2017-2018學(xué)年高中物理 第五章 光的波動性 第1講 光的干涉學(xué)案 教科版選修3-4.doc

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第1講　光的干涉 [目標(biāo)定位]　1.知道光的干涉現(xiàn)象，知道光是一種波.2.理解相干光源和產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的條件.3.理解明暗條紋的成因及出現(xiàn)明暗條紋的條件.4.理解薄膜干涉的成因，知道薄膜干涉的現(xiàn)象和應(yīng)用． 一、雙縫干涉 1．1801年，英國物理學(xué)家托馬斯楊在實驗室里成功地觀察到了光的干涉． 2．雙縫干涉：紅色激光束垂直射到兩條狹縫上，在它的后面的屏幕上看到了明暗相間的條紋，且條紋間距相等，這表明兩束光在疊加區(qū)域內(nèi)發(fā)生了干涉． 3．出現(xiàn)明、暗條紋的條件： 光從兩狹縫到屏上某點的路程差為半波長的偶數(shù)倍(即波長λ的整數(shù)倍)時，這些點出現(xiàn)明條紋；當(dāng)路程差為半波長的奇數(shù)倍時，這些點出現(xiàn)暗條紋． 4．光干涉的必要條件是兩列光的頻率相同． 5．光的干涉現(xiàn)象充分表明光是一種波． 二、薄膜干涉 1．原理：以肥皂膜為例，單色光平行入射到肥皂泡液薄膜上，由液膜前后兩個表面反射回來的兩列光是相干光，它們相互疊加產(chǎn)生干涉，肥皂泡上就出現(xiàn)了明暗相間的條紋或區(qū)域． 2．應(yīng)用：檢查平面的平整程度. 一、雙縫干涉實驗 1．實驗裝置示意圖 實驗裝置如圖1所示，有光源、單縫、雙縫和光屏． 圖1 (1)單縫的作用：獲得一個線光源，使光源有唯一的頻率和振動情況．也可用激光直接照射雙縫． (2)雙縫的作用：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． 2．產(chǎn)生干涉的條件：兩列光的頻率相同、相位相同、振動方向相同．本實驗中是靠“一分為二”的方法獲得兩個相干光源的． 3．干涉圖樣 (1)若用單色光作光源，則干涉條紋是等間距的明暗相間的條紋． (2)若用白光作光源，則干涉條紋是彩色條紋，且中間條紋是白色的． 4．實驗結(jié)論：證明光是一種波． 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，其他顏色的干涉條紋依然存在 C．任何顏色的雙縫干涉條紋都不存在，但屏上仍有光亮 D．屏上無任何光亮 解析　兩列光波發(fā)生干涉的條件之一是頻率相等，利用雙縫將一束光分成能夠發(fā)生疊加的兩束光，在光屏上形成干涉條紋，但分別用綠色濾光片和紅色濾光片擋住兩條縫后，紅光和綠光頻率不等，不能發(fā)生干涉，因此屏上不會出現(xiàn)干涉條紋，但仍有光亮． 答案　C 借題發(fā)揮　明確兩列光波發(fā)生干涉的條件，知道不同色光的頻率不同，是對此類問題作出正確判斷的關(guān)鍵. 二、雙縫干涉圖樣中出現(xiàn)亮、暗條紋的條件 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(shù)倍或半波長的偶數(shù)倍．即： |PS1－PS2|＝kλ＝2k(k＝0,1,2,3，…) k＝0時，PS1＝PS2，此時P點位于屏上的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(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2　如圖2所示是雙縫干涉實驗裝置，使用波長為600 nm的橙色光源照射單縫S，在光屏中央P處觀察到亮條紋，在位于P點上方的P1點出現(xiàn)第一條亮條紋中心(即P1到S1、S2的路程差為一個波長)，現(xiàn)換用波長為400 nm的紫光源照射單縫，則(　　) 圖2 A．P和P1處仍為亮條紋 B．P處為亮條紋，P1處為暗條紋 C．