河北省2011年高考物理一轮总复习光学第69讲光的波动性课件旧人教版.ppt

第69讲 光的波动性 自主夯实基础 自主预习 轻松过关 名师点金 本讲是按照人类对光的本性的认识过程展开的.从牛顿的微粒说到惠更斯的波动说，到麦克斯韦的电磁说，再到爱因斯坦的光子说；其次，要明确光波与机械波的区别与联系，本讲重点是光的干涉和衍射.,知识梳理 一、光的本性学说的发展简史 光的本性学说的发展史上的五个学说： 1.牛顿的微粒说：认为光是高速粒子流，它能解释光的直射现象和光的反射现象. 2.惠更斯的波动说：认为光是某种振动，以波的形式向周围传播，它能解释光的干涉和衍射现象. 3.麦克斯韦的电磁说：认为光是电磁波，依据的实验是赫兹实验，它证明了光与电磁波在真空中传播速度相等且均为横波. 4.爱因斯坦的光子说：认为光的传播是一份一份的，每一份叫一个光子，其能量与它的频率成正比，即E=h（频,率）,光子说能成功地解释光电效应现象. 5.光的波粒二象性学说：认为光既有粒子性，又有波动性，少量光子易表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性；频率大的光子粒子性明显，而频率小的光子波动性明显. 二、光的干涉 1.产生稳定干涉的条件：两个光源发出的光频率相同. 2.双缝干涉：由同一光源发出的光经两狭缝后形成两列光波叠加产生.当这两列光波到达某点的光程差为波长的整数倍时，该处的光互相加强，出现明条纹，如图69-1甲所示；当到达某点的光程差为半波长的奇数倍时，该处的光互相削弱，出现暗条纹，如图69-1乙所示. 条纹间距与单色光的波长成正比，即x= .,图69-1 3.在用白光做“双缝干涉实验”时，除中央白条纹外，两侧为彩色的干涉条纹. 4.薄膜干涉：由薄膜前后表面反射的 两列光波叠加而成，楔形薄膜干涉可产生 平行、等间距的条纹，如图69-2所示. (1)若入射光为单色光，可形成明暗 相间的干涉条纹；若入射光为白光，可形 图69-2,成彩色的干涉条纹. (2)可用来检查工作表面平整度，精度可达10-8 m，也可用作增透膜，增透膜的厚度应是透射光的薄膜中波长的 倍. 三、光的衍射 1.光离开直线路径绕过障碍物传播到障碍物后面的现象叫光的衍射. 2.产生明显衍射的条件：障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长相比较或比光波的波长还要小. 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）. 四、光的电磁说,1.麦克斯韦根据他对电磁场理论的研究，提出了光是一种电磁波.赫兹通过实验证实了麦克斯韦理论的正确性. 2.麦克斯韦认为光是一种电磁波，其实验依据为： （1）光波与电磁波的传播都可以不需要介质. （2）光波与电磁波在真空中的传播速度相等，都为3.0108 m/s. （3）光波和电磁波都是横波. 五、电磁波谱 1.频率不同的电磁波表现出不同的特性：红外线热效应显著，紫外线化学、生理作用显著并能产生荧光效应，X射线穿透本领很大，射线穿透本领更大. 2.频率不同的电磁波产生的机理不同：红外线、可见光、,紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的，X射线是原子内层的电子受到激发后产生的，射线是原子核受到的激发后产生的. 3.电磁波谱按波长由大到小的排列顺序为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线. 六、光的偏振 1.偏振 定义：横波只沿某一特定的方向振动，称为波的偏振. 2.自然光 定义：若光源发出的光，包括在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，这种光叫做自然光.,3.偏振光 （1）定义：在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定方向振动的光，叫做偏振光. （2）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,检偏器. 其实,偏振片并非刻有狭缝,而是具有一种特性,即存在一个偏振化方向,只让平行于该方向振动的光通过,其他振动方向的光则被吸收了. 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.,(3)偏振光的理论意义和应用 理论意义:光的干涉和衍射现象充分说明了光是波,但不能确定光波是横波还是纵波.