【物理】2018届一轮复习人教版第14章第4节光的波动性学案

【物理】2018届一轮复习人教版第14章第4节光的波动性学案

第四节　光的波动性 ‎(实验：用双缝干涉测光的波长)‎ 一、光的干涉 ‎1．定义：在两列光波的叠加区域，某些区域的光被加强，出现亮纹，某些区域的光被减弱，出现暗纹，且加强和减弱互相间隔的现象叫做光的干涉现象．‎ ‎2．条件：两列光的频率相等，且具有恒定的相位差，才能产生稳定的干涉现象．‎ ‎3．双缝干涉：由同一光源发出的光经双缝后形成两束振动情况总是频率相等的相干光波，屏上某点到双缝的路程差是波长的整数倍处出现亮条纹；路程差是半波长的奇数倍处出现暗条纹．相邻的明条纹(或暗条纹)之间距离Δx与波长λ、双缝间距d及屏到双缝距离l的关系为Δx＝λ．‎ ‎4．薄膜干涉：利用薄膜(如肥皂液薄膜)前后表面反射的光相遇而形成的．图样中同一条亮(或暗)条纹上所对应薄膜厚度相同．‎ ‎　1.判断正误 ‎(1)光的干涉和衍射现象说明了光是波，也能说明光是横波．(　　)‎ ‎(2)两个相同亮度的烛光是相干光源．(　　)‎ ‎(3)在双缝干涉实验中，双缝的作用是使一束光变成两束完全相同的相干光．(　　)‎ ‎(4)在波峰与波峰叠加处出现亮条纹，在波谷与波谷叠加处出现暗条纹．(　　)‎ 提示：(1)×　(2)×　(3)√　(4)×‎ 二、光的衍射 ‎1．光的衍射现象：光在遇到障碍物时，偏离直线传播方向而照射到阴影区域的现象叫做光的衍射．‎ ‎2．光发生明显衍射现象的条件：当孔或障碍物的尺寸比光波波长小，或者跟光波波长相差不多时，光才能发生明显的衍射现象．‎ ‎3．衍射图样 ‎(1)单缝衍射：中央为亮条纹，两侧有明暗相间的条纹，但间距和亮度不同．白光衍射时，中央仍为白光，最靠近中央的是紫光，最远离中央的是红光．‎ ‎(2)圆孔衍射：明暗相间的不等距圆环．‎ ‎(3)泊松亮斑：光照射到一个半径很小的圆板后，在圆板的阴影中心出现的亮斑，这是光能发生衍射的有力证据之一．‎ 三、光的偏振 ‎1．偏振光：在跟光传播方向垂直的平面内，光在某一方向振动较强而在另一些方向振动较弱的光即为偏振光．‎ 光的偏振现象证明光是横波．‎ ‎2．自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包括在垂直于传播方向上沿各个方向振动的光，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．‎ ‎　2.抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细，如图所示，观察光束经过细丝后在光屏上所产生的条纹即可以判断细丝粗细的变化(　　)‎ A．这里应用的是光的衍射现象 B．这里应用的是光的干涉现象 C．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗 D．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细 E．如果屏上条纹变细，表明抽制的丝变粗 提示：选ADE.本题为光的衍射现象在工业生产中的实际应用，考查光的衍射现象，若障碍物的尺寸与光的波长相比差不多或更小，衍射现象较明显．通过观察屏上条纹的变化情况，从而监测抽制的丝的情况，故选A、D、E.‎ ‎　光的干涉现象 ‎【知识提炼】‎ ‎1．双缝干涉 ‎(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＝λ.‎ ‎(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．‎ ‎2．薄膜干涉 ‎(1)如图所示，竖直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形．‎ ‎(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，两列光波同相叠加，出现明纹；反相叠加，出现暗纹．‎ ‎(3)条纹特点 ‎①单色光：明暗相间的水平条纹；‎ ‎②白光：彩色水平条纹．‎ ‎【典题例析】‎ ‎ (2015·高考全国卷Ⅰ)在双缝干涉实验中，分别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Δx1与绿光的干涉条纹间距Δx2相比，Δx1________Δx2(填“>”“＝”或“<”)．