新教材2024屆高考物理一輪復習教案第十四章光第2講光的干涉衍射和偏振魯科版

第2講光的干涉、衍射和偏振目標要求1.知道什么是光的干涉、衍射和偏振.2.掌握雙縫干涉中出現(xiàn)亮、暗條紋的條件.3.知道發(fā)生明顯衍射的條件．考點一光的干涉現(xiàn)象光的干涉(1)定義：在兩列光波疊加的區(qū)域，某些區(qū)域相互加強，出現(xiàn)亮條紋，某些區(qū)域相互減弱，出現(xiàn)暗條紋，且加強區(qū)域和減弱區(qū)域相互間隔的現(xiàn)象．(2)條件：兩束光的頻率相同、相位差恒定．(3)雙縫干涉圖樣特點：單色光照射時，形成明暗相間的等間距的干涉條紋．1．光的顏色由光的頻率決定．(√)2．頻率不同的兩列光波不能發(fā)生干涉．(√)3．在“雙縫干涉”實驗中，雙縫的作用是使白光變成單色光．(×)4．在“雙縫干涉”實驗中，雙縫的作用是用“分光”的方法使兩列光的頻率相同．(√)1．雙縫干涉(1)條紋間距：Δy＝eq\f(l,d)λ，對同一雙縫干涉裝置，光的波長越長，干涉條紋的間距越大．(2)明暗條紋的判斷方法：如圖所示，相干光源S1、S2發(fā)出的光到屏上P′點的路程差為Δr＝r2－r1.當Δr＝nλ(n＝0,1,2，…)時，光屏上P′處出現(xiàn)明條紋．當Δr＝(2n＋1)eq\f(λ,2)(n＝0,1,2，…)時，光屏上P′處出現(xiàn)暗條紋．2．薄膜干涉(1)形成原因：如圖所示，豎直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形．光照射到薄膜上時，從膜的前表面AA′和后表面BB′分別反射回來，形成兩列頻率相同的光波，并且疊加．(2)明暗條紋的判斷方法：兩個表面反射回來的兩列光波的路程差Δr等于薄膜厚度的2倍，光在薄膜中的波長為λ.在P1、P2處，Δr＝nλ(n＝1,2,3，…)，薄膜上出現(xiàn)明條紋．在Q處，Δr＝(2n＋1)eq\f(λ,2)(n＝0,1,2,3，…)，薄膜上出現(xiàn)暗條紋．(3)應用：增透膜、檢查平面的平整度．考向1雙縫干涉例1在圖示的雙縫干涉實驗中，光源S到縫S1、S2距離相等，P0為S1、S2連線的中垂線與光屏的交點．用波長為400nm的光實驗時，光屏中央P0處呈現(xiàn)中央亮條紋(記為第0條亮條紋)，P處呈現(xiàn)第3條亮條紋．當改用波長為600nm的光實驗時，P處將呈現(xiàn)()A．第2條亮條紋 B．第3條亮條紋C．第2條暗條紋 D．第3條暗條紋答案A解析由公式Δy＝eq\f(l,d)λ可知eq\f(PP0,3)＝eq\f(l,d)λ1，當改用波長為600nm的光實驗時，則有eq\f(PP0,n)＝eq\f(l,d)λ2，即eq\f(n,3)＝eq\f(λ1,λ2)＝eq\f(400,600)，解得n＝2，即P處將呈現(xiàn)第2條亮條紋，A正確．考向2薄膜干涉例2(多選)圖甲是用光的干涉法來檢查物體平面平整程度的裝置，其中A為標準平板，B為待檢查的物體，C為入射光，圖乙為觀察到的干涉條紋，下列說法正確的是()A．入射光C應采用單色光B．圖乙條紋是由A的下表面反射光和B的上表面反射光發(fā)生干涉形成的C．當A、B之間某處距離為入射光的半波長奇數(shù)倍時，對應條紋是暗條紋D．由圖乙條紋可知，被檢查表面上有洞狀凹陷答案AB例3(2021·江蘇卷·6)鐵絲圈上附有肥皂膜，豎直放置時，肥皂膜上的彩色條紋上疏下密，由此推測肥皂膜前后兩個面的側(cè)視形狀應當是()答案C解析薄膜干涉為前后兩個面反射回來的光發(fā)生干涉形成干涉條紋，當入射光為復色光時，出現(xiàn)彩色條紋．