最新2015高三物理新课标一轮讲义：124光的干涉衍射和偏振

2015高三物理新课标一轮讲义：124光的干涉衍射和偏振第4课时光的干涉、衍射和偏振考纲解读 1.理解光的干涉现象，掌握双缝干涉中出现明暗条纹的条件.2.理解光的衍射现象，知道发生明显衍射的条件.3.知道光的偏振现象，了解偏振在日常生活中的应用．1．[光的干涉现象的理解]一束白光在真空中通过双缝后在屏上观察到的干涉条纹，除中央白色亮条纹外，两侧还有彩色条纹，其原因是()A．各色光的波长不同，因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同B．各色光的速度不同，因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同C．各色光的强度不同，因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同D．上述说法都不正确答案 A解析白光包含各种颜色的光，它们的波长不同，在相同条件下做双缝干涉实验时，它们的干涉条纹间距不同，所以在中央亮条纹两侧出现彩色条纹，A正确．2．[光的衍射现象的理解]对于光的衍射的定性分析，下列说法中不正确的是()A．只有障碍物或孔的尺寸可以跟光波波长相比甚至比光的波长还要小的时候，才能明显地产生光的衍射现象B．光的衍射现象是光波相互叠加的结果C．光的衍射现象否定了光的直线传播的结论D．光的衍射现象说明了光具有波动性答案 C解析光的干涉和衍射现象说明了光具有波动性，而小孔成像说明了光沿直线传播，而要出现小孔成像现象，孔不能太小，可见，光的直线传播规律只是近似的，只有在光波波长比障碍物小得多的情况下，光才可以看作是沿直线传播的，所以光的衍射现象和直线传播并不矛盾，它们是在不同条件下出现的两种光现象，单缝衍射实验中单缝光源可以看成是无限多个光源排列而成，因此光的衍射现象也是光波相互叠加的结果．3．[光的偏振现象的理解]如图1所示，偏振片P的透振方向(用带有箭头的实线表示)为竖直方向．下列四种入射光束中，能在P的另一侧观察到透射光的是()图1A．太阳光B．沿竖直方向振动的光C．沿水平方向振动的光D．沿与竖直方向成45°角方向振动的光答案ABD解析偏振片只让沿某一方向振动的光通过，当偏振片的透振方向与光的振动方向不同时，透射光的强度不同，它们平行时最强，而垂直时最弱．太阳光是自然光，光波可沿任何方向振动，所以在P的另一侧能观察到透射光；沿竖直方向振动的光，振动方向与偏振片的透振方向相同，当然可以看到透射光；沿水平方向振动的光，其振动方向与透振方向垂直，所以看不到透射光；沿与竖直方向成45°角方向振动的光，其振动方向与透振方向不垂直，仍可看到透射光．1．光的干涉(1)定义：两列频率相同、振动情况相同的光波相叠加，某些区域振动加强，某些区域振动减弱，并且加强区域和减弱区域总是相互间隔的现象叫光的干涉现象．(2)相干条件只有相干光源发出的光叠加，才会发生干涉现象．相干光源是指频率相同、相位相同(振动情况相同)的两列光波．2．双缝干涉：由同一光源发出的光经双缝后，在屏上出现明暗相间的条纹．白光的双缝干涉的条纹是中央为白色条纹，两边为彩色条纹，单色光的双缝干涉中相邻亮条纹间距离为Δx＝ldλ.3．薄膜干涉：利用薄膜(如肥皂液薄膜)前后两面反射的光相遇而形成的．干涉图样中同一条亮(或暗)条纹上所对应的薄膜厚度相同．4．光的衍射(1)定义光离开直线路径绕到障碍物阴影区的现象叫光的衍射，衍射产生的明暗条纹或光环叫衍射图样．(2)发生明显衍射的条件只有当障碍物的尺寸跟光的波长相差不多，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象才会明显．(3)衍射图样①单缝衍射a．单色光：明暗相间的不等距条纹，中央亮条纹最宽最亮，两侧条纹具有对称性．b．白光：中间为宽且亮的白色条纹，两侧是窄且暗的彩色条纹，最靠近中央的是紫光，远离中央的是红光．②圆孔衍射：明暗相间的不等距圆环，圆环面积远远超过孔的直线照明的面积．③圆盘衍射：明暗相间的不等距圆环，中心有一亮斑称为泊松亮斑．5．光的偏振(1)偏振：光波只沿某一特定的方向振动，称为光的偏振．(2)自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫做自然光．(3)偏振光：在垂直于传播方向的平面上，只沿某个特定方向振动的光，叫做偏振光．光的偏振证明光是横波．自然光通过偏振片后，就得到了偏振光.考点一光的双缝干涉现象的理解1．光能够发生干涉的条件：两光的频率相同，振动步调相同．2．双缝干涉形成的条纹是等间距的，两相邻亮条纹或相邻暗条纹间距离与波长成正比，即Δx＝ldλ.3．