第2课时   光的干涉、衍射   激光

基础知识回顾

1.光的干涉现象

(1)光的干涉

两列光波在空间相遇时发生叠加，在某些区域总加强，在另一区域总减弱，从而出现明暗相间的条纹的现象叫光的干涉.

（2）干涉的条件

相干光源：频率相同、相差恒定（步调差恒定）的两束光.

(3)杨氏双缝干涉

①相干条件：如图12-2-1

 

 

 

 

 

 

 

若S1、S2光振动情况完全相同，则符合

，（n=0、1、2、3…）时，出现亮条纹；

若S1、S2光振动情况完全相同，则符合

，（(n=0，1，2，3…)时，出现暗条纹.（注意：振动情况完全相反的加强减弱条件）其中d是两狭缝之间的距离，L是两狭缝到屏的距离，λ是光波的波长.

②相邻亮条纹（或相邻暗条纹）之间的中央间距：

Δx = 。

③双缝干涉图样 

单色光：中央为明条纹，两边等间距对称分布明暗相间条纹；

复合光：中央为明条纹，两边等间距对称分布彩色条纹.

（4）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

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 (注意：非空气中波长的).

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.

2.光的衍射现象

（1）光的衍射

光遇到障碍物时，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）明显衍射的条件

从理论上讲衍射是无条件的，但需发生明显的衍射现象的条件：当孔或障碍物的尺寸比光波的波长小，或者跟光波的波长相差不多时，光才发生明显的衍射现象.

（3）衍射图样

①单缝衍射：

单色光：中央是最宽的亮条纹，两侧为不等间隔的明暗相间的条纹；

复合光：中央是最宽的亮条纹，两侧为不等间隔的彩色条纹，最靠近中央的是紫光，最远离中央的是红光.

（注意：与双缝干涉的干涉条纹不同的是：干涉条纹均匀分布，而衍射条纹的中央明纹较宽、较亮.）

②圆孔衍射：

明暗相间的不等距圆环.

（4）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亮斑，这是光能发生衍射的有力证据之一.注意泊松亮斑与圆孔衍射条纹的区别：图12-2-2是泊松亮斑，图12-2-3是圆孔衍射条纹.

       

图12-2-2          图12-2-3

（5）光的衍射的应用

用衍射光栅测定光波波长.

3.光的偏振

（1）自然光、偏振光

自然光：从光源（如太阳、亮着的灯等）直接发出的光，包含着在垂直于传播方向的一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同.

偏振光：①自然光通过偏振片后，在跟光传播方向垂直的平面内，光振动在某一方向较强而在另一些方向振动较弱,这样的光叫偏振光.②自然光射到两种介质的界面上，如果光的入射方向合适，使反射和折射光之间的夹角恰好是90°，这时的反射光和折射光就都是偏振光，且它们的偏振方向互相垂直.我们通常看到的绝大多数光都是偏振光.

（2）光的偏振的物理意义

光的偏振现象充分表明光波是横波。因为偏振现象是横波所特有的现象.

（3）偏振光的应用

全息照相、立体电影等.

4.激光

（1）激光的特点

主要特点有：相干性好；平行度好；亮度很高。

①激光是一种人工相干光,两束相同的激光在相遇区域叠加时，产生非常明显的干涉现象；

②激光具有非常好的平行度,激光在传播很远的距离后仍然保持一定的强度；

③激光具有很强的亮度，激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量.

（2）激光的重要应用

通信、测距、光盘读取、切割等.

①由于激光是相干光，便于调制，常用来传递信息，光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物；

②激光测距雷达、激光刻录光盘等都是根据激光的平行度好的原理制成的；

③利用激光在很短的时间内集中很大的能量的性质，用激光来切割各种物体、焊接金属及在硬质材料上打孔、医学上用激光做“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤、“焊接”剥落的视网膜等，利用激光产生的高温高压引起核聚变.

 

重点难点例析

一、 光的干涉的条件的理解

光的干涉的条件是有两个振动情况总是相同的波源，即相干波源（相干波源的频率必须相同）.形成相干波源的方法有两种：

1.利用激光：因为激光发出的是单色性极好的光.