由于重力作用，肥皂膜前后表面的厚度從上到下逐漸增大，從而使干涉條紋上疏下密，由于表面張力的作用，使得肥皂膜向內(nèi)凹陷，故C正確，A、B、D錯誤．考點二光的衍射和偏振現(xiàn)象1．光的衍射發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件：只有當障礙物或狹縫的尺寸足夠小的時候，衍射現(xiàn)象才會明顯．2．光的偏振(1)自然光：包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，而且沿著各個方向振動的光波的強度都相同．(2)偏振光：在垂直于光的傳播方向的平面上，只沿著某個特定的方向振動的光．(3)偏振光的形成①讓自然光通過偏振片形成偏振光．②讓自然光在兩種介質(zhì)的界面發(fā)生反射和折射，反射光和折射光可以成為部分偏振光或完全偏振光．(4)偏振光的應用：加偏振濾光片的照相機鏡頭、液晶顯示器、立體電影、消除車燈眩光等．(5)光的偏振現(xiàn)象說明光是一種橫波．1．陽光下茂密的樹林中，地面上的圓形亮斑是光的衍射形成的．(×)2．泊松亮斑是光的衍射形成的．(√)3．光遇到障礙物時都能產(chǎn)生衍射現(xiàn)象．(√)4．自然光是偏振光．(×)1．單縫衍射與雙縫干涉的比較單縫衍射雙縫干涉不同點條紋寬度條紋寬度不等，中央最寬條紋寬度相等條紋間距各相鄰亮條紋間距不等各相鄰亮(暗)條紋等間距亮度情況中央條紋最亮，兩邊變暗條紋清晰，亮度基本相同相同點干涉、衍射都是波特有的現(xiàn)象，都屬于波的疊加；干涉、衍射都有明暗相間的條紋2.光的干涉和衍射的本質(zhì)從本質(zhì)上看，干涉條紋和衍射條紋的形成有相似的原理，光的干涉和衍射都屬于光波的疊加，干涉是從單縫通過兩列頻率相同的光在屏上疊加形成的，衍射是由來自單縫上不同位置的光在屏上疊加形成的．考向1單縫衍射與雙縫干涉的比較例4如圖所示的4種明暗相間的條紋分別是紅光、藍光各自通過同一個雙縫干涉儀器形成的干涉圖樣以及黃光、紫光各自通過同一個單縫形成的衍射圖樣(黑色部分表示亮條紋)．在下面的4幅圖中從左往右排列，亮條紋的顏色依次是()A．紅黃藍紫 B．紅紫藍黃C．藍紫紅黃 D．藍黃紅紫答案B解析雙縫干涉條紋是等間距的，而單縫衍射條紋除中央亮條紋最寬、最亮之外，兩側(cè)條紋亮度、寬度都逐漸減小，因此1、3為雙縫干涉條紋，2、4為單縫衍射條紋．相鄰亮條紋間距Δy＝eq\f(l,d)λ，紅光波長比藍光波長長，則紅光干涉條紋間距大于藍光干涉條紋間距，即1、3分別對應紅光和藍光．而在單縫衍射中，當單縫寬度一定時，波長越長，衍射越明顯，即中央條紋越寬越亮，黃光波長比紫光波長長，即2、4分別對應紫光和黃光．綜上所述，1、2、3、4四幅圖中亮條紋的顏色依次是：紅、紫、藍、黃，B正確．考向2光的偏振例5奶粉的碳水化合物(糖)的含量是一個重要指標，可以用“旋光法”來測量糖溶液的濃度，從而鑒定含糖量．偏振光通過糖的水溶液后，偏振方向會相對于傳播方向向左或向右旋轉(zhuǎn)一個角度α，這一角度α稱為“旋光度”，α的值只與糖溶液的濃度有關(guān)，將α的測量值與標準值相比較，就能確定被測樣品的含糖量了．如圖所示，S是自然光源，A、B是偏振片，轉(zhuǎn)動B，使到達O處的光最強，然后將被測樣品P置于A、B之間．(1)偏振片A的作用是_____________________________________________________．