2019-2020学年人教版物理选修3-4（浙江新高考专用版）讲义：第十三章 光 3 Word版含答案.pdf

3 光的干涉 光的干涉 知识内容选考要求课时要求 光的干涉c 1.知道杨氏双缝干涉实验，以及该实验对认识光的本性的意义 2知道光的干涉条件，知道杨氏双缝干涉实验设计的巧妙之处 3了解干涉条纹的特点，理解亮、暗条纹产生的条件. 一、杨氏干涉实验 11801 年，英国物理学家托马斯·杨成功地观察到了光的干涉现象，人们开始认识到光具有 波动性 2双缝干涉实验 (1)实验过程：让一束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现象 (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 二、决定条纹间距的条件 1干涉条件：两波源的频率、相位和振动方向都相同 2出现明暗条纹的判断 (1)亮条纹：当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的偶(填“奇”或“偶”)数倍时， 出现亮条纹 (2)暗条纹：当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的奇(填“奇”或“偶”)数倍时， 出现暗条纹 1判断下列说法的正误 (1)用白光做双缝干涉实验时屏幕各处均是彩色条纹( × ) (2)频率不同的两列光波也能产生干涉现象，只是不稳定( × ) (3)用两个完全相同的相干光源做双缝干涉实验时，从两 个狭缝到屏上的路程差是光波长的整数倍时出现亮条纹( ) (4)用两个完全相同的相干光源做双缝干涉实验时，从两个狭缝到屏上的路程差是光波长的奇 数倍时出现暗条纹( × ) 2如图 1 所示，在杨氏双缝干涉实验中，激光的波长为 5.30×107 m，屏上 P 点距双缝 S1 和 S2的路程差为 7.95×107 m则在这里出现的应是_(填“亮条纹”或“暗条纹”) 图 1 答案 暗条纹 一、杨氏干涉实验 如图为双缝干涉的示意图， 单缝发出的单色光投射到相距很近的两条狭缝 S1和 S2上， 狭缝就 成了两个波源，发出的光向右传播，在后面的屏上观察光的干涉情况 (1)两条狭缝起什么作用？ (2)在屏上形成的光的干涉图样有什么特点？ 答案 (1)光线照到两狭缝上，两狭缝成为振动情况完全相同的光源 (2)在屏上形成明暗相间、等间距的干涉条纹 1杨氏双缝干涉实验 (1)双缝干涉的装置示意图 实验装置如图 2 所示，有光源、单缝、双缝和光屏 图 2 (2)单缝的作用：获得一个线光源，使光源有唯一的频率和振动情况也可用激光直接照射双 缝 (3)双缝的作用：将一束光分成两束频率相同且振动情况完全一致的相干光 2光产生干涉的条件 两束光的频率相同、相位差恒定、振动方向相同杨氏双缝干涉实验是靠“一分为二”的方 法获得两个相干光源的 3干涉图样 (1)单色光的干涉图样：干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹 (2)白光的干涉图样：中央条纹是白色的，两侧干涉条纹是彩色条纹 例 1 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 答案 A 解析 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，叠加后得到彩色 条纹 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 与绿光的频率、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 答案 C 解析 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，但仍有光亮 学科素养 例 2 回顾了双缝干涉实验，两束光发生干涉的条件是两束光的频率相同、相位 差恒定、振动情况相同一方面让学生对物理规律的认识更加深刻，另一方面也让学生进一 步熟悉了双缝干涉发生的条件这很好地体现了“物理观念”和“科学思维”的学科素养 二、决定条纹间距的条件 (1)若屏上某点是两列光波的波峰与波峰相遇，该点的振动是加强还是减弱？若屏上某点是两 列光波的波峰与波谷相遇，该点的振动是加强还是减弱？ (2)如图所示是几种单色光的双缝干涉图样 用不同颜色的光做干涉实验时干涉图样有什么不同？ 如果将屏幕远离双缝移动，条纹间距如何变化？ 改变双缝间的距离，条纹间距如何变化？ 双缝干涉条纹的间距与哪些因素有关？ 答案 (1)波峰与波峰相遇，振动加强；波峰与波谷相遇，振动减弱.0 (2)红光的条纹间距最宽，紫光的条纹间距最窄 屏幕离双缝越远，条纹间距越大 双缝间距越大，条纹间距越小 与光波波长、双缝到屏的距离及双缝间距离有关 1两相邻亮条纹(或暗条纹)间距离与光的波长有关，波长越大，条纹间距越大 白光的干涉条纹的中央是白色的，两侧是彩色的，这是因为：各种色光都能形成明暗相间的 条纹，都在中央条纹处形成亮条纹，从而复合成白色条纹两侧条纹间距与各色光的波长成 正比，条纹不能完全重合，这样便形成了彩色干涉条纹 2亮、暗条纹的判断 如图 3 所示，设屏上的一点 P 到双缝的距离分别为 r1和 r2，路程差 rr2r1. 