光的偏振现象说明了光波是一种横波. 应用:照相机镜头、立体电影、消除车灯炫光等. 说明：除从光源（如太阳、电灯等）直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光都是不同程度的偏振光. 七、激光 1.定义：原子发生跃迁时，发出的光子的频率、发射方向都跟入射光子完全一样，如果这样的光子在介质中传播时，再引起其他原子发生受激辐射，就会产生越来越多的频率和发射方向都相同的光子，使光得到加强（也叫光放大），这就是激光.,2.激光的主要特点及应用 （1）主要特点：平行度好（光子的发射方向相同）、相干性（光子的频率相同）、亮度高. (2)应用：由于其方向性好（即平行度好），可以用它来精确测距（如激光雷达），还可以用激光读VCD机、CD唱机或计算机光盘上的信息，经过处理后还原成声音和图像. 由于频率相同，激光是一种人工产生的相干光，所以它能像无线电波那样进行调制，用来传递信息.光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物. 由于其亮度高，可以切割物质，医学上用做“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤等，还可以利用激光来引起核聚变. 基础自测,1.（2009年浏阳模拟）下列几种电磁波对同一小孔，最 容易观察到衍射现象的是（包括用特殊方法观察）（ ） A红光 B紫光 C紫外线 DX射线 【解析】根据产生明显衍射现象的条件，波长越大越容易发生衍射现象，而在以上四种波中，红光波长最大，故最容易发生衍射现象，所以应选A 【答案】A 2.(2009年湖南八校联考)在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏幕上观察到了彩色干涉条纹.若在双缝中的一缝前放一红色滤光片（只能透过红光），另一缝前放一绿色滤光片（只能透过绿光），这时（ ） A.只有红色和绿色的双缝干涉条纹，其他颜色的双缝干,涉条纹消失 B.红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其他颜色的干涉条纹依然存在 C.任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮 D.屏上无任何光亮 【解析】两列光波发生干涉的条件之一是频率相等.利用双缝将一束光分成能够发生叠加的两束光，在光屏上形成干涉条纹，但分别用绿色滤光片和红色滤光片挡住两条缝后，红光的频率和绿光的频率不等，不能发生干涉，因此不会在屏上出现干涉条纹，但屏上仍有红光和绿光. 【答案】C 3.(2009年无锡调研)劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如,图69-3甲所示，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69-3乙所示.干涉条 纹有如下特点：（1）任意一条明条纹 或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等； 图69-3 （2）任意相邻明条纹和暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定.现若在图69-3甲所示的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将（ ） A.变疏 B.变密 C.不变 D.消失,【解析】光线在空气薄膜的上 下表面反射回来的光叠加形成干涉 条纹，设空气薄膜的倾角为，相 邻两条明纹的间距为x，照射光的 图63-3丙 波长为.如图69-3丙所示，d1、d2 处反射的光形成两相邻明纹，则两处光程差分别为1=2d1，2=2d2 又-1= ，所以d2-d1= 由几何关系得: 所以 当抽去一张纸片后，减小，从而观察到的干涉条纹变疏，选项A正确. 【答案】A,创新方法探究 提炼方法 展示技巧 题型方法 一、双缝干涉的现象及分析 例1 图69-4是“双缝干涉实验”的实验装置图.图中使用波长为600 nm的橙色光源照射单缝S，在光屏中央P处观察到亮条纹，在位于P点上方的P1点出现第一条亮纹中心（即P1到S1、S2的路程差为一个波长）.现换用波长为400 nm 的紫光源照射单缝，则（ ） A.P和P1仍为亮点 B.P为亮点，P1为暗点 C.P为暗点，P1为亮点 D.P、P1均为暗点 图69-4,【解析】从单缝S射出的光波被S1、S2两缝分成的两束光为相干光.