3光的干涉學(xué)科素養(yǎng)與目標(biāo)要求物理觀念：1.知道光的干涉現(xiàn)象和產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的條件，知道光是一種波.2.理解明暗條紋的成因及出現(xiàn)明暗條紋的條件.科學(xué)探究：做楊氏雙縫干涉實驗，在屏上得到明暗相間的條紋，說明光是一種波.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：體會物理學(xué)的發(fā)展改變了人類對自然界的認(rèn)識.一、楊氏干涉實驗1.1801年，英國物理學(xué)家托馬斯·楊成功地觀察到了光的干涉現(xiàn)象，人們開始認(rèn)識到光具有波動性.2.雙縫干涉實驗(1)實驗過程：讓一束單色光投射到一個有兩條狹縫S1和S2的擋板上，兩狹縫相距很近，兩狹縫就成了兩個波源，它們的頻率、相位和振動方向總是相同的，兩個光源發(fā)出的光在擋板后面的空間互相疊加發(fā)生干涉現(xiàn)象.(2)實驗現(xiàn)象：在屏上得到明暗相間等間距的條紋.(3)實驗結(jié)論：光是一種波.二、決定條紋間距的條件1.干涉條件：兩波源的頻率、振動方向都相同，相位差恒定.2.出現(xiàn)明暗條紋的判斷(1)亮條紋：當(dāng)兩個光源與屏上某點的距離之差等于半波長的偶(填“奇”或“偶”)數(shù)倍時，出現(xiàn)亮條紋.(2)暗條紋：當(dāng)兩個光源與屏上某點的距離之差等于半波長的奇(填“奇”或“偶”)數(shù)倍時，出現(xiàn)暗條紋.1.判斷下列說法的正誤.(1)用白光做雙縫干涉實驗時屏幕各處均是彩色條紋.(×)(2)頻率不同的兩列光波也能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，只是不穩(wěn)定.(×)(3)用兩個完全相同的相干光源做雙縫干涉實驗時，從兩個狹縫到屏上的路程差是光波長的整數(shù)倍時出現(xiàn)亮條紋.()(4)用兩個完全相同的相干光源做雙縫干涉實驗時，從兩個狹縫到屏上的路程差是光波長的奇數(shù)倍時出現(xiàn)暗條紋.(×)2.如圖1所示，在楊氏雙縫干涉實驗中，激光的波長為5.30×107m，屏上P點距雙縫S1和S2的路程差為7.95×107m.則在這里出現(xiàn)的應(yīng)是_(填“亮條紋”或“暗條紋”).圖1答案暗條紋一、楊氏干涉實驗如圖為雙縫干涉的示意圖，單縫發(fā)出的單色光投射到相距很近的兩條狹縫S1和S2上，狹縫就成了兩個波源，發(fā)出的光向右傳播，在后面的屏上觀察光的干涉情況.(1)兩條狹縫起什么作用？(2)在屏上形成的光的干涉圖樣有什么特點？答案(1)光線照到兩狹縫上，兩狹縫成為振動情況完全相同的光源.(2)在屏上形成明暗相間、等間距的干涉條紋.1.楊氏雙縫干涉實驗(1)雙縫干涉的裝置示意圖實驗裝置如圖2所示，有光源、單縫、雙縫和光屏.圖2(2)單縫的作用：獲得一個線光源，使光源有唯一的頻率和振動情況.也可用激光直接照射雙縫.(3)雙縫的作用：將一束光分成兩束頻率相同且振動情況完全一致的相干光.2.光產(chǎn)生干涉的條件兩束光的頻率相同、相位差恒定、振動方向相同.楊氏雙縫干涉實驗是靠“一分為二”的方法獲得兩個相干光源的.3.