(2)偏振現(xiàn)象證明了光是一種________．(3)以下說法中正確的是________．A．到達O處光的強度會減弱B．到達O處光的強度不會減弱C．將偏振片B轉(zhuǎn)動一個角度，使得O處光強度最強，偏振片B轉(zhuǎn)過的角度等于αD．將偏振片A轉(zhuǎn)動一個角度，使得O處光強度最強，偏振片A轉(zhuǎn)過的角度等于α答案(1)把自然光變成偏振光(2)橫波(3)ACD解析(1)自然光通過偏振片后變?yōu)槠窆?，故A的作用是把自然光變成偏振光．(2)偏振現(xiàn)象證明光是一種橫波．(3)偏振片只能讓一定偏振方向的光通過，沒有樣品時，要使到達O處的光最強，偏振片A、B的透光方向應相同；當放入樣品時，由于樣品的“旋光度”是α，即偏振方向不再與B的透光方向平行，到達O處光的強度會減弱，A正確，B錯誤；偏振片B轉(zhuǎn)過的角度等于α，并使偏振片B的透振方向與偏振光的偏振方向平行時，光到達O處的強度將再次最大，C正確；同理，D正確．考點三幾何光學與物理光學的綜合應用例6如圖所示，不同波長的兩單色光a、b沿同一方向從空氣射向半圓形玻璃磚，入射點O在直徑的邊緣，折射光線分別為OA、OB，則()A．a(chǎn)單色光的頻率比b單色光的頻率小B．當a、b兩束光由玻璃射向空氣中，a光臨界角比b光臨界角大C．在玻璃磚中a單色光從O到A的傳播時間不等于b單色光從O到B的傳播時間D．用a、b兩束光在相同條件下做雙縫干涉實驗，a光產(chǎn)生的干涉條紋間距比b光小答案D解析因為a光的偏折程度大于b光，所以根據(jù)折射定律得知：玻璃對a光的折射率大于對b光的折射率，所以a單色光的頻率比b單色光的頻率大，故A錯誤；根據(jù)全反射臨界角公式sinC＝eq\f(1,n)，可知，a光的折射率大，則a光的臨界角小于b光的臨界角，故B錯誤；對于任一光束研究：設(shè)入射角為i，折射角為r，玻璃磚的半徑為R，則折射率為n＝eq\f(sini,sinr)，光在玻璃中傳播速度為v＝eq\f(c,n)，光在玻璃中傳播距離為s＝2Rsinr，光在玻璃中傳播時間為t＝eq\f(s,v)，聯(lián)立以上可得t＝eq\f(2Rsini,c)，i、R、c均相等，所以在玻璃磚中a單色光從O到A的傳播時間等于b單色光從O到B的傳播時間，故C錯誤；根據(jù)折射率大，頻率高，波長短，可知a光的折射率大于b光的折射率，則a光在真空中的波長小于b光在真空中的波長，根據(jù)雙縫干涉條紋間距公式，可知a光產(chǎn)生的干涉條紋間距比b光小，故D正確．例7如圖所示，截面為等腰直角三角形ABC的玻璃磚，∠B＝90°，一束頻率為f＝6×1014Hz的光線從AB面中點處垂直射入棱鏡，在AC面發(fā)生全反射，從BC面射出后，進入雙縫干涉裝置．已知AC長度L＝0.3m，雙縫間距d＝0.2mm，光屏與雙縫間距離l＝1.0m，光在真空中的傳播速度為c＝3.0×108m/s.求：(1)玻璃磚對該光線的折射率的最小值n；(2)光線在玻璃磚中傳播的最短時間t；(3)光屏上相鄰亮條紋的間距Δy.答案(1)eq\r(2)(2)1×10－9s(3)2.5mm解析(1)由幾何關(guān)系知，光線在AC面發(fā)生全反射的入射角為45°，可知臨界角C≤45°時，折射率有最小值，由sinC＝eq\f(1,n)得n≥eq\r(2)，即最小折射率為eq\r(2).