高三物理二轮复习--光的干涉和衍射

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光的干涉 光的衍射

教学目标www.ks5u.com 1．对已复习过的机械波和光波进行比较，使学生能对相邻、相近和相似知识进行比较，对相同知识和方法进行归纳，从而达到新旧知识融会贯通．

2．在学生已经阅读教材的基础上，设置一些问题情景，引起学生的认真思考进而加深对光的干涉和衍射想象的理解．

教学重点、难点分析

1．复习相干光源的获得及光波的干涉和衍射的条件，双缝干涉中为什么能形成明暗相间的条纹及明暗条纹的计算方法，从而确切地理解光的干涉和衍射现象的形成．

2．在新的情景下能够运用波的分析方法解决问题． 教学过程设计 教师活动

在复习机械波时我们已经知道，干涉和衍射是波的基本特征，那么，在什么区域能看到波的干涉现象呢？

学生活动

在波的重叠区域可以看到干涉现象．

在两列波叠加的区域一定能够看到干涉现象吗？

两列波发生干涉是有条件的，只有两列频率相同的波相互叠加，才可使某些区域振动加强，某些区域振动减弱，并且振动加强和振动减弱的区域相互间隔．

你回答得很正确，那么如果是两列光波，我选用频率相同的波，例如：两个波源均用红色激光光源，让它们同时照射到某个区域，该区域有明暗相间的干涉条纹吗？为什么？

没有，由于光波很短，任何两个独立的光源发出的光相叠加均不能产生干涉现象，只有利用特殊的方法从同一光波分离出两列光波，才能保证两列波的振动是完全相同的，才能发生干涉现象．

目前我们课本中介绍的相干光源有几种？

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两种．一是双缝干涉；一是薄膜干涉．这两种均是利用“分光”的方法而获得的相干波源．

好，我们先来复习双缝干涉的有关问题，双缝干涉实验是怎样获得相干波源的？ 让一束单色光（例如红光）投到一个有孔的屏上，如图4-3-1所示，这个小孔就成了一个“点光源”．光从小孔出来后，就射到第二个屏的两个小孔上，这两个小孔离得很近，约为0.1mm，而且与前有关小孔的距离相等，这样在任何时刻从前一个小孔发出的光波都会同时传到这两个小孔，这两个小孔就成了两个振动情况总是相同的波源．

那么，明暗相间的条纹又是怎样形成的呢？对照机械波的情况，如果两列波在相叠加的区域传播的路程差为一个波长的整数倍时，该区域的振动就加强，如果两列波在叠加区域传播的路程差为半波长的奇数倍时，该区域的振动就减弱．

如图4-3-2，甲图中P点在S1S2的中垂线上，所以，两列波的路程差△s=0．所以，振动被加强，为明条纹．

乙图中，在P点上方的P1点，屏上与狭缝S1、S2的路程差△s=λ又出现明条纹．

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丙图中，在P1点的上方还可以找到△s=2λ的P2点，在该点上方还能找到路程差为3λ、4λ?的点，在这些地方振动均被加强．同样，在P点的下方也能找到路程差为λ、2λ、3λ?的点．

如图4-3-3，在甲图中，在P与P1之间一定有一个Q1点，S1、S2点到该点的路程差为λ/2，该点为振动减弱的点，同理，我们无论在P点的上方还是在P点的下方均能找到路程差为半波长的奇数倍的点，这些点均为暗条纹，这样就形成了明暗相间的条纹．

请观察课本中的彩色图片，白光的干涉条纹，为什么中间条纹为白色，而中央亮条纹的边缘出现了色彩？

这是因为白光是由不同颜色的单色光复合而成的，而不同色光的波长不同，在狭缝间的距离和狭缝与屏的距离不变的条件下，光波的波长越长，各条纹之间的距离越大，条纹间距与光波的波长成正比．各色光在双缝的中垂线上均为亮条纹，故各色光重合，为白色．各色光产生的条纹宽度不同，所以，中央亮条纹的边缘处出现了彩色条纹． 刚才你提到在狭缝间的距离和狭缝与屏的距离不变的条件下，如果我假设其它条件不变，将像屏稍微向双缝屏移动或远离双缝屏移动，像屏上的条纹是不是就模糊不清了呢？

我想像屏上仍有清晰的干涉条纹，因为仍可以在像屏上找到两列波的路程差为0、λ、2λ、3λ?nλ的点，也仍可找到两列波的路程差为λ/2、3λ/2?（2n—1）λ/2的点．

下面我对薄膜干涉再提几个问题，第一，薄膜干涉是由哪两列波叠加而产生的？ 当光这时到薄膜上时，光从薄膜的前后（或上下）两个表面反射回来，形成两列波，由于它们是从同一光源发出的，这两列波的波长和振动情况相同，为两列相干光波．

