（浙江專版）2018年高中物理 第十三章 光 第3節(jié) 光的干涉學(xué)案 新人教版選修3-4

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1、 第3節(jié) 光_的_干_涉 楊氏雙縫干涉實驗 [探新知·基礎(chǔ)練] 1．物理史實 1801年，英國物理學(xué)家托馬斯·楊成功地觀察到了光的干涉現(xiàn)象，開始讓人們認(rèn)識到光的波動性。 2．雙縫干涉實驗 (1)實驗過程：讓一束平行的完全相同的單色光投射到一個有兩條狹縫的擋板上，兩狹縫相距很近，兩狹縫就成了兩個波源，它們的頻率、相位和振動方向總是相同的，兩個光源發(fā)出的光在擋板后面的空間互相疊加發(fā)生干涉。 (2)實驗現(xiàn)象：在屏上得到明暗相間的條紋。 (3)實驗結(jié)論：光是一種波。 [辨是非](對的劃“√”，錯的劃“×”) 1．在雙縫干涉實驗中，單縫的作用是為了得到線光源。(√) 2．

2、在雙縫干涉實驗中，雙縫的作用是使白光變成單色光。(×) [釋疑難·對點練] 楊氏雙縫干涉實驗的原理 (1)雙縫干涉的裝置示意圖： 實驗裝置如圖所示，有光源、單縫、雙縫和光屏。 (2)單縫屏的作用： 獲得一個線光源，使光源有唯一的頻率和振動情況。 (3)雙縫屏的作用： 平行光照射到單縫S上，又照到雙縫S1、S2上，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。 (4)屏上某處出現(xiàn)亮、暗條紋的條件： 頻率相同的兩列波在同一點引起的振動的疊加，如亮條紋處某點同時參與的兩個振動步調(diào)總是一致，即振動方向總是相同；暗條紋處振動步調(diào)總相反。 具體產(chǎn)生亮、暗條紋的條件為：

3、 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(shù)倍或半波長的偶數(shù)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(shù)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(cè)展開。 [試身手] 1．下列關(guān)于雙縫干涉實驗的說法中正確的是(　　) A．單縫的作用是獲得頻率保持不變的相干光源 B．雙縫的作用是

4、獲得兩個振動情況相同的相干光源 C．光屏上距兩縫的路程差等于半波長的整數(shù)倍處出現(xiàn)暗條紋 D．在光屏上能看到光的干涉圖樣，但在雙縫與光屏之間的空間卻沒有干涉發(fā)生 解析：選B　在雙縫干涉實驗中，單縫的作用是獲得一個線光源，雙縫的作用是獲得兩個振動情況完全相同的相干光源，故選項A錯誤，B正確；光屏上距兩縫的路程差為半波長的奇數(shù)倍處出現(xiàn)暗條紋，選項C錯誤；兩列光波只要相遇就會疊加，滿足相干條件就能發(fā)生干涉，所以在雙縫與光屏之間的空間也會發(fā)生光的干涉，故選項D錯誤。 光發(fā)生干涉的條件 [探新知·基礎(chǔ)練] 干涉條件：兩列光的頻率相同、振動方向相同、相位差恒定。[辨是非](對的劃“√”，錯的

5、劃“×”) 1．只要頻率相同，兩列光波就能產(chǎn)生干涉。(×) 2．只有頻率相同的兩列光波才能產(chǎn)生干涉。(√) [釋疑難·對點練] 1．相干光源 發(fā)出的光能夠產(chǎn)生干涉的兩個光源。 2．一般情況下很難觀察到光的干涉現(xiàn)象的原因 由于不同光源發(fā)出的光的頻率一般不同，即使是同一光源，它的不同部位發(fā)出的光也不一定有相同的頻率和恒定的相位差，故一般情況下不易觀察到光的干涉現(xiàn)象。 [試身手] 2．從兩只手電筒射出的光，當(dāng)它們照射到同一點時看不到干涉條紋，是因為(　　) A．手電筒射出的光不是單色光 B．周圍環(huán)境的漫反射光太強 C．干涉圖樣太細(xì)小看不清楚 D．兩個光源是非相干光源 解析