用白光照射双缝时，形成的干涉条纹的特点：中央为白色条纹，两侧为彩色条纹．例1如图2所示，在双缝干涉实验中，S1和S2为双缝，P是光屏上的一点，已知P点与S1、S2距离之差为2.1×10－6m，分别用A、B两种单色光在空气中做双缝干涉实验，问P点是亮条纹还是暗条纹？图2(1)已知A光在折射率为1.5的介质中波长为4×10－7 m；(2)已知B光在某种介质中波长为3.15×10－7m，当B光从这种介质射向空气时，临界角为37°；(3)若让A 光照射S 1，B 光照射S 2，试分析光屏上能观察到的现象．解析 (1)设A 光在空气中波长为λ1，在介质中波长为λ2，由n ＝c v ＝λ1λ2，得λ1＝nλ2＝1.5×4×10－7 m ＝6×10－7 m根据路程差Δr ＝2.1×10－6m ，可知N 1＝Δr λ1＝2.1×10－6 m6×10－7 m＝3.5 由此可知，从S 1和S 2到P 点的路程差是波长λ1的3.5倍，所以P 点为暗条纹． (2)根据临界角与折射率的关系sin C ＝1n 得n ＝1sin 37°＝53由此可知，B 光在空气中波长λ3为： λ3＝nλ介＝53×3.15×10－7 m ＝5.25×10－7 m路程差Δr 和波长λ3的关系为：N 2＝Δr λ3＝2.1×10－6 m5.25×10－7 m ＝4可见，用B 光做光源，P 点为亮条纹．(3)若让A 光和B 光分别照射S 1和S 2，这时既不能发生干涉，也不发生衍射，此时在光屏上只能观察到亮光．答案 (1)暗条纹 (2)亮条纹 (3)见解析突破训练1 如图3所示的双缝干涉实验，用绿光照射单缝S 时，在光屏P 上观察到干涉条纹．要得到相邻条纹间距更大的干涉图样，可以( )图3A ．增大S 1与S 2的间距B ．减小双缝屏到光屏的距离C ．将绿光换为红光D ．将绿光换为紫光 答案 C解析 在双缝干涉实验中，相邻两条亮条纹(或暗条纹)间的距离Δx ＝ld λ，要想增大条纹间距可以减小两缝间距d ，或者增大双缝屏到光屏的距离l ，或者换用波长更长的光做实验．由此可知，选项C 正确，选项A 、B 、D 错误． 考点二 薄膜干涉现象的理解1．如图4所示，竖直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形．图42．光照射到薄膜上时，在膜的前表面AA′和后表面BB′分别反射出来，形成两列频率相同的光波，并且叠加．3．原理分析(1)单色光①在P1、P2处，两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr等于波长的整数倍．Δr＝nλ(n＝1,2,3…)，薄膜上出现亮条纹．②在Q处，两列反射回来的光波的路程差Δr等于半波长的奇数倍．Δr＝(2n＋1)λ2(n＝0,1,2,3…)，薄膜上出现暗条纹．(2)白光：薄膜上出现水平彩色条纹．4．薄膜干涉的应用干涉法检查平面的平整程度如图5所示，两板之间形成一楔形空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检平面是平整光滑的，我们会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹；若被检平面不平整，则干涉条纹发生弯曲．图5例2把一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6所示．这时可以看到明暗相间的条纹．下面关于条纹的说法中正确的是()图6A．干涉条纹是光在空气尖劈膜的前后两表面反射形成的两列光波叠加的结果B．干涉条纹中的暗条纹是上述两列反射光的波谷与波谷叠加的结果C．将上玻璃板平行上移，条纹向着劈尖移动D．观察薄膜干涉条纹时，应在入射光的另一侧解析根据薄膜干涉的产生原理，上述现象是由空气膜前后表面反射的两列光叠加而成，当波峰与波峰、波谷与波谷相遇叠加时，振动加强，形成亮条纹，所以A项对，B项错．因相干光是反射光，故观察薄膜干涉时，应在入射光的同一侧，故D项错误．条纹的位置与空气膜的厚度是对应的，当上玻璃板平行上移时，同一厚度的空气膜向劈尖移动，故条纹向着劈尖移动，故C项正确．答案AC突破训练2用如图7所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象，图(a)是点燃的酒精灯(在灯芯上撒些食盐)，图(b)是竖立的附着一层肥皂液薄膜的金属线圈，将金属线圈在其所在的竖直平面内缓慢旋转，观察到的现象是()图7A．当金属线圈旋转30°时，干涉条纹同方向旋转30°B．当金属线圈旋转45°时，干涉条纹同方向旋转90°C．