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人教版 (2019)选择性必修 第一册3 光的干涉集体备课课件ppt
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这是一份人教版 (2019)选择性必修 第一册3 光的干涉集体备课课件ppt，共45页。PPT课件主要包含了两列波干涉条件，明暗相间，偶数倍，奇数倍，路程差，ABC，探究点二薄膜干涉等内容，欢迎下载使用。
基础落实·必备知识全过关
一、光的双缝干涉1.双缝干涉实验的过程让一束单色光投射到一个有两条狭缝的挡板上,两条狭缝相距很近。狭缝就成了两个波源,它们的频率、相位和振动方向总是相同的。这两个波源发出的光在挡板后面的空间互相叠加,发生干涉现象;来自两个光源的光在一些位置相互加强,在另一些位置相互削弱,因此在挡板后面的屏上得到 的条纹。 加强处为亮条纹,减弱处为暗条纹2.光发生干涉的条件两列光的频率 、相位差恒定、振动方向相同。
判断屏上亮暗条纹的依据3.双缝干涉实验中出现明暗条纹的条件(1)亮条纹:当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的 时(即恰好等于波长的整数倍时),两列光波在这点相互加强,这里出现亮条纹; (2)暗条纹:当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的 时,两列光波在这点相互削弱,这里出现暗条纹。
二、干涉条纹和光的波长之间的关系1.条纹间距和光的波长的关系在双缝干涉实验中,单色光的波长为λ,双缝中心之间的距离为d,双缝到屏的距离为l,如图所示,则相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距Δx= 。 2.各种颜色的光都会发生干涉,在其他条件不变的情况下,用红、黄、蓝光分别做双缝干涉实验,条纹间距最大的是 光,条纹间距最小的是 光。
三、薄膜干涉1.成因通常而言,不同位置的液膜,厚度不同,因此在膜上不同的位置,来自前后两个面的反射光的 不同。在某些位置,光波叠加后相互加强,出现了亮条纹;在另一些位置,叠加后相互削弱,出现了暗条纹。 【要点提示】 同一条纹上膜的厚度相等。2.应用(1)检测光学平面的平滑度。(2)光学元件表面的增透膜或反射膜。
情境链接雨后公路积水上面漂浮的油膜,常常显现出彩色条纹,它是怎样形成的呢?教材拓展阅读教材P97,在推导“相邻亮(或暗)条纹的中心间距”公式的过程中,采用了哪些近似计算?试写出暗条纹中心的位置坐标。
提示 太阳光在油膜上下表面的反射光叠加形成的干涉条纹。
易错辨析(1)两只完全相同的灯泡发出的光能产生干涉现象。( )(2)双缝干涉实验中,双缝的作用是产生两束相干光。( )(3)用单色光做双缝干涉实验时在屏幕上出现明暗相间的条纹。( )(4)中央亮条纹处到两缝的路程差为零,因此不管光的波长为多大,此处总为亮条纹。( )(5)用红、蓝色光分别照射同一双缝,在屏幕上相邻的红色条纹间距小于蓝色条纹间距。( )(6)观察肥皂液膜的干涉现象时,观察者应和光源在液膜的同一侧。( )(7)光的干涉现象说明光具有波动性。( )
两灯泡发出的光不是相干光。
重难探究·能力素养全提升
探究点一 光的双缝干涉
波的干涉现象是两列波在传播中相遇叠加而形成的,是波的特性。产生稳定干涉现象的条件是有相干波源——频率相等、振动方向相同、相位差恒定的两列波,干涉图样中的“亮”“暗”条纹就是相干波源叠加形成的振动“加强区”和“减弱区”。
在1801年英国物理学家托马斯·杨成功完成了光的干涉实验,这对研究光的本性提供了什么样的帮助?