6、：選D　兩只手電筒屬兩個各自獨立發(fā)光的光源，根據(jù)物體的發(fā)光機理，二者發(fā)出的光是非相干光，因此它們照射到同一點時不發(fā)生干涉，無干涉條紋，故選項A、B、C錯誤，D正確。 干涉圖樣 [探新知·基礎(chǔ)練] 1．單色光 形成明暗相間的條紋，中央為亮條紋。 2．白光 光屏上出現(xiàn)彩色條紋，且中央亮條紋是白色(填寫顏色)。 [辨是非](對的劃“√”，錯的劃“×”) 1．用紫光作光源比用藍(lán)光作光源的干涉條紋間距要大。(×) 2．用白光作光源的干涉條紋是彩色的條紋，且中央亮條紋是白色的。(√) [釋疑難·對點練] 1．單色光的干涉圖樣 若用單色光作光源，則干涉條紋是明暗相間的條紋，且條

7、紋間距相等。中央為亮條紋，兩相鄰亮紋(或暗紋)間距離與光的波長有關(guān)，波長越大，條紋間距越大。 2．白光的干涉圖樣 若用白光作光源，則干涉條紋是彩色條紋，且中央亮條紋是白色的。這是因為： (1)從雙縫射出的兩列光波中，各種色光都能形成明暗相間的條紋。各種色光都在中央條紋處形成亮條紋，從而復(fù)合成白色條紋。 (2)兩側(cè)條紋間距與各色光的波長成正比，即紅光的亮條紋間距寬度最大，紫光的亮條紋間距寬度最小，即除中央條紋以外的其他條紋不能完全重合，這樣便形成了彩色干涉條紋。 [試身手] 3．如圖所示為紅光或紫光通過雙縫或單縫所呈現(xiàn)的圖樣，則(　　) A．甲為紫光的干涉圖樣　　　 B

8、．乙為紫光的干涉圖樣 C．丙為紅光的干涉圖樣 D．丁為紅光的干涉圖樣 解析：選B　干涉圖樣的條紋間距是均勻的，且干涉條紋間距Δx＝λ， 而紅光的波長較長，所以甲為紅光的干涉圖樣，乙為紫光的干涉圖樣；而衍射圖樣的條紋是不均勻的，中央亮條紋的寬度與波長成正比，所以丙為紅光的衍射圖樣，丁為紫光的衍射圖樣，只有選項B正確。 雙縫干涉實驗中亮、暗條紋的分析 [典例1]　在雙縫干涉實驗中，光屏上某點P到雙縫S1和S2的路程差為7.5×10－7 m，如果用頻率為6.0×1014 Hz的黃光照射雙縫，試問： (1)該黃光的波長是多少； (2)試通過計算分析P點出現(xiàn)亮條紋還是暗條

9、紋。 [解析]　(1)λ＝＝ m＝5×10－7 m。 (2)Δx＝7.5×10－7 m＝λ，所以出現(xiàn)暗條紋。 [答案]　(1)5×10－7 m　(2)出現(xiàn)暗條紋 (1)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。 (2)路程差等于波長整數(shù)倍處出現(xiàn)亮條紋；等于半波長奇數(shù)倍處出現(xiàn)暗條紋。 (3)上述結(jié)論成立的條件是：兩個光源情況完全相同。 光發(fā)生干涉條件的應(yīng)用 [典例2]　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

10、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]選C　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)生干涉的兩束光，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(xiàn)干涉條紋，但仍有紅光和綠光照射到屏幕上。C正確。 [課堂對點鞏固] 1．以下光源可作為相干光源的是(　　) A．兩個相同亮度的燭焰