由题意知屏中央P点到S1、S2的距离相等，即由S1、S2分别射出的光到P点的路程差为零，因此是亮纹中心.因而，无论入射什么颜色的光，其波长多大，P点都是中央亮纹中心. 而P1点到S1、S2的路程差刚好是橙光的一个波长，即|P1S1-P1S2|=600nm=橙，则两列光波到达P1点时振动情况完全一致，振动得到加强，因此出现亮条纹. 当换用波长为400nm的紫光时，|P1S1-P1S2|=600 nm= ，则两列光波到达P1点时振动情况完全相反，即由S1、S2射出的光波到达P1点时就相互削弱，因此出现暗条纹.综上所述知，选项B正确.,【答案】B 【点评】能够正确分析、理解产生亮纹和暗纹的条件.以及条纹宽度与波长的关系是解决干涉问题的关键. 方法概述 双缝干涉中出现明暗条纹是由双缝处光源的振动情况和某点P到双缝的路程差决定.以上两例中S1、S2两处光源的振动情况完全相同，由此可知产生明条纹的条件是s=n （n=0，1，2）；产生暗条纹的条件是s=（2n+1） （n=0，1，2）.条纹宽度x则由双缝到屏的距离L，双缝之间的距离d和光的波长决定，即 . 二、薄膜干涉及其应用 例2 如图69-5所示，一束白光从左侧射入肥皂薄膜，下,列说法正确的是（ ） A.人从右侧向左看，可以看到 彩色条纹 B.人从左侧向右看，可以看到 彩色条纹 C.彩色条纹水平排列 D.彩色条纹竖直排列 图69-5 【解析】一束白光射到薄膜上，与前后两个界面射回来的光相遇，产生干涉现象，我们由左侧向右看时可看到彩色条纹；又由于薄膜同一水平线上的厚度相同，所以彩色条纹是水平排列的. 【答案】BC 【点评】从右侧向左看到的是折射光，折射光的偏折角,与介质的厚度有关，光经过薄膜后的偏折角很小，大面积光束照射后，各单色光的折射光相互重叠，所以难以看到折射时的色散现象. 方法概述 薄膜干涉问题的关键是要弄清楚题设条件并结合产生薄膜现象的原因和条件来分析.薄膜干涉是由于光在薄膜的前后两个表面上反射的光引起的.一般来说,在不同厚度的薄膜的两个表面反射的光干涉即形成同一条纹,故薄膜干涉有时又叫等厚干涉.在光学元件（透镜、棱镜）的表面涂一层薄膜,当薄膜的厚度是光在薄膜中波长的 时,在薄膜的两个面上的反射光程差恰好等于半波长,因而相互抵消,起到减小反射光、增大透射光强度的作用.当薄膜的厚度为 时,则会增强反射光而减小透射光的强度.,三、光的干涉、衍射及色散的比较分析 例3 下面现象中，属于光的衍射现象的是（ ） A.雨后美丽的彩虹 B.对着日光灯从两铅笔的缝中看到彩色条纹 C.阳光下肥皂膜上的彩色条纹 D.光通过三棱镜产生的彩色条纹 【解析】雨后的彩虹和光通过三棱镜产生的彩色条纹都是光的折射现象；阳光下肥皂膜上的彩色条纹是光的薄膜干涉现象；对着日光灯从两铅笔的缝中看到彩色条纹是半缝衍射现象.故选项B正确. 【答案】B 【点评】出现彩色条纹的三种情况：光的干涉；光的折射即光的色散；光的衍射.,方法概述 双缝干涉的前提条件是通过双缝的光发生了衍射,干涉与衍射的本质都是波的叠加原理.要注意双缝干涉与单缝衍射的条件的区别. 干涉条纹和衍射条纹在光屏上的分布情况不同,单色光的双缝干涉图样是以中央明条纹为中心,两边对称且等间距排列的明暗相间的条纹,明条纹的亮度从中央向两边逐渐减小；而单色光的衍射图样是间距不等的明暗相间的条纹,且中央明条纹最宽最亮,两旁的明条纹的亮度迅速减小. 高考排雷 对“增透膜”与“增反膜”的厚度的分析 例 登山运动员在登雪山时要注意防止紫外线的过度照射，尤其是眼睛更不能长时间被紫外线照射，否则将会严重,地损伤视力.有人想利用薄膜干涉原理设计一种能大大减小紫外线对眼睛伤害的眼镜.他选用的薄膜材料的折射率为n=1.5,所要消除的紫外线的频率为=8.11014 Hz,那么他设计的这种“增反膜”的厚度至少是（ ） A.9.2610-8 m B.1.8510-7 m C.1.2310-7 m D.6.1810-8 m 【错解】选项A或B 【剖析】本题易错之处主要表现在：一是不知道“增反膜”是利用光的薄膜干涉，从而得出“路程差（大小等于薄膜厚度d的2倍）应等于光在薄膜中的波长的整数倍”的结论；二是不知道上述波长应为光在薄膜中的波长,而误认为是真空中的波长. 【正解】为了减小进入眼睛的紫外线，应使入射光分别,从该膜的前后两个表面反射出来形成的光叠加后加强，则路程差（大小等于薄膜厚度d的2倍）应等于光在薄膜中的波长的整数倍，即2d=n（n=1，2，）.因此，膜的厚度至少是紫外线在膜中波长的 .紫外线在真空中的波长 ，在膜中的波长是= =2.4710-7 m，故膜的厚度至少是1.2310-7 m. 