提示 从实验的角度证实光是一种波。
1.双缝干涉实验的装置示意图:实验装置示意图如图所示,有光源、单缝、双缝和光屏。
(1)单缝屏的作用:获得一个线光源,使光源有唯一的频率和振动情况。(2)双缝屏的作用:平行光照射到单缝S上,又照射到双缝S1、S2上,这样一束光被分成两束频率相同和振动方向相同、相位差恒定的相干光。
2.屏上某处出现亮、暗条纹的原因:频率相同的两列波在同一点引起的振动的叠加,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;暗条纹处振动步调总是相反。3.产生亮、暗条纹的条件(1)亮条纹产生的条件:屏上某点P到两条缝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|PS1-PS2|=kλ=2k· (k=0,1,2,3,…) 。k=0时,PS1=PS2,此时P点位于屏上的O处,为亮条纹,此处的条纹叫中央亮条纹或零级亮条纹。k为亮条纹的级次。(2)暗条纹产生的条件:屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是半波长的奇数倍。即|PS1-PS2|=(2k-1)· (k=1,2,3,…),k为暗条纹的级次,从第1级暗条纹开始向两侧展开。
特别提示 双缝干涉的条件必须是相干光源,且双缝间的间距必须很小。
角度1双缝干涉【例题1】 (2024山东菏泽高二期末)在双缝干涉实验中,以白光为光源,在屏上观察到彩色干涉条纹。若在双缝中的一缝前放一红色滤光片(只能透过红光),另一缝前放一绿色滤光片(只能透过绿光),已知红光与绿光频率、波长均不相等,这时( )A.只有红色和绿色的双缝干涉条纹,其他颜色的双缝干涉条纹消失B.有除红色、绿色外的其他颜色的双缝干涉条纹C.任何颜色的双缝干涉条纹都不存在,但屏上仍有光亮D.屏上无任何光亮
解析 两束光能发生干涉的条件之一是频率相等。利用双缝将一束光分成能够发生干涉的两束光,在屏上形成干涉条纹,但分别用红色滤光片和绿色滤光片挡住两条缝后,红光和绿光频率不相等,不能发生干涉,因此屏上不会出现干涉条纹,但屏上仍会有光亮,故C正确。
对点演练1.(2024江西九江高二期末)某同学利用如图所示实验观察光的干涉现象,其中A为单缝屏,B为双缝屏,C为光屏。当让一束阳光照射A屏时,C屏上并没有出现干涉条纹,移走B后,C上出现一窄亮斑。分析实验失败的原因可能是( )A.单缝S太窄B.单缝S太宽C.S到S1和S2距离不相等D.阳光不能作为光源
解析 双缝干涉中单缝的作用是获得线光源,而线光源可以看成是由许多个点光源沿一条线排列组成的,这里观察不到光的干涉现象是由于单缝太宽,得不到线光源。故选项B正确。
角度2双缝干涉中亮暗条纹的判断【例题2】 (2024湖北孝感高二月考)在双缝干涉实验中,双缝到光屏上P点的距离之差为0.6 μm,若分别用频率为f1=5.0×1014 Hz和f2=7.5×1014 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?(光在真空中的传播速度c=3×108 m/s)
解析 如图所示,双缝S1、S2到光屏上任意一点P的路程之差Δr=PS2-PS1 =0.6 μm,当Δr等于单色光波长的整数倍时,由S1和S2发出的光在P点相互加强,P点出现亮条纹;当Δr等于单色光半个波长的奇数倍时,由S1和S2发出的光在P点相互抵消,出现暗条纹。频率为f1的单色光的波长
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
对点演练2.(2024浙江杭州高二期末)双缝干涉实验装置示意图如图所示,使用波长为600 nm的橙色光照射时,在光屏中心P点出现亮条纹,位于P点上方的P1点到S1、S2的路程差恰为600 nm。现改用波长为400 nm的紫色光照射,则( )A.P处和P1处都出现亮条纹B.P处为亮条纹,P1处为暗条纹C.P处为暗条纹,P1处为亮条纹D.P处和P1处都出现暗条纹
解析 P点到S1、S2的路程差为0,在P处出现亮条纹。P1点到S1、S2的路程差为600 nm=3× nm,为紫色光半波长的奇数倍,则P1处出现暗条纹,B正确。
角度3干涉条纹和光的波长之间的关系【例题3】 (2024福建南平高二期末)1801年,托马斯·杨用双缝干涉实验研究了光波的性质,证实了光的波动性,在光的波动说中具有重要的地位和意义。双缝干涉实验装置如图所示,单缝S在双缝S1、S2的中心对称轴上,实验中在屏上P点刚好得到的是中央亮条纹上方第3级亮条纹,现要使P点出现中央亮条纹上方第4级亮条纹,可采取的措施有( )A.适当增大屏到双缝的距离B.适当增大单缝到双缝的距离C.换用频率更低的单色光D.换用波长更短的单色光
解析 原来的第3级亮条纹变成第4级亮条纹,说明两相邻亮条纹的距离变小了,根据公式 ,l为屏到双缝的距离,d为双缝之间的距离,λ为波长,可适当减小屏到双缝的距离,或增大双缝之间的距离,或换用波长更短的单色光,或换用频率更高的单色光,故D正确。
对点演练3.(多选)(2024安徽淮北高二期末)在双缝干涉实验中,用绿色激光照射在双缝上,在缝后的屏幕上显示出干涉图样。若要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距,可选用的方法是( )A.改用红色激光B.减小双缝间距C.将屏幕向远离双缝的位置移动D.将光源向远离双缝的位置移动
解析 根据干涉图样中两相邻亮条纹的间距Δx= λ可知,要使Δx增大,可以增大波长或增大双缝到屏的距离或缩小双缝间的距离,所以选项A、B、C正确,D错误。
在酒精灯的灯芯上撒一些食盐,灯焰就能发出明亮的黄光。把铁丝圈在肥皂水中蘸一下,让它挂上一层薄薄的液膜。把这层液膜当作一个平面镜,用它观察灯焰的像。这个像与直接看到的灯焰有什么不同?如果用白光做实验情况又会如何?
