高二物理光的波动性问题综合教育科学版知识精讲

高二物理光的波动性问题综合教育科学版知识精讲

高二物理光的波动性问题综合教育科学版 ‎ ‎【本讲教育信息】‎ 一、教学内容：‎ 光的波动性问题综合 二、学习目标：‎ ‎1、理解光的偏振现象并能解释相关现象。‎ ‎2、掌握利用双缝干涉测光波波长的实验原理及数据处理方法。‎ ‎3、掌握与光的波动性问题相关的重要习题类型及解法。‎ 考点地位：光的偏振是光的波动问题中的重点内容，突出与日常生活实际的紧密结合，如偏振片在日常生活中的应用问题，利用双缝干涉测光波的波长实验重点考查实验的操作方法、实验数据的处理，考题形式主要是以选择题和实验题形式出现，2020年全国理综Ⅱ卷第17题、江苏卷单科卷第3题通过选择题的形式考查，2020年全国Ⅰ卷第22题则是通过实验题形式进行考查。‎ 三、重难点解析：‎ ‎（一）光的偏振现象：‎ ‎1. 光是横波 光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，但不能由此确定光究竟是横波还是纵波.‎ 注意：电磁波是横渡，电磁波中的电场强度E和磁感应强度B都与波的传播方向垂直。既然光是电磁波，故光是横波，光的作用主要是由其电场强度E引起的 ‎2. 偏振现象 ‎（1）狭缝对横波纵波的影响 如果在波的传播方向上放一带狭缝的木板，不管狭缝方向如何，纵波都能自由通过狭缝；对横波，只有狭缝的方向与横波质点的振动方向相同时，横波才能毫无阻碍地通过狭缝；当狭缝的方向与质点的振动方向垂直时，横波就不能通过狭缝，这种现象叫做横波的偏振。如图所示。‎ ‎（2）横波独有的特征 偏振现象是横波所特有的，故利用偏振现象可判断一列波是横波或是纵波。‎ ‎（3）光的偏振现象说明光波是横波。‎ ‎3. 自然光和偏振光 ‎（1）自然光：从普通光源直接发出的天然光是无数偏振光的无规则集合，所以直接观察时不能发现光强偏于哪一个方向。这种沿着各个方向振动的光波强度都相同的光叫自然光。‎ 注意：偏振片是由特殊材料制成的，其“狭缝”用肉眼不能看见，它只允许振动方向与“狭缝”平行的光波通过。通过偏振片后，自然光就变成了偏振光。如图所示，普通光源S发出的光经过偏振片时，后面的光屏是明亮的，说明光透过了偏振片，若转动偏振片，光屏上亮度不变，说明透过光的强度不变，由此可知，自然光沿着各个方向振动的光波的强度都相同。‎ ‎（2）偏振光 只有一个振动方向的光波叫偏振光，如经过偏振片后的自然光。若偏振光再经过一个偏振片后，情况会怎样呢？如图甲所示，当两偏振片的“狭缝”‎ 平行时，光屏上仍有亮光，当两偏振片的“狭缝”相互垂直时，透射光的强度几乎为零，光屏上是暗的。如图乙所示。‎ 甲 乙 结论：由以上现象可知：光是一种横波。‎ 问题1、光的偏振问题：‎ 如图所示，P是一偏振片，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，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 变式1、‎ 关于自然光和偏振光，以下说法正确的是 （ ）。‎ A. 自然光包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，但是沿各个方向振动的光波的强度可以不相同 B. 偏振光是在垂直于传播方向上，只沿着某一特定方向振动的光 C. 自然光透过一个偏振片后就成为偏振光，偏振光经过一个偏振片后又还原为自然光 D. 太阳、电灯等普通光源发出的光都是自然光 答案：BD 小结：自然光与偏振光的区别是：‎ 自然光 偏振光 光的来源 从普通光源直接发出的光 ‎①自然光通过偏振片（起偏器）后的光 ‎②自然光经过反射和折射后的光，如反射光和折射光的夹角为90°，则它们为偏振光 光振动的方向 在垂直于光的传播方向的平面内光振动沿任意方向，且各个方向上的光振动强度相同 在垂直于光传播方向的平面内，光振动沿某一特定方向 联系 自然光是光振动在任意垂直于传播方向上的所有偏振光的总和 变式2、‎ 夜晚，汽车前灯发出的强光将迎面驶来的汽车的司机照射得睁不开眼睛，影响行车安全，若将汽车前灯玻璃和汽车前窗玻璃都改用偏振玻璃，使双方司机都看不见对方眩目的灯光，但能看清自己车灯发出的光所照亮的物体。