2017-2018学年人教版选修3-4 光的干涉 第1课时 教案

13.3光的干涉

【教学目标】

（一）知识与技能

1．通过实验观察认识光的干涉现象，知道从光的干涉现象说明光是一种波。 2．掌握光的双缝干涉现象是如何产生的，何处出现亮条纹，何处出现暗条纹。 （二）过程与方法

1．通过杨氏双缝干涉实验，体会把一个点光源发出的一束光分成两束，得到相干光源的设计思想。

2．通过根据波动理论分析单色光双缝干涉，培养学生比较推理，探究知识的能力。 （三）情感、态度与价值观

通过对光的本性的初步认识，建立辩证唯物主义的世界观。 【教学重点】双缝干涉图象的形成实验及分析。 【教学难点】亮纹（或暗纹）位置的确定。 【教学方法】复习提问，实验探究，计算机辅助教学

教学过程：

新课导入：光到底是什么？有些物理学家提出光是一种波，如果光真是一种

波，它应该具有波的特征，就一定能观察到光的干涉现象，1801年，英国物理学家托马斯·杨成功地观察到光的干涉现象，这节课我们共同探究光的干涉的相关知识．

光的干涉 双缝干涉实验

a．实验过程：让一束平行的单色光投射到一个有两条狭缝S1和S2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．

b．实验现象：在屏上得到明暗相间的条纹． c．实验结论：光是一种波．

d．现象解释：S1和S2相当于两个频率、相位和振动方向相同的波源，当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的偶数倍时(即恰好等于波长的整数倍时)，两列

光波在这点相互加强，出现明条纹；当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的奇数倍时，两列光波在这点相互削弱，出现暗条纹．

光产生干涉的条件 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． 为什么一般情况下很难观察到光的干涉现象？

【提示】 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，很难找到那么小的缝和那些特殊的装置

杨氏双缝干涉实验

1. 双缝干涉的装置示意图

图13－3－1

实验装置如图13－3－1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，如果用激光直接照射双缝，可省去单缝屏．杨氏那时没有激光，因此他用强光照射一条狭缝，通过这条狭缝的光再通过双缝产生相干光．

3. 双缝屏的作用

平行光照射到单缝S上，又照射到双缝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

观察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：

|PS1－PS2|＝kλ＝2k·2(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…)

2

k为暗条纹的级次，从第1级暗条纹开始向两侧展开． (3)时间上的关系：①亮条纹：Δt＝nT(n＝0，1，2，3…)．

T

②暗条纹：Δt＝(2n＋1)·2(n＝0，1，2，3，…)

1

式中Δt表示两列光波到同一点的时间差；T＝f为光波的周期． 强调：

1.双缝干涉的条件是必须有相干光源，且双缝间的间距必须很小．

2.光源不同部位发出的光不一定具有相同的频率和恒定的相位差，所以一般情况很难观察到光的干涉现象，杨氏双缝干涉实验采用将一束光“一分为二”的方法获得相干光源．

λλ图13－3－2

如图13－3－2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，P点上方的P1点处于第一级亮纹中心(即P1到S1、S2的光程差为一个波长)，现换用波长为400 nm的紫光源照射单缝，则( )

A．P和P1仍为亮条纹

B．P为亮条纹，P1为暗条纹 C．P为暗条纹，P1为亮条纹 D．P、P1均为暗条纹

【审题指导】 在两相干波相遇的区域中，判断各点的明暗情况是通过该点到两缝的路程差的大小与波长的关系判断．

【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，因而，无论入射光是什么颜色的光，波长多大，P点都是中央亮条纹的中心．而P1点到S1、S2的路程差刚好是橙光的一个波长，即|P1S1－P1S2|＝600 nm＝λ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

3

光时，|P1S1－P1S2|＝600 nm＝2λ紫，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点时相互减弱，因此，出现暗条纹．综上所述，选项B正确．

【答案】 B 针对练习：

1. 由两个不同光源所发出的两束白光落在同一点上，不会产生干涉现象．这是因为( )

A．两个光源发出光的频率不同 B．两个光源发出光的强度不同 C．两个光源的光速不同

D．这两个光源是彼此独立的，不是相干光源

【解析】 题中两光源发出的光都是白光，频率不确定没法比较，选项A错误．光的强度对光是否产生干涉没有影响，所以B错误．光速在真空中是确定的，但它对光的干涉也没影响，选项C错误．题设中的是两个独立光源，根据物体的发光机理(原子跃迁)，二者产生的不是相干光，选项D正确．

【答案】 D

双缝干涉图样的特点 1. 单色光的干涉图样

图13－3－3

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．

用白光做干涉实验，从红光到紫光其波长由大到小，它们的干涉条纹间距也是从大到小，屏中央各色光都得到加强，混合成白色，但两侧因条纹间距不同而分开成彩色，

而且同一级条纹内紫外红．

在双缝干涉实验中，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，比用红光作为光源产生的条纹间距更大

【解析】 白光为复合光，各色光波长不同，干涉图样为彩色条纹，A错；红光为单色光，B正确；干涉条件是频率相同，故C错误；紫光作为光源比用红光作为光源产生的条纹间距小，D错．

【答案】 B

图13－3－4

2. 如图13－3－4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( )

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】 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，而不要理解为该点始终处于波峰或波谷，在某些时刻它也可以位于平衡位置(如题图中C点)．所谓“振动减弱的点”是指两列波在该点引起的振动方向总是相反的，该点的振幅是两列波的振幅之差，如果两列波的振幅相同，则该点始终在平衡位置，对光波而言，该点是完全暗的．

【答案】 A

双缝干涉实验装置如图13－3－5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点最近的第一条亮条纹．如果将入射的单色

光换成红光或蓝光，讨论屏上O点的干涉条纹的情况及其上方第一条亮条纹的位置是：①O点是红光的亮条纹；②红光的第一条亮条纹在P点的上方；③O点不是蓝光的亮条纹；④蓝光的第一条亮条纹在P点的上方．其中正确的是( )

图13－3－5

A．只有①②正确 B．只有①④正确 C．只有②③正确 D．只有③④正确

【规范解答】 O点到两缝的距离相等，故不论换用红光还是蓝光，O点均为亮条纹，所以①正确，③错误；因为S2P－S1P＝λ绿，又因为λ绿<λ红，所以S2P－S1P<λ红．所以红光第一条亮纹到中心亮纹O点的距离比绿光的第一条亮纹到中心亮纹O点的距离大，所以红光的第一条亮纹在P点上方，②正确；同理，蓝光的波长比绿光的小，蓝光