P處為暗條紋，P1處為亮條紋 D．P、P1處均為暗條紋 解析　從單縫S射出的光波被S1、S2兩縫分成兩束相干光，由題意知屏中央P點到S1、S2距離相等，即分別由S1、S2射出的光到P點的路程差為零，因此中心是亮條紋，因而，無論入射光是什么顏色的光，波長多大，P點都是中央亮條紋．而分別由S1、S2射出的光到P1點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點振動情況完全一致，振動得到加強，因此，出現(xiàn)亮條紋．當(dāng)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點時振動情況完全相反，即分別由S1、S2射出的光到達P1點時相互削弱，因此，在P1點出現(xiàn)暗條紋．綜上所述，選項B正確． 答案　B 借題發(fā)揮　判斷屏上某點為亮條紋還是暗條紋，要看該點到兩個光源(雙縫)的路程差與半波長的比值，要記住路程差等于半波長偶數(shù)倍處出現(xiàn)亮條紋，等于半波長奇數(shù)倍處出現(xiàn)暗條紋，還要注意這一結(jié)論成立的條件是：兩個光源情況完全相同． 針對訓(xùn)練　如圖3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(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(　　) 圖3 A． B． C． D． 解析　出現(xiàn)暗條紋，說明S1、S2到P點距離之差為(2k－1)＝λ而λ＝，所以|r1－r2|＝λ＝，因此D是正確的． 答案　D 三、對薄膜干涉的理解 1．現(xiàn)象：光照到薄膜上，從膜的前表面和后表面反射回來的光再次相遇而產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象．兩反射光的路程差等于膜厚度的2倍． 2．圖樣：以光照射肥皂泡為例，如果是單色光照射肥皂泡，肥皂泡上就會出現(xiàn)明暗相間的條紋或區(qū)域；如果是白光照射肥皂泡，液膜上就會出現(xiàn)彩色條紋，且每一條紋呈水平分布． 3．應(yīng)用：用干涉法檢查平面的平整程度；光學(xué)鏡頭上的增透膜． 例3　關(guān)于薄膜干涉，下列說法中正確的是(　　) A．只有厚度均勻的薄膜，才會發(fā)生干涉現(xiàn)象 B．只有厚度不均勻的楔形薄膜，才會發(fā)生干涉現(xiàn)象 C．厚度均勻的薄膜會形成干涉條紋 D．觀察肥皂液膜的干涉現(xiàn)象時，觀察者應(yīng)和光源在液膜的同一側(cè) 解析　當(dāng)光從薄膜的一側(cè)照射到薄膜上時，只要前后兩個面反射回來的光波的路程差滿足振動加強的條件，就會出現(xiàn)明條紋，滿足振動減弱的條件就會出現(xiàn)暗條紋．這種情況在薄膜厚度不均勻時才會出現(xiàn)；當(dāng)薄膜厚度均勻時，不會出現(xiàn)干涉條紋，但也發(fā)生干涉現(xiàn)象．觀察肥皂液膜的干涉現(xiàn)象時，觀察者應(yīng)和光源在液膜的同一側(cè)． 答案　D 雙縫干涉 1.(多選)雙縫干涉實驗裝置如圖4所示，調(diào)整實驗裝置使得像屏上可以見到清晰的干涉條紋．關(guān)于干涉條紋的情況，下列敘述正確的是(　　) 圖4 A．若將像屏向右平移一小段距離，屏上仍有清晰的干涉條紋 B．若將像屏向左平移一小段距離，屏上的干涉條紋將不會發(fā)生變化 C．若將像屏向上平移一小段距離，屏上仍有清晰的干涉條紋 D．若將像屏向上平移一小段距離，屏上的干涉條紋不會發(fā)生變化 答案　ACD 明、暗條紋的判斷 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＝5.01014 Hz和f2＝7.51014 Hz的單色光垂直照射雙縫，則P點出現(xiàn)明、暗條紋的情況是(　　) A．用單色光f1和f2分別照射時，均出現(xiàn)明條紋 B．用單色光f1和f2分別照射時，均出現(xiàn)暗條紋 C．