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6.1 干涉条纹计算

光的干涉、衍射与偏振 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 利用双缝干涉或薄膜干涉中光程差与波长关系,定量计算条纹间距、位置或波长的物理方法。

从哪来 基于【6.3 周期/波速/波长计算】中确立的波长 $\lambda$ 概念及波动基本参数关系,将其应用于波动叠加的具体几何场景中。

为什么 干涉条纹的本质是两列相干光波在空间叠加时,相位差 $\Delta \phi$ 随位置周期性变化。 当光程差 $\delta = r_2 - r_1$ 满足 $\delta = k\lambda$ ($k=0, \pm1, \dots$) 时,波峰遇波峰,振动加强,形成亮纹; 当 $\delta = (2k+1)\frac{\lambda}{2}$ 时,波峰遇波谷,振动抵消,形成暗纹。 在双缝干涉近似条件下(缝间距 $d$ 远小于缝屏距 $L$),几何推导得出 $\delta \approx d \sin \theta \approx d \frac{x}{L}$。 联立上述条件,即得核心公式 $\Delta x = \frac{L}{d}\lambda$。这揭示了条纹间距与波长成正比,与缝间距成反比的物理机制。

类比“赛跑接力”法** **适合:形象思维强、对抽象公式记忆困难的学生** 想象两束光从双缝出发去屏幕某点 $P$ 比赛。 1. **起跑线不同
两束光起点(双缝)距离屏幕很远,但彼此很近。 2. 路程差:如果 $P$ 在正中间,两束光跑的路程一样(光程差为0),同时到达,手拉手(同相),形成亮纹。 3. 偏离中心:$P$ 越往右,上面那束光跑得越短,下面那束光跑得越长。 4. 关键阈值:只要下面那束光比上面那束光多跑了一个“完整圈”(一个波长 $\lambda$),它们就再次“同步”到达,又形成亮纹。 5. 结论:两个“同步点”之间的距离就是条纹间距 $\Delta x$。公式 $\Delta x = \frac{L}{d}\lambda$ 就是计算这个“同步点”间距的尺子。
几何近似推导法** **适合:逻辑严密、喜欢从第一性原理出发的学生** 1. **构建模型
双缝 $S_1, S_2$ 间距 $d$,屏距 $L$,考察屏上点 $P$ 到两缝距离 $r_1, r_2$。 2. 几何关系:作 $S_1$ 到 $S_2P$ 的垂线,构成直角三角形。 3. 小角度近似:因为 $L \gg d$,角度 $\theta$ 很小,$\sin \theta \approx \tan \theta \approx \frac{x}{L}$。 4. 光程差:$\delta = r_2 - r_1 = d \sin \theta \approx d \frac{x}{L}$。 5. 干涉条件:相邻亮纹对应光程差变化一个波长 $\lambda$。 6. 推导间距:设第 $k$ 级亮纹位置 $x_k$,第 $k+1$ 级为 $x_{k+1}$。 $x_k = k \frac{L}{d}\lambda$ $x_{k+1} = (k+1) \frac{L}{d}\lambda$ $\Delta x = x_{k+1} - x_k = \frac{L}{d}\lambda$。 强调:这是等间距条纹的数学证明。
控制变量实验法** **适合:动手能力强、通过实验现象反推原理的学生** 1. **观察现象
用激光笔照射双缝,在墙上看到条纹。 2. 变量1(波长):换红色激光($\lambda$ 大)和蓝色激光($\lambda$ 小)。发现红条纹宽,蓝条纹密。$\rightarrow$ $\Delta x \propto \lambda$。 3. 变量2(缝间距):换缝间距 $d$ 更宽的双缝片。发现条纹变密。$\rightarrow$ $\Delta x \propto \frac{1}{d}$。 4. 变量3(屏距):把屏幕推远($L$ 变大)。发现条纹变宽。$\rightarrow$ $\Delta x \propto L$。 5. 综合:$\Delta x = k \cdot \frac{L}{d}\lambda$。通过实验定性确定比例关系,再代入数据定量计算。
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练一道
基础题
在双缝干涉实验中,双缝间距 $d = 0.2 \text{ mm}$,双缝到光屏的距离 $L = 1 \text{ m}$,入射光波长 $\lambda = 600 \text{ nm}$。求相邻亮条纹的间距 $\Delta x$。
变式
某同学用单色光进行双缝干涉实验,测得第1级到第4级亮条纹中心之间的距离为 $12 \text{ mm}$。若保持其他条件不变,将双缝间距 $d$ 增大为原来的2倍,求此时第1级到第4级亮条纹中心之间的距离。
试试手自己判
检测题
在双缝干涉实验中,若将入射光从红光($\lambda_1 = 700 \text{ nm}$)换成紫光($\lambda_2 = 400 \text{ nm}$),其他条件不变。问: (1) 条纹间距如何变化? (2) 若原来红光下相邻条纹间距为 $7 \text{ mm}$,则紫光下相邻条纹间距为多少?
看答案和判分标准
答案:(1) 条纹间距变小(变密)。 (2) $4 \text{ mm}$。
判对标准:
1. 正确指出条纹间距与波长成正比,因此波长变短,间距变小。
2. 正确列出比例关系 $\frac{\Delta x_2}{\Delta x_1} = \frac{\lambda_2}{\lambda_1}$。
3. 计算正确:$\Delta x_2 = 7 \text{ mm} \times \frac{400}{700} = 4 \text{ mm}$。
4. 若只答“变小”但未计算具体数值,得一半分;若计算错误但逻辑正确,得一半分。
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