干涉圖樣(1)單色光的干涉圖樣：干涉條紋是等間距的明暗相間的條紋.(2)白光的干涉圖樣：中央條紋是白色的，兩側(cè)干涉條紋是彩色條紋.例1(2018·北京卷)用雙縫干涉實驗裝置得到白光的干涉條紋，在光源與單縫之間加上紅色濾光片后()A.干涉條紋消失B.彩色條紋中的紅色條紋消失C.中央條紋變成暗條紋D.中央條紋變成紅色答案D解析在光源與單縫之間加上紅色濾光片后，只透過紅光，屏上出現(xiàn)紅光(單色光)的干涉條紋，中央條紋變成紅色.例2在雙縫干涉實驗中，以白光為光源，在屏幕上觀察到了彩色干涉條紋，若在雙縫中的一縫前放一紅色濾光片(只能透過紅光)，另一縫前放一綠色濾光片(只能透過綠光)，已知紅光與綠光的頻率、波長均不相等，這時()A.只有紅色和綠色的雙縫干涉條紋，其他顏色的雙縫干涉條紋消失B.紅色和綠色的雙縫干涉條紋消失，其他顏色的干涉條紋依然存在C.任何顏色的雙縫干涉條紋都不存在，但屏上仍有光亮D.屏上無任何光亮答案C解析分別用綠色濾光片和紅色濾光片擋住兩條縫后，紅光和綠光頻率不等，不能發(fā)生干涉，因此屏上不會出現(xiàn)干涉條紋，但仍有光亮.學(xué)科素養(yǎng)例2回顧了雙縫干涉實驗，兩束光發(fā)生干涉的條件是兩束光的頻率相同、相位差恒定、振動情況相同.一方面讓學(xué)生對物理規(guī)律的認(rèn)識更加深刻，另一方面也讓學(xué)生進一步熟悉了雙縫干涉發(fā)生的條件.這很好地體現(xiàn)了“物理觀念”和“科學(xué)思維”的學(xué)科素養(yǎng).二、決定條紋間距的條件(1)若屏上某點是兩列光波的波峰與波峰相遇，該點的振動是加強還是減弱？若屏上某點是兩列光波的波峰與波谷相遇，該點的振動是加強還是減弱？(2)如圖所示是幾種單色光的雙縫干涉圖樣.用不同顏色的光做干涉實驗時干涉圖樣有什么不同？如果將屏幕遠(yuǎn)離雙縫移動，條紋間距如何變化？改變雙縫間的距離，條紋間距如何變化？雙縫干涉條紋的間距與哪些因素有關(guān)？答案(1)波峰與波峰相遇，振動加強；波峰與波谷相遇，振動減弱.(2)紅光的條紋間距最寬，紫光的條紋間距最窄.屏幕離雙縫越遠(yuǎn)，條紋間距越大.雙縫間距越大，條紋間距越小.與光波波長、雙縫到屏的距離及雙縫間距離有關(guān).1.兩相鄰亮條紋(或暗條紋)間距離與光的波長有關(guān)，波長越大，條紋間距越大.白光的干涉條紋的中央是白色的，兩側(cè)是彩色的，這是因為：各種色光都能形成明暗相間的條紋，都在中央條紋處形成亮條紋，從而復(fù)合成白色條紋.兩側(cè)條紋間距與各色光的波長成正比，條紋不能完全重合，這樣便形成了彩色干涉條紋.2.亮、暗條紋的判斷如圖3所示，設(shè)屏上的一點P到雙縫的距離分別為r1和r2，路程差rr2r1.圖3(1)若滿足路程差為波長的整數(shù)倍，即rk(其中k0，1，2，3，)，則出現(xiàn)亮條紋.k0時，PS1PS2，此時P點位于屏上的O處，為亮條紋，此處的條紋叫中央亮條紋或零級亮條紋.k為亮條紋的級次.(2)若滿足路程差為半波長的奇數(shù)倍，即r(其中k1，2，3，)，則出現(xiàn)暗條紋.k為暗條紋的級次，從第1級暗條紋開始向兩側(cè)展開.例3在光的雙縫干涉現(xiàn)象里，下列描述正確的是()A.用白光做光的干涉實驗時，偏離中央亮條紋最遠(yuǎn)的是波長較長的紅光B.