2019-2020年高中物理第5章光的干涉衍射偏振第1节光的干涉教学案鲁科版选修3.doc

2019-2020年高中物理第5章光的干涉衍射偏振第1节光的干涉教学案鲁科版选修3 1杨氏双缝干涉实验证明光是一种波。2要使两列光波相遇时产生干涉现象，两光源必须具有相同的频率和振动方向。3在双缝干涉实验中，相邻两条亮纹或暗纹间的距离y，可利用y测定光的波长。4由薄膜两个面反射的光波相遇而产生的干涉现象叫薄膜干涉。光的干涉及其产生条件自读教材抓基础1实验现象在屏上出现明暗相间的条纹。相邻两条亮纹或暗纹间的距离y，式中的d表示两缝间距，l表示两缝到光屏的距离，为光波的波长。2实验结论证明光是一种波。3光的相干条件相同的频率和振动方向。跟随名师解疑难1杨氏双缝干涉实验原理透析(1)双缝干涉的装置示意图：实验装置如图511所示，有光源、单缝、双缝和光屏。图511(2)单缝的作用：获得一个线光源，使光源有唯一的频率和振动情况，如果用激光直接照射双缝，可省去单缝，杨氏那时没有激光，因此他用强光照亮一条狭缝，通过这条狭缝的光再通过双缝发生干涉。(3)双缝的作用：平行光照射到单缝S上，又照到双缝S1、S2上，这样一束光被分成两束频率相同和振动情况完全一致的相干光。2光屏上某处出现亮、暗条纹的条件频率相同的两列波在同一点引起的振动发生叠加，如亮条纹处某点同时参与的两个振动步调总是一致，即振动方向总是相同，总是同时过最高点、最低点、平衡位置；暗条纹处振动步调总相反，具体产生亮、暗条纹的条件为：(1)亮条纹的条件：光屏上某点P到两缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍。即|12|k2k(k0,1,2,3，)(2)暗条纹的条件：光屏上某点P到两缝S1和S2的路程差正好是半波长的奇数倍。即|12|(2k1)(k0,1,2,3，)3双缝干涉图样的特点(1)单色光的干涉图样：若用单色光作光源，则干涉条纹是明暗相间的条纹，且条纹间距相等。如图512所示中央为亮条纹，两相邻亮纹(或暗纹)间距离与光的波长有关，波长越大，条纹间距越大。图512(2)白光的干涉图样：若用白光作光源，则干涉条纹是彩色条纹，且中央条纹是白色的，这是因为：从双缝射出的两列光波中，各种色光都能形成明暗相间的条纹，各种色光都在中央条纹处形成亮条纹，从而复合成白色条纹。两相邻亮(或暗)条纹间距与各色光的波长成正比，即红光的亮条纹间距宽度最大，紫光的亮条纹间距宽度最小，即除中央条纹以外的其他条纹不能完全重合，这样便形成了彩色干涉条纹。特别提醒(1)双缝干涉实验的双缝必须很窄，且双缝间的距离必须很小。(2)双缝干涉中，双缝的作用主要就是用双缝获得相干光源。学后自检(小试射手)如图513所示的双缝干涉实验，用绿光照射单缝S时，在光屏P上观察到干涉条纹。要得到相邻条纹间距更大的干涉图样，可以()图513A增大S1与S2的间距B减小双缝屏到光屏的距离C将绿光换为红光D将绿光换为紫光解析：选C由双缝干涉条纹间距公式y可知，要增大条纹间距，可以增大双缝到屏的距离，减小双缝间距，选用波长更长的单色光，因此C项正确。科学探究测定光的波长自读教材抓基础1实验目的(1)观察白光及单色光的干涉图样；(2)掌握用公式y测定单色光的波长的方法。2实验原理双缝间的距离d已知，双缝到屏的距离l可以测定，相邻两条亮纹或暗纹间的距离y根据手轮上的读数测出，根据公式y可计算波长。3实验步骤(1)在光具座上只装上光源和遮光筒(不带单、双缝)，调节光源高度，使它发出的一束光能沿着遮光筒的轴线把屏照亮。(2)放好单缝和双缝，其间距为510 cm，且使缝相互平行，中心大致位于遮光筒的轴线上。