2019-2020學(xué)年高中物理 第13章 3 光的干涉學(xué)案 新人教版選修3-4

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1、3　光的干涉 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.觀察光的干涉現(xiàn)象，能說出光的干涉條紋的特點(diǎn)．(重點(diǎn))2.能說出干涉現(xiàn)象產(chǎn)生的原因以及出現(xiàn)明條紋或暗條紋應(yīng)滿足的條件．(難點(diǎn))3.明確相干光源的概念，熟記產(chǎn)生穩(wěn)定干涉現(xiàn)象的條件．(重點(diǎn)) 一、楊氏干涉實(shí)驗(yàn) 1．物理史實(shí) 1801年，英國物理學(xué)家托馬斯·楊成功地觀察到了光的干涉現(xiàn)象，開始讓人們認(rèn)識到光的波動性． 2．雙縫干涉實(shí)驗(yàn) (1)實(shí)驗(yàn)過程：讓一束平行的單色光投射到一個(gè)有兩條狹縫S1和S2的擋板上，兩狹縫相距很近，兩狹縫就成了兩個(gè)波源，它們的頻率、相位和振動方向總是相同的，兩個(gè)光源發(fā)出的光在擋板后面的空間互相疊加發(fā)生干涉． (2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

2、在屏上得到明暗相間的條紋． (3)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：光是一種波． 二、決定條紋明暗的條件 1．當(dāng)兩個(gè)光源與屏上某點(diǎn)的距離之差等于波長λ的整數(shù)倍時(shí)，兩列光波在這點(diǎn)相互加強(qiáng)，出現(xiàn)明條紋． 2．當(dāng)兩個(gè)光源與屏上某點(diǎn)的距離之差等于半波長的奇數(shù)倍時(shí)，兩列光波在這點(diǎn)相互減弱，出現(xiàn)暗條紋． 1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”) (1)直接用強(qiáng)光照射雙縫，發(fā)生干涉． (×) (2)兩只手電筒射出的光束在空間相遇，能觀察到光的干涉現(xiàn)象． (×) (3)用單色光作光源，干涉條紋是明暗相間的條紋． (√) (4)若用白光作光源，干涉條紋是明暗相間的條紋． (×) (5)若用單色光作光源，干

3、涉條紋是明暗相間的條紋． (√) 2．以下光源不可作為相干光源的是(　　) A．兩個(gè)相同亮度的燭焰 B．兩個(gè)相同規(guī)格的燈泡 C．雙絲燈泡 D．出自一個(gè)光源的兩束光 E．一束平行單色光經(jīng)雙縫后分為兩束 ABC　[相干光的條件，必須是頻率相同，相位差恒定．] 3．關(guān)于光的干涉，下列說法不正確的是(　　) A．只有頻率相同的兩列光波才能產(chǎn)生干涉 B．頻率不同的兩列光波也能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，只是不穩(wěn)定 C．頻率相同、振幅相同的兩束光才能產(chǎn)生干涉 D．兩個(gè)完全相同的相干光源做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，從兩個(gè)狹縫到達(dá)屏上的路程差是光波長的整數(shù)倍時(shí)出現(xiàn)亮條紋 E．兩個(gè)完全相同的相干光源做雙縫干涉

4、實(shí)驗(yàn)時(shí)，從兩個(gè)狹縫到達(dá)屏上的路程差是光波長的奇數(shù)倍時(shí)出現(xiàn)暗條紋 BCE　[發(fā)生干涉現(xiàn)象時(shí)兩列光的頻率必須相同，振幅不一定相同，選項(xiàng)A正確，C錯(cuò)誤；頻率不同不能產(chǎn)生干涉，而不是干涉不穩(wěn)定，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；干涉發(fā)生時(shí)出現(xiàn)亮條紋的條件是路程差是波長的整數(shù)倍或者半波長的偶數(shù)倍，選項(xiàng)D正確；干涉發(fā)生時(shí)出現(xiàn)暗條紋的條件是路程差是半波長的奇數(shù)倍，選項(xiàng)E錯(cuò)誤．] 楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的原理 1．光的干涉 (1)光的干涉：在兩列光波的疊加區(qū)域，某些區(qū)域相互加強(qiáng)，出現(xiàn)亮紋，某些區(qū)域相互減弱，出現(xiàn)暗紋，且加強(qiáng)和減弱的區(qū)域是相互間隔的，即出現(xiàn)亮紋和暗紋相間的現(xiàn)象． (2)干涉條件：兩列光的頻率相同、相位