提示 灯焰的像由明暗相间的水平条纹组成。如果用白光做实验,肥皂膜上会出现彩色条纹。
1.薄膜干涉的成因及特点(1)形成原因①由薄膜的前、后表面的反射光叠加而形成明暗相间的条纹。②如果膜的厚度为h,折射率为n,前、后表面的反射光的路程差为2h。若满足2h为膜中波长的整数倍时,该处出现亮条纹;满足2h为膜中半波长的奇数倍时,该处出现暗条纹。(2)特点:因为在同一水平高度处,薄膜的厚度相同,从前、后两表面反射的光的路程差均相同,如果此时两反射光互相加强,则此高度水平方向各处均加强,因此,明暗相间的干涉条纹应为水平方向。
2.应用(1)等倾法检查平面平整度如图所示,在被测平面上放一个透明的样板,在样板的一端垫一个薄片,使样板的标准平面与被测平面之间形成一个楔形空气薄层。用单色光照射时,空气层的上、下两个表面反射的两列光波发生干涉。空气厚度相同的地方,两列波的路程差相同,两列波叠加时互相加强或减弱的情况相同,因此若被测面是平的,干涉条纹就是一组平行的直线,如果干涉条纹是弯曲的,就表明被测平面不平整。
(2)增透膜①原理:为了减少光学装置中的反射光的损失,可在元件表面涂一层透明薄膜,一般是氟化镁。如图所示,在增透膜的前后表面反射的两列光波形成相干波,相互叠加,当路程差为半波长的奇数倍时,在两个表面反射的光产生相消干涉,反射光的能量几乎等于零。透射光的能量得到加强。
②厚度:一般取最小厚度d满足2d= λ(此波长为光在该种介质中的波长)。③特征:由于白光中含有多种波长的光,所以增透膜只能使其中一定波长的光相消。因为人对绿光最敏感,一般选择对绿光起增透作用的膜,所以在反射光中绿光强度几乎为零,而其他波长的光并没有完全抵消,尤其是与绿光波长相差较大的紫光,所以增透膜呈现淡紫色。
【例题4】 (多选)(2024山东潍坊高二期末)如图甲所示,用单色光照射透明标准板M来检查平面N的上表面的平整情况,观察到的图像如图乙所示,这说明( )A.N的上表面A处向上凸起B.N的上表面B处向上凸起C.N的上表面A处向下凹陷D.N的上表面B处向下凹陷
解析 利用光的薄膜干涉来检查平面的情况,就是由标准样板平面和被检查平面间形成一个楔形的空气薄层,用单色光从上面照射,入射光在空气层的上、下表面反射形成的两列光波发生干涉。如果被检测的面是平的,那么空气层的厚度相同的各点的干涉条纹在一条直线上。若是被检测平面的某处凹下去了,这时干涉条纹就不是直线,在凹处的干涉条纹将向楔形膜中薄的一侧弯曲,这是因为凹处的两束反射光的路程差变大,它只能与膜厚一些的位置的两反射光的路程差相同,故B、C正确。
对点演练4.(2024江苏常州高二期末)用干涉法检查某块厚玻璃块的上表面是否平整的装置如图所示。所用单色光是用普通光源加滤光片产生的,检查中所观察到的干涉条纹是由下列哪两个表面反射的光线叠加而成的( )A.样板的上表面和厚玻璃的下表面B.样板的上表面和厚玻璃的上表面C.样板的下表面和厚玻璃的上表面D.样板的下表面和厚玻璃的下表面
解析 样板和厚玻璃之间存在楔形空气薄膜,用单色光向这个空气薄膜表面照射,入射光从空气薄膜的上、下表面反射回来的两列光波形成干涉条纹,空气薄膜的上、下表面就是样板的下表面和厚玻璃的上表面,故C正确。
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1.(光的双缝干涉)(2024浙江宁波高二月考)下列关于双缝干涉实验的说法正确的是( )A.单缝的作用是获得频率保持不变的相干光源B.双缝的作用是获得两个振动情况相同的相干光源C.光屏上距两缝的路程差等于半波长的整数倍处出现暗条纹D.在光屏上能看到光的干涉图样,但在双缝与光屏之间的空间却没有干涉现象发生
