資源簡介

第2講　光的干涉、衍射和偏振
一、光的干涉(選一第四章第3節)
1.定義:在兩列光波疊加的區域,某些區域相互加強,
出現亮條紋,某些區域相互減弱,出現暗條紋,且加強區域和減弱區域相互間隔的現象。
2.條件:兩束光的頻率相同、相位差恒定,振動方向相同。
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;白光照射時,中央為白色亮條紋,其余為彩色條紋。
4.條紋間距:Δx=λ,其中l是雙縫到光屏的距離,d是雙縫間的距離,λ是入射光波的波長。
5.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。薄膜干涉圖樣中同一條亮(或暗)條紋上所對應薄膜厚度相同。
二、光的衍射和偏振(選一第四章第5、6節)
1.光的衍射
(1)發生明顯衍射的條件:在障礙物的尺寸與光的波長相差不多,甚至比光的波長還小的時候,衍射現象十分明顯。
(2)衍射條紋的特點:
a.單縫衍射:若為單色光,中央為亮且寬的條紋,兩側為明暗相間的條紋,條紋間距不等,且離中央條紋越遠,亮條紋的亮度越弱,寬度越小(如圖甲所示)。
b.單孔衍射:若為單色光,中央是大且亮的圓形亮斑,周圍分布著明暗相間的同心圓環,且越靠外,圓形亮條紋的亮度越弱,寬度越小(如圖乙所示);亮環或暗環間的距離隨圓孔半徑的增加而減小。
c.泊松亮斑(圓盤衍射):當光照射到不透明的半徑很小的圓盤上時,在圓盤的陰影中心出現亮斑,在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環。(如圖丙所示)
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的界面發生反射和折射,反射光和折射光可以成為部分偏振光或完全偏振光。
(4)光的偏振現象說明光是一種橫波。
【質疑辨析】
角度1 光的干涉
(1)頻率不同的兩列波一定不能發生干涉。 (　√　)
(2)在雙縫干涉實驗中,若僅將入射光由紅光換成綠光,則條紋寬度一定變大。(　×　)
(3)太陽光通過三棱鏡形成彩色光譜,這是光的干涉的結果。 (　×　)
(4)厚度相同的薄膜也可以形成干涉現象。 (　×　)
角度2 光的衍射、偏振
(5)只有在障礙物的尺寸與光的波長相差不多,甚至比光的波長還小的時候,才會出現光的衍射現象。 (　×　)
(6)陽光下茂密的樹蔭中地面上的圓形亮斑是光的衍射形成的。 (　×　)
(7)除了從光源直接發出的光,我們通常看到的絕大部分光,都是不同程度的偏振光。 (　√　)
精研考點·提升關鍵能力
考點一　 光的干涉現象　(核心共研)
【核心要點】
項目 雙縫干涉 薄膜干涉
平行的平面薄膜干涉 牛頓環
裝置
形成原因 通過雙縫的分光作用獲得兩列相干光源 由薄膜上、下表面反射的光線形成相干光源 由球面上和平面上反射的光線形成相干光源
條紋特征 (單色光) 形成明暗相間的等間距的干涉條紋 形成明暗相間的等間距的干涉條紋 明暗相間的同心圓環,中間疏、邊緣密
條紋寬度 Δx=λ Δx= —
【典例剖析】
角度1 雙縫干涉
[典例1](2023·江蘇選擇考)用某種單色光進行雙縫干涉實驗,在屏上觀察到的干涉條紋如圖甲所示,改變雙縫間的距離后,干涉條紋如圖乙所示,圖中虛線是亮紋中心的位置。則雙縫間的距離變為原來的(　　)
A.倍　　B.倍 C.2倍 D.3倍
角度2 薄膜干涉
[典例2] (2023·山東等級考)如圖所示為一種干涉熱膨脹儀原理圖。G為標準石英環,C為待測柱形樣品,C的上表面與上方標準平面石英板之間存在劈形空氣層。用單色平行光垂直照射上方石英板,會形成干涉條紋。已知C的膨脹系數小于G的膨脹系數,當溫度升高時,下列說法正確的是(　　)
A.劈形空氣層的厚度變大,條紋向左移動
B.劈形空氣層的厚度變小,條紋向左移動
C.劈形空氣層的厚度變大,條紋向右移動
D.劈形空氣層的厚度變小,條紋向右移動
【備選例題】
