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3.3 光的干涉实验

物理实验基础与典型实验探究 · 高二
讲清楚它是什么

定义 两列频率相同、相位差恒定、振动方向相同的相干光波叠加,在空间形成明暗相间条纹的现象。

从哪来 本知识点为高二光学部分的起点,直接基于高中物理必修教材中关于“波”的基本概念(如波的叠加原理、频率与波长的关系)构建,无需依赖图谱中未记录的其他前置节点。

为什么 光具有波动性。当两束相干光(频率相同、相位差恒定)在空间相遇时,根据波的叠加原理,若两列波在某点引起的振动步调一致(波峰遇波峰或波谷遇波谷),该点振动加强,光强变大,形成亮条纹;若步调相反(波峰遇波谷),该点振动减弱甚至抵消,光强变小,形成暗条纹。由于光源到屏幕不同位置的光程差不同,导致相位差随位置变化,从而形成稳定的干涉图样。

讲法
类比法:水波干涉演示 适合形象思维强、抽象逻辑较弱的学生。 先展示两个水滴落入平静水面产生的同心圆波纹相遇时的现象:有的地方水花更高(加强),有的地方几乎不动(减弱)。引导学生观察:只有当两个波源频率相同且同步时,这种“静止”的加强/减弱区域才稳定存在。将“水波”映射为“光波”,强调“相干”是产生稳定图样的前提。
讲法
数学推导法:相位差与光程差 适合逻辑严密、擅长数学推导的学生。 从波动方程出发,设两相干光在P点的相位分别为 $\phi_1$ 和 $\phi_2$。合振幅 $A = \sqrt{A_1^2 + A_2^2 + 2A_1A_2\cos(\phi_1 - \phi_2)}$。当 $\Delta \phi = 2k\pi$ 时,$A$ 最大(亮纹);当 $\Delta \phi = (2k+1)\pi$ 时,$A$ 最小(暗纹)。结合 $\Delta \phi = \frac{2\pi}{\lambda} \Delta r$,推导出光程差 $\Delta r = k\lambda$(亮)或 $\Delta r = (k+\frac{1}{2})\lambda$(暗)。强调物理量之间的定量关系。
讲法
实验探究法:双缝干涉实验操作 适合动手能力强、喜欢实验验证的学生。 直接进行激光双缝干涉实验。让学生调节双缝间距 $d$ 和缝屏距离 $L$,观察条纹间距 $\Delta x$ 的变化。记录数据并绘制 $\Delta x$ 与 $1/d$、$\Delta x$ 与 $L$ 的关系图。通过实验现象反推公式 $\Delta x = \frac{L}{d}\lambda$,让学生从“看到”到“理解”再到“计算”,建立直观与理论的桥梁。
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练一道
基础题
在双缝干涉实验中,双缝间距 $d = 0.2 \text{ mm}$,缝到屏的距离 $L = 1 \text{ m}$,所用单色光波长 $\lambda = 600 \text{ nm}$。求相邻两条亮条纹中心的间距 $\Delta x$。
变式
某同学用白光(含可见光)进行双缝干涉实验,在屏上观察到彩色条纹。若将双缝间距 $d$ 增大一倍,其他条件不变,问中央亮纹的颜色及两侧条纹间距如何变化?
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(波长较长)换成紫光(波长较短),其他条件不变,则屏上干涉条纹的间距将如何变化?中央亮纹的位置是否改变?
看答案和判分标准
答案:条纹间距变小;中央亮纹位置不变。
判对标准:
1. 正确指出条纹间距变小(或变密)。(2分)
2. 正确指出中央亮纹位置不变。(2分)
3. 能简要说明原因:$\Delta x \propto \lambda$,紫光波长小于红光,故间距变小;中央处光程差始终为0,对所有波长均加强,故位置不变。(2分)
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