2018-2019學年高中物理 第5章 光的干涉 衍射 偏振 第1講 光的干涉課件 魯科版選修3-4.ppt

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第5章——,光的干涉衍射偏振,,第1講光的干涉,目標定位1.知道光的干涉現象，知道光是一種波.2.理解相干光源和產生干涉現象的條件.3.理解明暗條紋的成因及出現明暗條紋的條件.4.了解雙縫干涉測量光的波長的實驗原理，能夠利用雙縫干涉實驗測量單色光的波長.5.理解薄膜干涉的成因，知道薄膜干涉的現象和應用．,,欄目索引CONTENTSPAGE,一、光的干涉及其產生條件,1．要使兩列光波相遇時產生干涉現象，兩光源必須具有相同的和．2．出現明、暗條紋的條件如果兩列光波到達某點時，路程差為波長的倍，那么，這兩束光波互相加強，在那里就出亮條紋；如果兩列光波到達某點時，路程差為半波長的倍，就出現暗條紋．,頻率,振動方向,整數,奇數,3．條紋間距：雙縫干涉實驗中，相鄰兩條亮紋或暗紋間的距離：,二、科學探究——測定光的波長,原理：在雙縫干涉實驗中，測出光屏上亮(暗)條紋的寬度，利用公式λ＝Δy求出光波的波長．,想一想實驗中為什么不直接測出相鄰兩條亮條紋間的距離Δy，而要測出n個亮條紋間的距離，再求平均值？答案由于光的波長很小，實驗中條紋寬度很小，直接測出一條條紋的寬度不準確或較難實現，只能先測出n個條紋間距，再求相鄰亮條紋間的距離，這樣既便于測量，又可以減小誤差．,三、薄膜干涉及其應用,1．薄膜干涉：由兩個面反射的光波相遇而產生的干涉現象．2．成因豎直放置的肥皂薄膜受到重力作用，下面厚，上面薄，因此在膜上不同的位置，來自前后兩個面的反射光所走的路程不同．這兩列波在一些地方疊加后相互，出現亮條紋；在另一些位置，疊加后相互，出現暗條紋．,薄膜,加強,削弱,3．常見的薄膜干涉現象(1)白光照射肥皂液膜出現彩色條紋；(2)蚌殼內表面透明薄膜上呈現各種色彩；(3)有些昆蟲薄而透明的翅翼上出現彩色光帶；(4)有透明薄膜保護層的激光唱片呈現彩色．,4．應用：檢查平面的平整程度．想一想熱菜湯表面的油花、馬路上積水表面的油膜，都會看到彩色的條紋，這些彩色條紋是如何形成的呢？答案由薄膜干涉造成的．白光照射在油膜表面，被薄膜前、后表面反射的兩列反射波疊加，形成干涉條紋．由于白光中的各色光波長不同，干涉后的條紋間距不同，薄膜上就會出現彩色花紋．,一、楊氏雙縫干涉實驗,,圖1,1．雙縫干涉的裝置示意圖實驗裝置如圖1所示，有光源、單縫、雙縫和光屏．(1)單縫的作用：獲得一束線光源，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．產生干涉的條件兩列光的頻率相同、相位差恒定、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．實驗結論光是一種波．,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，因此屏上不會出現干涉條紋，但仍有光亮，故C對．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，是對此類問題做出正確判斷的關鍵，該知識點必須記住.,二、屏上某處出現亮、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倍或半波長的偶數倍．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展開．,例2如圖2所示是雙縫干涉實驗裝置，使用波長為600nm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點出現第一條亮條紋中心(即P1到S1、S2的光程差為一個波長)，現換用波長為400nm的紫光源照射單縫，則()A．P和P1仍為亮點B．P為亮點，P1為暗點C．P為暗點，P1為亮點D．