(2023·孝感模擬)肥皂膜的干涉條紋如圖所示,豎直放置的肥皂膜條紋間距上面寬、下面窄,下列說法正確的是(　　)
A.肥皂膜上的條紋是前后表面反射光形成的干涉條紋
B.肥皂膜上的條紋是前表面折射光與后表面反射光形成的干涉條紋
C.肥皂膜從形成到破裂,條紋的寬度和間距不會發生變化
D.將肥皂膜外金屬環左側的把柄向上轉動90°,條紋也會跟著轉動90°
考點二　光的衍射和偏振現象　(基礎自悟)
【核心要點】
1.單縫衍射與雙縫干涉的比較
項目 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 各相鄰條紋間距不等 各相鄰條紋等間距
亮度情況 中央條紋最亮,兩邊變暗 條紋清晰,亮度基本相等
相同點 干涉、衍射都是波特有的現象,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
光的干涉和衍射都屬于光的疊加,從本質上看,干涉條紋和衍射條紋的形成有相似的原理,都可認為是從單縫通過兩列或多列頻率相同的光波,在屏上疊加形成的。
3.對光的偏振的理解
(1)自然光與偏振光的比較
類別 自然光(非偏振光) 偏振光
光的 來源 從普通光源發出的光 自然光通過起偏器后的光
光的 振動 方向 在垂直于光的傳播方向的平面內,光振動沿任意方向,且沿各個方向振動的光的強度相同 在垂直于光的傳播方向的平面內,光振動沿特定方向
(2)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。
【題點全練】
角度1 光的衍射
1.(2023·邢臺模擬)某同學用紅光做實驗,拍攝到屏上亮條紋的照片如圖甲、乙所示,則該同學做的是(　　)
A.單縫衍射實驗,甲圖中單縫的寬度小
B.單縫衍射實驗,乙圖中單縫的寬度小
C.用和甲圖相同裝置做實驗,僅將紅光改為綠光,中央亮紋寬度更大
D.用和甲圖相同裝置做實驗,僅將紅光改為白光,屏上出現黑白相間條紋
2.某研究性學習小組用激光束照射不同直徑的圓孔和不透明圓板后,拍攝了許多屏上的圖樣,圖甲和圖乙是學習小組拍攝的圖樣中的兩張,下列說法正確的是(　　)
A.圖甲為著名的“泊松亮斑”
B.圖甲和圖乙都是光線照射到圓孔后的衍射圖樣,圖甲中孔的直徑較小
C.圖甲和圖乙都是光線照射到圓板后的衍射圖樣,圖乙中板的直徑較小
D.圖甲是光線照射到圓孔后的衍射圖樣,圖乙是光線照射到圓板后的衍射圖樣
角度2 光的偏振
3.(多選)關于下列四幅圖所涉及的光學知識中,說法正確的是(　　)
A.圖甲皂液薄膜觀測到明暗相間條紋是光的干涉結果
B.圖乙醫用內窺鏡是光的衍射現象的應用
C.圖丙是觀測光的偏振現象,偏振現象說明光是一種橫波
D.圖丁泊松亮斑是由于光的折射產生的
答案及解析
考點一　 光的干涉現象
【典例剖析】
角度1 雙縫干涉
[典例1](2023·江蘇選擇考)用某種單色光進行雙縫干涉實驗,在屏上觀察到的干涉條紋如圖甲所示,改變雙縫間的距離后,干涉條紋如圖乙所示,圖中虛線是亮紋中心的位置。則雙縫間的距離變為原來的(　　)
A.倍　　B.倍 C.2倍 D.3倍
【解析】選B。根據雙縫干涉的條紋間距與波長關系有Δx=λ,由題圖知Δx乙 = 2Δx甲,則d乙=d甲,故選B。
角度2 薄膜干涉
[典例2] (2023·山東等級考)如圖所示為一種干涉熱膨脹儀原理圖。G為標準石英環,C為待測柱形樣品,C的上表面與上方標準平面石英板之間存在劈形空氣層。用單色平行光垂直照射上方石英板,會形成干涉條紋。已知C的膨脹系數小于G的膨脹系數,當溫度升高時,下列說法正確的是(　　)
A.劈形空氣層的厚度變大,條紋向左移動
B.劈形空氣層的厚度變小,條紋向左移動
C.劈形空氣層的厚度變大,條紋向右移動
D.劈形空氣層的厚度變小,條紋向右移動
【題眼破譯】——提升信息提取能力
信息→溫度升高,標準石英環G增長的高度更大,劈形空氣層厚度變大。
【解析】選A。由題知,C的膨脹系數小于G的膨脹系數,當溫度升高時,G增長的高度大于C增長的高度,則劈形空氣層的厚度變大,且同一厚度的空氣層向劈尖移動,則條紋向左移動,故選A。
