光的干涉和衍射要点精析

光的干涉和衍射要点精析

河北省鸡泽县第一中学　吴社英

　　一、考点理解

 

　　1．双缝干涉

 

　　（1）两列光波在空间相遇时发生叠加，在某些区域总加强，在另外一些区域总减弱，从而出现亮暗相间的条纹的现象叫光的干涉现象。

 

　　（2）产生干涉的条件

 

　　两个振动情况总是相同的波源叫相干波源，只有相干波源发出的光互相叠加，才能产生干涉现象，在屏上出现稳定的亮暗相间的条纹。

 

　　（3）双缝干涉实验规律

 

　　①双缝干涉实验中，光屏上某点到相干光源、的路程之差为光程差，记为。

 

　　若光程差是波长λ的整倍数，即（n=0，1，2，3…）P点将出现亮条纹；若光程差是半波长的奇数倍（n=0，1，2，3…），P点将出现暗条纹。

 

　　②屏上和双缝、距离相等的点，若用单色光实验该点是亮条纹（中央条纹），若用白光实验该点是白色的亮条纹。

 

　　③若用单色光实验，在屏上得到明暗相间的条纹；若用白光实验，中央是白色条纹，两侧是彩色条纹。

 

　　④屏上明暗条纹之间的距离总是相等的，其距离大小与双缝之间距离d。双缝到屏的距离及光的波长λ有关，即。在和d不变的情况下，和波长λ成正比，应用该式可测光波的波长λ。

 

　　⑤用同一实验装置做干涉实验，红光干涉条纹的间距最大，紫光干涉条纹间距最小，故可知大于小于。

 

　　2．薄膜干涉

 

　　（1）薄膜干涉的成因：

 

　　由薄膜的前、后表面反射的两列光波叠加而成，劈形薄膜干涉可产生平行相间的条纹。

 

　　（2）薄膜干涉的应用

 

　　①增透膜：透镜和棱镜表面的增透膜的厚度是入射光在薄膜中波长的。

 

　　②检查平整程度：待检平面和标准平面之间的楔形空气薄膜，用单色光进行照射，入射光从空气膜的上、下表面反射出两列光波，形成干涉条纹，待检平面若是平的，空气膜厚度相同的各点就位于一条直线上，干涉条纹是平行的；反之，干涉条纹有弯曲现象。

 

　　3．光的衍射

 

　　（1）光的衍射现象

 

　　光在遇到障碍物时，偏离直线传播方向而照射到阴影区域的现象叫做光的衍射。

 

　　（2）光发生明显衍射现象的条件

 

　　当孔或障碍物的尺寸比光波波长小，或者跟波长差不多时，光才能发生明显的衍射现象。

 

　　（3）衍射图样

 

　　①单缝衍射：中央为亮条纹，向两侧有明暗相间的条纹，但间距和亮度不同。白光衍射时，中央仍为白光，最靠近中央的是紫光，最远离中央的是红光。

 

　　②圆孔衍射：明暗相间的不等距圆环。

 

　　③泊松亮斑：光照射到一个半径很小的圆板后，在圆板的阴影中心出现的亮斑，这是光能发生衍射的有力证据之一。

 

　　二、方法讲解

 

　　1．双缝干涉中条纹间距和位置的判断方法

 

　　（1）影响条纹间距的因素：相邻亮纹或相邻暗纹的间距x与双缝到屏的距离成正比，与两狭缝之间距离d成反比，与光的波长λ成正比，即。

 

　　（2）中央位置是亮纹还是暗纹的条件：双缝到光屏中央距离相等，光程差为零，如果两光源振动完全一致，中央一定是亮纹，假如两光源振动正好相反，则中央为暗纹。

 

　　（3）单色光颜色、频率、波长的关系：光的颜色由频率决定，光的频率由光源决定，在可见光中红光频率最低，紫光最高，真空中各色光速相同，由知，真空中红光波长最大，紫光最小。

 

　　综合以上各点可知：（1）为了观察到清晰的干涉图样，必须使双缝距离d小到与波长相当，且使。（2）同样条件下，红光的干涉条纹间距最大，紫光最小。这就是白光干涉条纹中央为白色，两边出现彩色光带的原因。

 

　　2．双缝干涉和棱镜使白光色散的比较

 

　　（1）形成原因不同：双缝干涉是光的干涉现象，棱镜色散是光的折射现象。

 

　　（2）发生条件比较：由和。

 

　　可知，在同一种介质中，红光的频率最低，折射率最小，速度最大，波长最大，依次为红橙黄绿蓝靛紫，所以双缝干涉中红光相邻亮纹间距最大，紫光最小；棱镜色散中红光偏折角最小，紫光最大。

 

　　3．光的干涉和光的衍射的比较

 