用單色光f1照射時出現(xiàn)明條紋，單色光f2照射時出現(xiàn)暗條紋 D．用單色光f1照射時出現(xiàn)暗條紋，單色光f2照射時出現(xiàn)明條紋 解析　單色光f1的波長： λ1＝＝ m＝0.610－6 m＝0.6 μm. 單色光f2的波長： λ2＝＝ m＝0.410－6 m＝0.4 μm. 因P點到雙縫的距離之差Δx1＝0.6 μm＝λ1， 所以用單色光f1照射時P處出現(xiàn)亮條紋． Δx2＝0.6 μm＝λ2， 所以用單色光f2照射時P處出現(xiàn)暗條紋，故選項C正確． 答案　C 3.如圖5所示，用單色光做雙縫干涉實驗，P處為第二條暗條紋，改用頻率較低的單色光重做上述實驗(其他條件不變)時，則同側(cè)第二條暗條紋的位置(　　) 圖5 A．仍在P處 B．在P點上方 C．在P點下方 D．要將屏向雙縫方向移近一些才能看到 解析　由λ＝知f變小，λ變大．若出現(xiàn)第二條暗條紋，則P到雙縫的路程差Δr＝λ，當(dāng)λ變大時，Δr也要變大，故第二條暗條紋的位置向上移，在P點上方，B正確． 答案　B 薄膜干涉 4．如圖6所示為一顯示薄膜干涉現(xiàn)象的實驗裝置，P是附有肥皂薄膜的鐵絲圈，S是一點燃的酒精燈，往火焰上撒些鹽后，在肥皂膜上觀察到的干涉圖樣應(yīng)是圖中的(　　) 圖6　　　　　　 解析　鐵絲圈上的肥皂泡薄膜在重力作用下上薄下厚，在同一水平線上厚度基本一致，如果某一厚度處前后表面反射的同一列光波疊加得到加強，那么這一水平線上同一厚度處光波會加強，所以干涉條紋應(yīng)是水平的． 答案　D 題組一　雙縫干涉現(xiàn)象 1．從兩只相同的手電筒射出的光，當(dāng)它們在某一區(qū)域疊加后，看不到干涉圖樣，這是因為(　　) A．手電筒射出的光是單色光 B．干涉圖樣太細小看不清楚 C．周圍環(huán)境的光太強 D．這兩束光為非相干光源 解析　兩束光的相位差不恒定，且都不是單色光，故不是相干光源，因此不能產(chǎn)生干涉圖樣． 答案　D 2．下列關(guān)于雙縫干涉實驗的說法中，正確的是(　　) A．單縫的作用是獲得頻率保持不變的相干光源 B．雙縫的作用是獲得兩個振動情況相同的相干光源 C．光屏上距兩縫的路程差等于半波長的整數(shù)倍處出現(xiàn)暗條紋 D．照射單縫的單色光的頻率越高，光屏上出現(xiàn)的條紋寬度越寬 解析　單縫的作用是產(chǎn)生一個線光源，兩個頻率相同的光源稱為相干光源，選項A錯誤；雙縫的作用是產(chǎn)生兩個頻率相同、振動情況相同的相干光源，選項B正確；路程差等于半波長奇數(shù)倍處出現(xiàn)暗條紋，選項C錯誤；頻率越高，波長越短，條紋寬度越窄，選項D錯誤． 答案　B 3．一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(cè)還有彩色條紋，其原因是(　　) A．各色光的波長不同，因而各色光分別產(chǎn)生的干涉條紋間距不同 B．各色光的速度不同，造成條紋的間距不同 C．各色光的強度不同，造成條紋的間距不同 D．各色光通過雙縫到達一確定點的距離不同 解析　各色光的頻率不同，波長不同，在屏上得到的干涉條紋的寬度不同，各種顏色的條紋疊加后得到彩色條紋． 答案　A 4．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(xiàn)黑白相間的條紋 B．用紅光作為光源，屏上將呈現(xiàn)紅黑相間的條紋 C．用紅光作為光源，屏上將呈現(xiàn)彩色條紋 D．用紅光照射一條狹縫，用紫光照射另一條狹縫，屏上將呈現(xiàn)彩色條紋 解析　用白光做楊氏雙縫干涉實驗，屏上將呈現(xiàn)彩色條紋，A錯；用紅光作為光源，屏上將呈現(xiàn)紅色亮條紋與暗條紋(即黑條紋)相間，B對，C錯；紅光和紫光頻率不同，不能產(chǎn)生干涉條紋，D錯． 答案　B 題組二　明、暗條紋的判斷 5．(多選)用單色光做雙縫干涉實驗時(　　) A．屏上到雙縫的路程差等于波長整數(shù)倍處出現(xiàn)明條紋 B．屏上到雙縫的路程差等于半波長整數(shù)倍處，可能是明條紋，也可能是暗條紋 C．