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高中物理第十三章光第3节光的干涉学案选修3-4剖析


13.3
学 习 目 标

光的干涉
知 识 脉 络

1.观察光的干涉现象,能说出光的干涉条纹 的特点.(重点) 2. 能说出干涉现象产生的原因以及出现明条 纹或暗条纹应满足的条件.(难点) 3. 明确相干光源的概念, 熟记产生稳定干涉 现象的条件.(重点)

杨氏干涉实验

[先填空] 1.物理史实 1801 年,英国物理学家托马斯·杨成功地观察到了光的干涉现象,开始让人们认识 到光的波动性. 2.双缝干涉实验 (1)实验过程:让一束平行的单色光投射到一个有两条狭缝 S1 和 S2 的挡板上,两狭 缝相距很近,两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, 两个光源发出的光在挡板后面的空间互相叠加发生干涉. (2)实验现象:在屏上得到明暗相间的条纹. (3)实验结论:光是一种波. [再判断] 1.直接用强光照射双缝,发生干涉.(×) 2.两只手电筒射出的光束在空间相遇,能观察到光的干涉现象.(×) 3.用单色光作光源,干涉条纹是明暗相间的条纹.(√) [后思考] 1.做双缝干涉实验时必须具备什么条件才能观察到干涉条纹? 【提示】 必须是相干光源,且双缝间的间距必须很小. 2.一般情况下光源发出的光很难观察到干涉现象,这是什么原因?

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【提示】 光源不同部位发出的光不一定具有相同的频率和恒定的相差,不具备相 干光源的条件. [核心点击] 1.光的干涉 (1)光的干涉:在两列光波的叠加区域,某些区域相互加强,出现亮纹,某些区域相 互减弱,出现暗纹,且加强和减弱的区域是相互间隔的,即出现亮纹和暗纹相间的 现象. (2)干涉条件:两列光的频率相同、相差恒定或两列光振动情况总是相同.能发生干 涉的两列波称为相干波,两个光源称为相干光源,相干光源可用同一束光分成两列 来获得. 2.托马斯·杨的双缝干涉实验 (1)双缝干涉的装置示意图(如图 13?3?1 所示)

图 13?3?1 实验装置如图 13?3?1 所示,有光源、单缝、双缝和光屏. (2)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,如果用激光直接照射双缝,可 省去单缝屏.杨氏那时没有激光,因此他用强光照射一条狭缝,通过这条狭缝的光 再通过双缝产生相干光. (3)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 和振动情况完全一致的相干光. 3.双缝干涉图样的特点

图 13?3?2
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(1)单色光的干涉图样(如图 13?3?2 所示) 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.中央为亮条 纹,两相邻亮条纹(或暗条纹)间距离与光的波长有关,波长越大,条纹间距越大. (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: ①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. ②两侧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.

1.以下光源不可作为相干光源的是( A.两个相同亮度的烛焰 B.两个相同规格的灯泡 C.双丝灯泡 D.出自一个光源的两束光 E.一束平行单色光经双缝后分为两束 【答案】 ABC

)

2.在双缝干涉实验中,以白光为光源,在屏幕上观察到了彩色干涉条纹,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),已知红光与绿色频率,波长均不相等,这时在屏上可看到什么现象? 【导学 号:23570097】 【答案】 见解析 3.从两只相同的手电筒射出的光,当它们在某一区域叠加后,看不到干涉图样,这 是为什么? 【答案】 见解析

1.双缝干涉的条件是必须有相干光源,且双缝间的间距必须很小.

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2.光源不同部位发出的光不一定具有相同的频率和恒定的相位差,所以一般情况很 难观察到光的干涉现象,杨氏双缝干涉实验采用将一束光“一分为二”的方法获得 相干光源. 3.在单色光的干涉条纹中,两相邻明纹或暗纹间的距离是相等的,不同色光的条纹 间距不相等.

决定条纹明暗的条件

[先填空] 1.当两个光源与屏上某点的距离之差等于波长λ 的整数倍时,两列光波在这点相互 加强,出现明条纹. λ 2.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 2 互减弱,出现暗条纹. [再判断] 1.若用白光作光源,干涉条纹是明暗相间的条纹.(×) 2.若用单色光作光源,干涉条纹是明暗相间的条纹.(√) 3.当两个光源与屏上某点的距离之差为半波长的整数倍时出现暗条纹.(×) [后思考] 1.用白光做双缝干涉实验,彩纹的特点如何? 【提示】 屏中央各色光都得到加强,混合成白色,但两侧因条纹间距不同而分开 成彩色,而且同一级条纹内紫外红. 2.不同色光在真空中的光速相同吗?在同种介质中的光速相同吗? 【提示】 各种色光在真空中的光速均为 c=3×108 m/s,而在同种介质中,由于 c 各种色光的折射率不同,由 v= 知,v 不同. n [核心点击] 1.明暗条纹的判断 如图 13?3?3 所示,S1、S2 是两个狭缝, S1S2 =d,缝到屏的距离为 l,l? d,O 是 S1S2 的中垂线与屏的相交点.
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图 13?3?3 (1)出现明条纹的条件 屏上某点 P 到双缝 S1 和 S2 的路程差正好是波长的整数倍,即|PS1-PS2|=kλ = λ 2k· (k=0,1,2,?). 2 (2)出现暗条纹的条件 屏上某点 P 到双缝 S1 和 S2 的路程差正好是半波长的奇数倍,即|PS1-PS2|=(2k λ +1) (k=0,1,2,3,?). 2 2.对双缝干涉图样的两点说明 (1)若用白光作光源,则干涉条纹是彩色条纹,且中央亮纹为白色. (2)若利用单色光作光源,则干涉条纹是明暗相间的条纹,且条纹间距相等,中央仍 为亮纹.

4.在双缝干涉实验中,双缝到光屏上 P 点的距离之差为 0.6 μ m,若分别用频率 f1 =5.0×1014Hz 和 f2=7.5×1014Hz 的单色光垂直照射双缝,则 P 点出现明、暗条 纹的情况是: 单色光 f1 照射时出现______条纹,单色光 f2 照射时出现______条纹. 【导学号: 23570098】 【答案】 明 暗 5.如图 13?3?4 所示,用频率为 f 的单色光(激光)垂直照射双缝,在光屏的 P 点出 现第 3 条暗条纹,已知光速为 c,则 P 到双缝 S1、S2 的距离之差|r1-r2|应为 ________.

图 13?3?4 【答案】 5c 2f

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双缝干涉中亮条纹或暗条纹的判断方法 (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)的光程差与波长 的比值. (2)出现明条纹的条件是光程差等于波长的整数倍. (3)出现暗条纹的条件是光程等于半波长的奇数倍,而不是整数倍.

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