1、第 2 课时 光的干涉、衍射 激光基础知识归纳1.光的干涉现象(1)光的干涉两列光波在空间相遇时发生叠加，在某些区域总加强，在另一区域总减弱，从而出现明暗相间的条纹的现象叫光的干涉.(2)干涉的条件相干光源：频率相同、相差恒定(步调差恒定)的两束光.相干光源采用将一束光一分为二的方法获得，或者采用人造激光.(3)杨氏双缝干涉相干条件：如图若S1、S2光振动情况完全相同，则符合r2r1xn(n0,1,2,3)时，出现亮条纹；若S1、S2光振动情况完全相同，则符合r2r1x(2n1) (n0,1,2,3)时，出现暗条纹.(注意：振动情况完全相反的加强减弱条件)其中d是两狭缝之间的距离，L是两狭缝到
2、屏的距离，是光波的波长.相邻亮条纹(或相邻暗条纹)之间的中央间距：x 双缝干涉图样 单色光：中央为明条纹，两边为等间距对称分布明暗相间条纹；复合光：中央为明条纹，两边为等间距对称分布彩色条纹.白光：中央为白色明条纹.(4)薄膜干涉薄膜干涉的成因：由薄膜的前、后表面反射的两列光波叠加而形成.生活实例及应用：a.液膜干涉：劈形薄膜干涉可产生平行明暗相间的条纹.b.固膜干涉：增透膜.膜的厚度：.增反膜：.c.气膜干涉：检查平整程度.待检平面和标准平面之间的楔形空气薄膜，用单色光进行照射，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，待检平面若是平的，空气膜厚度相同的各点就位于一条直线上，干
3、涉条纹是平行的；反之，干涉条纹有弯曲现象.2.光的衍射现象(1)光的衍射光遇到障碍物时，偏离直线传播方向而照射到阴影区域的现象叫做光的衍射.(2)明显衍射的条件从理论上讲衍射是无条件的，但需发生明显的衍射现象的条件：当孔或障碍物的尺寸比光波的波长小，或者跟光波的波长相差不多时，光才发生明显的衍射现象.(3)衍射图样单缝衍射：单色光：中央是最宽的亮条纹，两侧为不等间隔的明暗相间的条纹；复合光：中央是最宽的亮条纹，两侧为不等间隔的彩色条纹，最靠近中央的是紫光，最远离中央的是红光.注意：与双缝干涉的干涉条纹不同的是：干涉条纹均匀分布，而衍射条纹的中央明纹较宽、较亮.圆孔衍射：明暗相间的不等距圆环.(
4、4)泊松亮斑光照射到一个半径很小的圆板后在圆板的阴影中心出现亮斑，这是光能发生衍射的有力证据之一.注意泊松亮斑与圆孔衍射条纹的区别：图甲是泊松亮斑，图乙是圆孔衍射条纹.(5)光的衍射的应用用衍射光栅测定光波波长.3.光的偏振(1)自然光、偏振光自然光：从光源(如太阳、亮着的灯等)直接发出的光，包含着在垂直于传播方向的一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同.偏振光：自然光通过偏振片后，在跟光传播方向垂直的平面内，光振动在某一方向较强而在另一些方向振动较弱，这样的光叫偏振光.自然光射到两种介质的界面上，如果光的入射方向合适，使反射和折射光之间的夹角恰好是90，这时的反射光和折射光
5、就都是偏振光，且它们的偏振方向互相垂直.我们通常看到的绝大多数光都是偏振光.(2)光的偏振的物理意义光的偏振现象充分表明光波是横波.因为偏振现象是横波所特有的现象.(3)偏振光的应用全息照相、立体电影等.4.激光(1)激光的特点主要特点有：相干性好；平行度好；亮度很高.激光是一种人工相干光，两束相同的激光在相遇区域叠加时，产生非常明显的干涉现象；激光具有非常好的平行度，激光在传播很远的距离后仍然保持一定的强度；激光具有很强的亮度，激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量.(2)激光的重要应用应用：通信、测距、光盘读取、切割等.由于激光是相干光，便于调制，常用来传递信息，光纤通信就是激光
6、和光导纤维相结合的产物；激光测距雷达、激光刻录光盘等都是根据激光的平行度好的原理制成的；利用激光在很短的时间内集中很大的能量的性质，用激光来切割各种物体、焊接金属及在硬质材料上打孔、医学上用激光做“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤、“焊接”剥落的视网膜等，利用激光产生的高温高压引起核聚变.重点难点突破一、正确识别生活中的干涉、衍射、折射、反射等光现象，掌握干涉、衍射条纹的特点因白光是复色光，白光在干涉，衍射与折射时均可观察到彩色光带，生活中常见的干涉现象为薄膜干涉，如水面的油膜、照相机镜头前的增透膜、肥皂膜，相干光源是同一束光在薄膜前后两个表面的反射光.因可见光的波长很短，只有几百纳米，要观察到明显
7、的衍射现象，障碍物或孔的尺寸必须很小.所以将眼眯成一条缝或透过纱巾观察到的彩色光带是白光经过缝隙产生的衍射现象.白光通过三棱镜形成的彩色光带是光的折射现象即色散，雨后天空中的彩虹产生也是光的色散现象.二、光的干涉条件的理解光的干涉条件是有两个频率相同、振动情况总是相同(或相差恒定)的波源，即相干波源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，在一般情况下，很难找到两列相干光源.通常采用人造激光或将一束光一分为二，如图分别是利用双缝、楔形薄膜、空气膜、平面镜形成相干光源.三、双缝干涉中条纹间距和位置的分析及有关计算1.影响条纹间距的