屏上的明條紋一定是兩列光波的波峰與波峰相遇的地方 D．屏上的明條紋是兩列光波的波峰與波谷相遇的地方 解析　在雙縫干涉實驗中，屏上到雙縫的路程差等于波長整數(shù)倍處出現(xiàn)明條紋，則可能是兩列光波的波峰與波峰或波谷與波谷相遇的地方，A選項正確，C選項錯誤；屏上到雙縫的路程差等于半波長整數(shù)倍處，可能是半波長的奇數(shù)倍(暗條紋)，也可能是半波長的偶數(shù)倍(明條紋)，B選項正確；兩列光波的波峰與波谷相遇的地方，應(yīng)是暗條紋，D選項錯誤． 答案　AB 6．如圖1所示是研究光的雙縫干涉的示意圖，擋板上有兩條狹縫S1、S2，由S1和S2發(fā)出的兩列波到達屏上時產(chǎn)生干涉條紋，已知入射激光的波長為λ，屏上的P點到兩狹縫S1和S2的距離相等，如果把P處的亮條紋記作0號亮紋，由P向上數(shù)，與0號亮紋相鄰的亮紋為1號亮紋，與1號亮紋相鄰的亮紋為2號亮紋，則P1處的亮紋恰好是10號亮紋．設(shè)直線S1P1的長度為δ1，S2P1的長度為δ2，則δ2－δ1等于(　　) 圖1 A．9λ B．10λ C．11λ D．18λ 解析　若屏上的P點到兩狹縫S1和S2的路程差是波長的整數(shù)倍，則屏上出現(xiàn)亮條紋．P1處的亮紋恰好是10號亮紋，δ2－δ1＝10λ，選項B正確． 答案　B 7．(多選)雙縫干涉實驗裝置如圖2所示，綠光通過單縫S后，投射到具有雙縫的擋板上，雙縫S1和S2與單縫S的距離相等，光通過雙縫后在與雙縫平行的屏上形成干涉條紋．屏上O點距雙縫S1和S2的距離相等，P點是距O點最近的第一條亮條紋，如果將入射的單色光換成紅光或藍光，已知紅光波長大于綠光波長，綠光波長大于藍光波長，則下列說法正確的是(　　) 圖2 A．O點是紅光的亮條紋 B．紅光的第一條亮條紋在P點的上方 C．O點不是藍光的亮條紋 D．藍光的第一條亮條紋在P點的上方 解析　由于O點到雙縫的路程差為零，所以為各種色光的亮條紋，A正確；P點由于是綠光的第一條亮條紋，紅光的波長大于綠光的波長，紅光的條紋間距大于綠光的條紋間距，因此B也正確．故正確答案為A、B． 答案　AB 題組三　薄膜干涉 8．下列現(xiàn)象中與光的薄膜干涉有關(guān)的是(　　) A．水面上的油膜在陽光照射下呈現(xiàn)彩色 B．水中的氣泡看起來特別明亮 C．白光通過三棱鏡后形成彩色光帶 D．白光通過雙縫后在光屏上形成彩色條紋 解析　水中的氣泡看起來特別明亮是光的全反射，白光通過三棱鏡后形成彩色光帶是光的折射，白光通過雙縫后在光屏上形成彩色條紋是光的雙縫干涉，選項A正確． 答案　A 9．(多選)如圖3所示，一束白光從左側(cè)射入肥皂薄膜，下列說法中正確的是(　　) 圖3 A．人從右側(cè)向左看，可以看到彩色條紋 B．人從左側(cè)向右看，可以看到彩色條紋 C．彩色條紋水平排列 D．彩色條紋豎直排列 解析　一束白光射到薄膜上，經(jīng)前后兩個面反射回來的光相遇，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，從左側(cè)向右看可看到彩色條紋，又由于薄膜同一水平線上的厚度相同，所以彩色條紋是水平排列的，故正確答案為B、C． 答案　BC 10．(多選)把一平行玻璃板壓在另一個平行玻璃板上，一端用薄片墊起，構(gòu)成空氣劈尖，讓單色光從上方豎直射入，如圖4所示，這時可以看到明暗相間的條紋，下面關(guān)于條紋的說法中正確的是(　　) 圖4 A．干涉條紋的產(chǎn)生是由于光在空氣劈尖膜的上下兩表面反射形成的兩列光波疊加的結(jié)果 B．干涉條紋中的暗條紋是由于上述兩列反射光的波谷與波谷疊加的結(jié)果 C．將上玻璃板平行上移，條紋向著劈尖移動 D．觀察薄膜干涉條紋時，應(yīng)在入射光的另一側(cè) 解析　根據(jù)薄膜干涉的產(chǎn)生原理，上述現(xiàn)象是由空氣膜上下表面反射的兩列光疊加而成的，當(dāng)波峰與波峰、波谷與波谷相遇疊加時，振動加強，形成亮條紋，所以A項正確，B項錯誤；因相干光是反射光，故觀察薄膜干涉時，應(yīng)在入射光的同一側(cè)，故D項錯誤；根據(jù)條紋的位置與空氣膜的厚度是對應(yīng)的，當(dāng)上玻璃板平行上移時，同一厚度的空氣膜向劈尖移動，故條紋向著劈尖移動，故C項正確． 