解析 在双缝干涉实验中,单缝的作用是获得线光源,使光有唯一的频率和振动情况,双缝的作用是获得两个振动情况完全相同的相干光源,故A错误,B正确;在两个相干光源完全相同的情况下,光屏上距两缝的路程差为半波长的奇数倍处出现暗条纹,故C错误;两列光波相遇就会叠加,满足相干条件就能发生干涉,所以在双缝与光屏之间的空间也会发生光的干涉,用光屏接收只是为了肉眼观察方便,故D错误。
2.(干涉条纹和波长之间的关系)(2024山东烟台高二期末)在双缝干涉实验中,用波长为5×10-7 m的黄光照射双缝。已知两缝间的间距为0.3 mm,双缝到光屏的距离为1.2 m,光屏上P点到双缝S1和S2的路程差为7.5×10-7 m,则下列说法正确的是( )A.P点出现的是亮条纹,相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为2 mmB.P点出现的是暗条纹,相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为2 mmC.P点出现的是亮条纹,相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为4 mmD.P点出现的是暗条纹,相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为4 mm
3.(薄膜干涉)(2024山东临沂高二期末)用平行单色光垂直照射一层透明薄膜,观察到如图所示明暗相间的干涉条纹。下列关于该区域薄膜厚度d随坐标x的变化图像,可能正确的是( )
解析 从薄膜的上下表面分别反射的两列光是相干光,其光程差为Δx=2d,即光程差为薄膜厚度的2倍,当光程差Δx=nλ时,此处出现亮条纹,相邻亮条纹之间的薄膜的厚度差为 λ,在图中相邻亮条纹(或暗条纹)之间的距离变大,薄膜层的厚度逐渐变小,因条纹宽度逐渐变宽,则薄膜的厚度不是均匀减小,故选项D正确。
4.(薄膜干涉)(2024福建福州一中高二期末)利用薄膜干涉的原理可以检查平面的平整度,还可以制成镜头增透膜。图甲中,让单色光从上方射入,这时从上方看可以看到明暗相间的条纹,下列说法正确的是( )
A.图甲中将薄片向着劈尖方向移动使劈角变大时,条纹变疏B.图甲中将样板微微平行上移,条纹疏密不变C.如果看到的干涉条纹如图乙所示,说明被检平面在此处凸起D.图丙中镀了增透膜的镜头看起来是有颜色的,那是增透了这种颜色的光的缘故
解析 当将薄片向着劈尖方向移动使劈角变大时,相邻亮条纹或暗条纹中心间距变小,所以干涉条纹会变密,故A错误;将样板平行上移,导致原来满足亮条纹光程差的间距向劈尖移动,因此出现条纹向着劈尖移动,但条纹疏密不变,故B正确;从弯曲的条纹可知,此处检查平面左边处的空气膜厚度与后面的空气膜厚度相同,知此处凹陷,故C错误;照相机、望远镜的镜头表面镀了一层透光的膜,可以增大某种光的透射强度,这种膜称为增透膜,这是利用了光的干涉现象,同时镀膜镜头看起来是有颜色的,是该种颜色的光没有增透造成的,故D错误。
5.(薄膜干涉)(2024上海南洋模范中学期末)如图所示,在一块平板玻璃上放置一薄凸透镜,在两者之间形成厚度不均匀的空气膜,让一束单色光垂直入射到该装置上,结果在上方观察到同心圆环状干涉条纹,称为牛顿环。以下说法正确的是( )