若实验中红光的波长为630 nm，双缝与屏幕的距离为‎1.00 m，测得第1条到第6条亮条纹中心间的距离为‎10.5 mm，则双缝之间的距离为________ mm.‎ ‎[解析]　由公式Δx＝λ可知，Δx1>Δx2.相邻亮条纹之间的距离为Δx＝ mm＝‎2.1 mm，双缝间的距离d＝，代入数据得d＝‎0.300 mm.‎ ‎[答案]　>　0.300‎ ‎【跟进题组】‎ 考向1　对双缝干涉现象的分析 ‎1．(高考大纲全国卷)在双缝干涉实验中，一钠灯发出的波长为589 nm的光，在距双缝‎1.00 m的屏上形成干涉图样．图样上相邻两明纹中心间距为‎0.350 cm，则双缝的间距为(　　)‎ A．2.06×10－‎7 m　　　　　 B．2.06×10－‎‎4 m C．1.68×10－‎4 m D．1.68×10－‎‎3 m 解析：选C.在双缝干涉实验中，相邻明条纹间距Δx、双缝间距d与双缝到屏的距离L间的关系为Δx＝λ，则双缝间距d＝＝ m≈1.68×10－4 m.‎ 考向2　对薄膜干涉的理解 ‎2．如图甲所示，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(　　)‎ A．干涉现象是由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气膜厚度是均匀变化的 E．若使用半径小一些的凸薄透镜，则干涉条纹的间距要变大 解析：选ACE.由于在凸透镜和平板玻璃之间的空气形成薄膜，所以形成相干光的反射面是凸透镜的下表面和平板玻璃的上表面，故A正确，B错误．由于凸透镜的下表面是圆弧面，所以形成的薄膜厚度不是均匀变化的，形成不等间距的干涉条纹，故C正确，D错误．若使用半径小一些的凸薄透镜，则空气薄膜上的厚度变化更快，则形成的干涉条纹的间距要变大，故E正确．‎ ‎　光的衍射 ‎【知识提炼】‎ ‎1．单缝衍射与双缝干涉的比较 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 ‎2.光的干涉和衍射的本质 ：光的干涉和衍射都属于光的叠加，从本质上看，干涉条纹和衍射条纹的形成有相似的原理，都可认为是从单缝通过两列或多列频率相同的光波，在屏上叠加形成的．‎ ‎【典题例析】‎ ‎ (高考上海卷)如图，在“观察光的衍射现象”实验中，保持缝到光屏的距离不变，增加缝宽，屏上衍射条纹间距将________(选填“增大”“减小”或“不变”)；该现象表明，光沿直线传播只是一种近似规律，只有在________情况下，光才可以看做是沿直线传播的．‎ ‎[审题指导]　(1)根据实验总结衍射条纹间距随缝宽大小的变化规律．‎ ‎(2)知道光发生明显衍射现象的条件．‎ ‎[解析]　缝宽增加，衍射条纹间距变小，衍射现象逐渐不明显．光的衍射现象表明，光不沿直线传播，光沿直线传播只是一种近似规律，只有在光的波长比障碍物或孔的尺寸小得多的情况下，光才可以看做是沿直线传播的．‎ ‎[答案]　减小　光的波长比障碍物或孔的尺寸小得多 ‎　(2017·福建龙岩调研)如图所示，a、b、c、d四个图是不同的单色光形成的双缝干涉或单缝衍射图样．分析各图样的特点可以得出的正确结论是(　　)‎ A．a、b是光的干涉图样 B．c、d是光的干涉图样 C．形成a图样的光的波长比形成b图样光的波长短 D．形成c图样的光的波长比形成d图样光的波长短 解析：选A.干涉条纹是等距离的条纹，因此，a、b图是干涉图样，c、d图是衍射图样，故A项正确，B项错误；由公式Δx＝λ可知，条纹宽的入射光的波长长，所以a图样的光的波长比b图样的光的波长长，故C项错误；c图样的光的波长比d图样的光的波长长，故D项错误．‎ ‎　光的偏振现象 ‎【知识提炼】‎ ‎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．‎ ‎2．偏振光的理论意义及应用 ‎(1)理论意义：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．‎ ‎【典题例析】‎ ‎ 如图所示，白炽灯的右侧依次放置偏振片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(　　)‎ 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 ‎[审题指导]　光通过偏振片得到强度始终相同的偏振光，但振动方向随偏振片的旋转而变化．‎ ‎[解析]　旋转偏振片P，A处得到的是强度始终相同的偏振光，偏振光再经过偏振片Q，在B处光强随着P的转动而变化，当Q的透振方向与经过P的偏振光的振动方向垂直时，B处的光强为0.