光的波动性

1 / 21 光的波动性 本资料为 WoRD 文档，请点击下载地址下载全文下载地址 光的波动性类型：复习课 光的波动性 一、光的干涉 一、光的干涉现象 两列波在相遇的叠加区域，某些区域使得 “ 振动 ” 加强，出现亮条纹；某些区域使得振动减弱，出现暗条纹。振动加强和振动减弱的区域相互间隔，出现明暗相间条纹的现象。这种现象叫光的干涉现象。 二、产生稳定干涉的条件： 两列波频率相同，振动步调一致 (振动方向相同 )，相差恒定。两个振动情况总是相同的波源，即相干波源 1.产生相干光源的方法（必须保证相同）。 利用激 光 (因为激光发出的是单色性极好的光 )； 分光法 (一分为二 )：将一束光分为两束频率和振动情况完全相同的光。 (这样两束光都来源于同一个光源 ,频率必然相等 ) 下面 4 个图分别是利用双缝、利用楔形薄膜、利用空气膜、利用平面镜形成相干光源的示意图 点 (或缝 )光源分割法：杨氏双缝 (双孔 )干涉实验；利用反射得到相干光源：薄膜干涉 2 / 21 利用折射得到相干光源： 2双缝干涉的定量分析 如图所示，缝屏间距 L 远大于双缝间距 d， o 点与双缝 S1和S2等间距，则当双缝中发出光同时射到 o 点附近的 P 点时，两束光波的路程差为 =r2 r1；由几何关系得： r12=L2+(x )2， r22=L2+(x+)2. 考虑到 L d 和 L x，可得 =. 若光波长为 ， 亮纹：则当 =k(k=0,1,2,) 屏上某点到双缝的光程差等于波长的整数倍时，两束光叠加干涉加强； 暗纹：当 =(2k 1)(k=0,1,2,) 屏上某点到双缝的光程差等于半波长的奇数倍时，两束光叠加干涉减弱， 据此不难推算出： (1)明纹坐标 x=k(k=0 ， 1， 2， ）(2)暗纹坐标 x=(2k 1)(k=1， 2， ） 测量光波长的方法 (3)条纹间距 相邻亮纹 (暗纹 )间的距离 x=.( 缝屏间距 L，双缝间距 d) 用此公式可以测定单色光的波长。则出 n 条亮条纹 (暗 )条纹的距离 a,相邻两条亮条纹间距 用白光作双缝干涉实验时 ,由于白光内各种色光的波长不同 ,干涉条纹间距不同 ,所以屏的中央是白色亮纹 ,两边出现彩色条纹。 结论：由同一光源发出的光经两狭缝后形成两列光波叠加产生 3 / 21 当这两列光波到达某点的路程差为波长的整数倍时，即=k ，该处的光互相加强，出现亮条纹； 当到达某点的路程差为半波长奇数倍时，既 = ，该点光互相消弱，出现暗条纹； 条纹间距与单色光波长成正比 () ， 所以用单色光作双缝干涉实验时，屏的中央是亮纹，两边对称地排列明暗相同且间距相等的条纹 用白光作双缝干涉实验时，屏的中央是白色亮纹，两边对称地排列彩色条纹，离中央白色亮纹最近的是紫色亮纹。 原因：不同色光产生的条纹间距不同，出现各色条纹交错现象。所以出现彩色条纹。 将其中一条缝遮住：将出现明暗相间的亮度不同且不等距的衍射条纹 【例 1】在双缝干涉实验中，双缝到光屏上 P 点的距离之差 0 6m ，若分别用频率为 f1=和 f2=7 51014Hz 的单色光垂 直照射双缝，则 P 点出现明、暗条纹的情况是（） A单色光 f1 和 f2分别照射时，均出现明条纹 B单色光 f1 和 f2分别照射时，均出现暗条纹 c单色光 f1 照射时出现明条纹，单色光 f2 照射时出现略条纹 D单色光 f1 照射时出现暗条纹，单色光 f2 照射时出现明条纹 4 / 21 解析：如图所示，双缝 S1、 S2，到光屏上任一点 P 的路程之差 d S2S2，当 d 等于单色光波长的整数倍时由 S1和S2发出的光在 P 点互相加强， P 点出现明条纹，当 d 等于单色光半个波长的奇数倍时这样由 S1 和 S2 发出的光在 P，互相抵消，出现暗条纹 本题中单色光 f1 的波长为 1 c f1 0 6m ，单色光f2的波长为 2 c f2 0 4m 可见 d=1 、 d=31/2 答案： c 【例 2】用绿光做双缝干涉实验，在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹，相邻两条绿条纹间的距离为 x 。