P、P1均為暗點,圖2,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，因此是亮條紋中心，因而，無論入射光是什么顏色的光，波長多大，P點都是中央亮條紋中心．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|＝600nm＝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，出現亮條紋．當換用波長為400nm的紫光時，|P1S1－P1S2|＝600nm＝λ紫，則兩列,圖2,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(光程差)與波長的比值，要記住光程差等于波長整數倍處出現亮條紋，等于半波長奇數倍處為暗條紋，還要注意這一結論成立的條件是：兩個光源情況完全相同．,三、用雙縫干涉測光的波長,1．實驗原理(1)光源發(fā)出的光經濾光片成為單色光，單色光通過單縫后相當于線光源，經雙縫產生穩(wěn)定的干涉圖樣，通過屏可以觀察到明暗相間的干涉條紋．(2)若雙縫到屏的距離用l表示，雙縫間的距離用d表示，相鄰兩條亮紋(或暗紋)間的距離用Δy表示，則入射光的波長為λ＝.實驗中d是已知的，測出l、Δy即可測出光的波長λ.,2．實驗步驟(1)按如圖3所示安裝儀器．(2)將光源中心、單縫中心、雙縫中心調節(jié)在遮光筒的中心軸線上．(3)使光源發(fā)光，讓通過后的條形光斑恰好落在雙縫上，通過遮光筒上的測量頭，仔細調節(jié)目鏡，觀察白光的干涉條紋(彩色條紋)．,圖3,(4)加裝濾光片，通過目鏡觀察單色光的干涉條紋，同時調節(jié)手輪，分劃板的中心刻線對齊某一條亮條紋(或暗條紋)的中心，記下手輪的讀數，然后繼續(xù)轉動使分劃板移動，直到分劃板的中心刻線對齊另一條亮條紋(或暗條紋)中心，記下此時手輪讀數和移過分劃板中心刻度線的條紋數n.,(6)換用另一濾光片，重復步驟(3)、(4)，并求出相應的波長．,3．注意事項(1)單縫、雙縫應相互平行，其中心位于遮光筒的中心軸線上，雙縫到單縫的距離應相等．(2)測雙縫到屏的距離l用毫米刻度尺測多次取平均值．(3)測條紋間距Δy時，采用累積法，即用測量頭測出n條亮條紋(或暗條紋)間的距離a，求出相鄰的兩條亮條紋(或暗條紋)間的距離Δy＝.,例3現有毛玻璃屏A、雙縫B、白光光源C、單縫D和透紅光的濾光片E等光學元件，要把它們放在圖4所示的光具座上組裝成雙縫干涉裝置，用以測量紅光的波長．(1)將白光光源C放在光具座最左端，依次放置其他光學元件，由左至右，表示各光學元件的字母排列順序應為C、________、A.,圖4,解析濾光片E是從白光中選出單色紅光，單縫屏是獲取線光源，雙縫屏是獲得相干光源，最后成像在毛玻璃屏上．所以排列順序為：C、E、D、B、A.答案E、D、B,(2)本實驗的步驟有：①取下遮光筒左側的元件，調節(jié)光源高度，使光束能直接沿遮光筒軸線把屏照亮；②按合理順序在光具座上放置各光學元件，并使各元件的中心位于遮光筒的軸線上；③用米尺測量雙縫到屏的距離；④用測量頭(其讀數方法同螺旋測微器)測量數條亮紋間的距離．在操作步驟②時還應注意_____________________.,解析在操作步驟②時應注意的事項有：放置單縫、雙縫時，必須使縫平行；要保證光源、濾光片、單縫、雙縫和光屏的中心在同一軸線上．答案放置單縫、雙縫時，必須使縫平行,(3)將測量頭的分劃板中心刻線與某亮紋中心對齊，將該亮紋定為第1條亮紋，此時手輪上的示數如圖5甲所示．然后同方向轉動測量頭，使分劃板中心刻線與第6條亮紋中心對齊，記下此時圖乙中手輪上的示數________mm，求得相鄰亮紋的間距Δy為________mm.,圖5,解析螺旋測微器的讀數應該：先讀整數刻度，然后看半刻度是否露出，最后看可動刻度，圖乙讀數為13.870mm，圖甲讀數為2.320mm，所以相鄰條紋間距Δy＝mm＝2.310mm.答案13.8702.310,(4)已知雙縫間距d為2.010－4m，測得雙縫到屏的距離l為0.700m，由計算式λ＝________，求得所測紅光波長為________nm.,6.6102,四、對薄膜干涉的理解,1．