‎ ‎[答案]　C ‎　(2017·西安模拟)如图所示，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 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°后，在P处将看到光亮 E．以SP为轴将A转过90°后，在P处将看到光亮 解析：选BDE.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；同理E也对．‎ ‎　实验：双缝干涉测光的波长 ‎【知识提炼】‎ ‎1．实验原理：单色光通过单缝后，经双缝产生稳定的干涉图样，图样中相邻两条亮(暗)纹间距Δx与双缝间距d、双缝到屏的距离l、单色光的波长λ之间满足λ＝.‎ ‎2．实验步骤 ‎(1)观察干涉条纹 ‎①将光源、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，使光源发出的光能沿轴线到达光屏．‎ ‎④安装双缝和单缝，中心大致位于遮光筒的轴线上，使双缝与单缝的缝平行，二者间距约5 cm～10 cm，这时，可观察白光的干涉条纹．‎ ‎⑤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，记下手轮上的读数a1，将该条纹记为第1条亮纹；转动手轮，使分划板中心刻线移动至另一亮条纹的中央，记下此时手轮上的读数a2，将该条纹记为第n条亮纹．‎ ‎③用刻度尺测量双缝到光屏的距离l(d是已知的)．‎ ‎④改变双缝间的距离d，双缝到屏的距离l，重复测量．‎ ‎3．数据处理 ‎(1)条纹间距Δx＝.‎ ‎(2)波长λ＝Δx.‎ ‎(3)计算多组数据，求λ的平均值．‎ ‎4．注意事项 ‎(1)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、双缝平行且间距适当．‎ ‎(2)光源灯丝最好为线状灯丝，并与单缝平行且靠近．‎ ‎(3)调节的基本依据是：照在光屏上的光很弱，主要原因是灯丝与单缝、双缝，测量头与遮光筒不共轴所致，干涉条纹不清晰一般原因是单缝与双缝不平行所致，故应正确调节．‎ ‎【典题例析】‎ ‎ (1)如图所示，在“用双缝干涉测光的波长”实验中，光具座上放置的光学元件依次为①光源、②______________、③____________、④____________、⑤遮光筒、⑥光屏．对于某种单色光，为增加相邻亮条纹(暗条纹)间的距离，可采取__________________或__________________的方法．‎ ‎(2)如果将灯泡换成激光光源，该实验照样可以完成，这时可以去掉的部件是________(选填数字代号)．‎ ‎(3)转动测量头的手轮，使分划板中心刻线对准第1条亮条纹的中央，‎ 手轮的读数如图甲所示．继续转动手轮，使分划板中心刻线对准第10条亮条纹的中央，手轮的读数如图乙所示．则相邻两亮条纹的间距是________mm.‎ ‎(4)如果已经量得双缝的间距是‎0.30 mm、双缝和光屏之间的距离是‎900 mm，则待测光的波长是________m(取三位有效数字)．‎ ‎[解析]　(1)由实验原理可知②③④分别是滤光片、单缝、双缝．由Δx＝λ可知，要增加相邻亮条纹(暗条纹)间的距离，可采取的办法有：‎ ‎①增大双缝到光屏间的距离(或选用较长的遮光筒)；‎ ‎②减小双缝之间的距离．‎ ‎(2)由于激光是相干光源，故可以去掉的部件是②、③.‎ ‎(3)甲图读数是‎0.045 mm，乙图读数是‎14.535 mm，它们的差值是‎14.490 mm，中间跨越了10－1＝9个亮条纹间距，所以相邻两亮条纹间距是Δx＝ mm＝‎1.610 mm.‎ ‎(4)光的波长：λ＝＝5.37×10－‎7 m.‎ ‎[答案]　(1)滤光片　单缝　双缝　增大双缝到光屏间的距离(或选用较长的遮光筒)　减小双缝之间的距离 ‎(2)②③　(3)1.610　(4)5.37×10－7‎ ‎　(2017·浙江名校模拟)(1)用游标卡尺观察光的衍射现象时，某次游标卡尺的示数如图甲所示，则两测脚间狭缝的宽度为________．用激光照射该狭缝，在屏上出现衍射条纹，如果减小狭缝的宽度，衍射条纹的宽度将变________．‎ 甲 ‎(2)在用如图乙所示的装置研究光的双缝干涉现象时，有下面几种方法：‎ 乙 A．将观察屏移近双缝，干涉条纹间距变窄 B．将滤光片由蓝色的换成红色的，干涉条纹间距变宽 C．将单缝向双缝移动一小段距离后，干涉条纹间距变宽 D．