用白光做光的干涉實驗時，偏離中央亮條紋最遠(yuǎn)的是波長較短的紫光C.相鄰兩亮條紋和相鄰兩暗條紋的間距是不等的D.在雙縫干涉現(xiàn)象里，把入射光由紅光換成紫光，相鄰兩個亮條紋間距將變寬答案A解析條紋間距與光的波長成正比，在可見光中，紅光波長最長，紫光波長最短，故偏離中央亮條紋最遠(yuǎn)的是紅光，A正確，B錯誤；雙縫干涉現(xiàn)象中，相鄰兩亮條紋或兩暗條紋是等間距的，故C錯誤；紅光的波長比紫光的波長大，所以換成紫光后，相鄰兩亮條紋間距將變窄，故D錯誤.例4如圖4所示是雙縫干涉實驗裝置，使用波長為600nm的橙色光源照射單縫S，在光屏中央P處觀察到亮條紋，在位于P點上方的P1點出現(xiàn)第一條亮條紋(即P1到S1、S2的路程差為一個波長)，現(xiàn)換用波長為400nm的紫光源照射單縫，則()圖4A.P和P1仍為亮條紋B.P為亮條紋，P1為暗條紋C.P為暗條紋，P1為亮條紋D.P、P1均為暗條紋答案B解析從單縫S射出的光波被S1、S2兩縫分成兩束相干光，由題意知屏中央P點到S1、S2距離相等，即分別由S1、S2射出的光到P點的路程差為零，因此中央是亮條紋，無論入射光是什么顏色的光、波長多大，P點都是中央亮條紋.而分別由S1、S2射出的光到P1點的路程差剛好是橙光的一個波長，即|P1S1P1S2|600nm橙.當(dāng)換用波長為400nm的紫光時，|P1S1P1S2|600nm紫，則兩列光波到達(dá)P1點時振動情況完全相反，即分別由S1、S2射出的光到達(dá)P1點時相互削弱，因此，在P1點出現(xiàn)暗條紋.綜上所述，選項B正確.針對訓(xùn)練如圖5所示，用頻率為f的單色光(激光)垂直照射雙縫，在光屏的P點出現(xiàn)第3條暗條紋，已知光速為c，則P到雙縫S1、S2的路程差|r1r2|應(yīng)為()圖5A.B.C.D.答案D解析出現(xiàn)第3條暗條紋，說明S1、S2到P點距離之差為，而，所以|r1r2|，D項正確.1.(楊氏雙縫干涉實驗)在楊氏雙縫干涉實驗中，如果()A.用白光作為光源，屏上將呈現(xiàn)黑白相間的條紋B.用紅光作為光源，屏上將呈現(xiàn)紅黑相間的條紋C.若僅將入射光由紅光改為紫光，則條紋間距一定變大D.用紅光照射一條狹縫，用紫光照射另一條狹縫，屏上將呈現(xiàn)彩色干涉條紋答案B解析用白光做楊氏雙縫干涉實驗，屏上將呈現(xiàn)彩色條紋，A錯；用紅光作為光源，屏上將呈現(xiàn)紅色亮條紋與暗條紋(即黑條紋)相間的條紋，B對；若僅將入射光由紅光改為紫光，波長變小，條紋間距變小，C錯；紅光和紫光頻率不同，不能產(chǎn)生干涉條紋，D錯.2.(決定條紋間距的條件)(2018·北京101中學(xué)高二下學(xué)期期中)如圖6所示為雙縫干涉實驗中產(chǎn)生的條紋圖樣，甲圖為綠光進行實驗的圖樣，乙圖為換用另一種單色光進行實驗的圖樣，則以下說法中正確的是()圖6A.乙圖可能是用紅光進行實驗產(chǎn)生的條紋，表明紅光波長較長B.乙圖可能是用紫光進行實驗產(chǎn)生的條紋，表明紫光波長較長C.乙圖可能是用紫光進行實驗產(chǎn)生的條紋，表明紫光波長較短D.乙圖可能是用紅光進行實驗產(chǎn)生的條紋，表明紅光波長較短答案A解析題圖乙中條紋的間距比題圖甲大，故題圖乙中光的波長較長，即比綠光的波長長.