8、因素，x，L为双缝刻屏的距离，d为两狭缝间的距离，为光的波长.2.中央位置是亮纹还是暗纹的条件：双缝到光屏中央距离相等，光程差为零.若两光源振动完全一致，中央一定是亮纹，若两光源振动恰好相反，则中央为暗纹.分析时要结合两狭缝的具体位置及两光源的振动情况两个因素进行判断.3.单色光颜色、频率、波长的关系.光的颜色由光的频率决定，在可见光中，红光频率最低，紫光频率最高，真空中各色光光速相同，由c知，真空中红光波长最大，紫光波长最小.四、薄膜干涉条纹间距与弯曲方法的判断方法1.条纹出现在薄膜前表面的等厚线上，明纹产生的条件是厚度等于光波半波长的整数倍.2.等倾干涉条纹是均匀的，相邻明纹间的高度差是一
9、个常数，是由厚度决定.如图若薄片变厚，增大，第一条明纹位置向左移动且相邻明纹的间距变密.3.若被检查平面平整则干涉图样是等间距明暗相同的平行直条纹.若某处凹下，则对应明(暗)条纹提前出现，如图(a)所示；若某处凸起，则对应明(暗)条纹延后出现，如图(b)所示.典例精析1.各种光现象的识别【例1】分析以下现象产生的原因：(1)通过盛水的玻璃杯，在适当的角度，可看到彩色光；(2)菜汤上的油花呈现彩色；(3)隔着帐幔看远处的灯，见到灯周围辐射彩色的光芒；(4)光线照在花布上，可以看见花布上的图样.【解析】(1)白光通过盛水的玻璃杯发生折射，产生色散，在适当的角度，各色光分离较大，可看到彩色光.(2)
10、光经过菜汤上油膜的上、下两表面发生反射，两列反射光波相互叠加，产生干涉条纹，因此菜汤上的油花呈现彩色.(3)远处发出的光经过帐幔的缝隙，产生衍射，因此远处的灯周围辐射彩色的光芒.(4)光线照在花布上看见花布的图样，是由于光的反射与吸收的结果.花布是由各种颜色的花纹组成的，当白光照在花布上时红色花纹反射红光，吸收其他颜色的光，这样我们在该位置只看到红色.同理可以看到各种花纹反射的颜色.这样可以看到花布的图样.【思维提升】题目中的四种现象都使观察者看到彩色光，但它们产生彩色光的原因不尽相同，解答这类说理题要求我们善于透过现象抓住事物的本质.【拓展1】如图所示为单色光源发出的光经一狭缝照射到光屏上，
11、可观察到的图像是( A )【解析】单色光源经狭缝产生衍射，衍射图样是间距不等明暗相间，中央宽而亮，两边宽度和亮度逐渐降低的条纹，且两边明条纹的亮度迅速降低，只有A符合这些特点.故本题答案为A.2.对相干光源的理解及干涉规律的实际应用【例2】1801年，托马斯杨用双缝干涉实验研究了光波的性质.1834年，洛埃利用单面镜同样得到了杨氏干涉的结果(称洛埃镜实验).(1)洛埃镜实验的基本装置如图所示，S为单色光源.M为一平面镜.试用平面镜成像作图法在图上画出S经平面镜反射后的光与直接发出的光在光屏上相交的区域.(2)设光源S到平面镜的垂直距离和到光屏的垂直距离分别为a和L，光的波长为，在光屏上形成干涉
12、条纹.写出相邻两条亮纹(或暗纹)间距离x的表达式.【解析】(1)根据平面镜成像特点(对称性)，先作出S在镜中的像，画出边沿光线，范围如图所示.(2)要求记住杨氏双缝干涉实验中干涉条纹宽度与双缝间距、缝屏距离、光波波长之间的关系x，因为d2a，所以x【思维提升】对于双缝干涉原理的理解是很重要的，关键是杨氏的“一分为二”的实验设计思想.光源S在平面镜中所成的像与S本身构成了相干光源.要获得稳定的干涉，就是要找到相干光源.如还可以利用两块成很小角度的平面镜的反射光进行干涉实验等.【拓展2】在杨氏双缝干涉实验中，如果( BD )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
13、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】白光是由不同频率单色光组成的复色光，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，由于两侧条纹间距与各色光波长成正比，即红光的亮条纹间宽度最大，紫光亮条纹间宽度最小，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，所以A错，B正确；当两缝用不同光照射时，两光频率不同，不是相干光，不能呈现彩色条纹，C错；遮住一缝，则为衍射实验，屏上将呈现间距不等的条纹，D正确.3.双缝干涉中明暗条纹出现的条件及
14、定量计算【例3】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的紫光源照射单缝，则()A.P和P1仍为亮点B.P为亮点，P1为暗点C.P为暗点，P1为亮点D.P、P1均为暗点【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，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，因此是亮纹中心.因而，无论入射光是什么颜色的光，波长多大，P点都是中央亮纹中心.而P1点到S1、S2路程相差刚好是橙