2．设法将同一束光分为两束（这样两束光都来源于同一个光源，因此频率必然相等）.下图12-2-4分别是利用双缝、楔形薄膜、空气膜、平面镜形成相干光源的示意图.

 

 

图12-2-4

【例1】如图12-2-5所示，在暗室中从单色点光源S直接射到屏PP’上的一束

光在Sb和Sd之间，从S

射到平面镜MN再反射到

屏PP’上的另一束光在

Ma和Nc之间（S’是S

在平面镜MN的像）.关

于这时屏PP’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

【解析】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.

【答案】C

【点拨】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.

l 拓展

在双缝干涉试验中，以白光为光源，在屏上观察到了彩色条纹，若在双缝中的一缝前放红色滤光片(只能透过红光)，另一缝前放绿色滤光片（只能透过绿光），这时（      ）

A.只有红色和绿色的干涉条纹，其它颜色的条纹消失

B.红色和绿色的干涉条纹消失，其它颜色的条纹消失

C.任何颜色的条纹都不存在，但屏上光亮存在

D.屏上无任何光亮

【解析】双缝透过的红光和绿光的频率不同，不满足形成干涉的条件，不会出现干涉条纹，但是红光和绿光各自透过双缝会发生明显的衍射，因此屏上会出现衍射亮光.

【答案】C

【点拨】本题考查发生干涉的条件，不同频率的光不会发生干涉，但通过狭缝可以发生衍射，形成衍射图样，另外要注意区别双缝干涉和单缝衍射图样，本题看似简单，实际包含的内容和复杂，要深刻理解光亮的形成原因.

二、 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L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c =λ·v知，真空中红光波长最大，紫光最小。

【例2】频率为6×1014 HZ的单色光从S1和S2投射到屏上，并且S1与S2振动相同.若屏上的点P到S1与P到S2的路程差为3×10-6m，问P点是亮条纹还是暗条纹？设O为到S1和S2路程相等的点，则PO间有几条暗纹？几条亮纹？

【解析】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）

【点拨】本题考查干涉条纹是亮纹还是暗纹的形成条件，同时注意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.

l 拓展

激光散斑测速是一种崭新的测速技术，它应用了光的干涉原理.用二次曝光照相所获得的“散斑对”相当与双缝干涉实验中的双缝，待测物体的速度v与二次曝光时间间隔Δt的乘积等于双缝间距.实验中可测得二次曝光时间间隔Δt、双缝到屏之距离以及相邻两条亮纹间距Δx.若所用的激光波长为λ，则该实验确定物体运动速度的表达式是（     ）

A. v=   B.v=    

C. v=    D.v=

【解析】由题中信息可知“散斑对”相当与双缝干涉实验中的双缝，则d=vΔt，双缝到屏之距离以及相邻两条亮纹间距Δx，由Δx = 得v=.

【答案】B

【点拨】本题主要考查光的干涉，注意题中信息，学会知识的迁移，熟悉干涉条纹相邻明纹或暗纹的间距公式以及d的计算.

三、光的干涉、光的衍射和棱镜使白光色散的比较

1.形成原因不同

光的干涉、光的衍射都是光波叠加的发生的现象；棱镜色散是光从一种介质射入另一种介质发生的折射现象，复色光通过透明介质由于折射分解为单色光.

2.产生条件不同

光的干涉形成的干涉条纹是有限的几束光的叠加；光的衍射形成的衍射条纹是极多且复杂的相干光的叠加；棱镜使白光的色散是光在不同介质中的折射率不同形成的，且必须是复色光才能产生色散.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；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.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.

【例题3】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

【解析】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

【点拨】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.

l 拓展

（2008年高考上海卷

物理第16题）用如图

12-2-5所示的实验装

置观察光的薄膜干涉

现象.图（a）是点燃

酒精灯（在灯芯上洒些盐），图（b）是竖立的附着一层肥皂液薄膜的金属丝圈.将金属丝圈在其所在的竖直平面内缓慢旋转，观察到的现象是（     ）

A．当金属丝圈旋转30°时干涉条纹同方向旋转30°

B．当金属丝圈旋转45°时干涉条纹同方向旋转90°

C．当金属丝圈旋转60°时干涉条纹同方向旋转30°

D．干涉条纹保持原来状态不变

【解析】金属丝圈的转动，改变不了肥皂液膜的上薄下厚的形状，由薄膜干涉原理可知干涉条纹与金属丝圈转动无关，仍然是水平的干涉条纹.