　　（1）双缝干涉和单缝衍射都是波叠加的结果，只是干涉条纹是有限的几束光的叠加，而衍射条纹是极多且复杂的相干光的叠加。在双缝干涉实验中，光在通过其中的三个狭缝时，都发生了衍射而形成三个线光源，所以，一般现象中既有干涉又有衍射。

 

　　（2）单缝衍射，照射光的波长越长，中央亮纹越宽，所以衍射和干涉都能使白光发生色散现象，且中央白光的边缘均呈红色。

 

　　（3）干涉和衍射的图样有相似之处，都是明暗相间的条纹。只是干涉条纹中条纹宽度和亮纹亮度基本相同，衍射条纹中条纹宽度和亮纹亮度均不等，中央亮纹最宽最亮。

 

　　三、考点应用

 

　　例1　如图所示，在暗室中从单色点光源S直接射到屏上的一束光在Sb和Sd之间，从S射到平面镜MN再反射到屏上的另一束光在Ma和Nc之间（是S在平面镜MN的像）。关于这时屏上是否可能出现明暗相间的条纹，下列说法正确的是（    ）

 

 

　　A．不可能

 

　　B．可能，出现在a、b之间

 

　　C．可能，出现在b、c之间

 

　　D．可能，出现在c、d之间

 

　　分析：由于是S的像，可当成两个相干光源，从S发出的光射到bd区域，（似乎）从射出的光（其实是反射光）射到ac区域，故bc区为共同传播的区域，即干涉区，必出现明暗相间的条纹，故选C。

 

　　答案：C

 

　　点评：本题主要考查光的干涉条件，并利用平面镜成像作图找到相干光源和相干区域。要明白发生干涉时必须是两束光相遇，即光束叠加。

 

　　例2　频率为的单色光从和投射到屏上，并且与振动相同。若屏上的点P到与P到的路程差为，问P点是亮条纹还是暗条纹？设O为到和路程相等的点，则P_O间有几条暗纹？几条亮纹？

 

　　分析：先算出光的波长，由产生亮暗条纹的条件判断P点应出现亮条纹；又由解得k的值，再判断P_O间亮纹和暗条纹数。

 

　　解答：由公式得，满足产生亮纹的条件，则P点将出现亮纹；又由解得k =6，可判断PO间有6条暗纹，有5条亮纹（不包含P、O两点）

 

　　点评：尽管机械波和光波的产生本质不同，但都是波，具有共同的特性，它们的运动变化规律很相似，研究方法和探索技巧同样适用，这样就可用研究机械波的方法、技巧、规律应用到光波中去，实现知识的迁移，能力的提高。

 

　　例3　a、b两束平行的单色光，当它们从空气射入水中时，发现b的折射线更靠近法线，由此可判定（    ）

 

　　A．a比b容易发生衍射现象

 

　　B．在水中a的波长较短

 

　　C．在水中b的速度较大

 

　　D．单色光b的频率较低

 

　　分析：由折射程度判断折射率的大小。进而确定光波频率的高低、波速的大小和波长的长短。

 

　　解答：由于b的折射角较小，由判断得：水对b光的折射率大（），b光在水中的速度小（），表示b光的频率大（）。由波长、频率、波速的关系可知，b光的波长短，所以a光更容易发生衍射，则A正确。

 

　　点评：本题不仅运用单缝衍射现象的知识，还应用光的折射率及光的波长、频率、波速的关系，综合分析、判断答案。

 

　　例4　有关光的双缝干涉和衍射的现象中，下列说法正确的是（    ）

 

　　A．无论用什么色光做双缝干涉实验，中央一定是亮纹

 

　　B．用白光做双缝干涉实验时，得到的彩色亮纹中最靠近中央的是红光

 

　　C．用白光做单缝衍射实验，得到的彩色条纹中偏离中央最远的是红光

 

　　D．涂有增透膜的照相机镜头看上去呈淡紫色，是由于增透膜增强了对紫光的透射

 

　　分析：运用双缝干涉及单缝衍射的图样特征，分析ABC的正误；运用光的干涉原理判断D的正误。

 

　　解答：因为中央到双缝的光程差恒为零，所以中央位置始终是亮纹，则A正确；因为双缝实验中屏上干涉条纹的间距与入射光波长成正比，白光中的紫光波长最短，所以得到的彩色条纹中最靠近中央的是紫色，则B错；白光中红光的波长最长，对同样的单缝，红光的衍射现象最明显，得到的中央亮纹最宽，所以彩条中偏离中央最远的是红光，则C对；照相机镜头涂的增透膜，通常是针对人眼最敏感的绿光设计的，使从镜头反射的绿光干涉相消，而对太阳光中红光和紫光并没有显著削弱，所以看上去呈淡紫色，并不是增强了对紫光的透射。

 

　　答案：A、C

 

　　点评：本题要求认真观察做好光的干涉、衍射实验的现象，还要比较这两种现象的差异，重视干涉、衍射在科技和生产中的应用。