A.干涉现象是凸透镜下表面反射光和凸透镜上表面反射光叠加形成的B.干涉现象是凸透镜上表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的C.形成的干涉条纹是不等间距的D.若将该装置放到真空中观察,就无法看到牛顿环
基础落实·必备知识全过关
一、光的双缝干涉1.双缝干涉实验的过程让一束单色光投射到一个有两条狭缝的挡板上,两条狭缝相距很近。狭缝就成了两个波源,它们的频率、相位和振动方向总是相同的。这两个波源发出的光在挡板后面的空间互相叠加,发生干涉现象;来自两个光源的光在一些位置相互加强,在另一些位置相互削弱,因此在挡板后面的屏上得到 的条纹。 加强处为亮条纹,减弱处为暗条纹2.光发生干涉的条件两列光的频率 、相位差恒定、振动方向相同。
判断屏上亮暗条纹的依据3.双缝干涉实验中出现明暗条纹的条件(1)亮条纹:当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的 时(即恰好等于波长的整数倍时),两列光波在这点相互加强,这里出现亮条纹; (2)暗条纹:当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的 时,两列光波在这点相互削弱,这里出现暗条纹。
二、干涉条纹和光的波长之间的关系1.条纹间距和光的波长的关系在双缝干涉实验中,单色光的波长为λ,双缝中心之间的距离为d,双缝到屏的距离为l,如图所示,则相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距Δx= 。 2.各种颜色的光都会发生干涉,在其他条件不变的情况下,用红、黄、蓝光分别做双缝干涉实验,条纹间距最大的是 光,条纹间距最小的是 光。
三、薄膜干涉1.成因通常而言,不同位置的液膜,厚度不同,因此在膜上不同的位置,来自前后两个面的反射光的 不同。在某些位置,光波叠加后相互加强,出现了亮条纹;在另一些位置,叠加后相互削弱,出现了暗条纹。 【要点提示】 同一条纹上膜的厚度相等。2.应用(1)检测光学平面的平滑度。(2)光学元件表面的增透膜或反射膜。
情境链接雨后公路积水上面漂浮的油膜,常常显现出彩色条纹,它是怎样形成的呢?教材拓展阅读教材P97,在推导“相邻亮(或暗)条纹的中心间距”公式的过程中,采用了哪些近似计算?试写出暗条纹中心的位置坐标。
提示 太阳光在油膜上下表面的反射光叠加形成的干涉条纹。
易错辨析(1)两只完全相同的灯泡发出的光能产生干涉现象。( )(2)双缝干涉实验中,双缝的作用是产生两束相干光。( )(3)用单色光做双缝干涉实验时在屏幕上出现明暗相间的条纹。( )(4)中央亮条纹处到两缝的路程差为零,因此不管光的波长为多大,此处总为亮条纹。( )(5)用红、蓝色光分别照射同一双缝,在屏幕上相邻的红色条纹间距小于蓝色条纹间距。( )(6)观察肥皂液膜的干涉现象时,观察者应和光源在液膜的同一侧。( )(7)光的干涉现象说明光具有波动性。( )
两灯泡发出的光不是相干光。
重难探究·能力素养全提升
探究点一 光的双缝干涉
波的干涉现象是两列波在传播中相遇叠加而形成的,是波的特性。产生稳定干涉现象的条件是有相干波源——频率相等、振动方向相同、相位差恒定的两列波,干涉图样中的“亮”“暗”条纹就是相干波源叠加形成的振动“加强区”和“减弱区”。
在1801年英国物理学家托马斯·杨成功完成了光的干涉实验,这对研究光的本性提供了什么样的帮助?
