知识讲解 光的波动性2.docx

1、知识讲解 光的波动性2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

2、，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：利用激光（因为激光发出的是单色性极好的光）。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=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（n=0，1，2，3，）相邻亮纹（暗纹）间的距离，。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

3、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

4、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中央条纹最亮，两边变暗清晰条纹，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

5、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

6、：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

7、。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）条纹之间的距离与波长、双缝间距离d及双缝到屏的距离L满

8、足。两条相邻明（暗）条纹之间的距离用测量头测出。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，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，两次读数之差就是相邻两条明纹间的距离。即。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510cm

9、。（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，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，与之差即为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。数据处理为了得到准确的某种单色

10、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，再推算相邻两条明（暗）条纹间的距离，。注意事项1、双缝干涉仪是比较精密的仪器，应轻拿轻放，不要随便拆解遮光筒、测量头等元件。2、滤光片、单缝、双缝、目镜等如有灰尘，应用擦镜纸或干净软片轻轻擦去。3、安装时，注意调节光源、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的中心轴线上，并使单缝、双缝平移且竖直。4、光源灯丝最好为线状灯丝，并与单缝平行且靠近。5、调节的基本依据是：照在像屏上的光很弱，主要原因是灯丝与单

11、缝、双缝、测量头与遮光筒不共轴所致，干涉条纹不清晰一般主要是单缝与双缝不平行。 【典型例题】类型一、关于干涉条纹的理解及计算例1、(2015 新课标卷)在双缝干涉实验中，分布用红色和绿色的激光照射同一双缝，在双缝后的屏幕上，红光的干涉条纹间距x1与绿光的干涉条纹间距x2相比x1_x2 （填 “” “” 或 “”）。若实验中红光的波长为630nm，双缝到屏幕的距离为1m，测得第一条到第6条亮条纹中心间的距离为10.5nm，则双缝之间的距离为 mm。【答案】（1） (2分) 0.300 (3分)【解析】光的双缝干涉条纹间距 (为光的波长，L为屏与双缝之间距离，d为双缝之间距离)，红光波长长红绿 ，

12、所以红光的双缝干涉条纹间距较大，即x1x2 , 条纹间距根据数据可得，根据 可得 ,代入数值得：d = 3.0010-4m = 0.300mm .【考点】实验三：用双缝干涉测光的波长举一反三【变式1】（2016 天津卷） 如图是a、b两光分别经过同一双缝干涉装置后在屏上形成的干涉图样，则（ ）A在同种均匀介质中，a光的传播速度比b光的大B从同种介质射入真空发生全反射时a光临界角大C照射在同一金属板上发生光电效应时，a光的饱和电流大D若两光均由氢原子能级跃迁产生，产生a光的能级能量差大【答案】D【解析】从图中可以看出，a光干涉条纹的间距比b光干涉条纹的间距要小，由于是在同一双缝干涉装置上形成的干

13、涉图样，因此a光的波长小于b光的波长，a光的频率大于b光的频率，a光的折射率大于b光的折射率，所以在同种均匀介质中传播时，a光的速度小于b光的速度，A错误；从同种介质射入真空发生全反射时，a光的临界角小于b光的临界角，B错误；发生光电效应的光电流大小与光子的能量和光强有关，故无法判断饱和电流的大小，选项C错误；a光的频率高，光子的能量大，故由氢原子能级跃迁产生这两种光时，产生a光的能级能量差大，D正确故选D。【变式2】用氦氖激光器进行双缝干涉实验，已知使用的双缝间距离d=0.1mm，双缝到屏的距离L=6.0m，测得屏上干涉条纹中亮纹的间距是3.8cm，氦氖激光器发出的红光的波长是多少？假如把整

14、个装置放入折射率是4/3的水中，这时屏上的条纹间距是多少？ 【答案】6.30m；。【解析】由条纹间距、双缝间距d、双缝到屏的距离L及波长的关系，可测光波的波长；同理知道水的折射率，可知该波在水中的波长，然后由、d、L、的关系，可计算条纹间距。 由可以得出，红光的波长激光器发出的红光的波长是6.30m。如果整个装置放入水中，激光器发出的红光在水中的波长为这时屏上条纹的间距是。【变式3】在双缝干涉实验中，某同学用黄光作为入射光，为了增大干涉条纹的间距，该同学可以采用的方法有（ ）A.改用红光作为入射光 B.改用蓝光作为入射光C.增大双缝到屏的距离 D.增大双缝之间的距离【答案】AC 【解析】光的干

