物理选择性必修 第一册3 光的干涉精品教学设计

第四章　光

第3节　光的干涉

【教材分析】

英国著名物理学家托马斯·杨在1801年成功完成的“杨氏双缝干涉实验”是光具有波动性的有力论据，学生在学习过程中要体会生活中光的干涉现象，并通过对本节课程的学习，知道双缝干涉实验的物理现象及基本原理，能够对相关问题进行定性分析及必要的定量计算。

【教学目标与核心素养】

【物理观念】通过干涉实验体会光的波动性。

【科学思维】结合波的干涉现象通过科学的类比方法认识和理解光的干涉现象，体会光的波动性。

【科学探究】通过介绍光的干涉现象的应用，帮助学生了解物理知识与现代科技的密切关系，引导学生探究生活问题、探索真理的理念。

【科学态度与责任】认光的干涉现象与生活和现代科技联系紧密，实现了课堂知识走向课外、走向生产、走向科技，所以学习这部分知识有着重要的现实意义。

【教学重点与难点】

【教学重点】光的干涉的概念及表达式、光的干涉的条件、光的干涉的应用。

【教学难点】光的干涉的条件、光的干涉的应用。

【教学过程】

一、【引入新课】

光的干涉

想一想：

肥皂膜看起来常常是彩色的，雨后公路积水上面漂浮的油膜，也经常显现出彩色条纹。这些彩色条纹或图样是怎样形成的？

如果两列机械波的频率相同、相位差恒定、振动方向相同，就会发生干涉。光是一种电磁波，那么光也应该会发生干涉现象。怎样才能观察到光的干涉现象呢？

二、【进行新课】

探究点一、光的双缝干涉

实验：

光的双缝干涉

在暗室中用氦氖激光器发出的红色激光照射金属挡板上的两条平行的狭缝（图甲），在后面的屏上观察光的干涉情况（图乙）。

甲 实验装置                             乙 屏的照片

如何解释这个现象呢？如图让一束单色光投射到一个有两条狭缝S1和S2的挡板上，狭缝S1和S2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明暗相间的条纹。

双缝干涉的示意图

具体地说，如图狭缝S1和S2相当于两个频率、相位和振动方向都相同的波源，它们到屏上P0点的距离相同。由于S1和S2发出的两列波到达P0点的路程一样，所以这两列波的波峰或波谷同时到达P0点，也就是相位仍然相同。在这点，两列波叠加后相互加强，因此这里出现亮条纹。

再考察P0点上方的另外一点P1，它距S2比距S1远一些，两列波到达P1点的路程不相同，两列波的波峰或波谷不一定同时到达P1。如果路程差正好是半个波长λ，那么，当一列波的波峰到达P1时，另一列波正好在这里出现波谷。这时两列波叠加的结果是互相抵消，于是这里出现暗条纹。

对于更远一些的P2点，来自两个狭缝的光波的路程差更大。如果路程差正好等于波长λ，那么，两列光波的波峰或波谷会同时到达这点，它们相互加强，这里也出现亮条纹。距离屏的中心越远，路程差越大。每当路程差等于λ，2λ，3λ，…时，也就是每当路程差等于λ，λ，λ，…时，两列光波得到加强，屏上出现亮条纹；每当路程差等于λ，λ，λ，…时，两列光波相互削弱，屏上出现暗条纹。

综合以上分析，可以说，当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的偶数倍时（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；当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的奇数倍时，两列光波在这点相互削弱，这里出现暗条纹。

双缝干涉的原理图

光的干涉实验最早是英国物理学家托马斯·杨在1801年成功完成的。托马斯·杨的时代没有激光。他用日光照亮一条狭缝，通过这条狭缝的光再通过双缝，发生干涉。这就是历史上著名的杨氏双缝干涉实验，它有力地证明了光是一种波。

英国物理学家 托马斯·杨（1773-1829)

双缝干涉

由同一光源发出的光经两个狭缝后形成两列光波叠加产生。

光的干涉条件：两列光的频率相同。

能发生干涉的两束光称为相干光。

探究点二、干涉条纹和光的波长之间的关系

思考与讨论

光的双缝干涉条纹特征，如条纹间距、宽度等，能反映出光的波长、频率等信息吗？

如图波长为λ的单色光照射到双缝上。两缝中心之间的距离为d，两缝S1、S2的连线的中垂线与屏的交点为P0，双缝到屏的距离OP0＝l。我们考察屏上与P0的距离为x的一点P1，两缝与P1的距离分别为P1S1＝r1、P1S2＝r2。在线段P1S2上作P1M＝P1S1，于是，S2M＝r2－r1。由于两缝之间的距离d远远小于缝到屏的距离l，所以，能够认为ΔS1S2M是直角三角形。

根据三角函数的关系有r2－r1＝dsinθ另一方面x＝ltanθ≈lsinθ消去sinθ，有r2－r1＝d根据上一节的分析，当两列波的路程差为波长的整数倍，即d＝nλ（n＝0，±1，±2…）时出现亮条纹，也就是说，亮条纹中心的位置为x＝nλ相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距是∆x＝λ  （1）根据这个关系式可以测出波长。根据（1）式可知，条纹之间的距离与光波的波长成正比，因此能够断定，不同颜色的光，波长不同。实验中确实发现，各种颜色的单色光都会发生干涉，但条纹之间的距离不一样。用黄光做这个实验，条纹之间的距离比用红光时小；用蓝光时更小。