現象：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生的干涉現象．兩反射光的光程差等于膜厚度的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，肥皂泡上就會出現明暗相間的條紋；如果是白光照射肥皂泡，液膜上就會出現彩色條紋，且每一條紋呈水平分布．3．應用：用干涉法檢查平面的平整程度；光學鏡頭上的增透膜．,例4如圖6所示為一顯示薄膜干涉現象的實驗裝置，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，所以干涉條紋應是水平的．答案D,借題發(fā)揮在光的薄膜干涉中，前、后表面反射光的路程差由膜的厚度決定，所以薄膜干涉中同一亮條紋或同一暗條紋應出現在厚度相同的地方，因此又叫等厚干涉，由于光波波長極短，因此做薄膜干涉所用的介質膜應足夠薄，才能觀察到干涉條紋．,1．用兩個紅燈泡照射白墻，在墻上看到的是()A．明暗相間的條紋B．彩色條紋C．一片紅光D．晃動的條紋解析兩燈泡不是相干光源故現象為C.,楊氏雙縫干涉實驗,,C,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0.6μm，若分別用頻率為f1＝5.01014Hz和f2＝7.51014Hz的單色光垂直照射雙縫，則P點出現明、暗條紋的情況是()A．用單色光f1和f2分別照射時，均出現明條紋B．用單色光f1和f2分別照射時，均出現暗條紋C．用單色光f1照射時出現明條紋，單色光f2照射時出現暗條紋D．用單色光f1照射時出現暗條紋，單色光f2照射時出現明條紋,解析單色光f1的波長：,因P點到雙縫的距離之差Δx＝0.6μm＝λ1，,所以用單色光f1照射時P處出現亮紋．,所以用單色光f2照射時P處出現暗紋，故選項C正確．答案C,用雙縫干涉測光的波長,3．在“用雙縫干涉測量光的波長”的實驗中，若已知雙縫間的距離d.(1)若測定綠光的波長，應選用___色的濾光片．實驗時需要測定的物理量有______________和______________．,解析由于要測量綠光的波長，因此應用綠色濾光片．由Δy＝λ可知要想測λ必須測定雙縫到屏的距離l和條紋間距Δy.,綠,雙縫到屏的距離相鄰條紋間距,(2)已知雙縫到光屏之間的距離l＝500mm，雙縫之間的距離d＝0.50mm，單縫到雙縫之間的距離s＝100mm，某同學在用測量頭測量時，調整手輪，在測量頭目鏡中先看到分劃板中心刻線對準第A條亮紋的中心，然后他繼續(xù)轉動，使分劃板中心刻線對準第B條亮紋的中心，前后兩次游標卡尺的讀數如圖7所示．則入射光的波長λ＝________m(結果保留兩位有效數字)．,圖7,答案6.410－7,(3)實驗中發(fā)現條紋太密，難以測量，可以采用的改善辦法有________．A．改用波長較長的光(如紅光)作為入射光B．增大雙縫到屏的距離C．增大雙縫到單縫的距離D．增大雙縫間距,答案AB,對薄膜干涉的理解,4．關于薄膜干涉，下列說法中正確的是()A．只有厚度均勻的薄膜，才會發(fā)生干涉現象B．只有厚度不均勻的楔形薄膜，才會發(fā)生干涉現象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象時，觀察者應和光源在液膜的同一側,解析當光從薄膜的一側照射到薄膜上時，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，就會出現明條紋，滿足振動減弱的條件就會出現暗條紋．這種情況在薄膜厚度不均勻時才會出現；當薄膜厚度均勻時，不會出現干涉條紋，但也發(fā)生干涉現象，如果是單色光照射，若滿足振動加強的條件，整個薄膜前方都是亮的，否則整個薄膜的前方都是暗的；如果是復色光照射，某些顏色的光因干涉而減弱，另一些顏色的光會因干涉而加強，減弱的光透過薄膜，加強的光被反射回來，這時會看到薄膜的顏色呈某種單色光的顏色，但不形成干涉條紋，故D對．答案D,