提示 从实验的角度证实光是一种波。
1.双缝干涉实验的装置示意图:实验装置示意图如图所示,有光源、单缝、双缝和光屏。
(1)单缝屏的作用:获得一个线光源,使光源有唯一的频率和振动情况。(2)双缝屏的作用:平行光照射到单缝S上,又照射到双缝S1、S2上,这样一束光被分成两束频率相同和振动方向相同、相位差恒定的相干光。
2.屏上某处出现亮、暗条纹的原因:频率相同的两列波在同一点引起的振动的叠加,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;暗条纹处振动步调总是相反。3.产生亮、暗条纹的条件(1)亮条纹产生的条件:屏上某点P到两条缝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|PS1-PS2|=kλ=2k· (k=0,1,2,3,…) 。k=0时,PS1=PS2,此时P点位于屏上的O处,为亮条纹,此处的条纹叫中央亮条纹或零级亮条纹。k为亮条纹的级次。(2)暗条纹产生的条件:屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是半波长的奇数倍。即|PS1-PS2|=(2k-1)· (k=1,2,3,…),k为暗条纹的级次,从第1级暗条纹开始向两侧展开。
特别提示 双缝干涉的条件必须是相干光源,且双缝间的间距必须很小。
角度1双缝干涉【例题1】 (2024山东菏泽高二期末)在双缝干涉实验中,以白光为光源,在屏上观察到彩色干涉条纹。若在双缝中的一缝前放一红色滤光片(只能透过红光),另一缝前放一绿色滤光片(只能透过绿光),已知红光与绿光频率、波长均不相等,这时( )A.只有红色和绿色的双缝干涉条纹,其他颜色的双缝干涉条纹消失B.有除红色、绿色外的其他颜色的双缝干涉条纹C.任何颜色的双缝干涉条纹都不存在,但屏上仍有光亮D.屏上无任何光亮
解析 两束光能发生干涉的条件之一是频率相等。利用双缝将一束光分成能够发生干涉的两束光,在屏上形成干涉条纹,但分别用红色滤光片和绿色滤光片挡住两条缝后,红光和绿光频率不相等,不能发生干涉,因此屏上不会出现干涉条纹,但屏上仍会有光亮,故C正确。
对点演练1.(2024江西九江高二期末)某同学利用如图所示实验观察光的干涉现象,其中A为单缝屏,B为双缝屏,C为光屏。当让一束阳光照射A屏时,C屏上并没有出现干涉条纹,移走B后,C上出现一窄亮斑。分析实验失败的原因可能是( )A.单缝S太窄B.单缝S太宽C.S到S1和S2距离不相等D.阳光不能作为光源
解析 双缝干涉中单缝的作用是获得线光源,而线光源可以看成是由许多个点光源沿一条线排列组成的,这里观察不到光的干涉现象是由于单缝太宽,得不到线光源。故选项B正确。
角度2双缝干涉中亮暗条纹的判断【例题2】 (2024湖北孝感高二月考)在双缝干涉实验中,双缝到光屏上P点的距离之差为0.6 μm,若分别用频率为f1=5.0×1014 Hz和f2=7.5×1014 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?(光在真空中的传播速度c=3×108 m/s)
解析 如图所示,双缝S1、S2到光屏上任意一点P的路程之差Δr=PS2-PS1 =0.6 μm,当Δr等于单色光波长的整数倍时,由S1和S2发出的光在P点相互加强,P点出现亮条纹;当Δr等于单色光半个波长的奇数倍时,由S1和S2发出的光在P点相互抵消,出现暗条纹。频率为f1的单色光的波长
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
对点演练2.(2024浙江杭州高二期末)双缝干涉实验装置示意图如图所示,使用波长为600 nm的橙色光照射时,在光屏中心P点出现亮条纹,位于P点上方的P1点到S1、S2的路程差恰为600 nm。现改用波长为400 nm的紫色光照射,则( )A.P处和P1处都出现亮条纹B.P处为亮条纹,P1处为暗条纹C.P处为暗条纹,P1处为亮条纹D.P处和P1处都出现暗条纹
解析 P点到S1、S2的路程差为0,在P处出现亮条纹。P1点到S1、S2的路程差为600 nm=3× nm,为紫色光半波长的奇数倍,则P1处出现暗条纹,B正确。
角度3干涉条纹和光的波长之间的关系【例题3】 (2024福建南平高二期末)1801年,托马斯·杨用双缝干涉实验研究了光波的性质,证实了光的波动性,在光的波动说中具有重要的地位和意义。双缝干涉实验装置如图所示,单缝S在双缝S1、S2的中心对称轴上,实验中在屏上P点刚好得到的是中央亮条纹上方第3级亮条纹,现要使P点出现中央亮条纹上方第4级亮条纹,可采取的措施有( )A.适当增大屏到双缝的距离B.适当增大单缝到双缝的距离C.换用频率更低的单色光D.换用波长更短的单色光
解析 原来的第3级亮条纹变成第4级亮条纹,说明两相邻亮条纹的距离变小了,根据公式 ,l为屏到双缝的距离,d为双缝之间的距离,λ为波长,可适当减小屏到双缝的距离,或增大双缝之间的距离,或换用波长更短的单色光,或换用频率更高的单色光,故D正确。
对点演练3.(多选)(2024安徽淮北高二期末)在双缝干涉实验中,用绿色激光照射在双缝上,在缝后的屏幕上显示出干涉图样。若要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距,可选用的方法是( )A.改用红色激光B.减小双缝间距C.将屏幕向远离双缝的位置移动D.将光源向远离双缝的位置移动
解析 根据干涉图样中两相邻亮条纹的间距Δx= λ可知,要使Δx增大,可以增大波长或增大双缝到屏的距离或缩小双缝间的距离,所以选项A、B、C正确,D错误。
在酒精灯的灯芯上撒一些食盐,灯焰就能发出明亮的黄光。把铁丝圈在肥皂水中蘸一下,让它挂上一层薄薄的液膜。把这层液膜当作一个平面镜,用它观察灯焰的像。这个像与直接看到的灯焰有什么不同?如果用白光做实验情况又会如何?