11、 B．兩個相同規(guī)格的燈泡 C．雙絲燈泡 D．出自一個點光源的兩束光 解析：選D　A、B、C三項中的光源均不是相干光源，故A、B、C均錯；D項中兩束光是來自同一點光源，兩束光完全相同，是相干光源，故D對。 2.曾有報道四川成都隧道發(fā)生瓦斯爆炸事故。瓦斯在隧道施工、煤礦采掘等作業(yè)中危害極大，某同學(xué)查資料得知含有瓦斯的氣體的折射率大于干凈空氣的折射率，于是他根據(jù)雙縫干涉現(xiàn)象設(shè)計了一個監(jiān)測儀。其原理如圖所示，在雙縫前面放置兩個完全相同的透明容器A、B，容器A與干凈的空氣相通，容器B中通入礦井中的氣體，觀察屏上的干涉條紋，就能夠監(jiān)測瓦斯?jié)舛取Ｈ绻恋恼醒隣點(未畫出)變?yōu)榘导y，說明B中氣體(　

12、　) A．一定含瓦斯 B．一定不含瓦斯 C．不一定含瓦斯 D．無法判斷 解析：選A　如果屏的正中央O點變?yōu)榘导y，而從兩個子光源到屏的路程差恒為零，說明光經(jīng)B中氣體時波長發(fā)生變化，所以B中氣體一定含瓦斯，A正確。 3．某同學(xué)自己動手利用如圖所示器材觀察光的干涉現(xiàn)象，其中，A為單縫屏，B為雙縫屏，C為像屏。當(dāng)他用一束陽光照射到A上時，屏C上并沒出現(xiàn)干涉條紋。他移走B后，C上出現(xiàn)一窄亮斑。分析實驗失敗的原因，最可能是(　　) A．單縫S太窄　　　　　　　　 B．單縫S太寬 C．S到S1和S2的距離不等 D．陽光不能作為光源 解析：選B　本實驗中，單縫S應(yīng)非常窄，才可看做“理

13、想線光源”，也才能成功地觀察到干涉現(xiàn)象，移走B屏后，在C上出現(xiàn)一窄亮斑，說明單縫S太寬，故B正確，A錯誤；S到S1和S2距離不等時，也能出現(xiàn)干涉條紋，但中央不一定是亮條紋，C錯誤；太陽光可以作光源，屏上將出現(xiàn)彩色條紋，D錯誤。 4．(多選)如圖甲所示為雙縫干涉實驗中用綠光進(jìn)行實驗時，在屏上觀察到的條紋情況，a為中央亮條紋，圖乙為換用另一顏色的單色光做實驗時觀察到的條紋情況，a′為中央亮條紋。則以下說法正確的是(　　) A．圖乙可能為用紅光實驗產(chǎn)生的條紋，表明紅光波長較長 B．圖乙可能為用紫光實驗產(chǎn)生的條紋，表明紫光波長較長 C．圖乙可能為用紫光實驗產(chǎn)生的條紋，表明紫光波長較短 D

14、．圖乙可能為用紅光實驗產(chǎn)生的條紋，表明紅光頻率較小 解析：選AD　根據(jù)雙縫干涉圖樣的特點，入射光的波長越長，同一裝置產(chǎn)生的雙縫干涉圖樣中條紋越寬，條紋間距也越大，由題目條件可確定另一種顏色的單色光比綠光波長要長，因此選項B、C錯誤，A、D正確。 [課堂小結(jié)] [課時跟蹤檢測十三] 一、單項選擇題 1．如圖所示，用頻率為f的單色光垂直照射雙縫，在光屏上的P點出現(xiàn)第3條暗條紋，已知光速為c，則P點到雙縫距離之差S2P－S1P應(yīng)為(　　) A. B. C. D. 解析：選B　單色光的波長為λ＝，又P點出現(xiàn)第3級暗條紋，即S2P－S1P