导出相邻亮条纹距离的表达式

探究点三、薄膜干涉

油膜在白光下                            阳光下的肥皂膜

蜻蜓翅膀在阳光下                       阳光下的肥皂泡

做一做：

用肥皂膜做薄膜干涉实验

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（图）。这个像与直接看到的灯焰有什么不同？

灯焰在肥皂膜上所成的像

薄膜干涉的成因

如图所示，竖直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用使下面厚、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，若两列波叠加后互相加强，则出现亮纹；在另一些地方，叠加后互相减弱，则出现暗纹。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。

薄膜前后两个面的反射光

薄膜干涉的应用

等倾法检查平面平整度

如图所示，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，入射光从空气膜的上、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，那里空气膜产生的干涉条纹将发生弯曲。

薄膜干涉的应用

光学镜头上的增透膜

光学镜头表面常常镀一层透光的膜称为增透膜。因增透膜的厚度为入射光在薄膜中波长的，从介质膜前后两个面反射的光的路程差为，所以两列光波相互削弱，使反射光的强度大大降低，透射光的强度得到加强。

特别提醒

对“增透”的理解：如果用宏观的思维方式来理解，两束反射光相互抵消，并没有增加透射光的强度，因此，此过程只是“消反”，却不能“增透”。其实光的干涉将引起整个光强分布的改变，但总的能量是守恒的，反射光的能量被削弱了，透射光的能量就必然得到增强。增透膜正是通过“消反”来确保“增透”的。

科学漫步

光的本性

光到底是什么？这个问题早就引起了人们的注意，不过在很长的时期内人们对它的认识却进展得很慢。

到17世纪时，科学界已经形成了两种学说。一种是光的微粒说，认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀的介质中以一定的速度传播，牛顿支持微粒说。另一种是光的波动说，是惠更斯首先提出的，认为光是在空间传播的某种波。微粒说和波动说都能解释一些光现象，但又不能解释当时观察到的全部光现象。

到了19世纪初，人们在实验中观察到了光的干涉和衍射现象，这是波动的特征，不能用微粒说解释，因而证明了波动说的正确性。19世纪60年代，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并认为光也是一种电磁波。此后，赫兹在实验中证实了这种假说，至此，光的波动理论取得了巨大的成功。

但是，19世纪末又发现了新的现象——光电效应，这种现象用波动说无法解释。爱因斯坦于20世纪初提出了光子说，认为光具有粒子性，从而解释了光电效应。不过，这里说的光子已经不同于过去说的“微粒”了。

现在人们认识到，光既具有波动性，又具有粒子性。

课堂重点知识小结

随堂练习

例1：(单选）如图所示为双缝干涉实验装置，当使用波长为6×10－7 m的橙光做实验时，光屏P点及上方的P1点形成相邻的亮条纹。若使用波长为4×10－7 m的紫光重复上述实验，在P和P1点形成的亮、暗条纹的情况是(　　)

A.P和P1点处都是亮条纹

B.P点处是亮条纹，P1点处是暗条纹

C.P点处是暗条纹，P1点处是亮条纹

D.P和P1点处都是暗条纹

【答案】B

【解析】从单缝S射出的光波被S1、S2两缝分成两束相干光，由题意知屏中央P点到S1、S2的距离相等，即分别由S1、S2射出的光到P点的路程差为零，因此P点是中央亮条纹，因而，无论入射光是什么颜色，波长多长，P点处都是亮条纹。由题意可知分别由S1、S2射出的光到P1点的路程差刚好是橙光的一倍波长，即|P1S1－P1S2|＝600 nm＝λ橙，当换用波长为400 nm的紫光时，|P1S1－P1S2|＝600 nm＝λ紫，则两列光波到P1点时振动情况完全相反，即分别由S1、S2射出的光在P1点相互削弱，因此，在P1点出现暗条纹。故选B。

例2：(多选)如图甲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处为中央亮条纹，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′处为中央亮条纹。若已知红光、绿光和紫光的波长大小关系为红光的波长最长，紫光的波长最短，则以下说法不正确的是(　　)

A.丙图比乙图条纹间的间距大

B.丙图可能为用红光实验产生的条纹，表明红光波长较长

C.丙图可能为用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较长

D.丙图可能为用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较短

【答案】CD

【解析】根据双缝干涉图样的特点，入射光的波长越长，同一装置产生的双缝干涉图样中条纹的间距就越大。由本题的条件可确定另一种颜色的单色光比绿光的波长长，因此A、B两项正确，C、D两项错误。

例3：(单选)某同学自己动手利用如图所示的器材，观察光的干涉现象，其中，A为单缝屏，B为双缝屏，C为像屏。当他用一束阳光照射到A上时，屏C上并没有出现干涉条纹。他移走B后，C上出现一窄亮斑。分析实验失败的原因，最大的可能是(　　)

A.单缝S太窄 B.单缝S太宽

C.S到S1和S2距离不等 D.太阳光不能作光源

【答案】B

【解析】本实验中，单缝S应非常窄，才可看作“理想线光源”，也才能成功地观察到干涉现象，移走B屏后，在C上出现一窄亮斑，说明单缝S太宽，故B正确，A错误；S到S1和S2距离不等时，也能出现干涉条纹，但中央不一定是亮纹，C错误；太阳光可以作光源，屏上将出现彩色条纹，D错误。