紅光的波長比綠光長，紫光的波長比綠光短，A正確.3.(決定條紋間距的條件)如圖7所示，用單色光做雙縫干涉實驗，P處為第二條暗條紋，改用頻率較低的單色光重做上述實驗(其他條件不變，屏足夠大)，則同側(cè)第二條暗條紋的位置()圖7A.仍在P處B.在P點上方C.在P點下方D.要將屏向雙縫方向移近一些才能看到答案B解析由知，f變小，變大.若出現(xiàn)第二條暗條紋，則P到雙縫的路程差r，當(dāng)變大時，r也要變大，故第二條暗條紋的位置向上移，在P點上方，B正確.4.(亮、暗條紋的判斷)在雙縫干涉實驗中，雙縫到光屏上P點的距離之差為0.6m，若分別用頻率為f15.0×1014Hz和f27.5×1014Hz的單色光垂直照射雙縫，則P點出現(xiàn)亮、暗條紋的情況是()A.用單色光f1和f2分別照射時，均出現(xiàn)亮條紋B.用單色光f1和f2分別照射時，均出現(xiàn)暗條紋C.用單色光f1照射時出現(xiàn)亮條紋，用單色光f2照射時出現(xiàn)暗條紋D.用單色光f1照射時出現(xiàn)暗條紋，用單色光f2照射時出現(xiàn)亮條紋答案C解析單色光f1的波長：1m0.6×106m0.6m.單色光f2的波長：2m0.4×106m0.4m.因P點到雙縫的距離之差r0.6m1，所以用單色光f1照射時P點出現(xiàn)亮條紋.又r0.6m2，所以用單色光f2照射時P點出現(xiàn)暗條紋，故選項C正確.一、選擇題考點一雙縫干涉實驗1.用兩個紅燈泡照射白墻，在墻上看到的是()A.明暗相間的條紋B.彩色條紋C.一片紅光D.晃動的條紋答案C解析兩燈泡不是相干光源，故選C.2.(多選)用紅光做光的雙縫干涉實驗，如果將其中一條縫改用藍(lán)光，下列說法正確的是()A.在光屏上出現(xiàn)紅藍(lán)相間的干涉條紋B.只有相干光源發(fā)出的光才能在疊加時產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，此時不產(chǎn)生干涉現(xiàn)象C.頻率不同的兩束光也能發(fā)生干涉現(xiàn)象，此時出現(xiàn)彩色條紋D.盡管亮、暗條紋都是光波相互疊加的結(jié)果，但此時紅光與藍(lán)光只疊加不產(chǎn)生干涉現(xiàn)象答案BD解析頻率相同、相位差恒定、振動方向相同是產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的條件，紅光和藍(lán)光頻率不同，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，不會產(chǎn)生干涉條紋，A、C錯誤.3.某同學(xué)自己動手利用如圖1所示器材觀察光的干涉現(xiàn)象，其中，A為單縫屏，B為雙縫屏，C為像屏.當(dāng)他用一束陽光照射到A上時，屏C上并沒有出現(xiàn)干涉條紋，他移走B后，C上出現(xiàn)一窄亮斑.分析實驗失敗的原因，最大的可能性是()圖1A.單縫S太窄B.單縫S太寬C.S到S1與到S2的距離不等D.陽光不能作為光源答案B解析本實驗中，單縫S應(yīng)非常窄，才可看成“理想線光源”，才能成功地觀察到干涉現(xiàn)象，移走B屏后，在C上出現(xiàn)一窄亮斑，說明單縫S太寬，故A錯誤，B正確；S到S1與到S2距離不等時，也能出現(xiàn)干涉條紋，但中央不一定是亮條紋，C錯誤；太陽光可以作為光源，D錯誤.