答案　AC 11．市場上有種燈具俗稱“冷光燈”，用它照射物品時能使被照物品處產(chǎn)生的熱效應(yīng)大大降低，從而廣泛地應(yīng)用于博物館、商店等處．這種燈降低熱效應(yīng)的原因之一是在燈泡后面放置的反光鏡玻璃表面上鍍一層薄膜(例如氟化鎂)，這種膜能消除不鍍膜時玻璃表面反射回來的熱效應(yīng)最顯著的紅外線．以λ表示此紅外線在薄膜中的波長，用λ0表示此紅外線在真空中的波長，則所鍍薄膜的厚度最小應(yīng)為(　　) A．λ0 B．λ C．λ D．λ0 解析　要消除反射回來的紅外線，即從薄膜前后表面反射回來的紅外線發(fā)生干涉，相互抵消，出現(xiàn)暗條紋，即2d＝，解得：d＝，選項B正確． 答案　B 12．用如圖5所示的實驗裝置觀察光的薄膜干涉現(xiàn)象．圖(a)是點燃的酒精燈(在燈芯上撒些鹽)，圖(b)是豎立的附著一層肥皂液薄膜的金屬絲圈．將金屬絲圈在其所在的豎直平面內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn)，觀察到的現(xiàn)象是(　　) 圖5 A．當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)30時干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)30 B．當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)45時干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)90 C．當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)60時干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)30 D．干涉條紋保持原來狀態(tài)不變 解析　金屬絲圈的轉(zhuǎn)動，改變不了肥皂液膜的上薄下厚的形狀，由干涉原理可知干涉條紋與金屬絲圈在該豎直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動無關(guān)，仍然是水平的干涉條紋，A、B、C錯誤，D正確． 答案　D 13．(多選)如圖6所示，用單色光照射透明標(biāo)準(zhǔn)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(　　) 圖6 A．N的上表面A處向上凸起 B．N的上表面B處向上凸起 C．N的上表面A處向下凹陷 D．N的上表面B處向下凹陷 解析　空氣厚度從左向右依次增大，則兩表面的反射光的路程差自左向右依次增大．當(dāng)＝kλ(k＝0,1,2…)時，出現(xiàn)亮條紋，當(dāng)＝λ(k＝0,1,2…)時，出現(xiàn)暗條紋．同一條紋上的各點對應(yīng)的厚度相同(類比于地理上的等高線)，當(dāng)條紋向左彎由(P)說明等高線向左移動，即現(xiàn)在A處的高度和A處右邊點的高度相同，因此高度變大，A處下凹．當(dāng)條紋向右彎曲(Q)，說明等高線右移，即現(xiàn)在B處的高度和左邊點的高度相同，B處上凸．B、C正確． 答案　BC 14．一個半徑較大的透明玻璃球體，截去其下面的一部分，然后將這一部分放到標(biāo)準(zhǔn)的水平面上，現(xiàn)讓單色光豎直射向截面，如圖7所示，在反射光中看到的是(　　) 圖7 A．平行的明暗相間的直干涉條紋 B．環(huán)形的明暗相間的干涉條紋 C．只能看到同顏色的平行反射光 D．一片黑暗 解析　這是薄膜干涉模型，由于以接觸點為圓心的同一圓周上，光通過空氣楔的路程差是相同的，故干涉條紋是環(huán)形的． 答案　B