下列说法中正确的有 A.如果增大单缝到双缝间的距离， x 将增大 B.如果增大双缝之间的距离， x 将增大 c.如果增大双缝到光屏之间的距离， x 将增大 D.如果减小双缝的每条缝的宽度，而不改变双缝间的距离，x 将增大 解：公式中 l 表示双缝到屏的距离， d 表示双缝之间的距离。因此 x 与单缝到双缝间的距离无关，于缝本身的宽度也无关。本题选 c。 3薄膜干涉现象：光照到薄膜上，由薄膜前、后表面反射的两列光波叠加而成劈形薄膜干涉可产生平行相间条纹， 两列反射波的路程差 , 等于薄膜厚度 d 的两倍，即5 / 21 =2d 。由于膜上各处厚度不同，故各处两列反射波的路程差不等。若： =2d=n(n=1,2) 则出现明纹。 =2d=(2n -1)/2(n=1,2) 则出现暗纹。 应注意：干涉条纹出现在被照射面 (即前表面 )。后表面是光的折射所造成的色散现象。 单色光明暗相间条纹，彩色光 出现彩色条纹。 薄膜干涉应用：肥皂膜干涉、两片玻璃间的空气膜干涉、浮在水面上的油膜干涉、牛顿环、蝴蝶翅膀的颜色等。 光照到薄膜上，由膜的前后表面反射的两列光叠加。看到膜上出现明暗相间的条纹。 (1)透镜增透膜 (氟化镁 )：透镜增透膜的厚度应是透射光在薄膜中波长的 1 4 倍。使薄膜前后两面的反射光的光程差为半个波长， (T=2d=½ ，得 d=¼) ，故反射光叠加后减弱。大大减少了光的反射损失，增强了透射光的强度，这种薄膜叫增透膜。光谱中央部分的绿光对人的视觉最敏感，通过时完全抵消 ，边缘的红、紫光没有显著削弱。所有增透膜的光学镜头呈现淡紫色。 从能量的角度分析 E 入 =E反 +E透 +E吸。在介质膜吸收能量不变的前提下，若 E 反 =0，则 E 透最大。增强透射光的强度。 (2)“ 用干涉法检查平面 ” ：如图所示，两板之间形成一层空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等间距的。如果某处凸起来，则对应明6 / 21 纹 (或暗纹 )提前出现，如图甲所示；如果某处凹下，则对应条纹延后出现，如图乙所示。 (注： “ 提前 ” 与 “ 延后 ” 不是指在时间上，而是指由左向右的顺序位置上。 ) 注意：由 于发光物质的特殊性，任何独立的两列光叠加均不能产生干涉现象。只有采用特殊方法从同一光源分离出的两列光叠加才能产生干涉现象。 4光的波长、波速和频率的关系 v f 。光在不同介质中传播时，其频率 f 不变，其波长 与光在介质中的波速 v 成正比色光的颜色由频率决定，频率不变则色光的颜色也不变。 【例 2】如图所示，一束白光从左侧射入肥皂薄膜，下列说法中正确的是（） A人从右侧向左看，可看到彩色条纹 B人从左侧向右看，可看到彩色条纹 c彩色条纹平行排列 D彩色条纹竖直排列 解析：白 光从左侧照射到薄膜上经两个表面反射回来的光相遇产生干涉现象这样人从左侧向右看可以看到彩色条纹。故选 B 弃 A由于薄膜从上到下逐渐变厚，且同一水平线上厚度相同，两列反射光叠加时振幅相同，故彩色条纹是水平的，选 c 弃 D答案： Bc 例 3劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图（ 1）所示 .7 / 21 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，从上往下看到干涉条纹如图（ 2）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；（ 2）任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定 .