(3)光源与单缝间放上滤光片，仔细调节目镜，观察单色光的干涉条纹。撤去滤光片，观察白光的干涉条纹。(4)加上滤光片，通过目镜观察单色光的干涉条纹，同时调节手轮，使分划板的中心刻线对齐第1条亮条纹的中心，记下手轮的读数。然后继续转动手轮使分划板移动，直到分划板的中心刻线对齐第n条亮纹的中心，记下此时手轮的读数。(5)将两次手轮的读数相减，求出n条亮纹间的距离a，则相邻亮纹间距y，利用公式y，求出此单色光的波长。(d、l在仪器中均可读出)(6)换用不同的滤光片，观察干涉条纹间距离的变化，并求出相应的波长。 跟随名师解疑难1注意事项(1)调节双缝干涉仪时，要注意调节光源的高度，使它发出的一束光能够沿着遮光筒的轴线把屏照亮。(2)放置单缝和双缝时，缝要相互平行，中心大致位于遮光筒的轴线上，双缝到单缝的距离应相等。(3)为了减小测量误差，测条纹间距y时，先测出n条亮(暗)纹间的距离a，再求出相邻的两条亮(暗)纹间的距离y。(4)某种颜色的滤光片只能让这种颜色的光通过，其他颜色的光不能通过。因此，加装滤光片的目的是获得单色光。2误差分析本实验为测量性实验，因此应尽一切办法减小有关测量的误差，即l和y的测量误差。(1)l的测量误差：因本实验中，双缝到屏的距离非常长，l的测量误差不太大，但也应选用mm刻度尺测量，并用多次测量求平均值的办法减小误差。(2)测条纹间距y带来的误差：干涉条纹没有调到最清晰的程度。分划板刻线与干涉条纹不平行，中心刻线没有恰好位于条纹中心。测量多条亮条纹间距时读数不准确。学后自检(小试身手)在双缝干涉实验中，以下说法正确的是()A狭缝的作用是使入射光线到达双缝时，双缝就成了两个振动情况完全相同的光源B若入射光是白光，光屏上产生的条纹是黑白相间的干涉条纹C光屏上某点到双缝的距离差为入射光波长的1.5倍，该点处一定是亮条纹D双缝干涉图样中，亮条纹之间距离相等，暗条纹之间距离不相等解析：选A双缝干涉实验中，狭缝的作用就是产生一个线光源，使得光到达双缝时，使双缝振动情况完全相同，形成一对相干光源，选项A正确；由实验现象知，入射光是白光时，屏上产生的是彩色条纹，选项B错误；屏上某点到双缝的距离差为入射光波长的1.5倍，即半波长的奇数倍，应为暗条纹，选项C错误；由y知，干涉条纹不管是明条纹之间，还是暗条纹之间都是等间距的，选项D错误。薄膜干涉及其应用自读教材抓基础1定义由薄膜两个面反射的光波相遇而产生的干涉现象称为薄膜干涉。2应用(1)检查平面的平整程度。(2)光学镜头上的增透膜。跟随名师解疑难1薄膜干涉的成因如图514所示，竖直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用，下面厚、上面薄，因此在薄膜上不同的地方，从膜的前、后表面反射的两列光波叠加。在某些位置，这两列波叠加后相互加强，则出现亮条纹；在另一些地方，叠加后相互削弱，则出现暗条纹。故在单色光照射下，就出现了明暗相间的干涉条纹；若在白光照射下，则出现彩色干涉条纹。图514说明：(1)眼睛应与光源在同一侧才能看到干涉条纹，因为条纹是由从薄膜前、后两表面反射的光发生干涉形成的，不是由通过薄膜的光形成的；(2)每一条纹呈水平状态排列；(3)由于各种色光干涉后相邻两亮纹中心的距离不同，所以若用白光做这个实验，会观察到彩色干涉条纹；(4)两列光的路程差是薄膜厚度的两倍。2薄膜干涉的应用(1)增透膜：照相机、望远镜的镜头表面常镀一层透光的薄膜，薄膜的上表面与玻璃表面反射的光发生干涉，由于只有一定波长(一定颜色)的光干涉时才会相互加强，所以镀膜镜头看起来是有颜色的。