《步步高》物理大一轮复习讲义 第12章第4课时 光的干涉衍射和偏振Word文件下载.docx

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（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＝

λ.

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．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

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．

4．[明暗条纹的判断方法]关于光的干涉现象，下列说法正确的是（　　）

A．在波峰与波峰叠加处，将出现亮条纹；

在波谷与波谷叠加处，将出现暗条纹

B．在双缝干涉实验中，光屏上距两狭缝的路程差为1个波长的某位置，将出现亮纹

C．把入射光由黄光换成紫光，两相邻亮条纹间的距离变窄

D．当薄膜干涉的条纹是等间距的平行线时，说明薄膜的厚度处处相等

答案　BC

解析　在波峰与波峰叠加处，或在波谷与波谷叠加处，都是振动加强区，将出现亮条纹，选项A错误；

在双缝干涉实验中，出现亮纹的条件是光屏上某位置距两狭缝的路程差为波长的整数倍，出现暗纹的条件是光屏上某位置距两狭缝的路程差为半波长的奇数倍，选项B正确；

条纹间距公式Δx＝

λ，λ黄>

λ紫，选项C正确；

薄膜干涉实验中的薄膜是“楔形”空气膜，选项D错误．

5．[明暗条纹的判断方法]在双缝干涉实验中，双缝到光屏上P点的距离之差Δr＝0.6μm；

分别用频率为f1＝5.0×

1014Hz和f2＝7.5×

1014Hz的单色光垂直照射双缝，则P点出现明、暗条纹的情况是（　　）

A．用频率为f1的单色光照射时，出现明条纹

B．用频率为f2的单色光照射时，出现明条纹

C．用频率为f1的单色光照射时，出现暗条纹

D．用频率为f2的单色光照射时，出现暗条纹

答案　AD

解析　根据c＝λf，可得两种单色光波长分别为：

λ1＝

＝

m＝0.6μm

λ2＝

m＝0.4μm

与题给条件（Δr＝0.6μm）比较可知

Δr＝λ1＝

λ2，

故用频率为f1的光照射双缝时，P点出现明条纹；

用频率为f2的光照射双缝时，P点出现暗条纹．

方法提炼

两束振动情况相同的光源产生的光相互叠加时：

（1）出现明条纹的条件是屏上某点P到两个相干光源S1和S2的路程差等于波长的整数倍或半波长的偶数倍，即

|PS1－PS2|＝kλ＝2k·

（k＝0,1,2,3…）

当k＝0时，即PS1＝PS2，此时P点处的明条纹叫做中央亮条纹．

（2）出现暗条纹的条件是屏上某点P到两个相干光源S1和S2的路程差等于半波长的奇数倍，即

|PS1－PS2|＝（2k＋1）

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＝

3．用白光照射双缝时，形成的干涉条纹的特点：

中央为白条纹，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？

（1）已知A光在折射率为1.5的介质中波长为4×

10－7m；

（2）已知B光在某种介质中波长为3.15×

10－7m，当B光从这种介图2

质射向空气时，临界角为37°

；

（3）若让A光照射S1，B光照射S2，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＝

，得λ1＝nλ2＝1.5×

4×

10－7m＝6×

10－7m

根据路程差Δr＝2.1×

10－6m，所以N1＝

＝3.5

由此可知，从S1和S2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sinC＝

得n＝

由此可知，B光在空气中波长λ3为：

λ3＝nλ介＝

×

3.15×

10－7m＝5.25×

路程差Δr和波长λ3的关系为：

N2＝

＝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S1和S2，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，a、b为两束不同频率的单色光，以45°

的入

射角射到玻璃砖的上表面，直线OO′与玻璃砖垂直且与其上表面交于N点，入射点A、B到N点的距离相等，经玻璃砖上表面折射后两束光相交于图中的P点，则下列说法正确的是（　　）

A．在真空中，a光的传播速度大于b光的传播速度

B．在玻璃中，a光的传播速度小于b光的传播速度图3

C．同时增大入射角（入射角始终小于90°

），则a光在下表面先发生全反射

D．对同一双缝干涉装置，a光的干涉条纹比b光的干涉条纹宽

答案　D

解析　各种光在真空中的光速相同，选项A错误；

根据题图，入射角相同，a光的折射角较大，所以a光的折射率较小，由光在介质中的光速v＝

得，a光在介质中的传播速度较大，选项B错误；

根据临界角公式C＝arcsin

可知，a光的临界角较大，b光在下表面先发生全反射，选项C错误；

a光的折射率较小，波长较长，根据公式Δx＝

λ可知，对同一双缝干涉装置，a光的干涉条纹比b光的干涉条纹宽，选项D正确．

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4

2．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…），薄膜上出现明条纹．

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）

（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

　在研究材料A的热膨胀特性时，可采用如图6所示的干涉实验法．A

的上表面是一光滑平面，在A的上方放一个透明的平行板B，B与A上表面平行，在它们之间形成一厚度均匀的空气膜．现在用波长为λ的单色光垂直照射，同时对A缓慢加热，在B上方观察到B板的亮度发生周期性变化．当温度为t1时最亮，然后亮度逐渐减弱至最暗；

当温度升高到t2时，亮度再一次回到最亮．图6

（1）在B板上方观察到的亮暗变化是由哪两个表面的反射光叠加形成的？

（2）温度由t1升高到t2时，A的高度升高多少？

解析　

（1）A、B间为空气薄膜，在B板上方观察到的亮暗变化，是由B的下表面反射的光和A的上表面反射的光叠加产生的．

（2）当温度为t1时，设空气薄膜厚度为d1，此时最亮说明：

2d1＝kλ

当温度为t2时，设空气薄膜厚度为d2，此时再一次最亮说明：

2d2＝（k－1）λ

得d1－d2＝

故温度由t1升高到t2，A的高度升高

.