现若在图（ 1）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，从上往下看到的干涉条纹 A.变疏 B.变密 c.不变 D.消失 【解析】由薄膜干涉的原理和特点可知，干涉条纹是由膜的上、下表面反射的光叠加干涉而形成的，某一明条纹或暗条纹的位置就由上、下表面反射光的路程差决定，且相邻明条纹或暗条纹对应的该路程差是恒定的，而该路程差又决定于条纹下对应膜的厚度差，即相邻明条纹或暗条纹下面对应的膜的厚度差也是恒定的 .当抽去一纸片后，劈形空气膜的劈尖角 上、下表面所夹的角变小，相同的厚度差对应的水平间距离变大，所以相邻的明条纹或暗条纹间距变大，即条纹变疏 .答案 A 正确 . 【例 4】市场上有种灯具俗称 “ 冷光灯 ” ，用它照射物品时能使被照物品处产生的热效应大大降低，从而广泛地应用于博物馆，商店等处，这种灯降低热效应的原因之一是在灯泡后面放置的反光镜玻璃表面上镀了一层薄膜 (例如氟化镁 )，8 / 21 这种膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的热效应最显著的红外线。以 表示此红外线的波长，则所镀薄膜的厚度最小应为： A./8 B./4 c./2 D. 解析：若 使膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的热效应，即让膜的前后两表面反射光叠加作用减弱 ,为减小反射的热效应显著的红外线，则要求红外线在薄膜的前后表面反射后叠加作用减弱，即光程差为半波长的奇数倍，故膜的最小厚度为红外线在该膜中波长的 1/4。【答案】 B 二、光的衍射。 1.光的衍射现象是光离开直线路径而绕到障碍物阴影里的现象 单缝衍射：中央明而亮的条纹，两侧对称排列强度减弱，间距变窄的条纹。 圆孔衍射：明暗相间不等距的圆环，（与牛顿环有区别的） 2.泊松亮斑：当光照到不透光的极小圆板上时，在圆板的 阴影中心出现的亮斑。当形成泊松亮斑时，圆板阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。 【趣味故事】法国数学家柏松 (波动学说反对者 )菲涅耳的光波动理论推算出圆板阴影中心应有一个亮斑。 由于从来没人报道这件事情，当时的实验条件也无法在影子的中央找到亮斑，似乎十分茺谬的。柏松以为驳倒了菲涅耳9 / 21 的波动理论，事于愿违：后来实验的精确和改进，在圆板影的中心确实找到了这样一个亮斑。这一亮斑的发现，柏松反而为光的波动理论帮了大忙，光的波动理论反而被确切无疑证实了。 3.各种不同形状的障碍物都能使光发生衍 射。至使轮廓模糊不清， 4.产生明显衍射的条件： 障碍物 (或孔 )的尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还小。 (当障碍物或孔的尺寸小于时，有明显衍射现象 ) d300 当 d=1300 时看到的衍射现象就很明显了。 小结：光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果，但存在明显的区别： 单色光的衍射条纹与干涉条纹都是明暗相间分布，但衍射条纹中间亮纹最宽，两侧条纹逐渐变窄变暗， 干涉条纹则是等间距，明暗亮度相同。 白光的衍射条纹与干涉条纹都是彩色的。 意义： 干涉和衍射现象是波的特征：证明光具有波动性 。 大，干涉和衍射现明显，越容易观察到现象。 衍射现象表明光沿直线传播只是近似规律，当光波长比障碍物小得多和情况下 (条件 )光才可以看作直线传播。 (反之 ) 在发生明显衍射的条件下，当窄缝变窄时，亮斑的范围变大，条纹间距离变大，而亮度变暗。 