【方法技巧】
1.亮、暗條紋的判斷
①在P1、P2處,兩個表面反射回來的兩列光波的路程差Δr等于波長的整數倍,即Δr=nλ(n=1,2,3,…),薄膜上出現亮條紋。
②在Q處,兩列反射回來的光波的路程差Δr等于半波長的奇數倍,即Δr=(2n+1)(n=0,1,2,3,…),薄膜上出現暗條紋。
2.應用:干涉法檢查平面如圖甲所示,兩板之間形成一楔形空氣膜,用單色光從上向下照射,如果被檢查平面是平整光滑的,我們會觀察到平行且等間距的明暗相間的條紋;若被檢查平面不平整,則干涉條紋發生彎曲。如圖乙所示中干涉條紋彎曲處說明被檢查的平面在此處是凹下的。
【備選例題】
(2023·孝感模擬)肥皂膜的干涉條紋如圖所示,豎直放置的肥皂膜條紋間距上面寬、下面窄,下列說法正確的是(　　)
A.肥皂膜上的條紋是前后表面反射光形成的干涉條紋
B.肥皂膜上的條紋是前表面折射光與后表面反射光形成的干涉條紋
C.肥皂膜從形成到破裂,條紋的寬度和間距不會發生變化
D.將肥皂膜外金屬環左側的把柄向上轉動90°,條紋也會跟著轉動90°
【解析】選A。肥皂膜上的條紋是薄膜前后兩表面反射形成的兩列光波疊加形成的干涉條紋,故A正確,B錯誤;薄膜是等厚干涉,肥皂膜從形成到破裂,由于液體在向下流動,薄膜上部逐漸變薄,下部逐漸變厚,因此出現加強點和減弱點的位置發生了變化,條紋的寬度和間距會發生變化,故C錯誤;將肥皂膜外金屬環左側的把柄向上轉動90°,由于重力、表面張力和粘滯力等的作用,肥皂膜的形狀和厚度會重新分布,因此條紋并不會跟著旋轉90°,故D錯誤。
考點二　光的衍射和偏振現象　
【題點全練】
角度1 光的衍射
1.(2023·邢臺模擬)某同學用紅光做實驗,拍攝到屏上亮條紋的照片如圖甲、乙所示,則該同學做的是(　　)
A.單縫衍射實驗,甲圖中單縫的寬度小
B.單縫衍射實驗,乙圖中單縫的寬度小
C.用和甲圖相同裝置做實驗,僅將紅光改為綠光,中央亮紋寬度更大
D.用和甲圖相同裝置做實驗,僅將紅光改為白光,屏上出現黑白相間條紋
【解析】選A。雙縫干涉條紋的特征是等寬等亮度,單縫衍射條紋的特征是中央條紋最寬,向兩側越來越窄,中央條紋最亮,向兩側越來越暗,所以該圖片是單縫衍射實驗的條紋。又因為單縫越窄條紋越寬,所以甲圖中單縫的寬度小,A正確,B錯誤;波長越長,中央條紋越寬,所以用和甲圖相同裝置做實驗,僅將紅光改為綠光,波長變短,中央亮紋寬度更小,C錯誤;用和甲圖相同裝置做實驗,僅將紅光改為白光,屏上出現彩色條紋,D錯誤。
2.某研究性學習小組用激光束照射不同直徑的圓孔和不透明圓板后,拍攝了許多屏上的圖樣,圖甲和圖乙是學習小組拍攝的圖樣中的兩張,下列說法正確的是(　　)
A.圖甲為著名的“泊松亮斑”
B.圖甲和圖乙都是光線照射到圓孔后的衍射圖樣,圖甲中孔的直徑較小
C.圖甲和圖乙都是光線照射到圓板后的衍射圖樣,圖乙中板的直徑較小
D.圖甲是光線照射到圓孔后的衍射圖樣,圖乙是光線照射到圓板后的衍射圖樣
【解析】選D。圓孔衍射圖樣是中央大亮斑,周圍為明暗相間的圓環,不透明圓板衍射的圖樣是背后大陰影中心處有個亮斑,即“泊松亮斑”,因此圖甲為光線照射到圓孔后的衍射圖樣,圖乙為光線照射到圓板后的衍射圖樣,且圖乙為“泊松亮斑”,D正確。
角度2 光的偏振
3.(多選)關于下列四幅圖所涉及的光學知識中,說法正確的是(　　)
A.圖甲皂液薄膜觀測到明暗相間條紋是光的干涉結果
B.圖乙醫用內窺鏡是光的衍射現象的應用
C.圖丙是觀測光的偏振現象,偏振現象說明光是一種橫波
D.圖丁泊松亮斑是由于光的折射產生的
【解析】選A、C。圖甲皂液薄膜觀測到明暗相間條紋是光的干涉結果,故A正確;圖乙醫用內窺鏡是光的全反射現象的應用,故B錯誤;圖丙是觀測光的偏振現象,偏振是橫波特有的現象,說明光是一種橫波,故C正確;圖丁泊松亮斑是由于光的衍射產生的,故D錯誤。
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