2019届高中物理第十三章光第3节光的干涉讲义含解析 9页

光的干涉杨氏双缝干涉实验[探新知·基础练]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。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．在双缝干涉实验中，单缝的作用是为了得到线光源。(√)2．在双缝干涉实验中，双缝的作用是使白光变成单色光。(×)[释疑难·对点练]杨氏双缝干涉实验的原理(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：n①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：|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。[试身手]1．下列关于双缝干涉实验的说法中正确的是(　　)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发生解析：选B　在双缝干涉实验中，单缝的作用是获得一个线光源，双缝的作用是获得两个振动情况完全相同的相干光源，故选项A错误，B正确；光屏上距两缝的路程差为半波长的奇数倍处出现暗条纹，选项C错误；两列光波只要相遇就会叠加，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，故选项D错误。光发生干涉的条件[探新知·基础练]干涉条件：两列光的频率相同、振动方向相同、相位差恒定。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．只要频率相同，两列光波就能产生干涉。(×)2．只有频率相同的两列光波才能产生干涉。(√)[释疑难·对点练]1．相干光源发出的光能够产生干涉的两个光源。2．一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。[试身手]2．从两只手电筒射出的光，当它们照射到同一点时看不到干涉条纹，是因为(　　)nA．手电筒射出的光不是单色光B．周围环境的漫反射光太强C．干涉图样太细小看不清楚D．两个光源是非相干光源解析：选D　两只手电筒属两个各自独立发光的光源，根据物体的发光机理，二者发出的光是非相干光，因此它们照射到同一点时不发生干涉，无干涉条纹，故选项A、B、C错误，D正确。干涉图样[探新知·基础练]1．单色光形成明暗相间的条纹，中央为亮条纹。2．白光光屏上出现彩色条纹，且中央亮条纹是白色(填写颜色)。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．用紫光作光源比用蓝光作光源的干涉条纹间距要大。(×)2．用白光作光源的干涉条纹是彩色的条纹，且中央亮条纹是白色的。(√)[释疑难·对点练]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，两相邻亮纹(或暗纹)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，且中央亮条纹是白色的。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。[试身手]3．如图所示为红光或紫光通过双缝或单缝所呈现的图样，则(　　)A．甲为紫光的干涉图样　　　B．乙为紫光的干涉图样C．丙为红光的干涉图样D．丁为红光的干涉图样n解析：选B　干涉图样的条纹间距是均匀的，且干涉条纹间距Δx＝λ，而红光的波长较长，所以甲为红光的干涉图样，乙为紫光的干涉图样；而衍射图样的条纹是不均匀的，中央亮条纹的宽度与波长成正比，所以丙为红光的衍射图样，丁为紫光的衍射图样，只有选项B正确。双缝干涉实验中亮、暗条纹的分析[典例1]　在双缝干涉实验中，光屏上某点P到双缝S1和S2的路程差为7.5×10－7m，如果用频率为6.0×1014Hz的黄光照射双缝，试问：(1)该黄光的波长是多少；(2)试通过计算分析P点出现亮条纹还是暗条纹。[解析]　(1)λ＝＝m＝5×10－7m。(2)Δx＝7.5×10－7m＝λ，所以出现暗条纹。[答案]　(1)5×10－7m　(2)出现暗条纹(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)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出现暗条纹。(3)上述结论成立的条件是：两个光源情况完全相同。光发生干涉条件的应用[典例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．红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其他颜色的干涉条纹依然存在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n[解析]选C　两列光波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，在光屏上形成干涉条纹，但分别用绿色滤光片和红色滤光片挡住两条缝后，红光和绿光频率不等，不能发生干涉，因此屏上不会出现干涉条纹，但仍有红光和绿光照射到屏幕上。C正确。[课堂对点巩固]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．出自一个点光源的两束光解析：选D　A、B、C三项中的光源均不是相干光源，故A、B、C均错；D项中两束光是来自同一点光源，两束光完全相同，是相干光源，故D对。2.曾有报道四川成都隧道发生瓦斯爆炸事故。瓦斯在隧道施工、煤矿采掘等作业中危害极大，某同学查资料得知含有瓦斯的气体的折射率大于干净空气的折射率，于是他根据双缝干涉现象设计了一个监测仪。其原理如图所示，在双缝前面放置两个完全相同的透明容器A、B，容器A与干净的空气相通，容器B中通入矿井中的气体，观察屏上的干涉条纹，就能够监测瓦斯浓度。如果屏的正中央O点(未画出)变为暗纹，说明B中气体(　　)A．一定含瓦斯B．一定不含瓦斯C．不一定含瓦斯D．无法判断解析：选A　如果屏的正中央O点变为暗纹，而从两个子光源到屏的路程差恒为零，说明光经B中气体时波长发生变化，所以B中气体一定含瓦斯，A正确。3．某同学自己动手利用如图所示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，最可能是(　　)A．单缝S太窄　　　　　　　　B．单缝S太宽C．S到S1和S2的距离不等D．