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1、第 3 节 光的干涉第 3 节 光的干涉 1.英国物理学家托马斯杨于 1801 年成功地观察到 了光的干涉现象。 2双缝干涉图样：单色光明暗相间的条纹。 3干涉条件：两列光的频率相同，振动方向相同， 相位差恒定。 4出现明纹与暗纹的条件：两光源到屏上某点的距 离之差等于半 波长的偶数倍时出现亮条纹， 奇数倍时出现暗条纹。 一、杨氏干涉实验 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：让一束平行的完全相同的单色光投射到一个有两条狭缝的挡板上，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
2、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：证明光是一种波。 二、光发生干涉的条件 1干涉条件 两列光的频率相同、振动方向相同、相位差恒定。 2相干光源 发出的光能够产生干涉的两个光源。 3一般情况下很难观察到光的干涉现象的原因 由于不同光源发出的光的频率一般不同，即使是同一光源，它的不同部位发出的光也不 一定有相同的频率和恒定的相位差，故一般情况下不易观察到光的干涉现象。 1自主思考判一判 (1)直接用强光照射双缝，发生干涉。() (2)若用白光作光源，干涉条纹是明暗相间的条纹。() (3)若用单色光作光源
3、，干涉条纹是明暗相间的条纹。() (4)在双缝干涉实验中单缝屏的作用是为了获得一个线光源。() (5)双缝干涉实验证明光是一种波。() 2合作探究议一议 (1)两只手电筒射出的光束在空间相遇，能否观察到光的干涉现象？ 提示：不能。两只手电筒射出的光束在空间相遇，不满足光发生干涉的条件，不能观察 到光的干涉现象。 (2)在双缝干涉实验中，如果入射光用白光，在两条狭缝上，一个用红色滤光片(只允许 通过红光)遮挡，一个用绿色滤光片(只允许通过绿光)遮挡。试想：屏上还有干涉条纹吗？ 提示：屏上不会出现干涉条纹，因为双缝用红、绿滤光片遮挡后，透过的两束光频率不 相等，就不是相干光源了，不会再发生干涉。
4、对杨氏双缝干涉实验的理解 1双缝干涉的装置示意图 实验装置如图所示，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。 3双缝屏的作用 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。 4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相反。具体产生亮、暗条纹的条件为 ： (1)亮条纹的条件：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： |PS1PS2|
5、k2k(k0,1,2,3) 2 k0 时，PS1PS2，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： |PS1PS2|(2k1)(k1,2,3) 2 k为暗条纹的级次，从第 1 级暗条纹开始向两侧展开。 典例 如图所示是双缝干涉实验装置，使用波长为600 nm的橙色 光源照射单缝S，在光屏中央P处观察到亮条纹，在位于P点上方的P1 点出现第一条亮条纹中心(即P1到S1、S2的路程差为一个波长)， 现换用 波长为 400 nm 的紫光光源照射单缝，则( ) AP和P1
6、处仍为亮条纹 BP处为亮条纹，P1处为暗条纹 CP处为暗条纹，P1处为亮条纹 DP、P1处均为暗条纹 解析 从单缝S射出的光波被S1、S2两缝分成的两束光为相干光，由题意知屏中央P 点到S1、S2距离相等，即由S1、S2分别射出的光到P点的路程差为零，因此是亮条纹。因而， 无论入射光是什么颜色的光，波长多长，P点都是中央亮条纹。而P1点到S1、S2的路程差刚 好是橙光的一个波长， 即|P1S1P1S2|600 nm橙， 则两列光波到达P1点振动情况完全一致， 振动得到加强， 因此出现亮条纹。 当换用波长为 400 nm 的紫光时， |P1S1P1S2|600 nm3 2 紫，则两列光波到达P1