15、涉现象中，条件间距公式，即干涉条纹间距与入射光的波长成正比，与双缝到屏的距离成正比，与双缝间距离成反比。红光波长大于黄光波长，选项A正确；蓝光波长小于黄光波长，选项B错；增大双缝到屏的距离，选项C正确；增大双缝之间的距离，选项D错。故选AC。类型二、关于薄膜干涉的理解薄膜干涉的种类有：劈尖干涉、增透膜、肥皂泡、牛顿环等。【高清课堂：光学2 例1】例2、劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图1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所示。干涉条纹有如下特点：（1）任意一条明条纹或暗条纹所在位置

16、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1装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹间距（ ）A.变大 B.变小 C.不变 D.消失【思路点拨】从空气膜的上下表面分别反射的两列光是相干光，其光程差为空气层厚度的2倍，当光程差时此处表现为亮条纹，故相邻亮条纹之间的空气层的厚度差为。【答案】A【解析】从空气膜的上下表面分别反射的两列光是相干光，其光程差为，即光程差为空气层厚度的2倍，当光程差时此处表现为亮条纹，故相邻亮条纹之间的空气层的厚度差为，显然抽去一张纸后空气层的倾角变小，故相邻亮条纹（或暗条纹）之间的距离变大故干

17、涉条纹变疏，故A正确。【总结升华】掌握了薄膜干涉的原理和相邻条纹空气层厚度差的关系即可顺利解决此类题目。举一反三【变式1】图是用干涉法检查某块厚玻璃板的上表面是否平整的装置，所用单色光是用普通光源加滤光片产生的，检查中所观察到的干涉条纹是由下列哪两个表面反射的光线叠加而成的（ ） A. a的上表面和b的下表面 B. a的上表面和b的上表面 C. a的下表面和b的上表面 D. a的下表面和b的下表面【答案】C【解析】这是利用薄膜干涉原理检查玻璃板上表面是否平整的方法。干涉条纹是空气薄膜的上表面(a的下表面)和空气薄膜的下表面(b 的上表面)的反射光相叠加而发生干涉，故本题正确答案为C。【变式2】

18、用如图甲单色光照射透明标准版M来检查被检查物体N的上表面的平直情况，观察到的现象如图乙所示条纹中的P和Q的情况（ ）A. N的上表面A处向上凸起 B. N的上表面B处向上凸起C. N的上表面A处向下凹陷 D. N的上表面B处向下凹陷【答案】BC【解析】P处所在的条纹是同一条纹，若为直线，则说明该处同一水平线，线上各点对应的空气层厚度都相同，但实际上P处条纹向左弯曲，意味着后一级条纹提前出现，可见P处对应的检测平板上的A点所对应的空气层厚度与后一级条纹对应的空气层厚度相同，而后一级条纹本来对应的空气层厚度比前一级大，可见A处向下凹陷，才能实现该处空气层厚度与下一级条纹对应的空气层厚度一样，C项对

19、；同理B项对，故选BC。增透膜：为了减少光学装置中的反射光的损失，可在元件表面涂一层透明薄膜，一般是氟化镁。如图所示，在增透膜的前后表面反射的两列光波形成相干波，相互叠加，当光程差（此波长为光在该种介质中的波长）时，在两个表面反射的光反相，相互抵消，从而使反射的两列光产生相消干涉，反射光的能量几乎等于零。由于白光中含有多种波长的光，所以增透膜只能使其中一定波长的光相消。因为人对绿光最敏感，所以选择对绿光起增透作用，所以在反射光中绿光强度几乎为零，而其他波长的光并没有完全抵消，所以增透膜呈现绿光的互补色淡紫色。例3、照相机等光学元件的镜头表面涂有一种薄膜，它的厚度是入射光中间部分绿光波长的。当白