10 / 21 光的直进是几何光学的基础，光的衍射现象并没有完全否认光的直进，而是指出光的传播规律受一定条件制约的，任何物理规律都受一定条件限制。 (光学显微镜能放大 2000倍，无法再放大，再放大衍射现象明显了。 ) 【例 5】某同学以线状白炽灯为光源，利用游标卡尺两脚间形成 的狭缝观察光的衍射现象后，总结出以下几点，你认为正确的是 A.若狭缝与灯泡平行，衍射条纹与狭缝平行 B.若狭缝与灯泡垂直，衍射条纹与狭缝垂直 c.衍射条纹的疏密程度与狭缝的宽度有关 D.衍射条纹的间距与光的波长有关【答案】 AcD 【例 6】平行光通过小孔得到的衍射图样和泊松亮斑比较，下列说法中正确的有 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 解：从课本上的图片可以看出： A、 B 选项是正确的， c、 D选项是错误的。 11 / 21 (以下新教材适用 ) 三 .光的偏振 横波只沿某个特定方向振动，这种现象叫做波的偏振。只有横波才有偏振现象。 根据波是否具有偏振现象来判断波是否横波，实验表明，光具有偏振现象，说明光波是横波。 （ 1）自然光。太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含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，这种光叫自然光。自然光通过偏振片后成形偏振光。 （ 2）偏振光。自然光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，叫偏振光。自然光射到两种介质的界面上，如果光的入射方向合适，使反射和折射光之间的夹角恰好是 90 ，这时，反射光和折射光就都是偏振光，且它们的偏振方向互相垂直。我们通常看到的绝大多数光都是偏振光。除了直接从光源发出的光外。 偏振片 (起偏器 )由特定的材料制成，它上面有一个特殊方向(透振方向 )只有振动方向和透振方向平行的光波才能通过偏振片。 （ 3）只有横波才有偏振现象。光的偏振也证明了光是一种波，而且是横波。 各种电磁波中电场 E 的方向、磁场 B 的方向和电磁波的传播12 / 21 方向之间，两两互相垂直。 （ 4）光波的感光作用和生理作用主要是由电场强度 E 引起的，因此将 E 的振动称为光振动。 （ 5）应用：立体电影、照相机的镜头、消除车灯的眩光等。 【例 7】如图所示，让太阳光或白炽灯光通过偏振片 P和 Q，以光的传播方向为轴旋转偏振片 P 和 Q，可以看到透射光的强度会发生变化，这是光的偏振现象，这个实验表明： A.光是电磁波 B.光是一种横波 c.光是一种纵波 D.光是概率波 【分析】太阳光或白炽灯发出的光是自然光，它包含有垂直于传播 方向上沿一切方向振动的光，且沿着各个振动方向的光强相同。当这种光经过偏振片后，就变成了偏振光，即只有振动方向与偏振片透振方向平行的光通过了偏振片 P，形成偏振光，这种偏振光传到偏振片 Q 时，当偏振片 P 和 Q 透振方向平行时，会完全穿过，垂直时不会穿过，透射程度与二偏振片的透振方向间的夹角有关，因此才出现题中所述的现象，该现象说明：光是一种横波。【答案】 B 【例 8】有关偏振和偏振光的下列说法中正确的有 A.只有电磁波才能发生偏振，机械波不能发生偏振 B.只有横波能发生偏振，纵波不能发生偏振 c.自然界不存在偏 振光，自然光只有通过偏振片才能变为偏13 / 21 振光 D.除了从光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光都是偏振光 解：机械能中的横波能发生偏振。自然光不一定非要通过偏振片才能变为偏振光。本题应选 BD。 四、麦克斯韦光的电磁说 1、光的干涉与衍射充分地表明光是一种波，光的偏振现象又进一步表明光是横波。 