(2)由幾何關(guān)系可知，光線在玻璃磚中傳播距離s＝eq\f(\r(2),2)L，光線在玻璃磚中的傳播速度v＝eq\f(c,n)傳播時間t＝eq\f(s,v)代入數(shù)據(jù)解得最短時間t＝1×10－9s(3)由λ＝eq\f(c,f)，Δy＝eq\f(l,d)λ聯(lián)立代入數(shù)據(jù)解得Δy＝2.5mm.課時精練1．(多選)(2023·福建莆田市模擬)對如圖所示的圖片，下列說法正確的是()A．圖甲被稱為“泊松亮斑”，它的原理是光的衍射B．圖乙是雙縫干涉原理圖，若P到S1、S2的路程差是半波長的奇數(shù)倍，則P處是亮條紋C．圖丙中肥皂膜上出現(xiàn)彩色條紋是光的薄膜干涉現(xiàn)象D．圖丁中，用自然光照射透振方向(箭頭所示)互相垂直的前后兩個豎直放置的偏振片，光屏依然發(fā)亮答案AC解析題圖甲被稱為“泊松亮斑”，它的原理是光的衍射，A正確；題圖乙是雙縫干涉原理圖，若P到S1、S2的路程差是半波長的奇數(shù)倍，則P處是暗條紋，B錯誤；題圖丙中肥皂膜上出現(xiàn)彩色條紋是光的薄膜干涉現(xiàn)象，C正確；題圖丁中，用自然光照射透振方向(箭頭所示)互相垂直的前后兩個豎直放置的偏振片，光屏不能發(fā)亮，D錯誤．2．(2019·北京卷·14)利用圖示的裝置(示意圖)，觀察光的干涉、衍射現(xiàn)象，在光屏上得到如圖中甲和乙兩種圖樣．下列關(guān)于P處放置的光學元件說法正確的是()A．甲對應單縫，乙對應雙縫B．甲對應雙縫，乙對應單縫C．都是單縫，甲對應的縫寬較大D．都是雙縫，甲對應的雙縫間距較大答案A解析由題圖中給出的甲、乙兩種圖樣可知，甲是單縫衍射的圖樣，乙是雙縫干涉的圖樣，A項正確，B、C、D項錯誤．3．(多選)(2023·河北張家口市模擬)通過如圖甲所示的裝置可研究光的干涉和衍射現(xiàn)象．從光源發(fā)出的光經(jīng)過一縫板，在縫板后有一裝有感光元件的光屏，通過信號轉(zhuǎn)換，可在電腦上看到屏上的光強分布情況．圖乙分別顯示出A光和B光通過同一縫板得到的光強分布情況．下列有關(guān)A、B兩種色光的說法正確的有()A．光通過的可能是縫板上的單縫B．A光的波長比B光的波長長C．A光在玻璃中的傳播速度大于B光在玻璃中的傳播速度D．A光比B光更容易發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象答案BCD解析從光的強度分布可以看出，光屏上的光是等間距、等亮度的，所以是光通過雙縫產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象，A錯誤；由題圖乙可看出，A光的條紋間距大于B光的，由Δy＝eq\f(l,d)λ可知，A光的波長大于B光的波長，B正確；A光的頻率小于B光的頻率，則玻璃對A光的折射率小于對B光的折射率，所以A光在玻璃中的傳播速度大于B光在玻璃中的傳播速度，C正確；由于A光的波長較長，所以更容易發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，D正確．4.(2023·江蘇海安市檢測)如圖所示，a、b兩束不同單色光相互平行，從平行玻璃磚PQ表面入射，從MN面出射時變?yōu)橐皇鈉，則下列說法正確的是()A．a(chǎn)、b中有一束光在MN面發(fā)生了全發(fā)射B．在玻璃中a光傳播速度大于b光的傳播速度C．在同一個雙縫干涉裝置中，a光干涉條紋間距較大D．