当金属线圈旋转60°时，干涉条纹同方向旋转30°D．干涉条纹保持不变答案 D解析竖直肥皂膜是由于重力作用产生的上薄下厚的薄膜，所以金属线圈的转动，改变不了肥皂液膜的上薄下厚的形状，由干涉原理可知，同一厚度处的干涉条纹在同一级次上，所形成的干涉条纹都是水平的，与金属线圈在该竖直平面内的转动无关，形成的仍然是水平的干涉条纹，D正确．考点三光的衍射现象的理解1．衍射与干涉的比较两种现象比较项目单缝衍射双缝干涉不同点条纹宽度条纹宽度不等，中央最宽条纹宽度相等条纹间距各相邻条纹间距不等各相邻条纹等间距亮度情况中央条纹最亮，两边变暗条纹清晰，亮度基本相等相同点干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹特别提醒 1.白光发生光的干涉、衍射和光的色散都可出现彩色条纹，但光学本质不同．2．区分干涉和衍射，关键是理解其本质，实际应用中可从条纹宽度、条纹间距、亮度等方面加以区分．2．干涉与衍射的本质：光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果，从本质上讲，衍射条纹的形成与干涉条纹的形成具有相似的原理．在衍射现象中，可以认为从单缝通过两列或多列频率相同的光波，它们在屏上叠加形成单缝衍射条纹．例3如图8所示的4种明暗相间的条纹，分别是红光、蓝光通过同一个双缝干涉仪形成的干涉图样和黄光、紫光通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分代表亮纹)，那么1、2、3、4四个图中亮条纹的颜色依次是()123 4图8A．红黄蓝紫B．红紫蓝黄C．蓝紫红黄D．蓝黄红紫解析由于双缝干涉条纹是等间距的，而单缝衍射条纹除中央亮条纹最宽最亮之外，两侧条纹亮度、宽度都逐渐减小，因此1、3为双缝干涉条纹，2、4为单缝衍射条纹．又双缝干涉条纹的间距Δx＝ldλ，在l、d都不变的情况下，干涉条纹间距Δx与波长λ成正比，红光波长比蓝光波长长，则红光干涉条纹间距比蓝光干涉条纹间距大，即1、3分别对应红光和蓝光．而在单缝衍射中，当单缝宽度一定时，波长越长，衍射越明显，即中央条纹越宽越亮，黄光波长比紫光波长长，则黄光的中央条纹较宽较亮，故2、4分别对应紫光和黄光．综上所述，1、2、3、4四个图中亮条纹的颜色依次是红、紫、蓝、黄，选项B正确．答案 B突破训练3抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细，如图9所示，激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板的同样宽度的窄缝规律相同．观察光束经过细丝后在光屏上所产生的条纹即可判断细丝粗细的变化，下列叙述中正确的是()图9A．这里应用的是光的衍射现象B．这里应用的是光的干涉现象C．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗D．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细答案AD解析由于是激光束是越过细丝即绕过障碍物，所以是光的衍射现象，当抽制的丝变细的时候，丝的直径较接近激光的波长，条纹间距就大，A、D对．考点四光的偏振现象的理解1．偏振光的产生方式(1)自然光通过起偏器：通过两个共轴的偏振片观察自然光，第一个偏振片的作用是把自然光变成偏振光，叫起偏器．第二个偏振片的作用是检验光是否为偏振光，叫检偏器．(2)自然光射到两种介质的交界面上时，如果光入射的方向合适，使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直．特别提醒不能认为偏振片就是刻有狭缝的薄片，偏振片并非刻有狭缝，而是具有一种特征，即存在一个偏振方向，只让平行于该方向振动的光通过，其他振动方向的光被吸收了．2．偏振光的理论意义及应用(1)理论意义：光的干涉和衍射现象充分说明了光是波，但不能确定光波是横波还是纵波．光的偏振现象说明了光波是横波．(2)应用：照相机镜头、立体电影、消除车灯眩光等．例4如图10所示，电灯S发出的光先后经过偏振片A和B，人眼在P处迎着入射光方向，看不到光亮，则()图10A．图中a光为偏振光B．图中b光为偏振光C．以SP为轴将B转过180°后，在P处将看到光亮D．以SP为轴将B转过90°后，在P处将看到光亮解析自然光沿各个方向发散是均匀分布的，通过偏振片后，透射光是只沿着某一特定方向振动的光．