知识讲解 光的波动性

物理总复习：光的波动性

编稿：李传安 审稿：

【考纲要求】

1、知道光的干涉条件及现象；

2、知道薄膜干涉的相关应用；

3、知道光的衍射及偏振现象，了解其相关应用；

4、知道光的干涉和衍射的区别与联系；

5、能利用光的干涉实验测定光的波长。 【知识网络】

【考点梳理】

考点一、光的干涉 要点诠释：

1、1801年，英国物理学家托马斯·杨通过双缝实验成功地观察到了光的干涉现象，证明了光的确是一种波。

2、光的干涉现象

在两列光波的叠加区域，某些区域相互加强，出现亮纹，某些区域相互减弱，出现暗纹，且加强和减弱的区域相间，即亮纹和暗纹相间的现象。

3、干涉条件

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）。

下面四个图分别是利用双缝、利用楔形薄膜、利用空气膜、利用平面镜形成相干光源的示意图。

4、干涉区域内产生的亮、暗纹

亮纹：屏上某点到双缝的光程差等于波长的整数倍， 即n δλ=（n=0，1，2，3，……）

暗纹：屏上某点到双缝的光程差等于半波长的奇数倍， 即(21)

2

n λ

δ=-（n=0，1，2，3，……）

相邻亮纹（暗纹）间的距离L

x d

λ∆=

，x λ∆∝。用此公式可以测定单色光的波长。 用白光作双缝干涉实验时，由于白光内各种色光的波长不同，干涉条纹间距不同，所以

屏的中央是白色亮纹，两边出现彩色条纹。

5、薄膜干涉

当光照射到薄膜上时，可以看到在薄膜上出现明暗相间的条纹。当入射光是白光时，得到彩色条纹，当入射光是单色光时，得到单色条纹。

参与薄膜干涉的两列光是分别从薄膜的前表面和后表面反射出来的两列光。用薄膜干涉可以检查工件表面是否平整，在透镜表面涂上增透膜以增大透射光。

薄膜干涉中的色散：

（1）成因：由膜的前后表面反射回来的光叠加的结果，所以观察时只能在光源的同侧才能看到。

（2）形状：明暗相间的条纹。纹的亮暗与膜的厚度有关。

考点二、光的衍射

要点诠释：

1、光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象叫光的衍射。

2、产生明显衍射现象的条件

障碍物（或孔）的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比波长还小。

关于衍射的表述一定要准确（区分能否发生衍射和能否发生明显衍射）。各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射。

3、泊松亮斑

当光照到不透光的小圆板上时，在圆板的阴影中心出现的亮斑（在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环）。

4、衍射与干涉的比较

干涉和衍射是波的特征，光的干涉和衍射现象证明了光具有波动性，波长越大，干涉和衍射现象就越明显，也越容易观察到干涉和衍射现象。

考点三、光的偏振激光

要点诠释：

（一）光的偏振

1、光的偏振

自然光是指在垂直于光的传播方向上，各个方向强度相同。偏振光是指在垂直于光的传播方向的平面上，只沿某个特定方向振动。

光的偏振现象说明光波是横波。

2、偏振光的产生方式

偏振光的产生方式是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获得偏振光，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．光的偏振理解：

（1）光波的感光作用和生理作用主要是由电场强度E引起的，因此将E的振动称为光振动。

（2）自然光：太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含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，这种光叫自然光。

（3）偏振光：自然光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，叫偏振光。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，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（如图）。

（二）激光

1、产生机理

处于激发态的原子，如果在入射光子的电磁场的影响下，引起高能态向低能态跃迁，同时在两个状态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去，这种辐射叫做受激辐射。原子发生受激辐射时，发出光子的频率、发射方向等，都跟入射光子完全一样，这样使光得到加强，这就是激光产生的机理。

2、激光器：主要由工作物质、激励源和谐振腔组成。

3、激光的主要特点及应用

（1）平行度好（方向性好）

精确测距：激光雷达；

刻制光盘

（2）相干性好（频率单一）

做相干光：干涉、衍射

传递信息：光纤通信

记录信息：全息照相

（3）亮度高（强度大）

机械加工：打孔、焊接、切割

医学上：光刀

军事上：激光武器（“死光”武器）

科研上：引发核聚变

考点四、实验：用双缝干涉测量光的波长

实验目的

1、了解光波产生稳定的干涉现象的条件

2、观察双缝干涉图样

3、测定单色光的波长

实验器材

光具座、光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头、另外还有学生电源、导线、刻度尺 实验原理

双缝干涉中两个相邻明（暗）条纹之间的距离x ∆与波长λ、双缝间距离d 及双缝到屏的距离L 满足L

x d

λ∆=

。 两条相邻明（暗）条纹之间的距离x ∆用测量头测出。测量头由分划板、目镜、手轮等构成，如图（1）所示。转动手轮，分划板会左、右移动。测量时，应使分划板中心刻线对齐条纹的中心，如图（2）所示。记下此时手轮上的读数1a ，转动手轮，使分划板向一侧移动，当分划板中心刻线对齐另一条相邻的明条纹中心时，记下手轮上的刻度数2a ，两次读数之差就是相邻两条明纹间的距离。即12x a a ∆=-。

实验步骤

1、观察双缝干涉图样

（1）将光源、单缝、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上，如图所示。

（2）接好光源，打开开关，使灯丝正常发光。

（3）调节各器件的高度，使光源灯丝发出的光能沿轴线到达光屏。 （4）安装双缝，使单缝与双缝的缝平行，二者间距约5～10cm 。 （5）放上单缝，观察白光的干涉条纹。

（6）在单缝和光源间放上滤光片，观察单色光的干涉条纹。 2、测定单色光的波长

（1）安装测量头，调节至可清晰观察到干涉条纹。

（2）使分划板中心刻线对齐某条亮条纹的中央，记下手轮上的刻度数1a ，转动手轮，使分划板中心刻线移动；记下移动的条纹数n 和移动后手轮的读数2a ，1a 与2a 之差即为n 条亮纹的间距。

（3）用刻度尺测量双缝到光屏间距离L （d 是已知的）。 （4）重复测量、计算，求出波长的平均值。

（5）换用不同的滤光片，重复实验测量其他单色光的波长。 当分划板中心刻线对齐另一条相邻的明条纹中心时，记下手轮上的刻度数两次读数之差就是相邻两条明纹间的距离。即12x a a ∆=-。

数据处理

为了得到准确的某种单色光双缝干涉的条纹间距，实验中通常用常用的重复测量、计算求波长的平均值的方法。还可以换用不同的滤光片，重复实验测量其他单色光的波长。

误差分析

x ∆很小，直接测量时相对误差较大，通常测出n 条明条纹间的距离a ，再推算相邻两