普通高中物理选择性必修一 第四章第3节 光的干涉

关于普通高中物理选择性必修一 第四章第3节 光的干涉的竖屏导图，包括光的双缝干涉、光的薄膜干涉、光的本性等内容，作为备课参考。

• 普通高中物理选择性必修一 第四章第3节 光的干涉
• 内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第一册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
• 肥皂膜看起来常常是彩色的，雨后公路积水上面漂浮的油膜，也经常显现出彩色条纹。这些彩色条纹或图样是怎样形成的？
• 光的双缝干涉
• 演示 光的双缝干涉
  • 实验过程
    • 在暗室中用氦氖激光器发出的红色激光照射金属挡板上的两条平行狭缝，在后面的屏上观察光的干涉情况。
  • 观察现象
    • 在挡板后面的屏上观察到明暗相间的条纹。
  • 现象解释
    • 两个波源：让一束单色光投射到一个有两个狭缝S1和S2的挡板上，两个相距很近的狭缝就成了两个波源。
    • 两个波源的频率、相位和振动方向总是相同，它们发出的光在挡板后面的空间互相叠加，发生干涉现象。
    • 来自两个光源的光在一些位置相互加强，在另一些位置相互削弱，因此在屏上得到明暗相间的条纹。
• 双缝干涉原理
  • 狭缝S1和S2相当于两个频率、相位和振动方向都相同的波源。
  • 两个光源与屏上某点P的距离之差为路程差DS
    • P0点：DS=0，两波的波峰或波谷同时到达P0点，两列波在P0点的相位仍然相同，因此在P0点两列波叠加后相互加强，出现亮条纹。
    • P1点：DS=l/2，当一列波的波峰到达P1时，另一列波正好在这里出现波谷，这时两列波叠加的结果是互相抵消，因此这里出现暗条纹。
    • P2点：DS=l，两列光波的波峰或波谷会同时达到这点，它们相互加强，因此这里出现亮条纹。
    • 任意点P，距离屏的中心越远，路程差越大。
      • 每当路程差等于0，l，2l，3l，¼时，两列光波得到加强，屏上出现亮条纹。
      • 每当路程差等于l/2，3l/2，5l/2，¼时，两列光波相互削弱，屏上出现暗条纹。
• 总结：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，这里出现亮条纹；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，这里出现暗条纹。
• 杨氏双缝干涉实验是英国物理学家托马斯×杨在1801年成功完成的。托马斯×杨的时代没有激光，他用强光照亮一条狭缝，通过这条狭缝的光再通过双缝，发生干涉。这是最早的光的干涉实验，它有力地证明了光是一种波。
• 干涉条纹和光的波长之间的关系
• 思考与讨论 光的双缝干涉条纹特征，如条纹间距、宽度等，能反映出光的波长、频率等信息吗？
• 理论推导
  • 物理情境
  • 推导过程
    • 出现亮条纹，两列波的路程差为波长的整数倍
      • • 亮条纹中心的位置为
        • 相邻两条亮条纹（或暗条纹）的中心间距
• • 关系式表明：在其它条件相同的情况下，干涉条纹之间的距离与光波的波长成正比。
    • 不同颜色的光，波长不同，干涉条纹间距也不同。
  • 根据关系式可以测出光波波长。
• 薄膜干涉
• 做一做 用肥皂漠做薄膜干涉实验
  • 在酒精灯的灯芯上撒一些食盐，灯焰就能发出明亮的黄光。
  • 把铁丝圈在肥皂水中蘸一下，让它挂上一层薄薄的液膜。把这层液膜当作一个平面镜，用它观察灯焰。
  • 观察这个像与直接看到的灯焰有什么不同？
  • 液膜上，灯焰的像上出现明暗相间的条纹。
• 薄膜干涉
  • 来自液膜前后两个面反射的光，相互叠加，发生干涉，称为薄膜干涉。
  • 现象解释
    • 不同位置的液膜，厚度不同，来自前后两个面的反射光的路程差不同。
    • 在某些位置，两列波叠加后相互加强，出现亮条纹；在另一引起位置，叠加后相互削弱，出现暗条纹。
    • 用不同颜色的光做实验，由于光的波长不同，从肥皂膜上看到的亮条纹的位置也会不同。
    • 用复色光做实验，不同颜色的光在薄膜上的明暗位置不同，相互交替，出现彩色条纹。
  • 应用
    • 在光学元件的表面镀一层特定厚度的薄膜，增加光的透射或反射。
    • 利用薄膜干涉的原理对镜面或其他精密的光学平面的平滑度进行检测。
• 科学漫步 光的本性
• 光到底是什么？
  • 17世纪
    • 两种学说
      • 光的微粒说，认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀的介质中以一定的速度传播，牛顿支持微粒说。
      • 光的波动说，认为光是在空间传播的某种波，惠更斯首先提出波动说。
      • 微粒说和波动说都能解释一些光的现象，但又不能解释当时观察到的全部光现象。
  • 19世纪初
    • 光的波动理论取得成功
      • 实验中观察到了光的干涉和衍射现象，这是波动的特征，因而证明了波动说的正确性。
      • 19世纪60年代，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并认为光也是一种电磁波。此后，赫兹在实验中证实了这种假说。
  • 19世纪末
    • 光子说
      • 19世纪末发现了新的现象——光电效应，这种现象用波动说无法解释。
      • 爱因斯坦于20世纪初提出了光子说，认为光具有粒子性，从而解释了光电效应。不过，此时的光子已经不同于过去的“微粒”了。
  • 现代
    • 波粒二象性
      • 光既具有波动性，又具有粒子性。
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