肥皂膜看起來常常是彩色的，雨后公路積水上面漂浮的油膜，也經(jīng)常顯現(xiàn)出彩色條紋。這些彩色條紋或圖樣是怎樣形成的？
如果兩列機(jī)械波的頻率相同、相位差恒定、振動方向相同，就會發(fā)生干涉。光是一種電磁波，那么光也應(yīng)該會發(fā)生干涉現(xiàn)象。怎樣才能觀察到光的干涉現(xiàn)象呢？
在暗室中用氦氖激光器發(fā)出的紅色激光照射金屬擋板上的兩條平行的狹縫（圖 甲），在后面的屏上觀察光的干涉情況（圖 乙）。
如何解釋這個(gè)現(xiàn)象呢？如圖讓一束單色光投射到一個(gè)有兩條狹縫S1 和S2 的擋板上，狹縫S1 和S2 相距很近。狹縫就成了兩個(gè)波源，它們的頻率、相位和振動方向總是相同的。這兩個(gè)波源發(fā)出的光在擋板后面的空間互相疊加，發(fā)生干涉現(xiàn)象：來自兩個(gè)光源的光在一些位置相互加強(qiáng)，在另一些位置相互削弱，因此在擋板后面的屏上得到明暗相間的條紋
具體地說，如圖狹縫S1 和S2 相當(dāng)于兩個(gè)頻率、相位和振動方向都相同的波源，它們到屏上P0 點(diǎn)的距離相同。 由于S1和 S2發(fā)出的兩列波到達(dá)P0 點(diǎn)的路程一樣，所以這兩列波的波峰或波谷同時(shí)到達(dá)P0 點(diǎn)，也就是相位仍然相同。在這點(diǎn)，兩列波疊加后相互加強(qiáng)，因此這里出現(xiàn)亮條紋。
再考察P0 點(diǎn)上方的另外一點(diǎn)P1 ，它距S2 比距S1遠(yuǎn)一些，兩列波到達(dá)P1 點(diǎn)的路程不相同，兩列波的波峰或波谷不一定同時(shí)到達(dá)P1。如果路程差正好是半個(gè)波長 λ，那么，當(dāng)一列波的波峰到達(dá)P1時(shí)，另一列波正好在這里出現(xiàn)波谷。這時(shí)兩列波疊加的結(jié)果是互相抵消，于是這里出現(xiàn)暗條紋。
對于更遠(yuǎn)一些的P2點(diǎn) ，來自兩個(gè)狹縫的光波的路程差更大。如果路程差正好等于波長λ，那么，兩列光波的波峰或波谷會同時(shí)到達(dá)這點(diǎn)，它們相互加強(qiáng)，這里也出現(xiàn)亮條紋。距離屏的中心越遠(yuǎn)，路程差越大。每當(dāng)路程差等于λ，2λ，3λ，… 時(shí)，也就是每當(dāng)路程差等于 λ， λ， λ，…時(shí)，兩列光波得到加強(qiáng)，屏上出現(xiàn)亮條紋；每當(dāng)路程差等于 λ， λ， λ，… 時(shí)，兩列光波相互削弱，屏上出現(xiàn)暗條紋。
綜合以上分析，可以說，當(dāng)兩個(gè)光源與屏上某點(diǎn)的距離之差等于半波長的偶數(shù)倍時(shí)（即恰好等于波長的整數(shù)倍時(shí)），兩列光波在這點(diǎn)相互加強(qiáng)，這里出現(xiàn)亮條紋；當(dāng)兩個(gè)光源與屏上某點(diǎn)的距離之差等于半波長的奇數(shù)倍時(shí)，兩列光波在這點(diǎn)相互削弱，這里出現(xiàn)暗條紋。
光的干涉實(shí)驗(yàn)最早是英國物理學(xué)家托馬斯·楊在1801年成功完成的。托馬斯·楊的時(shí)代沒有激光。他用日光照亮一條狹縫，通過這條狹縫的光再通過雙縫，發(fā)生干涉。這就是歷史上著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，它有力地證明了光是一種波。
英國物理學(xué)家 托馬斯·楊（1773-1829)
由同一光源發(fā)出的光經(jīng)兩個(gè)狹縫后形成兩列光波疊加產(chǎn)生。
光的干涉條件：兩列光的頻率相同。能發(fā)生干涉的兩束光稱為相干光。
二、干涉條紋和光的波長之間的關(guān)系
光的雙縫干涉條紋特征，如條紋間距、寬度等，能反映出光的波長、頻率等信息嗎？
如圖波長為 λ 的單色光照射到雙縫上。兩縫中心之間的距離為 d ，兩縫 S1、S2 的連線的中垂線與屏的交點(diǎn)為 P0，雙縫到屏的距離 OP0 ＝ l。我們考察屏上與 P0 的距離為 x 的一點(diǎn) P1 ，兩縫與 P1的距離分別為 P1 S1 ＝ r1、P1S2 ＝ r2。在線段P1S2上作P1M＝P1 S1，于是，S2M ＝r2 － r1。由于兩縫之間的距離d遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于縫到屏的距離l，所以，能夠認(rèn)為ΔS1S2M是直角三角形。