7、点时振动情况完全相反，即由S1、S2射出的光波到达P1点时相互削 弱，因此出现暗条纹。 答案 B 双缝干涉中明暗条纹的判断方法 (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为暗条纹。 (3)上述结论成立的条件是：两个光源情况完全相同。 1一束白光通过双缝后在屏上观察到干涉条纹，除中央白色条纹外，两侧还有彩色条纹， 其原因是( ) A各色光的波长不同，因而各色光分别产生的干涉条纹间距不同 B各色光的速度不同，造成条纹的间距不同 C各色光的强度不同，造成条纹的间距不同 D各色
8、光通过双缝到达一确定点的距离不同 解析：选 A 各色光的频率不同，波长不同，在屏上得到的干涉条纹的宽度不同，各种颜 色的条纹叠加后得到彩色条纹，故 A 正确。 2如图所示是单色光双缝干涉实验某一时刻的波形图，实线表示波峰，虚线表示波谷。 在此时刻，介质中A点为波峰相叠加点，B点为波谷相叠加点，A、B连线上的C点为某中间 状态相叠加点，如果把屏分别放在A、B、C三个位置，那么( ) AA、B、C三个位置都出现亮条纹 BB位置出现暗条纹 CC位置出现亮条纹或暗条纹要由其他条件决定 D以上结论都不对 解析 ： 选 A 本题中，A、B、C三点总是振动加强的点屏上对应出现的都是亮条纹。另外， 要特别注意
9、波谷与波谷相遇的点(图中B点)振动也是加强的，不要以为B点是暗的。 3.如图所示为双缝干涉实验装置， 当使用波长为 6107 m 的橙 色光做实验时， 光屏P点及上方的P1点形成相邻的亮条纹。 若使用波 长为 4107 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( ) AP和P1都是亮条纹 BP是亮条纹，P1是暗条纹 CP是暗条纹，P1是亮条纹 DP和P1都是暗条纹 解析：选 B 1.5 橙 紫 6 107 4 107 3 2 P1点对橙光：rn橙， 对紫光：rn橙n紫3n 3 2 紫 2 因为P1与P相邻，所以n1，P1点是暗条纹。 对P点，因为 r0，所以仍是亮条纹，B
10、 正确。 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。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在杨氏双缝干涉实验中，如果
11、( ) A用白光作为光源，屏上将呈现黑白相间的条纹 B用红光作为光源，屏上将呈现红黑相间的条纹 C用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上将呈现彩色条纹 D用紫光作为光源，遮住其中一条狭缝，屏上将呈现间距不等的条纹 解析：选 BD 白光作杨氏双缝干涉实验，屏上将呈现彩色条纹，A 错；用红光作光源， 屏上将呈现红色亮条纹与暗条纹(即黑条纹)相间的条纹，B 对；红光和紫光频率不同，不能产 生干涉条纹， C 错 ； 紫光作光源， 遮住一条狭缝， 屏上出现单缝衍射条纹， 即间距不等的条纹， D 对。 2在光的双缝干涉现象里，下列描述正确的是( ) A用白光做光的干涉实验时，偏离中央亮条纹较远的是
12、波长较长的红光 B用白光做光的干涉实验时，偏离中央亮条纹较远的是波长较短的紫光 C相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是不等的 D在双缝干涉现象里，把入射光由红光换成紫光，相邻两个亮条纹间距将变宽 解析：选 A 条纹间距与光的波长成正比，在可见光中，红光波长最长，紫光波长最短， 故偏离中央亮条纹最远的是红光，A 正确、B 错误。双缝干涉现象中，相邻两亮条纹或两暗条 纹是等宽间距的，故 C 错误。红光的波长比紫光的波长大，所以换成紫光后，相邻两亮条纹 间距将变窄，故 D 错误。 3如图甲所示为双缝干涉实验的装置示意图，乙图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
13、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。则以下说法正确的是( ) A丙图可能为用红光实验产生的条纹，表明红光波长较长 B丙图可能为用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较长 C丙图可能为用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较短 D丙图可能为用红光实验产生的条纹，表明红光波长较短 解析：选 A 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 样中条纹越宽，条纹间距也越大，由本题条件可确定另一种颜色的单色光比绿光波长要长， 因此选项 B、C、D 错误，A 正确。 1以下光源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