镀膜厚度不同，镜头的颜色也不一样。一般增透膜的厚度是光在薄膜介质中传播的波长的，即d，若厚度为绿光在薄膜中波长的，则镜头看起来呈淡紫色。(2)用干涉法检查平面：如图515甲所示，被检查平面 B与标准样板A之间形成了一个楔形的空气薄膜，用单色光照射时，入射光从空气薄膜的上、下表面反射出两列光波，形成干涉条纹。被检查平面若是平的，空气薄膜厚度相同的各点就位于一条直线上，干涉条纹平行；若被检查表面某些地方不平，那里的空气薄膜产生的干涉条纹将发生弯曲，如图乙所示。图515特别提醒增透膜的“增透”应理解为：两束反射光相互抵消，反射光的能量减少，由于总能量守恒，透射光的能量必然得到增强。增透膜是通过“消反”来确保“增透”的。学后自检(小试身手)如图516所示为一显示薄膜干涉现象的实验装置，P是附有肥皂膜的铁丝圈，S是一点燃的酒精灯。往火焰上洒些盐后，在肥皂膜上观察到的干涉图样应是()图516图517解析：选D薄膜竖直放置，上端薄，下端厚，同一水平位置的薄膜的厚度相同，出现的干涉条纹应是水平的，故选项D正确。双缝干涉的规律典题例析1在双缝干涉实验中，光屏上某点P到双缝S1和S2的路程差为7.5107 m，如果用频率为6.01014 Hz的黄光照射双缝，试问：(1)该黄光的波长是多少？(2)试通过计算分析P点是出现亮条纹还是暗条纹？思路点拨(1)由cf变换得，可求得波长；(2)比较路程差s与波长的数量关系，确定P点出现亮条纹还是暗条纹。解析： m5107 ms7.5107 m，所以是暗条纹。答案：(1)5107 m(2)暗条纹探规寻律判断干涉条纹亮、暗的方法(1)判断屏上某点为亮条纹还是暗条纹，要看该点到两个光源(双缝)的路程差(光程差)与波长的比值。(2)要记住：路程差等于波长整数倍处出现亮条纹，等于半波长奇数倍处出现暗条纹。(3)上述结论成立的条件：两个光源情况完全相同。跟踪演练如图518所示，在用单色光做双缝干涉实验时，若单缝S从双缝S1、S2的中央对称轴位置处稍微向上移动，则()图518A不再产生干涉条纹B仍可产生干涉条纹，且中央亮纹P的位置不变C仍可产生干涉条纹，中央亮纹P的位置略向上移D仍可产生干涉条纹，中央亮纹P的位置略向下移解析：选D本实验中单缝S的作用是形成频率一定的线光源，双缝S1、S2的作用是形成相干光源，稍微移动S后，没有改变传到双缝的光的频率，由S1、S2射出的仍是相干光，由单缝S发出的光到达屏上P点下方某点的光程差为零，故中央亮纹下移。对测定光的波长的考查典题例析2现有毛玻璃屏A、双缝B、白光光源C、单缝D和透红光的滤光片E等光学元件，要把它们放在图519所示的光具座上组装成双缝干涉装置，用以测量红光的波长。图519(1)将白光光源C放在光具座最左端，依次放置其他光学元件，由左至右，表示各光学元件的字母排列顺序应为C、_、A。(2)本实验的步骤有：取下遮光筒左侧的元件，调节光源高度，使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮；按合理顺序在光具座上放置各光学元件，并使各元件的中心位于遮光筒的轴线上；用米尺测量双缝到屏的距离；用测量头(其读数方法同螺旋测微器)测量数条亮纹间的距离。在操作步骤时还应注意_和_。(3)将测量头的分划板中心刻线与某条亮纹中心对齐，将该亮纹定为第1条亮纹，此时手轮上的示数如图5110甲所示。然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐，记下此时图乙中手轮上的示数_ mm，求得相邻亮纹的间距y为_ mm。