从电灯直接发出的光为自然光，则A错；它通过A偏振片后，即变为偏振光，则B对；设通过A的光沿竖直方向振动，P点无光亮，则B偏振片只能通过沿水平方向振动的偏振光，将B转过180°后，P处仍无光亮，C错；若将B转过90°，则该偏振片将变为能通过竖直方向上振动的光的偏振片，则偏振光能通过B，即在P处有光亮，D对．答案BD偏振片A为起偏器，B为检偏器，当A、B的透振方向平行时透过B的亮度最大，垂直时没有光透过．突破训练4光的偏振现象说明光是横波．下列现象中不能反映光的偏振特性的是() A．一束自然光相继通过两个偏振片，以光束为轴旋转其中一个偏振片，透射光的强度发生变化B．一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是90°时，反射光是偏振光C．日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景像更清晰D．通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹答案 D解析在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定方向振动的光是偏振光，A、B选项反映了光的偏振特性，C是偏振现象的应用，D是光的衍射现象.高考题组1．(2013·大纲全国·14)下列现象中，属于光的衍射的是()A．雨后天空出现彩虹B．通过一个狭缝观察日光灯可看到彩色条纹C．海市蜃楼现象D．日光照射在肥皂膜上出现彩色条纹答案 B解析彩虹是光的色散现象，海市蜃楼是光的折射、全反射现象，肥皂膜上出现彩色条纹是薄膜干涉现象，A、C、D错误．通过一个狭缝观察日光灯可看到彩色条纹是单缝衍射现象，B正确．2．(2012·江苏·12B(1))如图11所示，白炽灯的右侧依次平行放置偏振片P和Q，A点位于P、Q之间，B点位于Q右侧．旋转偏振片P，A、B两点光的强度变化情况是()图11A．A、B均不变B．A、B均有变化C．A不变，B有变化D．A有变化，B不变答案 C解析白炽灯光包含向各方向振动的光，且同各个方向振动的光强度相等，所以旋转偏振片P时各方向透射光强度相同，故A点光的强度不变；白炽灯光经偏振片P后变为偏振光，当Q旋转时，只有与P的偏振方向一致时才有光透过Q，因此B点的光强有变化，选项C正确．模拟题组3．图12是双缝干涉实验装置的示意图，S为单缝，S1、S2为双缝，P为光屏．用绿光从左边照射单缝S时，可在光屏P上观察到干涉条纹．下列说法正确的是()图12A．减小双缝间的距离，干涉条纹间的距离减小B．增大双缝到屏的距离，干涉条纹间的距离增大C．将绿光换为红光，干涉条纹间的距离减小D．将绿光换为紫光，干涉条纹间的距离增大答案 B解析由双缝干涉条纹间距公式Δx＝ldλ可知，减小双缝间的距离d，干涉条纹间的距离Δx增大，A错误；增大双缝到屏的距离l，干涉条纹间的距离增大，B正确；将绿光换为红光，入射光的波长增大，干涉条纹间的距离增大，C错误；将绿光换为紫光，入射光的波长变短，干涉条纹间的距离减小，D错误．4．某同学使用激光器做光源，在不透光的挡板上开一条缝宽为0.05 mm的窄缝，进行光的衍射实验，如图13所示，则他在光屏上看到的条纹是下图中的()图13答案 D解析因为衍射条纹与单缝平行，条纹中间宽，两边窄，故D正确．5．下列说法正确的是()A．无影灯利用的是光的衍射原理B．全息照片用激光来拍摄，主要是利用了激光的相干性C．拍摄玻璃橱窗内的物品时，在镜头前加一个偏振片可以减小反射光的强度D．在光的双缝干涉实验中，将入射光由红光改为紫光，则条纹间距变宽答案BC解析无影灯是利用光的直线传播原理，选项A错误．拍摄玻璃橱窗内的物品时，在镜头前加一个偏振片可以减小反射光的强度，选项C正确．在光的双缝干涉实验中，将入射光由红光改为紫光，波长变短，则条纹间距变窄，选项D错误．B项的叙述是正确的．(限时：30分钟)►题组1双缝干涉与薄膜干涉问题的理解1．关于光的干涉，下列说法中正确的是()A．在双缝干涉现象里，相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是不等的B．在双缝干涉现象里，把入射光由红光换成紫光，相邻两个亮条纹间距将变宽C．只有频率相同的两列光波才能产生干涉D．频率不同的两列光波也能产生干涉现象，只是不稳定答案 C解析在双缝干涉现象里，相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是相等的，A错误；由条纹间距Δx＝ldλ，入射光的波长越长，相邻两个亮条纹间距越大，因此，把入射光由红光换成紫光，相邻两个亮条纹间距将变窄，B错误；两列光波产生干涉时，频率必须相同，C正确，D错误．2．双缝干涉实验装置如图1所示，绿光通过单缝S后，投射到具有双缝的挡板上，双缝S1和S2与单缝的距离相等，光通过双缝后在与双缝平行的屏上形成干涉条纹．