图 3 (1)若满足路程差为波长的整数倍， 即 rk(其中 k0,1,2,3)， 则出现亮条纹 k0 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)若满足路程差为半波长的奇数倍，即 r(其中 k1,2,3)，则出现暗条纹k 为暗 2k1 2 条纹的级次，从第 1 级暗条纹开始向两侧展开 例 3 在光的双缝干涉现象里，下列描述正确的是( ) A用白光做光的干涉实验时，偏离中央亮条纹最远的是波长较长的红光 B用白光做光的干涉实验时，偏离中央亮条纹最远的是波长较短的紫光 C相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是不等的 D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 答案 A 解析 条纹间距与光的波长成正比，在可见光中，红光波长最长，紫光波长最短，故偏离中 央亮条纹最远的是红光，A 正确，B 错误；双缝干涉现象中，相邻两亮条纹或两暗条纹是等 间距的，故 C 错误；红光的波长比紫光的波长大，所以换成紫光后，相邻两亮条纹间距将变 窄，故 D 错误 例 4 (2018·嵊州高二检测)如图 4 所示，在双缝干涉实验中，若单缝 S 从双缝 S1、S2的中央 对称轴位置处稍微向上移动，则( ) 图 4 A不再产生干涉条纹 B仍可产生干涉条纹，其中央亮条纹 P 的位置不变 C仍可产生干涉条纹，其中央亮条纹 P 的位置略向上移 D仍可产生干涉条纹，其中央亮条纹 P 的位置略向下移 答案 D 解析 本实验中单缝 S 的作用是形成频率一定的线光源， 双缝 S1、 S2的作用是形成相干光源， 稍微移动 S 后，没有改变传到双缝的光的频率，S1、S2射出的仍是相干光，由单缝 S 发出的 光到达屏上 P 点下方某点的路程差为零，故中央亮条纹略向下移，D 正确 1(杨氏双缝干涉实验)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若仅将入射光由红光改为紫光，则条纹间距一定变大 D用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上将呈现彩色干涉条纹 答案 B 解析 用白光做杨氏双缝干涉实验，屏上将呈现彩色条纹，A 错；用红光作为光源，屏上将 呈现红色亮条纹与暗条纹(即黑条纹)相间的条纹，B 对；若仅将入射光由红光改为紫光，波 长变小，条纹间距变小，C 错；红光和紫光频率不同，不能产生干涉条纹，D 错 2.(决定条纹间距的条件)如图 5 所示为双缝干涉实验中产生的条纹图样， 甲图为绿光进行实验 的图样，乙图为换用另一种单色光进行实验的图样，则以下说法中正确的是( ) 图 5 A乙图可能是用红光进行实验产生的条纹，表明红光波长较长 B乙图可能是用紫光进行实验产生的条纹，表明紫光波长较长 C乙图可能是用紫光进行实验产生的条纹，表明紫光波长较短 D乙图可能是用红光进行实验产生的条纹，表明红光波长较短 答案 A 解析 题图乙中条纹的间距比题图甲大，故题图乙中光的波长较长，即比绿光的波长长红 光的波长比绿光长，紫光的波长比绿光短，A 正确 3.(亮、暗条纹的判断)如图 6 所示，用单色光做双缝干涉实验，P 处为第二条暗条纹，改用频 率较低的单色光重做上述实验(其他条件不变，屏足够大)，则同侧第二条暗条纹的位置( ) 图 6 A仍在 P 处 B在 P 点上方 C在 P 点下方 D要将屏向双缝方向移近一些才能看到 答案 B 解析 由 知，f 变小， 变大若出现第二条暗条纹，则 P 到双缝的路程差 r ，当 c f 3 2 变大时，r 也要变大，故第二条暗条纹的位置向上移，在 P 点上方，B 正确 4(亮、暗条纹的判断)(多选)双缝干涉实验装置如图 7 所示，双缝间的距离为 d，双缝到像 屏的距离为 l，调整实验装置使得像屏上可以看到清晰的干涉条纹关于干涉条纹的情况， 下列叙述正确的是( ) 图 7 A若仅将像屏向左平移一小段距离，屏上的干涉条纹将变得不清晰 B若仅将像屏向右平移一小段距离，屏上仍有清晰的干涉条纹 C若仅将双缝间距离减小，像屏上的两个相邻亮条纹间的距离变小 D若仅将双缝间距离减小，像屏上的两个相邻暗条纹间的距离变大 答案 BD 解析 双缝到像屏的距离不影响干涉条纹的清晰程度，A 错，B 对；仅将双缝间距减小，像 屏上的两个相邻亮条纹或暗条纹间的距离变大，C 错，D 对. 一、选择题 考点一 双缝干涉实验 1用两个红灯泡照射白墙，在墙上看到的是( ) A明暗相间的条纹 B彩色条纹 C一片红光 D晃动的条纹 答案 C 解析 两灯泡不是相干光源，故选 C. 2 (多选)用红光做光的双缝干涉实验， 如果将其中一条缝改用蓝光， 下列说法正确的是( ) A在光屏上出现红蓝相间的干涉条纹 B只有相干光源发出的光才能在叠加时产生干涉现象，此时不产生干涉现象 C频率不同的两束光也能发生干涉现象，此时出现彩色条纹 D尽管亮、暗条纹都是光波相互叠加的结果，但此时红光与蓝光只叠加不产生干涉现象 答案 BD 解析 频率相同、相位差恒定、振动方向相同是产生干涉现象的条件，红光和蓝光频率不同， 不能产生干涉现象，不会产生干涉条纹，A、C 错误，B、D 正确 3 某同学自己动手利用如图 1 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 