2、觀察到的現象
②條紋特征（單色光）
明暗相間、
間距相等、
中央亮條紋
3、明暗條紋形成的原因
S1
S2
P
S
S1
S2
P
①“中央明紋”
S1
P
PS1
S2
P
PS2
光程差 S=0，S1、S2步調一致，該點振動加強。（亮條紋）
②第一條暗紋
S1
S2
P1
P
S
S1
S2
P1
S =λ/2
S1
S2
P1
P1
P1S1
P1S2
S
光程差 S= λ/2 ，S1、S2在P1處步調相反，該點振動減弱。（暗條紋）
③第一條亮紋
S1
S2
P2
P
S
S1
S2
P2
S =λ
S1
S2
P2
P2
P1S1
P1S2
S
光程差 S= λ ，S1、S2在P2處步調一致，該點振動加強。（亮條紋）
S1
S2
P 中央亮紋 S=0
P 1 第一亮紋 S=λ
P 2 第二亮紋 S=2λ
P 3 第三亮紋 S=3λ
Q 1 第一暗紋 S=λ/2
Q 2 第二暗紋 S=3λ/2
Q 3 第三暗紋 S=5λ/2
P1′ 第一亮紋 S=λ
P2′ 第二亮紋 S=2λ
P3′ 第三亮紋 S=3λ
Q3′ 第三暗紋 S=5λ/2
Q2′ 第二暗紋 S=3λ/2
Q1′ 第一暗紋 S=λ/2
4、屏上某處出現亮、暗條紋的條件
頻率相同、振動步調相同的兩列光波產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倍或半波長的偶數倍。即：
S=|PS1－PS2|＝kλ＝2k· （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
數倍，即：|PS1－PS2|＝（2k－1）· （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，產生亮、暗條紋的條件與上面的情況恰好相反。
二、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。
紅光
紫光
藍光
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，最外側為紅色。
【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
C
【例2】在雙縫干涉實驗中，雙縫到光屏上P點的距離之差為0.6 μm，若分別用頻率為f1＝5.0×1014 Hz和f2＝7.5×1014 Hz的單色光垂直照射雙縫，試分析判斷P點應出現亮條紋還是暗條紋？分別為第幾條亮條紋或暗條紋？（光在真空中的傳播速度c＝3×108 m/s）
用頻率為f1的單色光照射時，P處應出現亮條紋；用頻率為f2的單色光照射時，P處應出現暗條紋。
【例3】用波長為λ的平行單色光照射單縫，經雙縫后，在光屏上偏離中心的P點處恰好出現亮條紋，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點處一定出現暗條紋
C.改用波長為 的平行單色光照射，P點處一定出現亮條紋
D.改用波長為 的平行單色光照射，P點處一定出現暗條紋
C
【例4】如圖所示，在楊氏雙縫干涉實驗中，若所用光的波長為5.30×10－7 m，屏上P點距雙縫S1和S2的路程差為7.95×10－7 m。則在這里出現的應是________（填“亮條紋”或“暗條紋”）。
S=3λ/2
暗條紋
三、影響干涉條紋的間距（條紋寬度）的因素
S1
S2
Δx
①干涉條紋的間距（條紋寬度）Δx：相鄰兩條亮紋（或暗紋）中心之間的距離叫做條紋間距。
Δx
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
l
d
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， Δx 與光的波長有關。
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， 時
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
才會出現亮條紋，亮條紋位置為：
θ
θ
d=0.36mm
d=0.18mm
或： 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
r1
r2
x
d
由于l>>d，且l>>x，所以r1+r2≈2l
相鄰兩個明（或暗）條紋之間的距離為:
2、影響條紋間距大小的因素：
雙縫間距d，雙縫到屏的距離l、單色光波長λ。
1、條紋間距公式：
l
d
λ
3、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。
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。
【例1】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，現要使P處出現中央亮條紋上方第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
D
【例2】（多選）某同學用單色光進行雙縫干涉實驗，在屏上觀察到如甲圖所示的條紋，僅改變一個實驗條件后，觀察到的條紋如乙圖所示。他改變的實驗條件可能是（ ）
A.增大雙縫之間的距離
B.減小雙縫之間的距離
C.減小雙縫到光屏之間的距離
D.增大雙縫到光屏之間的距離
AC
四、薄膜干涉
馬路上的油膜
肥皂泡
這些彩色花紋是如何形成的？
由于重力的作用，肥皂薄膜形成上薄下厚的楔形。
前表面
后表面
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。
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。
在重力的作用下,薄膜隨著時間越來越薄,條紋間距變稀疏。
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（ S= 2d ），在某些位置，兩列波疊加后相互加強，于是出現亮條紋；在另一些位置，疊加后相互削弱，于是出現暗條紋。
2、形成亮、暗條紋的條件：
薄膜干涉是經薄膜前、后面反射的兩束光疊加的結果。出現亮條紋的位置，兩束光的路程差ΔS＝kλ（k＝0，1，2，3…），出現暗條紋的位置，兩束光的路程差ΔS＝ λ（k＝0，1，2，3…）。公式中的λ為光在薄膜介質中的波長。