【答案】C 体验成功 1.(2009年广东茂名一模)光的偏振现象说明光是横波,下列现象中，不能反映光的偏振特性的是（ ） A.一束自然光相继通过两个偏振片,以光束为轴旋转其中一个偏振片,透射光的强度发生变化,B.一束自然光入射到两种介质的分界面上,当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是90时,反射光是偏振光 C.日落时分,拍摄水面下的景物,在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景像更清晰 D.通过两并在一起的铅笔缝隙观察日光灯,可以看到彩色条纹 【答案】D 2.（2009年海口3月调考）用a、b两束单色光分别照射同一双缝干涉装置，在距双缝恒定距离的屏上得到如图69-6所示的干涉图样，其中图甲是用a光照射时形成的，图乙是用b光照射时形成的.则关于a、b两束单色光，下列说法正确的是( ),图69-6 A.a光光子的能量比b光的大 B.在水中，a光传播的速度比b光的大 C.水对a光的折射率比对b光的小 D.b光的波长比a光的短 【解析】双缝干涉条纹的间距 ，由题图可得ab.故选项A正确. 【答案】A 3.(2007年全国理综卷)如图69-7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 图69-7 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 【解析】光束照射在偏振片上，与透振方向相同或在透振方向上有振动分量的光可以全部或部分透过，与透振方向垂直的光不能透过.故选项A、B、D正确. 【答案】ABD 4.(2008年上海物理卷)用如图69-8所示的实验装置观察光,的薄膜干涉现象.图甲是点燃的酒精 灯（在灯芯上洒些盐）,图乙是竖立 的附着一层肥皂液薄膜的金属线圈， 将金属线圈在其所在的竖直平面内 缓慢旋转,观察到的现象是（ ） A.当金属线圈旋转30时，干 涉条纹同方向旋转30 图69-8 B.当金属线圈旋转45时，干涉条纹同方向旋转90 C.当金属线圈旋转60时，干涉条纹同方向旋转30 D.干涉条纹保持不变 【解析】肥皂液膜上出现干涉条纹的原因为:由于重力作用液膜上薄下厚,在同一水平高度厚度大致相同,故可看到水平方向的平行干涉条纹.当线圈在竖直方向缓慢旋转时,液膜,能保持上薄下厚不变，故干涉条纹保持不变. 【答案】D 5.煤矿中瓦斯爆炸危害极大. 某同学查资料得知含有瓦斯的气 体的折射率大于干净空气的折射 率.于是，他设计了一种利用光的 干涉监测矿井瓦斯的仪器，原理 如图69-9所示.在双缝前面放置两 个完全相同的透明容器A、B，容 图69-9 器A与干净的空气相通，在容器B中抽出空气并通入矿井中的气体，观察屏上的干涉条纹，就能够监测瓦斯浓度.以下说法中正确的是（ ） A.如果屏正中央原亮纹不移动，说明B中的气体与A中的,空气成分相同，不含瓦斯 B.如果屏的正中央变为暗纹，说明B中的气体与A中的空气成分不相同，可能含有瓦斯 C.如果屏上干涉条纹不停移动，说明B中的气体瓦斯含量不稳定 D.只有用单色光照射单缝时，才可能在屏上出现干涉条纹 【解析】双缝相当于两完全相同的(相干)光源,当B中也为空气时,双缝发出的光到达光屏中央光波的振动步调完全相同而出现亮纹,当B中通入含瓦斯气体时,由于折射率变化(影响光通过其中的速度)而使得原中央亮纹发生移动. 【答案】ABC,金典预测演练 经典创新 展望高考 1.下列事例与光的干涉有关的是（ ） A.用光导纤维传播信号 B.用透明的标准样板和单色光检查平面的平整度 C.一束白光通过三棱镜形成彩色光带 D.水面上的油膜呈现彩色 【答案】BD 2.平行光通过小孔得到的衍射图样和泊松亮斑比较,下列说法正确的是（ ） A.在衍射图样的中心都是亮斑 B.泊松亮斑中心亮点周围的暗环较宽 C.小孔衍射的衍射图样的中心是暗斑,泊松亮斑图样的中心是亮斑,D.小孔衍射的衍射图样中亮暗条纹间的间距是均匀的,泊松亮斑图样中亮暗条纹间的间距是不均匀的 【答案】AB 3.关于立体电影,下列说法正确的是（ ） A.观众要戴上一副特制的眼镜，这是为了防止伤害眼睛 B.这副眼镜其实就是一对偏振方向互相垂直的偏振片 C.戴上特制眼镜的观众如果只用一只眼睛看，则看到的是银幕上一片亮光而没有图像 D.产生立体视觉是因为人的两只眼睛同时观察物体时，在视网膜上形成的像并不完全相同 【答案】BD 4.