20、光照射到薄膜上时，从两个表面反射的光的光程差是绿色光在这种介质中波长的 。由于干涉作用，反射光中绿色光完全抵消，因此透射光大大增强，这就增加了光的透射效果，提高了成像的清晰度。这种薄膜叫 ，由于反射光中红光和紫光并没有显著削弱，所以增透膜呈淡紫色。【思路点拨】在增透膜的前后表面反射的两列光波形成相干波，相互叠加，在两个表面反射的光反相，相互抵消，从而使反射的两列光产生相消干涉。【答案】 增透膜【解析】由于两列光波产生相消干涉，则，光程差是2d，是半波长的奇数倍，即是绿色光在这种介质中波长的。这种薄膜叫增透膜。 【总结升华】增透膜是一种典型的干涉装置，其作用是消去人最敏感的绿光，使反射的两列光产

21、生相消干涉，要注意的是此波长为光在该种介质中的波长。如果给定的是某种单色光在真空中的波长为，介质的折射率为n，则介质的最小厚度为。举一反三【变式】市场上有种灯具俗称“冷光灯”，用它照射物品时能使被照物品处产生的热效应大大降低，从而广泛地应用于博物馆、商店等处。这种灯降低热效应的原因之一是在灯泡后面放置的反光镜玻璃表面上镀一层薄膜（例如氟化镁），这种膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的热效应最显著的红外线，以表示此红外线在氟化镁中的波长，则所镀薄膜的厚度最小应为 （ ） A B C D 【答案】B类型三、光的衍射现象光的衍射图样：（1）单缝衍射图样；（2）圆孔衍射图样；（3）泊松亮斑。注意三种衍射

22、图样的特征和区别。例4、如图所示，A、B两幅图是由单色光分别入射到圆孔而形成的图像，其中图A是光的_（填“干涉”或“衍射”）图像，由此可以判断出图A所对应的圆孔的孔径_（填“大于”或“小于”）图B所对应的圆孔的孔径。【思路点拨】根据光的衍射图样分及发生衍射的条件。【答案】衍射，小于。【解析】只有障碍物或孔的尺寸比光波波长小或跟波长相差不多时，才能发生明显的衍射现象。图A是光的衍射图样，由于光波波长很短，约在10-7米数量级上，所以图A所对应的圆孔的孔径比图B所对应的圆孔的孔径小，图B的形成可以用光的直线传播来解释，故A孔径小于B孔径。【总结升华】只要掌握了圆孔衍射图样、小孔成像的特点，就能快速

23、准确完成本题。举一反三【变式1】如图所示的甲、乙、丙、丁图形中，属于著名的泊松亮斑的衍射图样和单缝衍射图样的分别是（）A. 甲、丙 B. 甲、丁 C. 乙、丙 D. 乙、丁【答案】A【解析】衍射与干涉图样的区别是：前者中央条纹最宽，向两边渐渐变小；后者明暗条纹宽度相等。甲图是泊松亮斑的衍射图样，乙图是圆孔衍射图样，丙图是单缝衍射图样，丁图是双缝干涉图样。故选A。【变式2】下图为红光或紫光通过双缝或单缝所呈现的图样，则（ ）A.甲为紫光的干涉图样 B.乙为紫光的干涉图样C.丙为红光的干涉图样 D.丁为红光的干涉图样【答案】B【解析】光通过双缝产生干涉图样，通过单缝产生衍射图样，选项C、D错误。而

24、干涉图样为明暗相间的条纹，且条纹间距为，光的波长越长，条纹间距越大，紫光的波长短，因而紫光干涉图样的条纹间距小，选项B正确。类型四、光的偏振及应用光的偏振充分说明光是横波，只有横波才有偏振现象。除了从光源直接发出的光以外，我们通常见到的大部分光都是偏振光。例如自然光射到两种介质的界面上，调整入射角的大小，使反射光与折射光的夹角是90，这时反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向互相垂直。偏振光的产生方式：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为偏振光，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。例5、一段时间一来，“假奶粉事件”闹得沸沸扬扬

25、，奶粉的碳水化合物（糖）含量是一种重要指标，可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度，从而测定含糖量，偏振光通过糖的水溶液后，偏振方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度,这一角度称为“旋光度”, 的值只与糖溶液的浓度有关，将的测量值与标准值相比较，就能测量被测样品的含糖量了。如图所示，S是自然光源，A、B是偏振片，转动B，使到达O处的光最强，然后将被测样品P置于A、B之间，则下列说法中正确的是（ ）A到达O处光的强度会明显减弱B到达O处光的强度不会明显减弱C将偏振片B转动一个角度，使得O处光的强度最大，偏振片转过的角度等于D将偏振片A转动一个角度，使得O处光的强度最大，偏振片转过的角度等于【思路