劈尖干涉是一種薄膜干涉，如圖所示。將一塊平板玻璃放置在另一平板玻璃上，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，當光從上方入射后，從上往下看到的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。
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。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。
規律：左凹右凸
（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 ，
使經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。
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MgF2）。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。
由于人眼對綠光最敏感，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。
（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 ，使經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。
光由光疏介質進入光密介質有半波損失；
光由光密介質進入光疏介質不存在半波損失。
【例1】如圖所示，把一個平行玻璃板壓在另一個平行玻璃板上，一端用薄片墊起，構成空氣劈尖，讓單色光從上方射入，這時可以看到明暗相間的條紋。下面關于條紋的說法中正確的是（ ）
A.干涉條紋的產生是由于光在上面玻璃板的前后兩表面反射形成的兩列光波疊加的結果
B.干涉條紋中的暗條紋是由于兩列反射光的波谷與波谷疊加的結果
C.將上玻璃板平行上移，條紋間距變窄
D.觀察干涉條紋時，應在入射光一側
D
【例2】（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內疏外密的同心圓環狀干涉條紋，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
AC
課時精練
1、教室內兩盞相同的普通白熾燈發出的光相遇時，我們觀察不到干涉條紋，這是因為（ ）
A.兩盞燈亮度不同
B.燈光的波長太短
C.兩燈光的振動頻率不同
D.電燈發出的光不穩定
C
2、（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，屏上將呈現黑白相間的條紋
B.用紅光作為光源，屏上將呈現紅黑相間的條紋
C.用紅光照射一條狹縫，用紫光照射另一條狹縫，屏上將呈現彩色干涉條紋
D.用白光作為光源，屏上將呈現彩色的條紋
BD
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（ ）
D
4、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.若只改用頻率較高的單色光，屏上兩相鄰亮條紋間 距離變大
B
5、（多選）肥皂膜的干涉條紋如圖所示，條紋間距上面寬、下面窄。下列說法正確的是（ ）
A.過肥皂膜最高和最低點的截面一定不是梯形
B.肥皂膜上的條紋是前后表面反射光形成的干涉條紋
C.肥皂膜從形成到破裂，條紋的寬度和間距不會發生變化
D.將肥皂膜外金屬環左側的把柄向上轉動90°，條紋也會跟著轉動90°
AB
6、利用薄膜干涉可檢查工件表面的平整度。如圖（a）所示，現使透明標準板M和待檢工件N間形成一楔形空氣薄層，并用單色光照射，可觀察到如圖（ b）所示的干涉條紋，條紋的彎曲處P和Q分別對應A和B處，下列判斷中正確的是（ ）
A.N的上表面A處向上凸起
B.N的上表面B處向下凹陷
C.若減小薄片的厚度，則干涉條紋間距會減小
D.條紋的c、d點對應處的薄膜厚度相同
D
7、（多選）煤礦中瓦斯爆炸危害極大。某同學查資料得知含有瓦斯的氣體的折射率大于干凈空氣的折射率，于是，他設計了一種利用光的干涉監測礦井瓦斯的儀器，原理如圖所示。在雙縫前面放置兩個完全相同的透明容器A、B，容器A與干凈的空氣相通，在容器B中通入礦井中的氣體，觀察屏上的干涉條紋，就能夠監測瓦斯濃度，以下說法正確的是（ ）
A.如果屏的正中央仍是亮條紋，說明B中的氣體與A中的空氣成分相同，不含瓦斯
B.如果屏的正中央是暗條紋，說明B中的氣體與A中的空氣成分不相同，可能含有瓦斯
C.如果屏上干涉條紋不停地移動，說明B中的氣體瓦斯含量不穩定
D.只有用單色光照射單縫時，才可能在屏上出現干涉條紋
BC
8、在用雙縫干涉實驗測量光的波長時，選用波長為6.0×10－7 m的橙光，光屏上P點正好處于第二級亮條紋的中心，如圖所示，現僅改用其他顏色的可見光做實驗，P點是暗條紋。已知可見光的頻率范圍是3.9×1014～7.5×1014 Hz，則入射光的波長可能是（ ）
A.8.0×10－7 m B.4.8×10－7 m
C.4.0×10－7 m D.3.4×10－7 m
B
9、一實驗小組用某一單色光做雙縫干涉實驗時，在距離雙縫為1.0 m處的光屏上，測得1至5條亮條紋間的距離為7.6 mm。已知所用的雙縫間距為0.25 mm。
（1）求這種單色光的波長；
（2）若用這種單色光照射到增透膜上，已知增透膜對這種光的折射率為1.3，則這種光在增透膜中的波長是多少？增透膜的厚度至少應取多少？（結果均保留3位有效數字）
4.75×10－7 m
3.65×10－7 m
9.13×10－8 m
10、在研究材料A的熱膨脹特性時，可采用如圖所示的干涉實驗法，A的上表面是一光滑平面，在A的上方放一個透明的平行板B，B與A上表面平行，在它們中間形成一個厚度均勻的空氣膜，現在用波長為λ的單色光垂直照射，同時對A緩慢加熱，在B上方觀察到B板的亮度發生周期性變化。當溫度為t1時最亮，然后逐漸減弱至最暗；當溫度升到t2時，亮度再一次回到最亮，則（ ）
A.最亮時，B上表面反射光與A上表面反射光疊加后加強
B.最亮時，B下表面反射光與A上表面反射光疊加后相抵消
C.溫度從t1升至t2過程中，A的高度增加
D.溫度從t1升至t2過程中，A的高度增加
D

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