導(dǎo)出相鄰亮條紋距離的表達(dá)式
根據(jù)三角函數(shù)的關(guān)系有r2 － r1 ＝ dsin θ另一方面x ＝ ltan θ ≈ lsin θ 消去 sin θ，有r2 － r1 ＝ d根據(jù)上一節(jié)的分析，當(dāng)兩列波的路程差為波長的整數(shù)倍，即 d ＝ n λ （n ＝ 0，±1，±2 …）時(shí)出現(xiàn)亮條紋，也就是說，亮條紋中心的位置為x ＝ n λ 相鄰兩個(gè)亮條紋或暗條紋的中心間距是?x ＝ λ （1）根據(jù)這個(gè)關(guān)系式可以測出波長。
根據(jù)（1）式可知，條紋之間的距離與光波的波長成正比，因此能夠斷定，不同顏色的光，波長不同。實(shí)驗(yàn)中確實(shí)發(fā)現(xiàn)，各種顏色的單色光都會發(fā)生干涉，但條紋之間的距離不一樣。用黃光做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，條紋之間的距離比用紅光時(shí)小；用藍(lán)光時(shí)更小。
在酒精燈的燈芯上撒一些食鹽，燈焰就能發(fā)出明亮的黃光。把鐵絲圈在肥皂水中蘸一下，讓它掛上一層薄薄的液膜。把這層液膜當(dāng)作一個(gè)平面鏡，用它觀察燈焰的像（圖 ）。這個(gè)像與直接看到的燈焰有什么不同？
用肥皂膜做薄膜干涉實(shí)驗(yàn)
燈焰在肥皂膜上所成的像
如圖所示，豎直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用使下面厚、上面薄，因此在薄膜上不同的地方，從膜的前、后表面反射的兩列光波疊加，若兩列波疊加后互相加強(qiáng)，則出現(xiàn)亮紋；在另一些地方，疊加后互相減弱，則出現(xiàn)暗紋。故在單色光照射下，就出現(xiàn)了明暗相間的干涉條紋；若在白光照射下，則出現(xiàn)彩色干涉條紋。
薄膜前后兩個(gè)面的反射光
等傾法檢查平面平整度如圖所示，被檢查平面B與標(biāo)準(zhǔn)樣板A之間形成了一個(gè)楔形的空氣薄膜，用單色光照射，入射光從空氣膜的上、下表面反射出兩列光波，形成干涉條紋。被檢查平面若是平的，空氣膜厚度相同的各點(diǎn)就位于一條直線上，干涉條紋平行；若被檢查表面某些地方不平，那里空氣膜產(chǎn)生的干涉條紋將發(fā)生彎曲。
光學(xué)鏡頭上的增透膜光學(xué)鏡頭表面常常鍍一層透光的膜稱為增透膜。因增透膜的厚度為入射光在薄膜中波長的 ，從介質(zhì)膜前后兩個(gè)面反射的光的路程差為 ，所以兩列光波相互削弱，使反射光的強(qiáng)度大大降低，透射光的強(qiáng)度得到加強(qiáng)。
對“增透”的理解：如果用宏觀的思維方式來理解，兩束反射光相互抵消，并沒有增加透射光的強(qiáng)度，因此，此過程只是“消反”，卻不能“增透”。其實(shí)光的干涉將引起整個(gè)光強(qiáng)分布的改變，但總的能量是守恒的，反射光的能量被削弱了，透射光的能量就必然得到增強(qiáng)。增透膜正是通過“消反”來確?！霸鐾浮钡摹！?br/> 光到底是什么？這個(gè)問題早就引起了人們的注意，不過在很長的時(shí)期內(nèi)人們對它的認(rèn)識卻進(jìn)展得很慢。 到 17 世紀(jì)時(shí)，科學(xué)界已經(jīng)形成了兩種學(xué)說。一種是光的微粒說，認(rèn)為光是從光源發(fā)出的一種物質(zhì)微粒，在均勻的介質(zhì)中以一定的速度傳播，牛頓支持微粒說。另一種是光的波動說，是惠更斯首先提出的，認(rèn)為光是在空間傳播的某種波。 微粒說和波動說都能解釋一些光現(xiàn)象，但又不能解釋當(dāng)時(shí)觀察到的全部光現(xiàn)象。
到了 19 世紀(jì)初，人們在實(shí)驗(yàn)中觀察到了光的干涉和衍射現(xiàn)象，這是波動的特征，不能用微粒說解釋，因而證明了波動說的正確性。19 世紀(jì) 60 年代，麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，并認(rèn)為光也是一種電磁波。此后，赫茲在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了這種假說，至此，光的波動理論取得了巨大的成功。 但是，19 世紀(jì)末又發(fā)現(xiàn)了新的現(xiàn)象——光電效應(yīng)，這種現(xiàn)象用波動說無法解釋。愛因斯坦于20 世紀(jì)初提出了光子說，認(rèn)為光具有粒子性，從而解釋了光電效應(yīng)。不過，這里說的光子已經(jīng)不同于過去說的“微?！绷?。 現(xiàn)在人們認(rèn)識到，光既具有波動性，又具有粒子性。