26、点拨】偏振片只能让特定偏振方向的光通过。【答案】ACD【解析】由题知，转动B使到达O处的光最强，则A、B的偏振方向必相同，若在A、B间放入待检糖溶液，因糖溶液对偏振光有旋光效应，使来自A的偏振光经过样品后，偏振方向发生改变，则到达O处的光强度会明显减弱，若适当把A或B旋转角度，还可以使偏振光恰好通过A、B后，使O处的光强度最大，故选ACD。【总结升华】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为偏振光，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。举一反三【变式】如图，P是一偏振片，P的透振方向（用带箭头的实线表示）为竖直方向。下列四种入射光

27、束中哪几种照射P时能在P的另一侧观察到透射光（ ）A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角振动的光 【答案】ABD【解析】当光的振动方向与偏振光的方向平行时，透光最强；垂直时，无光透过；若为某一角度时，有部分光透过。而太阳光是自然光，沿各个方向的振动都存在，因此A、B、D选项正确。 类型五、“色光规律模型”的应用在几何光学基础上增加两项：干涉、衍射。还有光子能量、光电效应。例6、如图所示，两束单色光A、B分别沿半径方向由空气射入半圆形玻璃砖，出射光合成一束复色光P，下列说法正确的是（ ）AA光的频率大于B光的频率B在玻璃砖中A光的传播速度小于B光的传播速度C两种单

28、色光由玻璃射向空气时，A光的临界角较大D若用同一双缝干涉实验装置做实验，A光的干涉条纹间距大于B光的条纹间距【思路点拨】首先判断出两束光哪个相当于红光，哪个相当于紫光，再应用“色光规律模型”确定选项是否正确。【答案】CD【解析】由图可知，A光偏折的小，B光偏折的大，A光相当于红光，B光相当于紫光。A的频率小于B的频率，选项A错；在玻璃砖中A光的传播速度大于B光的传播速度，选项B错；两种单色光由玻璃射向空气时，红光的临界角较大，C对；若用同一双缝干涉实验装置做实验，红光的波长大，红光的干涉条纹间距大于紫光的条纹间距，D对。故选CD。【总结升华】理解、记住、灵活应用“色光规律模型”。举一反三【变式

29、】如右图所示，水下光源S向水面A点发射一束光线，折射线光线分成a、b两束，则（ ） A. a、b两束光相比较，a光的折射率较大 B.在水中a光的传播速度比b光传播速度小 C.若保持光源位置不变，将入射光线顺时针旋转，则从水面上方观察，b光先消失D.采用同一双缝干涉实验装置，分别以a、b光做光源，a光的干涉条纹间距小于b光的干涉条纹间距【答案】C【解析】由图可知，a光偏折的小，b光偏折的大，a光相当于红光，b光相当于紫光。a光的折射率较小，A错；在水中a光的传播速度比b光传播速度大，B错；若保持光源位置不变，将入射光线顺时针旋转，即入射角增大，紫光的临界角小，先发生全发射，所以b光先消失，C对；

30、采用同一双缝干涉实验装置，分别以a、b光做光源，a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距，D错。故选C。类型六、实验：用双缝干涉测量光的波长例7、(2015 成都校级模拟) 在用双缝干涉测光的波长实验中，将双缝干涉实验仪按要求安装在光具座上（如图1），并选用缝间距d=0.2mm的双缝屏。从仪器注明的规格可知，像屏与双缝屏间的距离L=700mm。然后，接通电源使光源正常工作。 已知测量头主尺的最小刻度是毫米，副尺上有50分度。某同学调整手轮后，从测量头的目镜看去，第1次映入眼帘的干涉条纹如图2（a）所示，图2（a）中的数字是该同学给各暗纹的编，此时图2（b）中游标尺上的读数x1=1.16mm；接着再转动手轮，映入眼帘的干涉条纹如图3（a）所示，此时图3（b）中游标尺上的读数x2= ；