答案　

（1）见解析　

（2）

突破训练2

　劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图7甲所示．将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜．当光垂直入射后，从上往下看到的干涉条纹如图乙所示，干涉条纹有如下两个特点：

图7

（1）任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；

（2）任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定．

现若在图甲装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹将如何变化？

答案　见解析

解析　光线在空气膜的上下表面上反射，并发生干涉，形成干涉条

纹，设空气膜顶角为θ，d1、d2处为两相邻明条纹，如图所示，则两处光的路程差分别为Δx1＝2d1，Δx2＝2d2，因为Δx2－Δx1＝λ，所以d2－d1＝

设条纹间距为Δl，则由几何关系得

＝tanθ，即Δl＝

.当抽去一张纸片时，θ减小，Δl增大，即条纹变疏．

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（　　）

1　　　　2　　　　3　　　　4

图8

A．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＝

λ，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

　在单缝衍射实验中，下列说法正确的是（　　）

A．其他条件不变，将入射光由黄色换成绿色，衍射条纹间距变窄

B．其他条件不变，使单缝宽度变小，衍射条纹间距变窄

C．其他条件不变，换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽

D．其他条件不变，增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距变宽

答案　ACD

解析　当单缝宽度一定时，波长越长，衍射现象越明显，条纹间距也越大，黄光波长大于绿光波长，所以条纹间距变窄，A、C正确；

当光的波长一定时，单缝宽度越小，衍射现象越明显，衍射条纹间距越宽，B错误；

当光的波长一定，单缝宽度也一定时，增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距也会变宽，D正确．

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，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°

时，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9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（　　）

A．图中a光为偏振光

B．图中b光为偏振光图9

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°

思路点拨　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．

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

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

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．（2012·

江苏·

12B

（1））如图10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10

A．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

解析　白炽灯光包含各方向的光，且各个方向的光强度相等，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．

2．（2011·

浙江·

18）关于波动，下列说法正确的是（　　）

A．各种波均会发生偏振现象

B．用白光做单缝衍射与双缝干涉实验，均可看到彩色条纹

C．声波传播过程中，介质中质点的运动速度等于声波的传播速度

D．已知地震波的纵波波速大于横波波速，此性质可用于横波的预警

解析　偏振现象是横波特有的现象，纵波不会发生偏振现象，故选项A错误．用白光做单缝衍射实验和双缝干涉实验看到的都是彩色条纹，故选项B正确．声波在传播过程中，质点在平衡位置附近振动，其振动速度周期性变化，而声波的传播速度是单位时间内声波传播的距离，故选项C错误．地震波的纵波传播速度比横波传播速度大，纵波可早到达地面，能起到预警作用，故选项D正确．

3．（2011·

北京·

14）如图11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（　　）

A．增大S1与S2的间距图11

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

解析　在双缝干涉实验中，相邻两条亮纹（或暗纹）间的距离Δx＝

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．

模拟题组

4．下列有关光现象的解释正确的是（　　）

A．光在同一介质中沿直线传播

B．海市蜃楼是全反射的结果

C．任何两束光都可以发生干涉

D．为了司机在夜间安全行驶，汽车前窗玻璃常采用偏振玻璃

解析　光在同一种均匀介质中才会沿直线传播，选项A错误；

海市蜃楼是光在密度分布不均匀的空气中传播时发生全反射而产生的，所以选项B正确；

只有相干波才可以发生干涉，选项C错误；

汽车前窗玻璃采用偏振玻璃，在夜间行驶时可以减弱对面车辆照射过来的光强，选项D正确．

5．下列说法中正确的是（　　）

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少反射光的强度

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

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少反射光的强度，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．

6．如图12所示，一束复色光由真空射向半圆形玻璃砖的圆心，经玻

璃砖后分为两束单色光a、b，则（　　）

A．玻璃中a光波长大于b光波长

B．玻璃中a光折射率大于b光折射率

C．逐渐增大入射角i，a光比b光先发生全反射图12

D．利用同一双缝干涉实验装置，a光产生的干涉条纹间距比b光大

答案　AD知识方法练　

（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，相邻两明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，相邻两个明条纹间距将变宽

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

解析　在双缝干涉现象里，相邻两明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＝

λ，入射光的波长越长，相邻两个明条纹间距越大，因此，把入射光由红光换成紫光，相邻两个明条纹间距将变窄，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2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．如果将入图2

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（　　）

A．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点处波程差为零，对于任何光都是振动加强点，均为亮条纹，故B错；

红光的波长较长，蓝光的波长较短，根据Δx＝

λ可知，C正确．

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2

A．干涉现象是由于凸透镜下表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的

B．干涉现象是由于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