15、＝＝，選項B正確。 2．一束白光通過雙縫后在屏上觀察到干涉條紋，除中央白色條紋外，兩側(cè)還有彩色條紋，其原因是(　　) A．各色光的波長不同，因而各色光分別產(chǎn)生的干涉條紋間距不同 B．各色光的速度不同，造成條紋的間距不同 C．各色光的強度不同，造成條紋的間距不同 D．各色光通過雙縫到達(dá)一確定點的距離不同 解析：選A　各色光的頻率不同，波長不同，在屏上得到的干涉條紋的寬度不同，各種顏色的條紋疊加后得到彩色條紋，故A正確。 3．在楊氏雙縫干涉實驗中，如果(　　) A．用白光作為光源，屏上將呈現(xiàn)黑白相間的條紋 B．用紅光作為光源，屏上將呈現(xiàn)紅黑相間的條紋 C．用紅光照射一條狹縫，用

16、紫光照射另一條狹縫，屏上將呈現(xiàn)彩色條紋 D．用紫光作為光源，屏上將看不到任何條紋 解析：選B　用白光作為光源，屏上將呈現(xiàn)彩色條紋，A錯；用紅光作為光源，屏上將呈現(xiàn)紅色條紋與暗條紋(即黑條紋)相間排列，B對；紅光和紫光頻率不同，不能產(chǎn)生干涉條紋，C錯；紫光作為光源，也會發(fā)生雙縫干涉，即出現(xiàn)紫色黑色相間的條紋，D錯。 4．關(guān)于光的干涉的說法正確的是(　　) A．在雙縫干涉現(xiàn)象里，亮條紋和暗條紋的寬度是不等的 B．在雙縫干涉現(xiàn)象里，把入射光由紅光換成紫光，相鄰兩個亮條紋間距將變寬 C．只有顏色相同的兩列光波才能產(chǎn)生干涉 D．顏色不同的兩列光波也能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，只是不穩(wěn)定 解析：選C　

17、雙縫干涉條紋中亮條紋與暗條紋的寬度相等，A錯；由干涉條紋的寬度正比于波長知，波長大，條紋寬，紅光的波長大于紫光的波長，故入射光由紅光換成紫光，相鄰兩個亮條紋間距將變窄，B錯；頻率決定光的顏色，由光的干涉條件知C對，D錯。 5．如圖所示為單色光雙縫干涉實驗?zāi)骋粫r刻的波形，實線表示波峰，虛線表示波谷。在此時刻，介質(zhì)中A點為波峰相疊加點，B點為波谷相疊加點，A、B連線上的C點為某中間狀態(tài)相疊加點。如果把屏分別放在A、B、C三個位置，那么(　　) A．A、B、C三個位置都出現(xiàn)亮條紋 B．B位置處出現(xiàn)暗條紋 C．C位置出現(xiàn)亮條紋或暗條紋要由其他條件決定 D．以上結(jié)論都不對 解析：選A　在

18、干涉現(xiàn)象中，所謂“振動加強的點”是指兩列波在該點引起的振動方向總是相同，該點的振幅是兩列波的振幅之和，在某些時刻它也可以位于平衡位置(如題圖中C點)。題圖中A、B、C三個位置到兩縫的距離差都為零，故都是振動加強的點，都出現(xiàn)亮條紋，故A正確。 二、多項選擇題 6．下列關(guān)于雙縫干涉實驗的說法中正確的是(　　) A．單縫的作用是獲得一個線光源 B．雙縫的作用是獲得兩個振動情況相反的相干光源 C．頻率相同、相位差恒定的兩列單色光能夠產(chǎn)生干涉現(xiàn)象 D．照射單縫的單色光的頻率越高，光屏上出現(xiàn)的條紋寬度越寬 解析：選AC　在楊氏雙縫干涉實驗中，單縫的作用是獲得一個線光源，雙縫的作用是獲得兩個振