【答案】D

【点拨】本题主要考查薄膜干涉的干涉条纹的形成，肥皂液膜在重力的作用下，上薄下厚，薄膜不会随金属丝的转到而变化，熟知该知识点就可以得出答案.

四、光的干涉与实际生活相结合的应用

1.薄膜干涉条纹间距与弯曲方向的判断方法

（1）条纹出现在上表面的等厚线上，因为明纹的条件是厚度等于光波半波长的整数倍.

（2）等倾干涉条纹是均匀

的，相邻明纹间的高度差

是一个常数，是由厚度决

定.如图12-2-6所示:

（h为相邻明

纹的高度差，θ为斜劈的倾

角，l为相邻明纹间的间距）.

2.薄膜干涉的增透膜利用薄膜干涉现象可以制作增透膜，如在透镜表面镀一层厚度均匀的介质薄膜，要求介质的折射率小于制作透镜的玻璃，厚度等于黄绿色光在介质中传播时的波长的四分之一,这样从介质膜后表面反射的光和从介质膜前表面反射的光恰好相差半个波长，干涉结果相互抵消，即反射光的强度大大提高.在光学仪器上，包括人的眼镜镜片都已经广泛使用了增透膜.

【例4】把一个平行玻

璃板压在另一个平行玻

璃板上，一端用薄片垫

起，构成空气劈尖，让

单色光从上方射入如图

12-2-7所示，这时可以

看到亮暗相间的条纹，下面关于条纹的说法中正确的是（    ）

A．将薄片向着劈尖移动使劈角变大时，条纹变疏

B．将薄片远离劈尖移动使劈角变小时，条纹变疏

C．将上玻璃板平行上移，条纹向着劈尖移动

D．将上玻璃板平行上移，条纹远离劈尖移动

【解析】楔形空气层的上下两个表面反射的两列光波发生干涉，空气层厚度相同的地方，两列波的路程差相同，故如果被测表面是平的，干涉条纹就是一组平行的直线，如图12-2-8，当劈角为α时，相邻两条纹间等于，当劈角增大为β时，相邻的条纹左移至A’、C’处，条纹间距变为.设－=△s，则－=△s，故=，=.因为β>α，所以>，故劈角增大时，条纹变密.同理，当上玻璃板平行上移时，易得A’C’CA为平行四边形，所以条纹向壁尖移动，且间距不变.

【答案】B C

【点拨】本题主要考查薄膜干涉的应用之一，检查工件的平整程度.熟悉等厚干涉条纹是均匀的，知道条纹间距的决定因素，且满足关系就可以得出正确答案.

l 拓展

登山运动员在登雪山时要注意防止紫外线的过度照射，尤其是眼睛更不能长时间被紫外线照射，否则将会严重地损坏视力.有人想利用薄膜干涉的原理设计一种能大大减小紫外线对眼睛的伤害的眼镜.他选用的薄膜材料的折射率为n=1.5，所要消除的紫外线的频率为8.1×1014Hz，那么它设计的这种“增反膜”的厚度至少是多少？

【解析】“增反膜”与“增透膜”的区别是：“增透膜”是增强透射光的强度，“增反膜”却是减弱透射光的强度，故“增反膜”的前后表面的两反射光的距离差为波长的整数倍，即最薄应为光在膜中一个波长λ，由题中信息可知：紫外线的波长：

=2.5×m，所以d=2.5×m

【点拨】本题关键就是注意知识能力的迁移，“增反膜”与“增透膜”的类比之处和它们的区别所在.“增透膜”是增加透射光，而“增反膜”是减弱透射光.