所有的汽车前窗玻璃、前灯玻璃的透振方向应该是 A. 前窗玻璃的透振方向是竖直的，前灯玻璃的透振方向是水平的 B. 前窗玻璃的透振方向是竖直的，前灯玻璃的透振方向是竖直的 C. 前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，前灯玻璃的透振方向是斜向左上45°‎ D. 前窗玻璃的透振方向和前灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°‎ 答案：D ‎（二）用双缝干涉测光的波长实验 ‎1. 实验目的 ‎（1）观察白光及单色光的双缝干涉图样；‎ ‎（2）测定单色光的波长.‎ ‎2. 实验原理 ‎（1）光源发出的光经滤光片成为单色光。单色光通过单缝后相当于线光源，经双缝产生稳定的干涉图样，通过屏可以观察到明暗相间的干涉条纹。如果用白光通过双缝可以观察到彩色条纹；‎ ‎（2）若双缝到屏的距离用l表示，双缝间的距离用d表示，相邻两条亮纹间的距离用△x表示，则入射光的波长为 实验中d是已知的，测出l、△x即可测出光的波长λ。‎ ‎3. 实验器材 双缝干涉仪包括：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。‎ ‎4. 实验装置 如图所示，将直径约‎10cm，长约‎1m的遮光筒平放在光具座上，筒的一端有双缝，另一端装上有刻度毛玻璃做光屏，先取下双缝，打开光源，调节光源高度，使它发出的一束光恰沿遮光筒的轴线照亮光屏，然后放好单缝和双缝，两屏相距约5cm~‎10cm，使缝互相平行，且位于轴线上，这时可看到彩色干涉条纹，若在单缝屏和光源之间放置一块滤光片，则可观察到单色干涉条纹。‎ ‎5. 实验步骤 ‎（1）调节双缝干涉仪，观察光的双缝干涉现象；‎ ‎（2）用单色光入射得到干涉条纹，测出n条亮纹的距离a，得相邻条纹的距离；‎ ‎（3）利用已知的双缝间距d，用尺来测出双缝到屏的距离l，根据公式计算出波长；‎ ‎（4）换用不同颜色的滤光片，观察干涉条纹间的距离有什么变化，并求出相应的波长。‎ 说明：①某种颜色的滤光片只能让这种颜色的光通过，其他颜色的光不能通过。‎ ‎②条纹间距用测量头测出。‎ ‎③单缝与双缝间的距离大约为5cm~‎10cm。‎ ‎6. 注意事项 ‎（1）调节双缝干涉仪时，要注意调节光源的高度，使它发出的一束光能够沿着遮光筒的轴线把屏照亮；‎ ‎（2）放置单缝和双缝时，缝要相互平行，中心大致位于遮光筒的轴线上；‎ ‎（3）调节测量头时，应使分划板中心刻线对齐条纹的中心，记下此时手轮上的读数，转动测量头，使分划板中心刻线对齐另一条纹的中心，记下此时手轮上的读数，两次读数之差就表示这两条条纹间的距离；‎ ‎（4）不要直接测△x，要测几个条纹的间距计算得△x，这样可减小误差；‎ ‎（5）白光的干涉观察到的是彩色条纹，其中白色在中央，红色在最外层。‎ 问题2、实验操作及数据的处理问题：‎ 如图所示，图甲是用双缝干涉测光的波长的实验设备示意图。‎ ‎（1）图中①是光源，⑤是光屏，它们之间的②、③、④依次是 、 和 ‎（选填“单缝”、“双缝”或“滤光片”）‎ ‎（2）以下哪些操作能够增大光屏上相邻两条亮纹之间的距离？（ ）.‎ A. 增大③和④之间的距离 B. 增大④和⑤之间的距离 C. 将红色滤光片改为绿色滤光片 D. 增大双缝之间的距离 ‎（3）在某次实验中，已知双缝到光屏之间的距离是L=‎600mm，双缝之间的距离是d=‎0.20mm，某同学在用测量头测量时，先将测量头目镜中看到的分划板中心刻线对准某条亮纹（记作第1条）的中心，这时手轮上的示数如图乙所示。然后他转动测量头，使分划板中心刻线对准第7条亮纹的中心，这时手轮上的示数如图丙所示，这两次示数依次为 mm和 mm. 由此可以计算出这次实验中所测得的单色光的波长为 nm。（结果保留三位有效数字）‎ 解析：（1）滤光片 单缝 双缝 ‎（2）B ‎（3）‎0.641mm ‎10.293mm 536nm 变式3、‎ 现有毛玻璃屏A、双缝B、白光光源C、单缝D和透红光的滤光片E等光学元件，要把它们放在如图所示的光具座上组装成双缝干涉装置，用以测量红光的波长。