图5110(4)已知双缝间距d为2.0104 m，测得双缝到屏的距离l为0.700 m，由计算式_，求得所测红光波长为_ m。思路点拨(1)单缝和双缝间距离为510 cm，保持缝的相互平行。(2)测量条纹宽度，采取“积累法”减小测量误差。解析：(1)该实验仪器放置的顺序：C、E、D、B、A。(2)在安装时，应注意单缝和双缝间距离为510 cm，保持缝的相互平行。(3)图甲的读数是2.320 mm，图乙的读数是13.870 mm，则y mm2.310 mm。(4)由公式y得y，代入数据解得6.6107 m。答案：(1)E、D、B(2)单缝和双缝间距离为510 cm单缝和双缝保持缝的相互平行(3)13.8702.310(4)y6.6107探规寻律测量条纹间距y的方法若直接测相邻两条亮纹的间距y，相对误差较大，可如图5111那样，转动手轮，使分划板中心刻线与左侧标1的那条清晰亮条纹的中心对齐，记下手轮上的读数y1；然后使分划板右移，让分划板中心刻线与标7的那条亮条纹的中心对齐，记下手轮上的读数y7，则y。图5111跟踪演练(福建高考)在“用双缝干涉测光的波长”实验中(实验装置如图5112)：图5112(1)下列说法哪一个是错误的_。(填选项前的字母)A调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在屏中心时，应放上单缝和双缝B测量某条干涉亮纹位置时，应使测微目镜分划板中心刻线与该亮纹的中心对齐C为了减少测量误差，可用测微目镜测出n条亮纹间的距离a，求出相邻两条亮纹间距x(2)测量某亮纹位置时，手轮上的示数如图5113，其示数为_mm。图5113解析：(1)在“用双缝干涉测光的波长”实验中，首先应取下遮光筒左侧的元件，调节光源高度，使光束直接沿遮光筒轴线把屏照亮，故选项A错误；根据实验操作可知选项B、C正确。(2)读数为1.5 mm47.00.01 mm1.970 mm。答案：(1)A(2)1.970薄膜干涉的考查典题例析3为了减少光在透镜表面由于反射带来的损失，可在透镜表面涂上一层增透膜，一般用折射率为1.38的氟化镁，为了使波长为5.52107 m的绿光在垂直表面入射时使反射光干涉相互抵消，求所涂的这种增透膜的厚度。思路点拨解答本题时应注意以下两点：(1)绿光在膜中的波长与在真空中的波长大小关系。(2)薄膜厚度与绿光波长的大小关系。解析：由于人眼对绿光最敏感，所以通常所用的光学仪器其镜头表面所涂的增透膜的厚度只使反射的绿光干涉相互抵消，但薄膜的厚度不宜过大，只须使其厚度为绿光在膜中波长的，使绿光在增透膜的前后两个表面上的反射光互相抵消，而光从真空进入某种介质后，其波长会发生变化。若绿光在真空中波长为0，在增透膜中的波长为，由折射率与光速的关系和光速与波长及频率的关系得n，即那么，增透膜的厚度h m1107 m答案：1107 m探规寻律增反膜、增透膜均是薄膜干涉现象的应用。增反膜是增加反射光，膜前后表面两次反射的光程差为光在该膜中波长的整数倍，反射光得到加强，膜的厚度至少为光在膜中波长的；而增透膜是为了增加透射光，减弱反射光，膜的厚度为光在膜中波长的。跟踪演练劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图5114甲所示，将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜。当光垂直入射后，从上往下看到的干涉条纹如图乙所示，干涉条纹有如下特点：(1)任意一条亮条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；(2)任意相邻亮条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定。