换一个两缝之间距离较大的双缝，干涉条纹间距变窄 E．去掉滤光片后，干涉现象消失 其中正确的是________．‎ 答案：(1)0.36 mm　大　(2)ABD ‎1．(2017·济南阶段测试)以下说法中正确的是(　　)‎ A．肥皂泡在阳光的照射下会呈现彩色，这是由于光的衍射造成的色散现象 B．光的偏振现象说明光是横波 C．用激光读取光盘上记录的信息是利用激光平行度好的特点 D．当观察者向静止的声源运动时，观察者接收到的声源频率低于声源发出的频率 E．通过手指间的缝隙观察日光灯可以看到彩色条纹，这是光的衍射现象 解析：选BCE.肥皂泡在阳光的照射下会呈现彩色，这是由光的干涉形成的，故A错误；光的偏振现象说明光是一种横波，故B正确；由于激光的平行度好，因此常用于读取光盘上的信息，故C正确；当观察者向静止的声源运动时，接收到的频率将高于声源发出的频率，故D错误；通过手指间的缝隙观察日光灯看到彩色条纹，这属于光的单缝衍射现象，E正确．‎ ‎2．(2016·高考天津卷)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 ‎3.如图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 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：选C.由双缝干涉条纹间距公式Δx＝λ可知，要增大相邻条纹间距，可以增大双缝到屏的距离，减小双缝间距，选用波长更长的单色光，因此C正确．‎ ‎4.(2015·高考全国卷Ⅱ)如图，一束光沿半径方向射向一块半圆柱形玻璃砖，在玻璃砖底面上的入射角为θ，经折射后射出a、b两束光线．则(　　)‎ A．在玻璃中，a光的传播速度小于b光的传播速度 B．在真空中，a光的波长小于b光的波长 C．玻璃砖对a光的折射率小于对b光的折射率 D．若改变光束的入射方向使θ角逐渐变大，则折射光线a首先消失 E．分别用a、b光在同一个双缝干涉实验装置上做实验，a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距 解析：选ABD.通过光路图可看出，折射后a光的偏折程度大于b光的偏折程度，玻璃砖对a光的折射率大于b光的折射率，选项C错误．a光的频率大于b光的频率，a光的波长小于b光的波长，选项B正确．由n＝知，在玻璃中，a光的传播速度小于b光的传播速度，选项A正确．入射角增大时，折射率大的光线首先发生全反射，a光首先消失，选项D正确．做双缝干涉实验时，根据Δx＝λ得a光的干涉条纹间距小于b光的干涉条纹间距，选项E错误．‎ ‎5．(2017·湖南长沙综合训练)在研究材料A的热膨胀特性时，可采用如图所示的干涉实验法，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，在它们之间形成一个厚度均匀的空气膜．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；当温度升到t2时，亮度再一次回到最亮，则 (　　)‎ A．出现最亮时，B上表面反射光与A上表面反射光叠加后加强 B．出现最亮时，B下表面反射光与A上表面反射光叠加后相抵消 C．温度从t‎1升至t2过程中，A的高度增加 D．温度从t‎1升至t2过程中，A的高度增加 解析：选D.该装置利用B下表面反射光与A上表面反射光发生干涉的原理，若最亮，说明干涉加强，加强时路程差Δx＝nλ(n＝0，1，2，…)，由于t1和t2两温度为连续变化，且出现两次最亮，所以两次路程差为一个波长，t1到t2过程中，A的高度应增加半个波长．‎ ‎6．在“用双缝干涉测量光的波长”实验中(实验装置如图甲)：‎ ‎(1)下列说法哪一个是错误的________．(填选项前的字母)‎ A．调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在屏中心时，应放上单缝和双缝 B．测量某条干涉亮纹位置时，应使测微目镜分划板中心刻线与该亮纹的中心对齐 C．为了减小测量误差，可用测微目镜测出n条亮纹间的距离a，求出相邻两条亮纹间距Δx＝ ‎(2)测量某亮纹位置时，手轮上的示数如图乙所示，其示数为________mm.‎ 解析：(1)放上单缝和双缝后，由于发生干涉现象没法调节光源的高度，故选项A错误．‎ ‎(2)按读数规则，读出示数为：‎1.5 mm＋46.9×‎0.01 mm＝‎1.969 mm.‎ 答案：(1)A　(2)1.969‎