考點二決定條紋間距的條件4.(多選)用a、b兩種單色光分別照射同一雙縫干涉裝置，在距雙縫恒定距離的屏上得到如圖2所示的干涉圖樣，其中圖甲是a光照射形成的，圖乙是b光照射形成的，則關(guān)于a、b兩束單色光，下述說法中正確的是()圖2A.a光的頻率比b光的大B.在水中a光傳播的速度比b光的大C.水對a光的折射率比b光的大D.b光的波長比a光的短答案AC解析從題圖可以看出，a光的條紋間距小，說明a光的波長小，頻率大，選項A正確，D錯誤；水對頻率低的單色光的折射率小，即水對b光的折射率小，選項C正確；折射率小的光在水中的傳播速度大，即b光在水中的傳播速度大，選項B錯誤.5.(2017·泉州高二檢測)白光通過雙縫后產(chǎn)生的干涉條紋是彩色的，其原因是不同色光的()A.傳播速度不同B.強度不同C.振動方向不同D.頻率不同答案D解析兩側(cè)條紋間距與各色光的波長成正比，不同色光的頻率不同、波長不同.這樣除中央條紋以外的其他條紋不能完全重合，便形成了彩色條紋.6.下列關(guān)于雙縫干涉實驗的說法中正確的是()A.單縫的作用是獲得頻率保持不變的相干光源B.雙縫的作用是獲得兩個振動情況完全相同的相干光源C.用紅光和綠光分別做雙縫干涉實驗(紅>綠)，綠光干涉圖樣的條紋間距比紅光大D.在光屏上能看到光的干涉圖樣，但在雙縫與光屏之間的空間卻沒有發(fā)生干涉答案B解析在雙縫干涉實驗中，單縫的作用是獲得一個線光源，雙縫的作用是獲得兩個振動情況完全相同的相干光源，故選項A錯誤，B正確.綠光波長比紅光短，所以條紋間距較小，選項C錯誤.兩列光波只要相遇就會疊加，滿足相干條件就能發(fā)生干涉，所以在雙縫與光屏之間的空間也會發(fā)生光的干涉，用光屏接收只是為了方便肉眼觀察，故選項D錯誤.考點三亮、暗條紋的判斷7.(2017·鄭州高二檢測)瓦斯在隧道施工、煤礦采掘等方面危害極大，某同學(xué)查資料得知含有瓦斯的氣體折射率大于干凈空氣的折射率，于是他根據(jù)雙縫干涉現(xiàn)象設(shè)計了一個監(jiān)測儀，其原理如圖3所示：在雙縫前面放置兩個完全相同的透明容器A、B，容器A與干凈的空氣相通，在容器B中通入礦井中的氣體，觀察屏上的干涉條紋，就能夠監(jiān)測瓦斯?jié)舛?如果屏的正中央O點變?yōu)榘禇l紋，說明B中氣體()圖3A.一定含瓦斯B.一定不含瓦斯C.不一定含瓦斯D.無法判斷答案A8.(多選)用單色光做雙縫干涉實驗時()A.屏上到雙縫的路程差等于波長整數(shù)倍處出現(xiàn)亮條紋B.屏上到雙縫的路程差等于半波長整數(shù)倍處，可能是亮條紋，也可能是暗條紋C.屏上的亮條紋一定是兩列光波的波峰與波峰相遇的地方D.屏上的亮條紋是兩列光波的波峰與波谷相遇的地方答案AB解析在雙縫干涉實驗中，屏上到雙縫的路程差等于波長整數(shù)倍處出現(xiàn)亮條紋，是振動加強處，不一定是兩列光波的波峰與波峰相遇的地方，也可能是波谷與波谷相遇的地方，A選項正確，C選項錯誤；屏上到雙縫的路程差等于半波長整數(shù)倍處，可能是半波長的奇數(shù)倍(暗條紋)，也可能是半波長的偶數(shù)倍(亮條紋)，B選項正確；兩列光波的波峰與波谷相遇的地方，應(yīng)是暗條紋，D選項錯誤.9.