现若在图甲装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹()图5114A变疏B变密C不变 D消失解析：选A光线在空气膜的上、下表面发生反射，并发生干涉，从而形成干涉条纹。设空气膜顶角为，d1、d2处为两相邻亮条纹，如图所示，则此两处的光程分别为12d1，22d2。因为光程差21，所以d2d1。设此两相邻亮纹中心的距离为l，则由几何关系得tan ，即l。当抽去一张纸片减小，l增大，故选A。课堂双基落实1光通过双缝后在屏上产生彩色条纹，若用红色和绿色玻璃各挡住一缝，则屏上将出现()A黄色的干涉条纹B红绿相间的条纹C黑白相间条纹 D无干涉条纹解析：选D红光和绿光的频率不同，不能产生干涉现象。2. (江苏高考)某同学用单色光进行双缝干涉实验，在屏上观察到图5115甲所示的条纹，仅改变一个实验条件后，观察到的条纹如图乙所示。他改变的实验条件可能是()图5115A减小光源到单缝的距离B减小双缝之间的距离C减小双缝到光屏之间的距离D换用频率更高的单色光源解析：选B根据条纹间距公式y可知，若增大条纹间距，可以采取的措施有：换用波长更长、频率更低的单色光源，减小双缝间的距离d，增大双缝到屏的距离l，故选项B正确。3.如图5116所示是用光学的方法来检查一物体表面平整程度的装置，其中A为标准平板，B为被检查其表面平整程度的物体，C为单色入射光，如果要说明能检查平面平整程度的道理，则需要用到下列哪些光学概念()图5116A反射和干涉 B全反射和干涉C反射和衍射 D全反射和衍射解析：选A此装置是应用了薄膜干涉，在标准平板和被检查表面间有一楔形的空气薄膜，用单色光照射时，入射光从空气薄膜的上、下表面反射出两列光波，形成干涉条纹。若干涉条纹平行则表面平整，由以上分析可知，如果要说明能检查平面平整程度，需用到光的反射和光的干涉两个概念，A正确，B、C、D错误。4某同学在做双缝干涉实验时，测得双缝间距d3.0103 m，双缝到光屏间的距离为1 m，前后两次测量手轮上的示数分别为0.6103 m和6.6103 m，两次分划板中心刻线间有5条暗条纹，求该单色光的波长。解析：相邻两暗条纹间距y m1.5103 m由y得，该单色光的波长为 m4.5106 m答案：4.5106 m课下综合检测(时间：30分钟满分：50分)一、选择题(共6小题，每小题5分，共30分，每小题只有一个选项正确。)1双缝干涉实验中观察到红光的干涉图样是()A一系列明暗相间的同心圆B一些杂乱无章的点C平行、等间距的明暗相间的条纹D条纹中间宽、两边窄解析：选C单色光的双缝干涉条纹为平行、等距、明暗相间的条纹，C正确，A、B、D错误。2(上海高考)白光通过双缝后产生的干涉条纹是彩色的，其原因是不同色光的()A传播速度不同B强度不同C振动方向不同 D频率不同解析：选D白光是由各种不同颜色的单色光组成的复色光，而光的颜色由频率决定，不同色光，频率不同，故D正确。3用如图1所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象。图(a)是点燃的酒精灯(在灯芯上洒些盐)，图(b)是竖立的附着一层肥皂液膜的金属丝圈。将金属丝圈在其所在的竖直平面内缓慢旋转，观察到的现象是()图1A当金属丝圈旋转30时干涉条纹同方向旋转30B当金属丝圈旋转45时干涉条纹同方向旋转90C当金属丝圈旋转60时干涉条纹同方向旋转30D干涉条纹保持原来状态不变解析：选D金属丝圈的转动，改变不了肥皂液膜的上薄下厚的形状，由干涉原理可知干涉条纹与金属丝圈在该竖直平面内的转动无关系，仍然是水平的干涉条纹，D对。