屏上O点距双缝S1和S2的距离相等，P点是距O点最近的第一条亮条纹．如果将入射的单色光换成红光或蓝光，讨论屏上O点及其上方的干涉条纹的情况是()图1A．O点是红光的亮条纹B．O点不是蓝光的亮条纹C．红光的第一条亮条纹在P点的上方D．蓝光的第一条亮条纹在P点的上方答案AC解析O点处光程差为零，对于任何光都是振动加强点，均为亮条纹，故A对，B错；红光的波长比绿光长，蓝光的波长比绿光短，根据Δx＝ldλ可知，C对，D错．3．如图2甲所示，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乙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()图2A．干涉现象是由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．干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度不是均匀变化的D．干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度是均匀变化的答案AC解析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，B错．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的，形成不等间距的干涉条纹，故C正确，D 错．4．光热转换是将太阳能转换为其他物质内能的过程，太阳能热水器如图3所示，就是一种光热转换装置，它的主要转化器件是真空玻璃管，这些玻璃管将太阳能转化成水的内能．真空玻璃管上采用镀膜技术增加透射光，使尽可能多的太阳能转换成热能，这种镀膜技术的物理依据是()图3A．光的直线传播B．光的粒子性C．光的干涉D．光的衍射答案 C解析真空玻璃管上的镀膜是一层增透膜，利用了光的干涉的原理，故选项C正确．5．如图4所示，在杨氏双缝干涉实验中，激光的波长为5.30×10－7 m，屏上P点距双缝S1和S2的路程差为7.95×10－7 m，则在这里出现的应是________(选填“亮条纹”或“暗条纹”)．现改用波长为6.30×10－7m的激光进行上述实验，保持其他条件不变，则屏上的条纹间距将________(选填“变宽”、“变窄”或“不变”)．图4答案暗条纹变宽解析由于路程差Δr＝7.95×10－7m＝1.5λ，所以P点将出现暗条纹；由Δx＝ldλ可知，由于波长变大，故条纹间距变宽．6．在观察光的干涉现象的实验中，将两刀片合在一起，在涂有墨汁的玻璃片上划出不同间隙的双缝；按图5所示的方法，让激光束通过自制的双缝．图5(1)保持缝到光屏的距离不变，换用不同间隙的双缝，双缝的间隙越小，屏上明暗相间的条纹间距________(选填“越大”或“越小”)；(2)保持双缝的间隙不变，光屏到缝的距离越大，屏上明暗相间的条纹间距________(选填“越大”或“越小”)；(3)在狭缝间的距离和狭缝与屏的距离都不变的条件下，用不同颜色的光做实验，发现用蓝色光做实验时屏上明暗相间的条纹间距比用红色光做实验时____(选填“大”或“小”)．(4)实验观察到光屏上呈现明暗相间的条纹，试运用波动理论对明条纹的形成加以解释．答案(1)越大(2)越大(3)小(4)见解析解析(1)由Δx＝ldλ可知d越小，Δx越大．(2)由Δx＝ldλ可知，l越大，Δx越大．(3)由Δx＝ldλ可知，因蓝色光的波长比红色光的波长小，故用蓝色光做实验时的条纹间距比用红色光做实验时小．(4)同一色光透过双缝形成相干光，在光屏处相遇，有的区域光振动加强，有的区域光振动减弱，光振动加强区呈现明条纹．►题组2光的衍射现象与偏振现象的理解7．用单色光通过小圆盘和小圆孔分别做衍射实验，在光屏上得到衍射图形，则()A．用小圆盘时，图形中央是暗的，用小圆孔时，图形中央是亮的B．用小圆盘时，图形中央是亮的，用小圆孔时，图形中央是暗的C．两个图形均为中央为亮点的同心圆形条纹D．两个图形均为中央为暗点的同心圆形条纹答案 C8．光在科学技术、生产和生活中有着广泛的应用，下列说法正确的是()A．用透明的标准平面样板检查光学平面的平整程度是利用光的偏振现象B. 用三棱镜观察白光看到的彩色图样是利用光的衍射现象C. 在光导纤维束内传送图象是利用光的色散现象D. 光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象答案 D解析用透明标准平面样板检查光学平面的平整程度是利用了光的干涉，A错；用三。