如图所示的4种明暗相间的条纹，分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光、紫光,各自通过同一个单缝形成的衍射图样（黑色部分表示亮纹） .则在下面的四个图中从左往右排列，亮条纹的颜色依次是（ ） A.红、黄、蓝、紫 B.红、紫、蓝、黄 C.蓝、紫、红、黄 D.蓝、黄、红、紫 【解析】干涉条纹等间距，间距与波长成正比；衍射条纹中央宽两侧窄，且波长越大条纹越宽.红光的波长比蓝光的长，所以红光条纹宽度大；黄光的波长比紫光的长，所以黄光条纹宽度大.因此选项B正确. 【答案】B,5.在单缝衍射实验中，下列说法正确的是（ ） A.将入射光由黄光换成绿光，衍射条纹间距变窄 B.使单缝宽度变小，衍射条纹间距变窄 C.换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽 D.增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距变宽 【解析】当单缝宽度一定时，波长越长，衍射现象越明显，即光偏离直线传播的路径越远，条纹间距也越大；当光的波长一定时，单缝宽度越小，衍射现象越明显，条纹间距越大；光的波长一定、单缝宽度也一定时，增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距也会变宽.故选项A、C、D正确. 【答案】ACD 6.在“杨氏干涉实验”中，从两个狭缝到达像屏上的某,点的光走过的“路程”相等，该点即为中央亮条纹的位置（即k=0对应的那条亮条纹），双缝屏上有上下两狭缝，设想在双缝屏后用一块极薄的透明玻璃片遮盖下方的缝，则屏上中央亮条纹的位置将( ) A.向上移动 B.向下移动 C.不动 D.可能向上移动，也可能向下移动 【解析】双缝到屏上中央亮条纹O点的距离相等，当下方的狭缝用一块薄的玻璃片遮盖住后，由于波在玻璃中传播的波长变小，因此下缝到O点的距离内的波长个数（也可能不足整数个）变多，所以屏上对应的到双缝波长个数相等的点下移，即屏上中央亮条纹的位置将向下移动，故本题选B.,【答案】B 7.太阳表面的温度约为6000 K，所辐射的电磁波中辐射强度最大的在可见光波段；人体的温度约为310 K，所辐射的电磁波中辐射强度最大的在红外线波段；宇宙空间中的电磁辐射相当于温度约为3 K的物体所发出的电磁辐射称“3 K背景辐射”.若要对“3 K背景辐射”进行观测研究，则应选择的观测波段为（ ） A.无线电波 B.紫外线 C.X射线 D.射线 【解析】由题中所给的信息可知,温度越低发射电磁波的频率也就越低.因此“3 K背景辐射”电磁波频率低于红外线，在四个选项中只有无线电波符合，故选项A正确. 【答案】A,8.抽制细丝时可用激光监控其粗细，如图所示，激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板上的一条同样宽度的窄缝的规律相同.下列说法正 确的是( ) A.这是利用光的干涉现象 B.这是利用光的衍射现象 C.如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝粗了 D.如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝细了 【解析】细丝相当于狭缝，细丝如果足够细，激光束越过细丝时也会发生光的衍射，且丝越细，越接近激光波长， 衍射现象越明显.故选B、D. 【答案】BD,9.把两根铅笔并在一起，中间留一条很窄的缝，放在眼前，通过这条缝去看远处的日光灯（使狭缝的方向与灯管平行），可以看到（ ） A.平行的黑白相间的条纹 B.平行的彩色条纹 C.圆弧形的黑白相间的条纹 D.圆弧形的彩色条纹 【解析】此现象属于单缝衍射，可看见平行彩色条纹. 【答案】B 10.将一个曲率半径很大的 凸透镜的弯曲表面压在另一个 玻璃平面上,让单色光从上方射 入，如图甲所示,这时可以看到 亮暗相间的同心圆，如图乙所 示.这个现象是牛顿首先发现的,所以这些同心圆叫做牛顿环.,为了使同一级圆环的半径变大(例如从中心数起的第二道圆环),则应（ ） A.将凸透镜的曲率半径变大 B.将凸透镜的曲率半径变小 C.改用波长更长的单色光照射 D.改用波长更短的单色光照射 【解析】经透镜与玻璃平面之间的空气层的上下表面反射的光发生干涉.空气层的厚度越大,则条纹的数目越多. 将凸透镜的曲率半径变大,则空气层的厚度变小,条纹的数目减少,则同一级圆环的半径变大,选项A正确.改用波长更长的单色光照射,形成的相邻明条纹或暗条纹的间距x变大,条纹应