阳光不能作为光源解析：选B　本实验中，单缝S应非常窄，才可看做“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，但中央不一定是亮条纹，C错误；太阳光可以作光源，屏上将出现彩色条纹，D错误。4．(多选)如图甲所示为双缝干涉实验中用绿光进行实验时，在屏上观察到的条纹情况，a为中央亮条纹，图乙为换用另一颜色的单色光做实验时观察到的条纹情况，an′为中央亮条纹。则以下说法正确的是(　　)A．图乙可能为用红光实验产生的条纹，表明红光波长较长B．图乙可能为用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较长C．图乙可能为用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较短D．图乙可能为用红光实验产生的条纹，表明红光频率较小解析：选AD　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，由题目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错误，A、D正确。[课堂小结][课时跟踪检测十三]一、单项选择题1．如图所示，用频率为f的单色光垂直照射双缝，在光屏上的P点出现第3条暗条纹，已知光速为c，则P点到双缝距离之差S2P－S1P应为(　　)A.B.C.D.解析：选B　单色光的波长为λ＝，又P点出现第3级暗条纹，即S2P－S1P＝＝，选项B正确。2．一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．各色光通过双缝到达一确定点的距离不同n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。3．在杨氏双缝干涉实验中，如果(　　)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，屏上将看不到任何条纹解析：选B　用白光作为光源，屏上将呈现彩色条纹，A错；用红光作为光源，屏上将呈现红色条纹与暗条纹(即黑条纹)相间排列，B对；红光和紫光频率不同，不能产生干涉条纹，C错；紫光作为光源，也会发生双缝干涉，即出现紫色黑色相间的条纹，D错。4．关于光的干涉的说法正确的是(　　)A．在双缝干涉现象里，亮条纹和暗条纹的宽度是不等的B．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C．只有颜色相同的两列光波才能产生干涉D．颜色不同的两列光波也能产生干涉现象，只是不稳定解析：选C　双缝干涉条纹中亮条纹与暗条纹的宽度相等，A错；由干涉条纹的宽度正比于波长知，波长大，条纹宽，红光的波长大于紫光的波长，故入射光由红光换成紫光，相邻两个亮条纹间距将变窄，B错；频率决定光的颜色，由光的干涉条件知C对，D错。5．如图所示为单色光双缝干涉实验某一时刻的波形，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(　　)A．A、B、C三个位置都出现亮条纹B．B位置处出现暗条纹C．C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　在干涉现象中，所谓“振动加强的点”是指两列波在该点引起的振动方向总是相同，该点的振幅是两列波的振幅之和，在某些时刻它也可以位于平衡位置(如题图中C点)。题图中A、B、C三个位置到两缝的距离差都为零，故都是振动加强的点，都出现亮条纹，故A正确。二、多项选择题6．下列关于双缝干涉实验的说法中正确的是(　　)nA．单缝的作用是获得一个线光源B．双缝的作用是获得两个振动情况相反的相干光源C．频率相同、相位差恒定的两列单色光能够产生干涉现象D．照射单缝的单色光的频率越高，光屏上出现的条纹宽度越宽解析：选AC　在杨氏双缝干涉实验中，单缝的作用是获得一个线光源，双缝的作用是获得两个振动情况完全相同的光源，故选项A正确，B错误；频率相同、相位差恒定的两列光可以发生干涉现象，选项C正确；由c＝λf可得λ＝，频率越高，波长越短，条纹间距越窄，选项D错误。7．关于光的干涉，下列说法中正确的是(　　)A．只有频率相同的两列光波才能产生干涉B．频率不同的两列光波也能产生干涉现象，只是不稳定C．两个完全相同的相干光源做双缝干涉实验时，从两个狭缝到达屏上的路程差是光波长的整数倍时出现亮条纹D．两个完全相同的相干光源做双缝干涉实验时，从两个狭缝到达屏上的路程差是光波长的奇数倍时出现暗条纹解析：选AC　发生干涉现象时两列光的频率必须相同，选项A正确；频率不同不能产生干涉，而不是干涉不稳定，选项B错误；干涉发生时出现亮条纹的条件是路程差是波长的整数倍或者半波长的偶数倍，选项C正确；干涉发生时出现暗条纹的条件是路程差是半波长的奇数倍，选项D错误。8．双缝干涉实验装置如图所示，绿光通过单缝S后，投射到具有双缝的挡板上，双缝S1和S2与单缝S的距离相等，光通过双缝后在与双缝平行的屏上形成干涉条纹。屏上O点到两缝的距离相等，P点是距O点最近的第一条亮条纹。已知红光、绿光和蓝光三种色光比较，红光的波长最长，蓝光的波长最短，那么如果将入射的单色光换成红光或蓝光，讨论屏上O点及其上方的干涉条纹的情况，下列叙述正确的是(　　)A．O点是红光的亮条纹B．红光的第一条亮条纹在P点的上方C．O点不是蓝光的亮条纹D．蓝光的第一条亮条纹在P点的上方解析：选AB　因O点到S1、S2的距离相等，Δr＝0，故各种色光在O点均为亮条纹，A正确，C错误；蓝光的波长n最短，第一条亮条纹离O点最近，应在P点下方，而红光的波长最长，第一条亮条纹离O点最远，应在P点上方，故B正确，D错误。三、非选择题9．光纤通信是70年代以后发展起来的新兴技术，世界上许多国家都在积极研究和发展这种技术。发射导弹时，可在导弹后面连一根细如蛛丝的光纤，就像放风筝一样，这种纤细的光纤在导弹和发射装置之间，起着双向传输信号的作用。光纤制导的下行光信号是镓铝砷激光器发出的在纤芯中波长为0.85μm的单色光。上行光信号是铟镓砷磷发光二极管发射的在纤芯中波长为1.06μm的单色光。这种操纵系统通过这根光纤向导弹发出控制指令，导弹就如同长“眼睛”一样盯住目标。根据以上信息，回答下列问题：(1)在光纤制导中，上行光信号在真空中的波长是多少？(2)为什么上行光信号和下行光信号要采用两种不同频率的光？(已知光纤纤芯的折射率为1.47)解析：(1)设信号频率为f，真空中的波长为λ0，c＝λ0f，光在纤芯中的频率仍为f，波长为λ，则光在纤芯中的速度v＝λf，又n＝，可以得出λ0＝nλ＝1.47×1.06μm≈1.56μm。(2)若上行光信号和下行光信号的频率相同，将发生干涉现象而互相干扰。答案：(1)1.56μm　(2)见解析