減小玻璃磚的厚度，光從MN面出射時變?yōu)閮墒叫泄獯鸢窪解析根據(jù)光路的可逆性原理可知，對于平行玻璃磚界面來說，能夠射進玻璃磚的光線，在另一個界面絕對不會發(fā)生全反射，因此無論是a光線還是b光線，都不可能在MN面發(fā)生全反射現(xiàn)象，A錯誤；畫出光路圖如圖甲所示，根據(jù)折射定律有sini＝nasinia，sini＝nbsinib，由圖可知ib>ia，則nb<na，根據(jù)波速與折射率的關(guān)系有n＝eq\f(c,v)，則vb>va，B錯誤；由波長與折射率的關(guān)系可知λb>λa，根據(jù)干涉條紋間距公式Δy＝eq\f(l,d)λ，則Δyb>Δya，C錯誤；如圖乙所示減小玻璃磚的厚度，下邊界變?yōu)镸′N′，則出射時變?yōu)閮墒叫泄?，D正確．5.(多選)(2023·福建永安市模擬)在薄膜干涉實驗中，鐵絲圈上附有肥皂膜，豎直放置，形成如圖所示的肥皂膜側(cè)視圖，用黃色光從左側(cè)照射薄膜，會觀察到明暗相間的干涉條紋，則下列說法正確的是()A．實驗者應該從薄膜右側(cè)觀察干涉圖樣B．干涉條紋的分布上疏下密C．任意兩相鄰亮條紋處對應的薄膜厚度之差不變D．若換用紅光照射，則相鄰亮條紋間距將變大答案BCD解析薄膜干涉是前后兩個面的反射光疊加產(chǎn)生的，應該從入射光的同側(cè)觀察，故A錯誤；由于薄膜不是均勻增厚的，從上到下薄膜增厚得越來越快，所以明暗相間的條紋是不等間距的，且上疏下密，故B正確；任意相鄰亮條紋處對應的薄膜厚度之差是波長一半且不變，故C正確；光波的干涉條紋間距公式為Δy＝eq\f(l,d)λ，如果換成紅光照射，則波長變長，相鄰亮條紋間距變大，故D正確．6．(2021·湖北卷·5)如圖所示，由波長為λ1和λ2的單色光組成的一束復色光，經(jīng)半反半透鏡后分成透射光和反射光．透射光經(jīng)擴束器后垂直照射到雙縫上并在屏上形成干涉條紋．O是兩單色光中央亮條紋的中心位置，P1和P2分別是波長為λ1和λ2的光形成的距離O點最近的亮條紋中心位置．反射光入射到三棱鏡一側(cè)面上，從另一側(cè)面M和N位置出射，則()A．λ1<λ2，M是波長為λ1的光出射位置B．λ1<λ2，N是波長為λ1的光出射位置C．λ1>λ2，M是波長為λ1的光出射位置D．λ1>λ2，N是波長為λ1的光出射位置答案D解析由雙縫干涉條紋間距公式Δy＝eq\f(λl,d)可知，當兩種色光通過同一雙縫干涉裝置時，波長越長相鄰兩亮條紋間距越寬，由屏上亮條紋的位置可知λ1>λ2，反射光經(jīng)過三棱鏡后分成兩束色光，由題圖可知從N位置出射的光的折射角大，又由折射定律可知，入射角相同時，折射率越小的色光折射角越大，由于λ1>λ2，則n1<n2，所以N是波長為λ1的光出射位置，故D正確，A、B、C錯誤．7．(多選)(2022·山東卷·10)某同學采用圖甲所示的實驗裝置研究光的干涉與衍射現(xiàn)象，狹縫S1、S2的寬度可調(diào)，狹縫到屏的距離為L.同一單色光垂直照射狹縫，實驗中分別在屏上得到了圖乙、圖丙所示圖樣．下列描述正確的是()A．圖乙是光的雙縫干涉圖樣，當光通過狹縫時，也發(fā)生了衍射B．遮住一條狹縫，另一狹縫寬度增大，其他條件不變，圖丙中亮條紋寬度增大C．照射兩條狹縫時，增加L，其他條件不變，圖乙中相鄰暗條紋的中心間距增大D．