提示 灯焰的像由明暗相间的水平条纹组成。如果用白光做实验,肥皂膜上会出现彩色条纹。
1.薄膜干涉的成因及特点(1)形成原因①由薄膜的前、后表面的反射光叠加而形成明暗相间的条纹。②如果膜的厚度为h,折射率为n,前、后表面的反射光的路程差为2h。若满足2h为膜中波长的整数倍时,该处出现亮条纹;满足2h为膜中半波长的奇数倍时,该处出现暗条纹。(2)特点:因为在同一水平高度处,薄膜的厚度相同,从前、后两表面反射的光的路程差均相同,如果此时两反射光互相加强,则此高度水平方向各处均加强,因此,明暗相间的干涉条纹应为水平方向。
2.应用(1)等倾法检查平面平整度如图所示,在被测平面上放一个透明的样板,在样板的一端垫一个薄片,使样板的标准平面与被测平面之间形成一个楔形空气薄层。用单色光照射时,空气层的上、下两个表面反射的两列光波发生干涉。空气厚度相同的地方,两列波的路程差相同,两列波叠加时互相加强或减弱的情况相同,因此若被测面是平的,干涉条纹就是一组平行的直线,如果干涉条纹是弯曲的,就表明被测平面不平整。
(2)增透膜①原理:为了减少光学装置中的反射光的损失,可在元件表面涂一层透明薄膜,一般是氟化镁。如图所示,在增透膜的前后表面反射的两列光波形成相干波,相互叠加,当路程差为半波长的奇数倍时,在两个表面反射的光产生相消干涉,反射光的能量几乎等于零。透射光的能量得到加强。
②厚度:一般取最小厚度d满足2d= λ(此波长为光在该种介质中的波长)。③特征:由于白光中含有多种波长的光,所以增透膜只能使其中一定波长的光相消。因为人对绿光最敏感,一般选择对绿光起增透作用的膜,所以在反射光中绿光强度几乎为零,而其他波长的光并没有完全抵消,尤其是与绿光波长相差较大的紫光,所以增透膜呈现淡紫色。
【例题4】 (多选)(2024山东潍坊高二期末)如图甲所示,用单色光照射透明标准板M来检查平面N的上表面的平整情况,观察到的图像如图乙所示,这说明( )A.N的上表面A处向上凸起B.N的上表面B处向上凸起C.N的上表面A处向下凹陷D.N的上表面B处向下凹陷
解析 利用光的薄膜干涉来检查平面的情况,就是由标准样板平面和被检查平面间形成一个楔形的空气薄层,用单色光从上面照射,入射光在空气层的上、下表面反射形成的两列光波发生干涉。如果被检测的面是平的,那么空气层的厚度相同的各点的干涉条纹在一条直线上。若是被检测平面的某处凹下去了,这时干涉条纹就不是直线,在凹处的干涉条纹将向楔形膜中薄的一侧弯曲,这是因为凹处的两束反射光的路程差变大,它只能与膜厚一些的位置的两反射光的路程差相同,故B、C正确。
对点演练4.(2024江苏常州高二期末)用干涉法检查某块厚玻璃块的上表面是否平整的装置如图所示。所用单色光是用普通光源加滤光片产生的,检查中所观察到的干涉条纹是由下列哪两个表面反射的光线叠加而成的( )A.样板的上表面和厚玻璃的下表面B.样板的上表面和厚玻璃的上表面C.样板的下表面和厚玻璃的上表面D.样板的下表面和厚玻璃的下表面
解析 样板和厚玻璃之间存在楔形空气薄膜,用单色光向这个空气薄膜表面照射,入射光从空气薄膜的上、下表面反射回来的两列光波形成干涉条纹,空气薄膜的上、下表面就是样板的下表面和厚玻璃的上表面,故C正确。
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1.(光的双缝干涉)(2024浙江宁波高二月考)下列关于双缝干涉实验的说法正确的是( )A.单缝的作用是获得频率保持不变的相干光源B.双缝的作用是获得两个振动情况相同的相干光源C.光屏上距两缝的路程差等于半波长的整数倍处出现暗条纹D.在光屏上能看到光的干涉图样,但在双缝与光屏之间的空间却没有干涉现象发生