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将肥皂膜竖直放在点燃的洒有钠盐的酒精灯附近，这时你看到的干涉条纹是什么样的？为什么形成这样的条纹？

我们看到的干涉条纹基本上是水平的明暗相间的黄色条纹．呈现黄色是因为酒精灯火焰中放入了钠盐，呈基本水平的条纹是因为，肥皂膜竖直放置，由于重力的作用肥皂膜形成了上薄下厚的楔形，在薄膜的某些地方，前后表面反射光出来恰好是波峰与波峰叠加或波谷与波谷叠加，使光的振动加强，形成黄色的亮条纹；在另外一些地方，两列反射光恰好是波峰与波谷叠加，使光的振动相抵消，形成暗条纹．由于楔形表面的同一厚度基本在一水平线上，所以，我们看到的干涉条纹基本是水平的．

薄膜干涉在技术上有哪些应用？

（1）利用光的干涉可以检验光学玻璃表面是否平． （2）现代光学仪器的镜头往往镀一层透明的氟化镁表面．

为什么要在镜头上涂一层氟化镁薄膜呢？它怎么起到增加透射光的作用呢？ 现代光学装置，如摄像机、电影放映机的镜头，都是由多个透镜或棱镜组成的，进入这些装置的光，在每个镜面上都有10％～20％的光被反射，如果一个装置中有5个透镜或棱镜，那么将会有50％的光被反射，若在镜的表面涂上一层增透膜，就可大大减少了光的反射，增强光的透射强度，提高成像质量．

氟化镁薄膜应镀多厚？为什么？镀了膜的光学器件与未镀膜的光学器件在外表上有什么区别？为什么？

氟化镁薄膜的厚度应为光在氟化镁中波长的1/4，两个表面的反射光的路程差为半波长的奇数倍时，两列反射光相互抵消．所以，膜厚为光在氟化镁中波长的1/4，是最薄的膜．

镀了膜的光学器件与未镀膜的光学器件在外表上是有区别的．镀膜的光学器件呈淡紫色，因为在通常情况下，入射光为白光，增透膜只能使一定波长的光反射时相互抵消，不可能使白光中所有波长的光反射时抵消．在选增透膜时，一般是使对人眼灵敏的绿光在垂直入射时相互抵消，这时光谱边缘部分的红光和紫光并没有相互抵消，因此涂有增透膜的光学器件呈淡紫色．

光的波动性的另一个特征就是光的衍射现象，我们知道，光的衍射是光离开直线路径绕到障碍物阴影里的现象．那么我们平时为什么不易见到光的衍射呢？

因为光的波长很短，只有十分之几微米，而平时障碍物或孔的尺寸远大于光的波长，所以不易见到光的衍射．

教师边讲边做实验：在不透明的屏上装有一个宽度可调的单缝，用氦氖激光光源照射，在缝的后面适当位置放一个屏，当单缝较宽时，光沿着直线方向通过缝，在光屏上可以看到一条跟缝宽度相当的亮线；把单缝宽度调小一些，可以看到屏上亮线的宽度也随之减小．而单缝的宽度调得很窄时，光通过单缝后就明显地偏离了直线传播的方向，照到屏

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上相当宽的地方，并且出现了明暗相间的条纹，再调小缝宽，明暗相间的条纹也随之变得清晰、细小．这个实验说明了什么？

说明以往我们所说的光沿直线传播只是一种近似的规律，只有在光的波长比障碍物小得多的情况下，光才可以看作是直进的．在障碍物的尺寸可以跟光的波长相比甚至比光的波长还小的时候，衍射现象就变得十分明显了．所以，障碍物或孔的大小可以与光的波长相比或比光波的波长还小就是光产生明显的衍射现象的条件．

光波发生干涉现象时产生干涉条纹，光波发生衍射现象时产生衍射条纹，那么，干涉和衍射本质上有什么相同和不同之处吗？双缝干涉条纹与单缝衍射条纹有什么区别呢？

干涉和衍射本质上都是光波的叠加，都证明了光的波动性，但两者有所不同．首先干涉是两列相干光源发出的两列光波的叠加；衍射是许多束光的叠加．稳定的干涉现象必须是两列相干波源，而衍射的发生无须此条件，只是，当障碍物或孔与光的波长差不多或还要小的时候，衍射才明显．干涉和衍射的图样也不同，以双缝干涉和单缝衍射的条纹为例，干涉图样由等间距排列的明暗相间的条纹（或彩色条纹）组成，衍射图样是由不等距的明暗相间（中央亮条纹最宽）的条纹或光环（中央为亮斑）组成．

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