² 易错门诊

如图12-2-9所示，在一块平板玻璃上放置一平凸薄透镜，在两者之间形成厚度不均匀的空气膜，让一束单一波长的光垂直入射到该装置上，结果在上方观察到如图12-2-10所示的同心内疏外密的圆环状干涉条纹，称为牛顿环，以下说法正确的是（    ） 

A．干涉现象是由于凸透镜下表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的

B．干涉现象是由于凸透镜上表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的

C．干涉条纹不等距是因为空气膜厚度不是均匀变化

D．干涉条纹不等距是因为空气膜厚度是均匀变化

 

 

 

 

【错解】凸透镜和平板玻璃组成薄膜，凸透镜的上表面的反射光和平板玻璃的上表面的反射光形成薄膜干涉条纹，故B正确A错，根据薄膜干涉的应用检测工件的平整程度可知，凸透镜上表面是圆弧表面不是均匀变化，故衍射条纹不是均匀变化，故C正确D错。

【错因】上述错误的原因是没有弄清凸透镜和平板玻璃组成的哪部分是薄膜，把凸透镜看成薄膜而错选C，而实际上是凸透镜和平板玻璃之间的空气形成薄膜，反射光是薄膜的两个表面的反射光干涉形成干涉条纹

【正解】由于在凸透镜和平板玻璃之间的空气形成薄膜，所以形成相干光的反射面是凸透镜的下表面和平板玻璃的上表面，故A正确，由于凸透镜的下表面是圆弧面，所以形成的薄膜厚度不是均匀变化，形成不等间距的干涉条纹，故C正确.

【答案】A C

【点悟】本题中也许学生不易理解哪部分是薄膜，本题的关键是弄清楚薄膜，相干光是薄膜的上下两个表面.

课堂自主训练

1.能产生干涉现象的两束光是（ B ）

A．频率相同、振幅相同的两束光　　　

B．频率相同、相位差恒定的两束光

C．两只完全相同的灯光发出的光　　

D．同一光源的两个发光部分发出的光

【解析】只有频率相同、相差恒定、振动方向相同的光波，在它们相遇的空间里能够产生稳定的干涉，观察到稳定的干涉图样，但是，光波并不是一列连续波，它是由一段段不连续的具有有限长度的所谓“波列”组合而成的，并且波动间的间歇也是不规则的.两个独立光源发出的光，即使是“频率相同的单色光（实际上严格的单色光并不存在），也不能保持有恒定的相差.因此，为了得到相干光波，通常是把同一光源发出的一束光分成两束。杨氏双缝干涉实验中，所以在光源和双缝间设置一个狭缝，就是让点光源发出的一束光，先经第一个缝产生衍射，使得由双缝得到的两束光成为相干光波.

光源发光是以原子为发光单位的，由前面分析可知，我们无法使两只完全相同的灯泡、同一光源的两个发光部分发出频率相同、相差恒定的光.这样的光源不会产生稳定的干涉现象，无法观察到干涉图样.

  【答案】B

2.用红光做光的双缝干涉实验，光屏上出现明、暗相间直间距均匀的红色的干涉条纹，今用不透光的障碍物堵起一条缝，则屏上（  D  ）

A．一片黑暗      

B．一片红色

C．仍然是红色的干涉条纹，只是亮相减弱

D．仍然是明、暗相间的红色条纹，但条纹间距不相同

【解析】堵起一条缝后红光只能透过单缝而射到屏上发生单缝衍射现象，也应将在屏上产生明、暗相间的红色条纹，只是单缝衍射所产生的衍射条纹间距不均匀.

【答案】D

3.有关偏振和偏振光的下列说法中正确的有(  B D ) 

A．只有光波才能发生偏振，机械波不能发生偏振

B．只有横波能发生偏振，纵波不能发生偏振

C．自然界不存在偏振光，自然光只有通过偏振片才能变为偏振光

D．除了从光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光都是偏振光 

【解析】偏振是横波的特有现象，机械波中的横波能发生偏振。偏振光的获取除了自然光通过偏振片形成偏振光外，还可以让自然光从一种介质射入另一种介质发生反射和折射形成的反射光和折射光只要互相垂直，这样的反射光和折射光都是偏振光.