‎ ‎（1）将白光光源C放在光具座最左端，依次放置其他光学元件，由左至右，表示各光学元件的字母排列顺序应为C、 、 、A。‎ ‎（2）本实验的步骤有：‎ ‎①取下遮光筒左侧的元件，调节光源高度，使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮；‎ ‎②按合理顺序在光具座上放置各光学元件，并使各元件的中心位于遮光筒的轴线上；‎ ‎③用米尺测量双缝到屏的距离；‎ ‎④用测量头（其读数方法同螺旋测微器）测量数条亮纹间的距离，在操作步骤②时还应注意 和 。‎ ‎（3）将测量头的分划板中心刻线与某条亮纹中心对齐，将该亮纹定为第1条亮纹，此时手轮上的示数如图（1）所示，然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐，记下此时图（2）中手轮上的示数 mm，求得相邻亮纹的间距x为 mm。‎ ‎（4）已知双缝间距d为，测得双缝到屏的距离l为‎0.700m，由计算式λ= ，求得所测红光波长为 nm。‎ 答案：（1）E D B （2）单缝和双缝间距约为5cm~‎10cm 使单缝与双缝相互平行 ‎（3）13.870 2.310 （4）‎ 变式4、‎ 在利用双缝干涉测定光的波长时，首先调节光源、滤光片、单缝和双缝的中心均位于遮光筒的中心轴线上，并使单缝和双缝竖直并且互相平行，当屏上出现了干涉图样后，用测量头上的游标尺去测量，转动手轮，移动分划板使分划板中心刻线与某条明纹中心对齐时（如图A所示），将此明纹记为1，然后再转动手轮，分划板中心刻线向右移动，依次经过2、3、…明条纹，最终与明纹6中心对齐，分划板中心刻线分别与明纹1和明纹6对齐时，游标卡尺的示数分别如图中B、C所示（游标尺为10分度），则图B对应的读数为 m，则图C对应的读数为 m。用刻度尺量得双缝到屏的距离为‎60.00cm，由双缝的标示获知双缝的间距为‎0.2mm，则发生干涉的光波的波长为 m。‎ 在实验中，若经粗调后透过测量头上的目镜观察，看不到明暗相间的条纹，只看到一片亮区，造成这种情况的最可能原因是　　　　　　　　　　　　　　　。‎ 答案： 单缝与双缝不平行 ‎（三）激光的产生及特点：‎ ‎1、激光是原子受激辐射产生的光，发光的方向、频率、偏振方向均相同，两列相同激光相遇可以发生干涉。激光是相干光，激光是人工产生的光。‎ ‎2、激光具有的特点：‎ ‎（1）相干性好。‎ ‎（2）平行度好。‎ ‎（3）激光的亮度非常高。‎ ‎（4）激光单色性很好。‎ 问题3、光源发射光子数的计算问题：‎ 激光器是一个特殊的光源，它发出的光便是激光。红宝石激光器发射的激光是不连续的一道一道的闪光，每道闪光称为一个光脉冲。现有一红宝石激光器，发射功率为，所发射的每个光脉冲持续的时间t为，波长为793.4nm，问每列光脉冲的长度l是多少？其中含有的光子数n是多少？‎ 解析：以t、l和c分别表示光脉冲的持续时间、长度和光在真空中的传播速度。由题意可知： ①‎ 以P和E表示红宝石激光器发射的功率和光脉冲的能量，则有： ②‎ 以λ和ν表示红宝石激光的波长和频率，则有，‎ 因此就得到每个红宝石激光光子的能量　 ③‎ 由②③式就得到该列光脉冲含有的光子数 ‎ ④‎ 将数据代入①④式，就得到该列光脉冲的长度、含有的光子数分别为 个 答案：‎3.0mm 个 变式5、‎ 激光器发光功率为P，发出的激光在折射率为n的介质中波长为λ，c表示光在真空中的速度，下列说法中正确的是（ ）。‎ A. 该光在真空中的波长为nλ B. 该光在真空中的波长为λ/n C. 该光的频率为c/λ D. 该光的频率为c/（nλ）‎ 答案：AD 小结本节内容。‎ ‎【模拟试题】（答题时间：45分钟）‎ ‎*1. 下列各种现象中不能说明光具有波动性的是 （ ）.‎ A. 光的偏振现象 B. 光的色散现象 C. 光的双缝干涉现象 D. 光的衍射现象 ‎*2. 让太阳光通过两块平行放置的偏振片，关于最后透射光的强度，下列说法正确的是（ ）.‎ A. 当两个偏振片透振方向垂直时，透射光强度最强 B. 当两个偏振片透振方向垂直时，透射光强度最弱 C. 当两个偏振片透振方向平行时，透射光强度最弱 D. 