19、動情況完全相同的光源，故選項A正確，B錯誤；頻率相同、相位差恒定的兩列光可以發(fā)生干涉現(xiàn)象，選項C正確；由c＝λf可得λ＝，頻率越高，波長越短，條紋間距越窄，選項D錯誤。 7．關(guān)于光的干涉，下列說法中正確的是(　　) A．只有頻率相同的兩列光波才能產(chǎn)生干涉 B．頻率不同的兩列光波也能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，只是不穩(wěn)定 C．兩個完全相同的相干光源做雙縫干涉實驗時，從兩個狹縫到達(dá)屏上的路程差是光波長的整數(shù)倍時出現(xiàn)亮條紋 D．兩個完全相同的相干光源做雙縫干涉實驗時，從兩個狹縫到達(dá)屏上的路程差是光波長的奇數(shù)倍時出現(xiàn)暗條紋 解析：選AC　發(fā)生干涉現(xiàn)象時兩列光的頻率必須相同，選項A正確；頻率不同不能產(chǎn)生干

20、涉，而不是干涉不穩(wěn)定，選項B錯誤；干涉發(fā)生時出現(xiàn)亮條紋的條件是路程差是波長的整數(shù)倍或者半波長的偶數(shù)倍，選項C正確；干涉發(fā)生時出現(xiàn)暗條紋的條件是路程差是半波長的奇數(shù)倍，選項D錯誤。 8．雙縫干涉實驗裝置如圖所示，綠光通過單縫S后，投射到具有雙縫的擋板上，雙縫S1和S2與單縫S的距離相等，光通過雙縫后在與雙縫平行的屏上形成干涉條紋。屏上O點到兩縫的距離相等，P點是距O點最近的第一條亮條紋。已知紅光、綠光和藍(lán)光三種色光比較，紅光的波長最長，藍(lán)光的波長最短，那么如果將入射的單色光換成紅光或藍(lán)光，討論屏上O點及其上方的干涉條紋的情況，下列敘述正確的是(　　) A．O點是紅光的亮條紋 B．紅光的

21、第一條亮條紋在P點的上方 C．O點不是藍(lán)光的亮條紋 D．藍(lán)光的第一條亮條紋在P點的上方 解析：選AB　因O點到S1、S2的距離相等，Δr＝0，故各種色光在O點均為亮條紋，A正確，C錯誤；藍(lán)光的波長 最短，第一條亮條紋離O點最近，應(yīng)在P點下方，而紅光的波長最長，第一條亮條紋離O點最遠(yuǎn)，應(yīng)在P點上方，故B正確，D錯誤。 三、非選擇題 9．光纖通信是70年代以后發(fā)展起來的新興技術(shù)，世界上許多國家都在積極研究和發(fā)展這種技術(shù)。發(fā)射導(dǎo)彈時，可在導(dǎo)彈后面連一根細(xì)如蛛絲的光纖，就像放風(fēng)箏一樣，這種纖細(xì)的光纖在導(dǎo)彈和發(fā)射裝置之間，起著雙向傳輸信號的作用。光纖制導(dǎo)的下行光信號是鎵鋁砷激光器發(fā)出的在纖芯

22、中波長為0.85 μm的單色光。上行光信號是銦鎵砷磷發(fā)光二極管發(fā)射的在纖芯中波長為1.06 μm的單色光。這種操縱系統(tǒng)通過這根光纖向?qū)棸l(fā)出控制指令，導(dǎo)彈就如同長“眼睛”一樣盯住目標(biāo)。 根據(jù)以上信息，回答下列問題： (1)在光纖制導(dǎo)中，上行光信號在真空中的波長是多少？ (2)為什么上行光信號和下行光信號要采用兩種不同頻率的光？(已知光纖纖芯的折射率為1.47) 解析：(1)設(shè)信號頻率為f，真空中的波長為λ0，c＝λ0f，光在纖芯中的頻率仍為f，波長為λ，則光在纖芯中的速度v＝λf，又n＝，可以得出λ0＝nλ＝1.47×1.06 μm≈1.56 μm。 (2)若上行光信號和下行光信號的頻率相同，將發(fā)生干涉現(xiàn)象而互相干擾。 答案：(1)1.56 μm　(2)見解析 9