14、的两束光 解析：选 D 相干光的条件，必须是频率相同，相位差恒定，故只有 D 正确。 2.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。 当他让一束阳光照射A屏时，C屏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可能是( ) A单缝S太窄 B单缝S太宽 CS到S1和S2距离不相等 D阳光不能作光源 解析：选 B 双缝干涉中单缝的作用是获得线光源，而线光源可以看做是由许多个点光源 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。 3.多选用波长为的单色光照射单缝O，经过双缝M、N在屏上 产生
15、明暗相间的干涉条纹，如图所示，图中a、b、c、d、e为相邻亮条 纹的位置，c为中央亮条纹，则( ) AO到达a、b的路程差为零 BM、N到达b的路程差为 CO到达a、c的路程差为 4 DM、N到达e的路程差为 2 解析：选 BD 振动一致的两光源在空间发生干涉，得到亮条纹的条件满足某双缝到某点 的路程差 xn(n0,1,2,3)，故 B、D 正确。 4在双缝干涉实验中，光屏上P点到双缝S1、S2的距离之差 S10.75 m，光屏上 Q 点到双缝S1、S2的距离之差 S21.5 m。若用频率6.01014 Hz 的黄光照射双缝，则 ( ) AP点出现亮条纹，Q 点出现暗条纹 BP点出现暗条纹，Q
16、 点出现亮条纹 C两点均出现亮条纹 D两点均出现暗条纹 解析：选 B 由光的频率6.01014 Hz，知光的波长5107 m。P点到双 c 缝S1、S2的距离之差 S10.75 m7.5107 m1.5。 Q 点到双缝S1、S2的距离之差 S21.5 m15107 m3，因此，P点出现暗条纹，Q 点出现亮条纹，本题的正确答案 是选项 B。 5.如图所示，在双缝干涉中，若用15.0107 m 的光照射，屏上 O为中央亮条纹，屏上A为第二级亮条纹所在处。若换用24.0107 m的光照射时，屏上O处为_条纹(填“亮”或“暗”)，A处为第 _级_(填“亮”或 “暗”)条纹。 解析：双缝到O点的路程差为
17、零，换用24.0107 m 的光照射时，屏上O处仍是亮 条纹。x21n2，解得n2.5，即路程差等于两个半波长， 21 2 2 5.0 107 4.0 107 所以A处是第三级暗条纹。 答案：亮 三 暗 6.如图所示， 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|r1r2| 应为( ) A. B. c 2f 3c 2f C.D. 3c f 5c 2f 解析：选 D 出现暗条纹，说明S1、S2到P点距离之差为(2n1)，而 ， 2 5 2 c f 所以|r1r2|，因此 D 是正确的。 5 2 5c 2f 7.如图
18、所示，用激光束照射双缝干涉实验装置，后面屏上出现干涉 条纹，其中单缝的作用是产生线光 源，单缝、双缝应平行放置。若将单缝绕中心轴旋转(不超过 90)，则条纹将发生的变 化是_，若将双缝绕中心旋转(不超过 90)，则条纹将发生的变化是 _。 解析：在双缝干涉实验中，单缝的作用是形成线光源，双缝的作用是形成振动情况相同 的相干光源，当单缝旋转时，双缝被照亮的面积减小，双缝虽然仍能形成相干光源，但由于 通过双缝的光能量减少，所以屏上仍能产生干涉条纹，但条纹变暗。当双缝旋转时，同样会 导致干涉条纹变暗。同时，干涉条纹保持与双缝平行，也随双缝的旋转而旋转。 答案：条纹不动，亮度变暗 条纹旋转，亮度变暗 8在双缝干涉实验中，用频率51014 Hz 的单色光照射双缝，若屏上P点到双缝距 离之差为 0.9 m，则P点将出现_条纹。若将整个装置放入折射率n2 的介质中进 行上述实验，则P点将出现_条纹。 解析：由c得 m0.6106 m c 3 108 5 1014 。 x 0.9 106 0.6 106 3 2 即 x，故P点出现暗条纹 3 2 放入n2 的介质中， v 1.5108 m/s c n 由v得 m0.3106 m v 1.5 108 5 1014 3 x 0.9 106 0.3 106 即 x3，故P点出现亮条纹。 答案：暗 亮