当两个偏振片透振方向平行时，透射光强度最强 ‎**3. 在杨氏干涉实验装置的双缝后面各放置一个偏振片，若两个偏振片的透振方向相互垂直，则（ ）.‎ A. 光屏上仍有干涉条纹，但亮条纹的亮度减小 B. 光屏上仍有干涉条纹，但亮条纹的亮度增大 C. 干涉条纹消失，光屏上一片黑暗 D. 干涉条纹消失，但仍有光射到光屏上 ‎**4. 对于自然光和偏振光，以下认识正确的是（ ）.‎ A. 从太阳、蜡烛等普通光源直接发出的光是自然光 B. 自然光通过一个偏振片后成为偏振光，偏振光再通过一个偏振片后又还原为自然光 C. 电灯光透过偏振光，偏振片旋转时看到透射光的亮度无变化，说明透射光不是偏振光 D. 自然光只有在通过偏振片后才能成为偏振光 ‎*5. 下列（ ）现象能证明光是一种波，（ ）现象证明光波是一种横波.‎ A. 光的干涉 B. 光的衍射 C. 光的偏振 D. 光的反射 ‎***6. 如图所示，让太阳光或灯光通过偏振片P，在P的后面再放置另一个偏振片Q，观察通过两块偏振片的透射光，下列判断正确的是（ ）.‎ A. 当P与Q的透振方向垂直时，透射光的强度几乎为零 B. 当P与Q的透振方向平行时，透射光的强度几乎为零 C. 若只有偏振片P，转动P时，透射光的强度会发生变化 D. 若只有偏振片P，转动P时，透射光的强度不会发生变化，故P后面的光不是偏振光 ‎***7. 一个氦氖激光器能发出的红光，求它在真空中的波长，进入折射率为的透明介质中，这束激光的波长、波速又是多少？‎ ‎***8. 在“用双缝干涉测光的波长”实验中，为使光屏上单色光的条纹间距减小些，可采取的措施是（ ）.‎ A. 换用缝距大些的双缝片 B. 换用缝距小些的双缝片 C. 适当调大双缝与屏的距离 D. 适当调小双缝与屏的距离 ‎****9. 一同学在“用双缝干涉测光的波长”实验中，使用的双缝的间距为‎0.02cm，测得双缝与屏的距离为‎50cm，第1级亮纹中心到第5级亮纹中心的距离为‎0.45cm，则待测单色光的波长是 .‎ ‎****10. 在“用双缝干涉测光的波长”的实验中，测量头如图所示，调节分划板的位置，使分划板中心刻线对齐某亮条纹的中心，此时螺旋测微器的读数为 mm. 转动手轮，使分划线向一侧移动，到另一条亮纹中心位置，由螺旋测微器再读出一读数，若实验测得的4条亮条纹中心间的距离，已知双缝间距d=‎1.5mm，又缝到屏的距离L=‎1.00m，则对应的光波波长为λ= nm.‎ 试题答案 ‎1. B （偏振片的作用是让它的透振方向与景物周围反射光的偏振方向垂直，不让反射光进入照相机镜头，这样就可以减弱反射光而使景象清晰。）‎ ‎2. B、D （如果两个偏振片的透振方向垂直，那么通过前面的偏振片的偏振光的振动方向跟后面偏振片的透振方向垂直，偏振光不能通过后面的偏振片，透射光的强度为零；同理两偏振片的透振方向平行时，透射光的强度最强。）‎ ‎3. D （双缝后面分别放置偏振片后，由于两偏振片的透振方向相互垂直，不能出现干涉条纹，但仍有光照射到光屏上。）‎ ‎4. A （本题考查自然光与偏振光的区别、产生及鉴别。太阳、蜡烛等普通光源发出的光为自然光，包括在垂直光的传播方向上沿一切方向振动的光，故A选项正确；自然光通过偏振片时，只有与偏振片透振方向一致的光才能通过，沿其他方向振动的光被偏振片吸收，所以通过偏振片后的透射光是偏振光，不论通过几个偏振片，所以B选项是错误的；由于自然光在各个振动方向上的强度相同，所以旋转偏振片时透射亮度不变，即旋转偏振片时亮度不变是因为入射光是自然光，而不是因为透射光不是偏振光，所以C选项是错误的；偏振现象是很普遍的，而不是只有通过偏振片后才能成为偏振光，平常见到的绝大多数光是偏振光，故D选项是错误的，只有A选项正确。）‎ ‎5. A、B　C （干涉和衍射是波所特有的现象，所以光能发生干涉、衍射证明光是一种波；偏振现象是横波特有的现象，所以光能发生偏振现象证明光波是一种横波。）‎ ‎6. A ‎7. ‎ ‎8. A、D　　（由可知，增大双缝间的缝距d，适当调小双缝到屏的距离都行。）‎ ‎9. （由，可得，①，其中 ‎＝，代入①中求得。）‎ ‎10. 1.128（都正确） 480 （相邻两条亮条纹间距为，由得。）‎