(多選)(2017·開封高二檢測)雙縫干涉實驗裝置如圖4所示，綠光通過單縫S后，投射到有雙縫的擋板上，雙縫S1和S2與單縫S的距離相等，光通過雙縫后在與雙縫平行的屏上形成干涉條紋.屏上O點距雙縫S1和S2的距離相等，P點是O點上側(cè)的第一條亮條紋，如果將入射的單色光換成紅光或藍(lán)光，已知紅光波長大于綠光波長，綠光波長大于藍(lán)光波長，則下列說法正確的是()圖4A.O點是紅光的亮條紋B.紅光的同側(cè)第一條亮條紋在P點的上方C.O點不是藍(lán)光的亮條紋D.藍(lán)光的同側(cè)第一條亮條紋在P點的上方答案AB解析中央O點到S1、S2的路程差為零，所以換不同顏色的光時，O點始終為亮條紋，選項A正確，C錯誤；波長越長，條紋間距越寬，所以紅光的同側(cè)第一條亮條紋在P點上方，藍(lán)光的同側(cè)第一條亮條紋在P點下方，選項B正確，D錯誤.10.在雙縫干涉實驗中，光源發(fā)射波長為6.0×107m的橙光時，在光屏上獲得明暗相間的橙色干涉條紋，光屏上A點恰好是距中心條紋的第二條亮條紋.其他條件不變，現(xiàn)改用其他顏色的可見光做實驗，光屏上A點是暗條紋位置，可見光的頻率范圍是3.9×10147.5×1014Hz，則入射光的波長可能是()A.8.0×107mB.4.8×107mC.4.0×107mD.3.4×107m答案B解析可見光的頻率范圍是3.9×10147.5×1014Hz依據(jù)公式cf，可知其波長范圍是4.0×1077.69×107m，A、D選項錯誤.根據(jù)公式r(n為整數(shù))可知，n為偶數(shù)的地方出現(xiàn)亮條紋，n為奇數(shù)的地方出現(xiàn)暗條紋.因此n4時，出現(xiàn)距中心條紋的第二條亮條紋，所以A點到兩條縫的路程差r4×m1.2×106m，要想出現(xiàn)暗條紋，n需取奇數(shù)才行.當(dāng)入射光波長為4.8×107m時，1.2×106mnm，n5為奇數(shù)，所以A點出現(xiàn)暗條紋，B選項正確.當(dāng)入射光波長為4.0×107m時，1.2×106mnm，n6為偶數(shù)，所以A點出現(xiàn)亮條紋，C選項錯誤.二、非選擇題11.在雙縫干涉實驗中，若雙縫處的兩束光的頻率均為6×1014Hz，兩光源S1、S2的振動情況恰好相反，光屏上的P點到S1與到S2的路程差為3×106m，如圖5所示，則：圖5(1)P點是亮條紋還是暗條紋？(2)設(shè)O為到S1、S2路程相等的點，則P、O間還有幾條亮條紋，幾條暗條紋？(不包括O、P兩處的條紋)答案(1)暗條紋(2)5條暗條紋，6條亮條紋解析(1)由得5×107mn6由于兩光源的振動情況恰好相反，所以P點為暗條紋.(2)O點路程差為0，也是暗條紋，OP間還有5條暗條紋，6條亮條紋.12.用單色光做雙縫干涉實驗時，已知屏上一點P到雙縫的路程差1.5×106m，當(dāng)單色光波長10.5m時，P點將形成亮條紋還是暗條紋？若單色光波長20.6m，此時在中央亮條紋和P點之間有幾條暗條紋？答案見解析解析由題意知，P到雙縫的路程差131，滿足波長的整數(shù)倍，在P點形成亮條紋.當(dāng)單色光波長20.6m，22，滿足半波長的奇數(shù)倍，在P點形成暗條紋，在02范圍內(nèi)2和2滿足半波長的奇數(shù)倍，出現(xiàn)暗條紋，此時在中央亮條紋和P點之間有兩條暗條紋.12