上并没有出现干涉条纹，他移走 B 后，C 上出 现一窄亮斑分析实验失败的原因，最大的可能性是( ) 图 1 A单缝 S 太窄 B单缝 S 太宽 CS 到 S1与到 S2的距离不等 D阳光不能作为光源 答案 B 解析 本实验中，单缝 S 应非常窄，才可看成“理想线光源” ，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 A 错误，B 正确；S 到 S1与到 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 ； 太阳光可以作为光源，D 错误 考点二 决定条纹间距的条件 4(多选)用 a、b 两种单色光分别照射同一双缝干涉装置，在距双缝恒定距离的屏上得到如 图 2 所示的干涉图样，其中图甲是 a 光照射形成的，图乙是 b 光照射形成的，则关于 a、b 两 束单色光，下述说法中正确的是( ) 图 2 Aa 光的频率比 b 光的大 B在水中 a 光传播的速度比 b 光的大 C水对 a 光的折射率比 b 光的大 Db 光的波长比 a 光的短 答案 AC 解析 从题图可以看出，a 光的条纹间距小，说明 a 光的波长小，频率大，选项 A 正确，D 错误；水对频率低的单色光的折射率小，即水对 b 光的折射率小，选项 C 正确；折射率小的 光在水中的传播速度大，即 b 光在水中的传播速度大，选项 B 错误 5白光通过双缝后产生的干涉条纹是彩色的，其原因是不同色光的( ) A传播速度不同 B强度不同 C振动方向不同 D频率不同 答案 D 解析 两侧条纹间距与各色光的波长成正比，不同色光的频率不同、波长不同这样除中央 条纹以外的其他条纹不能完全重合，便形成了彩色条纹 6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完全相同的相干光源 C用红光和绿光分别做双缝干涉实验(红绿)，绿光干涉图样的条纹间距比红光大 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发生干涉 答案 B 解析 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 正确绿光波长比红光短，所以条纹间距较小，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，用光屏接收只是为了方便肉眼观察，故选项 D 错误 考点三 亮、暗条纹的判断 7.瓦斯在隧道施工、煤矿采掘等方面危害极大，某同学查资料得知含有瓦斯的气体折射率大 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 3 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，在容器 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 点变为暗条 纹，说明 B 中气体( ) 图 3 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 答案 A 8(多选)用单色光做双缝干涉实验时( ) A屏上到双缝的路程差等于波长整数倍处出现亮条纹 B屏上到双缝的路程差等于半波长整数倍处，可能是亮条纹，也可能是暗条纹 C屏上的亮条纹一定是两列光波的波峰与波峰相遇的地方 D屏上的亮条纹是两列光波的波峰与波谷相遇的地方 答案 AB 解析 在双缝干涉实验中，屏上到双缝的路程差等于波长整数倍处出现亮条纹，是振动加强 处，不一定是两列光波的波峰与波峰相遇的地方，也可能是波谷与波谷相遇的地方，A 选项 正确，C 选项错误；屏上到双缝的路程差等于半波长整数倍处，可能是半波长的奇数倍(暗条 纹)，也可能是半波长的偶数倍(亮条纹)，B 选项正确；两列光波的波峰与波谷相遇的地方， 应是暗条纹，D 选项错误 9 (多选)双缝干涉实验装置如图 4 所示， 绿光通过单缝 S 后， 投射到有双缝的挡板上， 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 O 点上侧的第一条亮条纹，如果将入射的单色光换成红光或 蓝光，已知红光波长大于绿光波长，绿光波长大于蓝光波长，则下列说法正确的是( ) 图 4 AO 点是红光的亮条纹 B红光的同侧第一条亮条纹在 P 点的上方 CO 点不是蓝光的亮条纹 D蓝光的同侧第一条亮条纹在 P 点的上方 答案 AB 解析 中央 O 点到 S1、 S2的路程差为零， 所以换不同颜色的光时， O 点始终为亮条纹， 选项 A 正确，C 错误；波长越长，条纹间距越宽，所以红光的同侧第一条亮条纹在 P 点上方，蓝光 的同侧第一条亮条纹在 P 点下方，选项 B 正确，D 错误 二、非选择题 101801 年英国物理学家托马斯·杨在实验室里成功地观察到了光的干涉现象他用单色光 照射屏上的一个小孔，是为了获得_；由小孔射出来的光再射到两个小孔上， 是为了获得_ 答案 一个点光源 两个振动情况总相同的光源，即相干光源 解析 在双缝干涉实验中，两光的频率须相同，因此他用单色光照射屏上的一个小孔，是为 了获得一个点光源，由小孔射出来的光再射到两个小孔上，是为了获得相干光源