5、差恒定或兩列光振動情況總是相同．能發(fā)生干涉的兩列波稱為相干波，兩個(gè)光源稱為相干光源，相干光源可用同一束光分成兩列來獲得． 2．托馬斯·楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn) (1)雙縫干涉的裝置示意圖(如圖所示) 實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，有光源、單縫、雙縫和光屏． (2)單縫屏的作用 獲得一個(gè)線光源，使光源有唯一的頻率和振動情況，如果用激光直接照射雙縫，可省去單縫屏．楊氏那時(shí)沒有激光，因此他用強(qiáng)光照射一條狹縫，通過這條狹縫的光再通過雙縫產(chǎn)生相干光． (3)雙縫屏的作用 平行光照射到單縫S上，又照射到雙縫S1、S2上，這樣一束光被分成兩束頻率相同和振動情況完全一致的相干光． 3．屏上某處出現(xiàn)亮、暗條紋的

6、條件：頻率相同的兩列波在同一點(diǎn)引起的振動的疊加，如亮條紋處某點(diǎn)同時(shí)參與的兩個(gè)振動步調(diào)總是一致，即振動方向總是相同；暗條紋處振動步調(diào)總是相反． 4．明暗條紋的判斷 如圖所示，S1、S2是兩個(gè)狹縫，＝d，縫到屏的距離為l，l?d，O是S1S2的中垂線與屏的相交點(diǎn)． (1)亮條紋產(chǎn)生的條件：屏上某點(diǎn)P到兩條縫S1和S2的路程差正好是波長的整數(shù)倍或半波長的偶數(shù)倍．即 |PS1－PS2|＝kλ＝2k·(k＝1,2,3…) k＝0時(shí)，PS1＝PS2，此時(shí)P點(diǎn)位于屏上的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)暗條紋產(chǎn)生的條件：屏上某點(diǎn)P到兩條縫S1和S2

7、的路程差正好是半波長的奇數(shù)倍．即|PS1－PS2|＝(2k－1)·(k＝1,2,3…)，k為暗條紋的級次，從第1級暗條紋開始向兩側(cè)展開． 【例1】　在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，雙縫到光屏上P點(diǎn)的距離之差為0.6 μm，若分別用頻率f1＝5.0×1014Hz和f2＝7.5×1014Hz的單色光垂直照射雙縫，則P點(diǎn)出現(xiàn)明、暗條紋的情況是： 單色光f1照射時(shí)出現(xiàn)______條紋，單色光f2照射時(shí)出現(xiàn)______條紋． [解析]　本題考查雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中屏上出現(xiàn)明、暗條紋的條件．根據(jù)波的疊加知識，可知與兩個(gè)狹縫的光程差是波長的整數(shù)倍處出現(xiàn)亮條紋，與兩個(gè)狹縫的光程差是半波長的奇數(shù)倍處出現(xiàn)暗條紋．據(jù)λ＝可得λ1

8、＝＝ m＝0.6×10－6 m＝0.6 μm，λ2＝＝ m＝0.4×10－6 m＝0.4 μm，即d＝λ1，d＝λ2. [答案]　明　暗 雙縫干涉中亮條紋或暗條紋的判斷方法 (1)判斷屏上某點(diǎn)為亮條紋還是暗條紋，要看該點(diǎn)到兩個(gè)光源(雙縫)的光程差與波長的比值． (2)出現(xiàn)明條紋的條件是光程差等于波長的整數(shù)倍． (3)出現(xiàn)暗條紋的條件是光程等于半波長的奇數(shù)倍，而不是整數(shù)倍． 1．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(diǎn)出現(xiàn)第3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(yīng)為________． [解析]　出現(xiàn)暗條紋，說