4如图2甲所示为双缝干涉实验的装置示意图，图乙为用绿光进行实验时，在屏上观察到的条纹情况，a为中央亮条纹；丙图为换用另一颜色的单色光做实验时观察到的条纹情况，a为中央亮条纹，则下列说法正确的是()图2A丙图可能是用红光实验产生的条纹，表明红光波长较长B丙图可能是用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较长C丙图可能是用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较短D丙图可能是用红光实验产生的条纹，表明红光波长较短解析：选A由两单色光的干涉条纹可知yaya，又因y，所以aa，A正确。5在双缝干涉实验中，当用波长为1的单色光照射时，观察到屏上P点处恰为从O数起的第三条亮条纹，如图3所示。当换用波长为2(21)的单色光做实验时，从O点向上数起第三条亮纹的位置()图3A在P点上方 B仍在P点C在P点下方 D无法确定解析：选A由y可知，相邻两条亮条纹(或暗条纹)间的距离与波长有关，增大时，条纹间距y增大，故A正确。6市场上有一种灯具俗称“冷光灯”，用它照射物体时能使被照物体处产生的热效应大大降低，从而广泛地应用于博物馆、商店等处。这种灯降低热效应的原因之一是在灯泡后面放置的反光镜玻璃表面上镀一层薄膜(例如氟化镁)，这种膜能消除玻璃表面反射回来的热效应最显著的红外线，以表示此红外线在薄膜中的波长，则所镀薄膜的厚度最小应为()A/8 B/4C/2 D解析：选B要消除红外线的反射，必须使红外线在薄膜的两个面上反射光的路程差正好等于红外线半波长/2的奇数倍，即s(2k1)/2，其中s为光在薄膜两个面上反射的路程差，即s2d，s的最小值为/2，所以2d/2，即薄膜的最小厚度d为/4，答案B是正确的。二、非选择题(共2小题，共20分)7(10分)用双缝干涉测光的波长，实验中采用双缝干涉仪，它包括以下元件：A白炽灯 B单缝C光屏 D双缝E滤光片(其中双缝和光屏连在遮光筒上)(1)把以上元件安装在光具座上时，正确的排列顺序是：A_(A已写好)。(2)正确调节后，在屏上观察到红光干涉条纹，用测量头测出10条红亮纹间的距离为a；改用绿色滤光片，其他条件不变，用测量头测出10条绿亮纹间的距离为b，则一定有_大于_。解析：双缝干涉仪各组成部分在光具座上的正确排序为光源、滤光片、单缝、双缝、光屏。由y知，波长越长，条纹越宽，间距越大，可得出a一定大于b。答案：(1)E、B、D、C(2)ab8(10分)在双缝干涉实验中，双缝到光屏上P点的距离之差为0.6 m，若分别用频率为f15.01014 Hz和f27.51014 Hz的单色光垂直照射双缝，试分析判断P点应出现亮条纹还是暗条纹？分别为第几条亮条纹或暗条纹？解析：如图所示，双缝S1、S2到光屏上任一点P的路程之差rS2S2，当r等于单色光波长的整数倍时，S2和S1同时到达波峰或波谷，由S1和S2发出的光在P点互相加强，P点出现亮条纹；当r等于单色光半波长的奇数倍时，S2达到波峰时，S1达到波谷，这样由S1和S2发出的光在P点互相抵消，出现暗条纹。频率为f1的单色光的波长1 m0.6106 m0.6 m，频率为f2的单色光的波长2 m0.4106 m0.4 m。可见r11，r22。可见，用频率为f1的单色光照射时，P处应出现亮条纹，且为第一条亮条纹；用频率为f2的单色光照射时，P处应出现暗条纹，且为第二条暗条纹。答案：见解析