【答案】B D 

课后创新演练

1.用包括红、绿、紫三种色光的复色光做光的双缝干涉实验，在所产生的干涉条纹中离中心条纹最近的干涉条纹是（ C ）

A.红色条纹     B.绿色条纹 

C.紫色条纹     D.三种条纹中心条纹的距离相等

2.如图12-2-11所示，让白炽灯发出的光通过偏振片P 和Q，以光的传播方向为轴旋转偏振片P和Q，可以看到透射光的强度会发生变化，这是光的偏振现象.这个实验表明（ B ）

 

 

  

 

 

 

 

A.光是电磁波       B.光是一种横波

C.光是一种纵波     D.光是概率波

3.一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 B ) 

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

D．各色光通过双缝的距离不同

4.纳米技术是跨世纪的新技术，将激光束的宽度集中到纳米范围内，可修复人体已损坏的器官，对DNA分子进行超微型基因修复，把诸如癌症等彻底根除。在上述技术中，人们主要利用了激光的（ BC ）

A.单色性 B.单向性   C.亮度高 D.粒子性

5.太阳光照射在平坦的大沙漠上，我们在沙漠中向前看去，发现前方某处射来亮光，好像太阳光从远处水面反射来的一样，我们认为前方有水，但走到该处仍是干燥的沙漠，这现象在夏天城市中太阳光照射沥青路面时也能观察到，对这种现象正确的解释是（  C  ）

A．越靠近地面空气的折射率越大　　　

B．这是光的干涉形成的

C．越靠近地面空气的折射率越小　　　

D．这是光的衍射形成的

6.有关光现象的下列说法中正确的是（ B D ）

A．在平静的湖面上出现岸边树的倒影是光的折射现象

B．在太阳光照射下，水面上的油膜上出现彩色花纹是光的干涉现象

C．光导纤维传递信号的基本物理原理是光的折射

D．在光的双缝干涉实验中，只将入射光由绿光改为黄光，则条纹间距变宽

【解析】A项是平面镜成像，B项叙述的是一个薄膜干涉现象，C项中光导纤维是利用全反射现象制成的，D项中干涉条纹宽度只与波长有关，波长大、宽度就宽黄光的波长比绿光的波长长，干涉条纹宽.

【答案】B D

7.某学生在观察双缝干涉现象的实验中，分别用红色、绿色、紫色三种单色光做实验，经同一干涉仪观察到如图12-2-12所示的明显干涉条纹，那么甲、乙、丙依次表示的颜色是（  D  ）

A.红色   绿色   紫色  B．红色   紫色   绿色

C.紫色   绿色   红色  D．绿色   紫色   红色

9.（2008年高考上海）在杨氏双缝干涉实验中，如果（ BD ） 

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，遮住其中一条狭缝，屏上将呈现间距不等的条纹

【解析】白光作杨氏双缝干涉实验，屏上将呈现彩色条纹，A错；用红光作光源，屏上将呈现红色两条纹与暗条纹（即黑条纹）相间，B对；红光和紫光频率不同，不能产生干涉条纹，C错；紫光作光源，遮住一条狭缝，屏上出现单缝衍射条纹，即间距不等的条纹，D对.

9.（2008年高考天津卷理综）下列有关光现象的说法正确的是（ A  ）

A.在光的双缝干涉实验中，若仅将入射光由紫光改为红光，则条纹间距一定变大

B.以相同入射角从水中射向空气，紫光能发生全反射，红光也一定能发生全反射

C.紫光照射某金属时有电子向外发射，红光照射该金属时也一定有电子向外发射

D.拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加装一个偏振片以增加透射光的强度

【解析】根据干涉条纹的间距的公式△x=d(l)λ可知，由于紫光的波长比红光的波长短，所以改为红光后条纹间距一定增大，A正确；紫光的临界角比红光的临界角小，所以紫光发生全反射后红光不一定发生全反射，B错误；由于紫光的频率大于红光的频率，所以紫光的能量比红光的能量大，紫光发生光电效应红光不一定发生光电效应，C错误，拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加装一个偏振镜是为了防止玻璃的反光，所以D错误. 

【答案】A