解析 在双缝干涉实验中,单缝的作用是获得线光源,使光有唯一的频率和振动情况,双缝的作用是获得两个振动情况完全相同的相干光源,故A错误,B正确;在两个相干光源完全相同的情况下,光屏上距两缝的路程差为半波长的奇数倍处出现暗条纹,故C错误;两列光波相遇就会叠加,满足相干条件就能发生干涉,所以在双缝与光屏之间的空间也会发生光的干涉,用光屏接收只是为了肉眼观察方便,故D错误。
2.(干涉条纹和波长之间的关系)(2024山东烟台高二期末)在双缝干涉实验中,用波长为5×10-7 m的黄光照射双缝。已知两缝间的间距为0.3 mm,双缝到光屏的距离为1.2 m,光屏上P点到双缝S1和S2的路程差为7.5×10-7 m,则下列说法正确的是( )A.P点出现的是亮条纹,相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为2 mmB.P点出现的是暗条纹,相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为2 mmC.P点出现的是亮条纹,相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为4 mmD.P点出现的是暗条纹,相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为4 mm
3.(薄膜干涉)(2024山东临沂高二期末)用平行单色光垂直照射一层透明薄膜,观察到如图所示明暗相间的干涉条纹。下列关于该区域薄膜厚度d随坐标x的变化图像,可能正确的是( )
解析 从薄膜的上下表面分别反射的两列光是相干光,其光程差为Δx=2d,即光程差为薄膜厚度的2倍,当光程差Δx=nλ时,此处出现亮条纹,相邻亮条纹之间的薄膜的厚度差为 λ,在图中相邻亮条纹(或暗条纹)之间的距离变大,薄膜层的厚度逐渐变小,因条纹宽度逐渐变宽,则薄膜的厚度不是均匀减小,故选项D正确。
4.(薄膜干涉)(2024福建福州一中高二期末)利用薄膜干涉的原理可以检查平面的平整度,还可以制成镜头增透膜。图甲中,让单色光从上方射入,这时从上方看可以看到明暗相间的条纹,下列说法正确的是( )
A.图甲中将薄片向着劈尖方向移动使劈角变大时,条纹变疏B.图甲中将样板微微平行上移,条纹疏密不变C.如果看到的干涉条纹如图乙所示,说明被检平面在此处凸起D.图丙中镀了增透膜的镜头看起来是有颜色的,那是增透了这种颜色的光的缘故
解析 当将薄片向着劈尖方向移动使劈角变大时,相邻亮条纹或暗条纹中心间距变小,所以干涉条纹会变密,故A错误;将样板平行上移,导致原来满足亮条纹光程差的间距向劈尖移动,因此出现条纹向着劈尖移动,但条纹疏密不变,故B正确;从弯曲的条纹可知,此处检查平面左边处的空气膜厚度与后面的空气膜厚度相同,知此处凹陷,故C错误;照相机、望远镜的镜头表面镀了一层透光的膜,可以增大某种光的透射强度,这种膜称为增透膜,这是利用了光的干涉现象,同时镀膜镜头看起来是有颜色的,是该种颜色的光没有增透造成的,故D错误。
5.(薄膜干涉)(2024上海南洋模范中学期末)如图所示,在一块平板玻璃上放置一薄凸透镜,在两者之间形成厚度不均匀的空气膜,让一束单色光垂直入射到该装置上,结果在上方观察到同心圆环状干涉条纹,称为牛顿环。以下说法正确的是( )
A.干涉现象是凸透镜下表面反射光和凸透镜上表面反射光叠加形成的B.干涉现象是凸透镜上表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的C.形成的干涉条纹是不等间距的D.若将该装置放到真空中观察,就无法看到牛顿环
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