例1、(單選）如圖所示為雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置，當(dāng)使用波長為6×10－7 m的橙光做實(shí)驗(yàn)時(shí)，光屏P點(diǎn)及上方的P1點(diǎn)形成相鄰的亮條紋。若使用波長為4×10－7 m的紫光重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，在P和P1點(diǎn)形成的亮、暗條紋的情況是(　　)A．P和P1點(diǎn)處都是亮條紋B．P點(diǎn)處是亮條紋，P1點(diǎn)處是暗條紋C．P點(diǎn)處是暗條紋，P1點(diǎn)處是亮條紋D．P和P1點(diǎn)處都是暗條紋
【答案】：B【解析】：從單縫S射出的光波被S1、S2兩縫分成兩束相干光，由題意知屏中央P點(diǎn)到S1、S2的距離相等，即分別由S1、S2射出的光到P點(diǎn)的路程差為零，因此P點(diǎn)是中央亮條紋，因而，無論入射光是什么顏色，波長多長，P點(diǎn)處都是亮條紋。由題意可知分別由S1、S2射出的光到P1點(diǎn)的路程差剛好是橙光的一倍波長，即|P1S1－P1S2|＝600 nm＝λ橙，當(dāng)換用波長為400 nm的紫光時(shí)，|P1S1－P1S2|＝600 nm＝ λ紫，則兩列光波到P1點(diǎn)時(shí)振動情況完全相反，即分別由S1、S2射出的光在P1點(diǎn)相互削弱，因此，在P1點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋。故選B。
例2、(多選)如圖甲為雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的裝置示意圖．圖乙為用綠光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，在屏上觀察到的條紋情況，a處為中央亮條紋，丙圖為換用另一顏色的單色光做實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到的條紋情況，a′處為中央亮條紋．若已知紅光、綠光和紫光的波長大小關(guān)系為紅光的波長最長，紫光的波長最短．則以下說法不正確的是(　　)A．丙圖比乙圖條紋間的間距大B．丙圖可能為用紅光實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的條紋，表明紅光波長較長C．丙圖可能為用紫光實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的條紋，表明紫光波長較長D．丙圖可能為用紫光實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的條紋，表明紫光波長較短
【答案】：C、D【解析】：根據(jù)雙縫干涉圖樣的特點(diǎn)，入射光的波長越長，同一裝置產(chǎn)生的雙縫干涉圖樣中條紋的間距就越大．由本題的條件可確定另一種顏色的單色光比綠光的波長長，因此A、B兩項(xiàng)正確，C、D兩項(xiàng)錯(cuò)誤．
例3、(單選)某同學(xué)自己動手利用如圖所示的器材，觀察光的干涉現(xiàn)象，其中，A為單縫屏，B為雙縫屏，C為像屏。當(dāng)他用一束陽光照射到A上時(shí)，屏C上并沒有出現(xiàn)干涉條紋。他移走B后，C上出現(xiàn)一窄亮斑。分析實(shí)驗(yàn)失敗的原因，最大的可能是(　　)A．單縫S太窄B．單縫S太寬C．S到S1和S2距離不等D．太陽光不能作光源
【答案】：B【解析】：本實(shí)驗(yàn)中，單縫S應(yīng)非常窄，才可看作“理想線光源”，也才能成功地觀察到干涉現(xiàn)象，移走B屏后，在C上出現(xiàn)一窄亮斑，說明單縫S太寬，故B正確，A錯(cuò)誤；S到S1和S2距離不等時(shí)，也能出現(xiàn)干涉條紋，但中央不一定是亮紋，C錯(cuò)誤；太陽光可以作光源，屏上將出現(xiàn)彩色條紋，D錯(cuò)誤。

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3 光的干涉

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