15、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，因此出现亮纹.当换用波长为400 nm的紫光时，|P1S1P1S2|600 nm，则两列光波到达P1点时振动情况完全相反，即由S1、S2射出的光波到达P1点就相互消弱，因此，出现暗条纹.综上所述，选项B正确.【答案】B【思维提升】判断屏上某点为亮纹还是暗纹，要看该点到两个光源(双缝)的路程差与波长的比值，要记住路程差等于波长整数倍处为亮条纹，等于半波长的奇数倍处为暗条纹.还要注意这一结论成立的条件是：两个光源情况完全相同.本题若频率相同的两相干光源，振动情况完全相反，那么P点仍然是中央亮条纹
16、吗？(答案：不是，为暗条纹.)【拓展3】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点距双缝S1和S2的距离相等，P点是距O点最近的第一条亮纹.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是：O点是红光的亮条纹；红光的第一条亮条纹在P点的上方；O点不是蓝光的亮条纹；蓝光的第一条亮条纹在P点的上方.已知红光波长大于绿光波长，绿光波长大于蓝光的波长，据此判断( A )A.只有正确 B.只有正确C.只有正确 D.只有正确【解析】由于O点到双缝的光程差为零，所以为各种单
17、色光的亮条纹，P点是绿光的第一亮条纹，因为红绿，x，所以红光条纹间距大于绿光条纹间距.4.薄膜干涉规律的认识与应用【例4】劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图所示.将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜.当光垂直入射后，从上往下看到干涉条纹如图所示.干涉条纹有如下特点：(1)任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；(2)任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定.现若在图装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹()A.变疏B.变密C.不变D.消失【解析】撤去一张纸片后，劈形空气薄膜的劈
18、势减缓，相同水平距离上，劈势厚度变化减小，以致干涉时波程差变化减小，条纹变宽，数量变少(变疏).【答案】A【思维提升】本题考查了对薄膜干涉的正确理解，特别是同一条纹对应的空气膜厚度相同这一知识的灵活运用，考查了学生的应用能力.【拓展4】登山运动员在登雪山时要注意防止紫外线的过度照射，尤其是眼睛更不能长时间被紫外线照射，否则将会严重地损坏视力.有人想利用薄膜干涉的原理设计一种能大大减小紫外线对眼睛的伤害的眼镜.他选用的薄膜材料的折射率为n1.5，所要消除的紫外线的频率为8.11014 Hz，那么它设计的这种“增反膜”的厚度至少是多少？【解析】“增反膜”与“增透膜”的区别是：“增透膜”是增强透射光
19、的强度，“增反膜”却是减弱透射光的强度，故“增反膜”的前后表面的两反射光的光程差为波长的整数倍，即光程差最小为光在膜中的一个波长介，由题中信息可知：紫外线在膜中波长介2.5107 m所以d1.25107 m 易错门诊【例5】如图甲所示，在一块平板玻璃上放置一平凸薄透镜，在两者之间形成厚度不均匀的空气膜，让一束单一波长的光垂直入射到该装置上，结果在上方观察到如图乙所示的同心内疏外密的圆环状干涉条纹，称为牛顿环，以下说法正确的是() A.干涉现象是由于凸透镜下表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的B.干涉现象是由于凸透镜上表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的C.干涉条纹不等距是因为空气膜厚度不是
20、均匀变化D.干涉条纹不等距是因为空气膜厚度是均匀变化【错解】凸透镜和平板玻璃组成薄膜，凸透镜的上表面的反射光和平板玻璃的上表面的反射光形成薄膜干涉条纹，故B正确，A错；根据薄膜干涉的应用检测工件的平整程度可知，凸透镜上表面是圆弧，表面不是均匀变化，故干涉条纹不是均匀变化，故C正确，D错.【错因】上述错误的原因是没有弄清凸透镜和平板玻璃组成的哪部分是薄膜，把凸透镜看成薄膜而错选B，而实际上是凸透镜和平板玻璃之间的空气形成薄膜，反射光是薄膜的两个表面的反射光干涉形成干涉条纹.【正解】由于在凸透镜和平板玻璃之间的空气形成薄膜，所以形成相干光的反射面是凸透镜的下表面和平板玻璃的上表面，故A正确，由于凸透镜的下表面是圆弧面，所以形成的薄膜厚度不是均匀变化，形成不等间距的干涉条纹，故C正确.【答案】AC【思维提升】本题中不易理解哪部分是薄膜，本题的关键是弄清楚薄膜，相干光是薄膜上下两个表面的反射光.