照射兩條狹縫時，若光從狹縫S1、S2到屏上P點的路程差為半波長的奇數(shù)倍，P點處一定是暗條紋答案ACD解析題圖乙中間部分為等間距條紋，所以題圖乙是光的雙縫干涉圖樣，當光通過狹縫時，同時也發(fā)生衍射，故A正確；狹縫越小，衍射范圍越大，衍射條紋越寬，遮住一條狹縫，另一狹縫寬度增大，則衍射現(xiàn)象減弱，題圖丙中亮條紋寬度減小，故B錯誤；根據(jù)條紋間距公式有Δx＝eq\f(L,d)λ，則照射兩條狹縫時，增加L，其他條件不變，題圖乙中相鄰暗條紋的中心間距增大，故C正確；照射兩條狹縫時，若光從狹縫S1、S2到屏上P點的路程差為半波長的奇數(shù)倍，P點處一定是暗條紋，故D正確．8．(2023·遼寧省模擬)隨著科技的發(fā)展，夜視技術(shù)越來越成熟．一切物體都可以產(chǎn)生紅外線，即使在漆黑的夜里“紅外監(jiān)控”“紅外攝影”也能將目標觀察得清清楚楚．為了使圖像清晰，通常在紅外攝像頭的鏡頭表面鍍一層膜，下列說法正確的是()A．鍍膜的目的是盡可能讓入射的紅外線反射B．鍍膜的目的是盡可能讓入射的所有光均能透射C．鍍膜的厚度應該是紅外線在薄膜中波長的四分之一D．鍍膜的厚度應該是紅外線在薄膜中波長的二分之一答案C解析鍍膜的目的是盡可能讓紅外線能夠透射，而讓紅外線之外的光反射，從而使紅外線圖像更加清晰，故A、B錯誤；當紅外線在薄膜前、后表面的反射光恰好干涉減弱時，反射光最弱，透射光最強，根據(jù)干涉相消的規(guī)律可知，此時紅外線在薄膜前、后表面反射光的光程差應為半波長的奇數(shù)倍，而為了盡可能增加光的透射程度，鍍膜的厚度應該取最薄的值，即紅外線在薄膜中波長的四分之一，故C正確，D錯誤．9.(2023·福建龍巖市質(zhì)檢)如圖所示，把一矩形均勻薄玻璃板ABCD壓在另一個矩形平行玻璃板上，一端用薄片墊起，將紅單色光從上方射入，這時可以看到明暗相間的條紋，下列關(guān)于這些條紋的說法中正確的是()A．條紋方向與AB邊平行B．條紋間距不是均勻的，越靠近BC邊條紋間距越大C．減小薄片的厚度，條紋間距變小D．將紅單色光換為藍單色光照射，則條紋間距變小答案D解析薄膜干涉的光程差Δs＝2d(d為薄膜厚度)，厚度相同處產(chǎn)生的條紋明暗情況相同，因此條紋應與BC邊平行，故A錯誤；因為兩玻璃間形成的空氣膜厚度均勻變化，因此條紋是等間距的，故B錯誤；減小薄片厚度，條紋間距將增大，故C錯誤；將紅光換成藍光照射，入射光波長減小，條紋間距將減小，故D正確．10．(2021·山東卷·7)用平行單色光垂直照射一層透明薄膜，觀察到如圖所示明暗相間的干涉條紋．下列關(guān)于該區(qū)域薄膜厚度d隨坐標x的變化圖像，可能正確的是()答案D11.單縫衍射實驗中所產(chǎn)生圖樣的中央亮條紋寬度的一半與單縫寬度、光的波長、縫屏距離的關(guān)系，和雙縫干涉實驗中所產(chǎn)生圖樣的相鄰兩亮條紋間距與雙縫間距、光的波長、縫屏距離的關(guān)系相同．利用單縫衍射實驗可以測量金屬的線膨脹系數(shù)，線膨脹系數(shù)是表征物體受熱時長度增加程度的物理量．如圖是實驗的示意圖，擋光片A固定，擋光片B放置在待測金屬棒上端，A、B間形成平直的狹縫，激光通過狹縫，在光屏上形成衍射圖樣．溫度升高，金屬棒膨脹使得狹縫寬度發(fā)生變化，衍射圖樣也隨之發(fā)生變化．在激光波長已知的情況下，通過測量縫屏距離和中央亮條紋寬度，可算出狹縫寬度及變化，進而計算出金屬的線膨脹系數(shù)．下列說法正確的是()A．使用激光波長越短，其他實驗條件不變，中央亮條紋越寬B．相同實驗條件下，金屬的膨脹量越大，中央亮條紋越窄C．相同實驗條件下，中央亮條紋寬度變化越大，說明金屬膨脹量越大D．狹縫到光屏距離越大，其他實驗條件相同，測得金屬的線膨脹系數(shù)越大答案C解析對比雙縫干涉相鄰兩亮條紋間距與雙縫間距、光的波長、縫屏距離的