9、明S1、S2到P點(diǎn)距離之差為×(2n－1)＝λ，而λ＝，所以|r1－r2|＝λ＝. [答案]　 雙縫干涉圖樣的特點(diǎn) 1．單色光的干涉圖樣(如圖所示) 若用單色光作光源，則干涉條紋是明暗相間的條紋，且條紋間距相等．中央為亮條紋，兩相鄰亮條紋(或暗條紋)間距離與光的波長有關(guān)，波長越大，條紋間距越大． 2．白光的干涉圖樣 若用白光作光源，則干涉條紋是彩色條紋，且中央條紋是白色的．這是因?yàn)椋? (1)從雙縫射出的兩列光波中，各種色光都能形成明暗相間的條紋，各種色光都在中央條紋處形成亮條紋，從而復(fù)合成白色條紋． (2)兩側(cè)條紋間距與各色光的波長成正比，即紅光的亮條紋間距寬度

10、最大，紫光的亮條紋間距寬度最小，即除中央條紋以外的其他條紋不能完全重合，這樣便形成了彩色干涉條紋． 【例2】　如圖甲為雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的裝置示意圖．圖乙為用綠光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，在屏上觀察到的條紋情況，a為中央亮條紋，丙圖為換用另一顏色的單色光做實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到的條紋情況，a′為中央亮條紋．若已知紅光、綠光和紫光的波長大小關(guān)系為紅光的波長最長，紫光的波長最短．則以下說法不正確的是(　　) A．丙圖比乙圖條紋間的間距大 B．丙圖可能為用紅光實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的條紋，表明紅光波長較長 C．丙圖可能為用紫光實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的條紋，表明紫光波長較長 D．丙圖可能為用紫光實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的條紋，表明紫光波長較短

11、E．丙圖可能為用紅光實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的條紋，表明紅光波長較短 CDE　[根據(jù)雙縫干涉圖樣的特點(diǎn)，入射光的波長越長，同一裝置產(chǎn)生的雙縫干涉圖樣中條紋的間距就越大．由本題的條件可確定另一種顏色的單色光比綠光的波長長，因此A、B正確，C、D、E錯(cuò)誤．] 對干涉條紋間距的理解 干涉條紋間距是兩個(gè)相鄰的同類條紋中線間的距離，既可以是兩相鄰亮條紋中線間的距離，也可以是兩相鄰暗條紋中線間的距離． 2．關(guān)于光的干涉，下列說法正確的是(　　) A．在雙縫干涉現(xiàn)象中，相鄰兩亮條紋和相鄰兩暗條紋的間距是不等的 B．在雙縫干涉現(xiàn)象中，把入射光由波長較長的紅光換成波長較短的紫光，相鄰兩個(gè)亮條紋間距將

12、變窄 C．在雙縫干涉現(xiàn)象中，將綠光換為紅光，相鄰兩個(gè)亮條紋間距將變寬 D．在雙縫干涉現(xiàn)象中，入射光為白光時(shí)得到的彩色條紋為內(nèi)紅外紫 E．在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，使雙縫間的距離變小，相鄰兩亮條紋間的距離變大 BCE　[在雙縫干涉現(xiàn)象中，相鄰兩亮條紋和相鄰兩暗條紋的間距是相等的，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；入射光的波長越長，相鄰兩個(gè)亮條紋的間距越大，故選項(xiàng)B、C正確；由于各色條紋間距不同，且紅光條紋最寬，紫光條紋最窄，故彩色條紋應(yīng)為內(nèi)紫外紅，選項(xiàng)D錯(cuò)誤；由Δx＝λ知E正確．] 課 堂 小 結(jié) 知 識 脈 絡(luò) 1.光的干涉現(xiàn)象，光是一種波，干涉是波特有的性質(zhì)． 2．光產(chǎn)生干涉的條件以及相干光源的概念． 3．干涉的原理、干涉條紋形成的原因及特點(diǎn)． 4．利用明暗條紋產(chǎn)生的條件解決問題. - 6 -