提出光电磁说的背景：麦克斯韦对电磁理论的研究预言了电磁波的存在，并得到电磁波传播速度的理论值 108m/s ，这和当时测出的光速 108m/s 非常接近，在此基础上 麦克斯韦提出了光在本质上是一 种电磁波 这就是所谓的光的电磁说。 光电磁说的依据：赫兹在电磁说提出 20 多年后，用实验证实了电磁波的存在，测得电磁波的传播速度确实等于光速，并测出其波长与频率，并且证明了电磁波也能产生反射、折射、衍射、干涉、偏振等现象。用实验证实了光的电磁说的正确性。 光电磁说的意义：揭示了光的电磁本性，光是一定频率范围内的电磁波；把光现象和电磁学统一起来，说明光与电和磁存在联系。 说明了光能在真空中传播的原因：电磁场本身就是物质，不14 / 21 需要别的介质来传递。 电磁波谱： 按波长由大到小的顺序排列为：无线电波、红 外线、可见光(七色 )、紫外线、 X 射级、 射线，除可见光外，相邻波段间都有重叠。 各种电磁波产生的基理、性质差别、用途。 电磁波种类无线电波红外线可见光紫外线伦琴射线 射线 频率 (Hz)104 310121012 1014 1014 5101631016 3102031019 以上 真空中波长 (m)31014 10 43104 10 10 7410 7410 7 610 910 8 10 1210 11 以下 组成频率波 波长：大小波动性：明显不明显 频率：小大粒子 性：不明显明显 观察方法无线电技术利用热效应激发荧光利用贯穿本领 照相底片感光（化学效应）核技术 各种电磁波的产生机理 Lc 电路中自由电子的的振荡原子的外层电子受到激发原子的内层电子受到激发原子核受到激发 特性波动性强热效应引起视觉化学作用、荧光效应、杀菌贯穿作用强贯穿本领最强 用途通讯，广播，导航加热烘干、遥测遥感，医疗，导向等15 / 21 照明，照相，加热日光灯，黑光灯手术室杀菌消毒，治疗皮肤病等检查探测，透视，治疗等探测，治疗等 从无线电波到 射线，都是本质上相同的电磁波，它们的行服从同的波动规律。 由于频率和波长不同，又表现出不同的特性：波长大 (频率小 )干涉、衍射明显，波动性强。 现在能在晶体上观察到 射线的衍射图样了。 除了可同光外，上述相邻的电磁波的频率并不绝对分开，但频率、波长的排列有规律。 (3)红外线、紫外线、 X 射线的性质及应用。 种类产生主要性质应用举例 红外线一切物体都能发出热效应遥感、遥控、加热 紫外线一切高温物体能发出化学效应荧光、杀菌、合成 VD2 X 射线阴极射线射到固体表面穿透能力强人体透视、金属探伤 实验证明：物体辐射出的电磁波中辐射最强的波长 m 和物体温度 T 之间满足关系 mT=b （ b 为常数）。 可见高温物体辐射出的电磁波频率较高。在宇宙学中，可以根据接收到的恒星发出的光的频率，分析其表面温度。 可见光：频率范围是 1014Hz ，波长范围是 400-770nm。 例 15.为了转播火箭发射现场的实况，在发射场建立了16 / 21 发射台，用于发射广播电台和电视台两种信号。其中广播电台用的电磁波波长为 550m，电视台用的电磁波波长为。为了不让发射场附近的小山挡住信号，需要在小山顶上建了一个转发站，用来转发 _信号，这是因为该信号的波长太_，不易发生明显衍射。 解：电磁波的波长越长越容易发生明显衍射，波长越短衍射越不明显，表现出直线传播性。这时就需要在山顶建转发站。因此本题的转发站一定是转发电视信号的，因为其波长太短。 【例 9】关于电磁波，下列说法中哪些是正确的（） A电磁波中最容易表现出干涉、衍射现象的是无线电波 B红外线、可见光、紫外线是原子外层电子受激发后产生的 c 射线是原子内层电子受激发后产生的 D红外线的波长比红光波长长，它的显著作用是热作用 解析：电磁波服从共同的规律，波长较大的无线电波是电磁波中 最容易发生干涉和衍射现象的，电磁波之间的差异来源于它们产生的机理的不同，红外线、可见光、紫外线是原子外层电子受激发后产生的，伦琴射线是原子内层电子受激发后产生的， 射线则是原子核受激发后产生的答案： ABD 五、光谱和光谱分析（可用光谱管和分光镜观察）由色散形成的，按频率的顺序排列而成的彩色光带叫做光谱 17 / 21 1发射光谱 (1)连续光谱：包含一切波长的光，由炽热的固体、液体及高压气体发光产生； (2)明线光谱：又叫原子光谱，只含原子的特征谱线由稀薄气体或金属蒸气发光产生。 2吸收光谱：连续光通 过某一物质被吸收一部分光后形成的光谱，能反映出原子的特征谱线 每种元素都有自己的特征谱线，根据不同的特征谱线可确定物质的化学组成，光谱分析既可用明线光谱，也可用吸收光谱 【例 10】关于光谱和光谱分析，下列说法中正确的是（） A太阳光谱和白炽灯光谱都是明线光谱 B霓虹灯和煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气产生的光谱都是明线光谱 c进行光谱分析时可以利用明线光谱，不能用连续光谱“ D我们观察月亮射来的光谱，可以确定月亮的化学组成 解析：这类问题首先需要弄清连续光谱，明线光谱和吸收光论 的产生机理太阳光谱是我们从地球上观察的，所以是吸收光谱月亮反射到地面的光谱是太阳光谱，煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气，属稀薄气体发光，产生明线光谱答案： B 六 .激光的主要特点及应用 18 / 21 (1)激光是人工产生的相干光，可应用于光纤通信。普通光源发出的光是混合光，激光频率单一，相干性能好非常好，颜色特别纯。 (2)平行度和方向性非常好。应用于激光测距雷达，可精确测距 (s=ct/2)、测速、目标跟踪、激光光盘、激光致热切割、激光核骤变等。 (3)亮度高、能量大，应用于切割各种物质、打孔 和焊接金属。医学上用激光作 “ 光刀 ” 来做外科手术。 七注意问题 1知道反映光具有波动性的实验及有关理论 2光的干涉只要求定性掌握，要能区分光的干涉和衍射现象：凡是光通单孔、单缝或多孔多缝所产生的现象都属于衍射现象，只有通过双孔、双缝、双面所产生的现象才属于干涉现象；干涉条纹和衍射条纹虽然都是根据波的叠加原理产生的，但两种条纹有如下区别（以明暗相同的条纹为例）：干涉纹间距相等，亮条纹亮度相同衍射条纹，中央具有宽而明亮的亮条纹，两侧对称地排列着一系列强度较弱较窄的亮条纹 规律方法 1.理解光 的波动性 【例 11】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19 / 21 光），这时（） A只有红色和绿色的双缝于涉条纹，其它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，其它颜色的双缝干涉条纹依然存在 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：由于双缝前各有一块滤光片，分别都透过红光和绿光，这两种色光不能发生干涉，故在屏上无双缝干涉条纹，但是这两种色光通过 每个单缝时发生单缝衍射，故屏上仍有光亮所以 c 选项正确， 【例 12】用绿光做双缝干涉实验，在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹，相邻两条绿条纹间的距离为 x 。下列说法中正确的有 A.如果增大单缝到双缝间的距离， x 将增大 B.如果增大双缝之间的距离， x 将增大 c.如果增大双缝到光屏之间的距离， x 将增大 D.如果减小双缝的每条缝的宽度，而不改变双缝间的距离，x 将增大 解：公式中 l 表示双缝到屏的距离， d 表示双缝之间的距离。因此 x 与单缝