福建省长泰一中高三物理 第十二章 第2讲 光的波动性复习课件 新人教版选修34.ppt

第2讲光的波动性 考点1光的干涉 1 光的干涉 1 现象 两列光波在空间相遇时发生叠加 在某些区域总是加强 在另外一些区域总是减弱 从而出现 的条纹 2 条件 相同 相同 相位差恒定的两列光叠加 明暗相间 频率 振动方向 3 获得相干光源的方法 将同一列光波分解为两列光波 可以获得相干光源 干涉和薄膜干涉都是用此种方法获得相干光源 2 两种典型的干涉 1 双缝干涉 相干光 两狭缝s1 s2射出的两束光 图样特点 单色光时形成 的条纹 白光时形成 条纹 条纹间距公式 y 为光的波长 d为两缝间的距离 l为两缝到光屏的距离 双缝 明暗相间 彩色 2 薄膜干涉 相干光 光照射到透明薄膜上 从 的两个表面反射的两列光波 图样特点 同双缝干涉 同一条亮 或暗 纹对应 的厚度相等 常见的薄膜干涉现象 蚌壳内表面的彩色 昆虫翅翼上的彩色 激光唱片上的彩色 镜头上的增透膜 肥皂膜 水面的油花等 薄膜 薄膜 1 双缝干涉的实验规律的认识 1 获得相干光源的方法 利用激光 因为激光是单色性极好的光 设法将同一束光分为两束 这样两束光都来源于同一个光源 因此频率必然相等 下面4幅图分别是利用双缝 楔形薄膜 空气膜 平面镜形成相干光源的示意图 2 明 暗条纹的确定 双缝干涉实验中 光屏上某点到相干光源s1 s2的路程之差为光程差 记为 如图所示 若光程差 是波长 的整倍数 即 n n 0 1 2 3 p点将出现亮条纹 若光程差 是半波长的奇数倍 即 2n 1 n 0 1 2 3 p点将出现暗条纹 屏上到双缝s1 s2距离相等的点即为加强点 故双缝干涉中央条纹为亮条纹 3 干涉的条纹特征 若用单色光实验 在屏上得到明暗相间的条纹 若用白光实验 中央是白色条纹 两侧是彩色条纹 屏上明暗条纹之间的距离总是相等的 其距离大小 y与双缝之间距离d 双缝到屏的距离l及光的波长 有关 即 y 在l和d不变的情况下 y和波长 成正比 应用该式可测光波的波长 用同一实验装置做干涉实验 红光干涉条纹的间距 y红最大 紫光干涉条纹间距 y紫最小 故可知 红大于 紫 这就是白光干涉条纹中央为白色 两边出现彩色光带的原因 2 薄膜干涉的进一步理解与应用 1 形成 相干光源 如图所示 由于重力作用 肥皂膜上薄下厚 薄膜前表面aa 和后表面bb 的反射光发生叠加 亮暗条纹形成 如图所示 在薄膜干涉中 在p1 p2处 薄膜厚度的2倍为前后表面反射光的光程差 当光程差等于波长整数倍时形成亮条纹 在q处 光程差等于半波长的奇数倍时 形成暗条纹 2 应用 增透膜利用光的薄膜干涉 在镜面涂上一层厚度适当的透明薄膜 该膜的厚度等于入射光在薄膜中波长的1 4 这样 从膜的前后两个表面反射的光 光程差恰好等于半个波长 叠加后互相抵消 减弱了反射光的强度 使透射光的强度得以增大 这种膜叫增透膜 检查平整程度如图所示 待检平面和标准平面之间的楔形空气薄膜 用单色光进行照射 入射光从空气膜的上 下表面反射出两列光波 形成干涉条纹 待检平面若是平的 空气膜厚度相同的各点就位于一条直线上 干涉条纹是平行的 反之 干涉条纹有弯曲现象 如图所示 在杨氏双缝干涉实验中 激光的波长为5 30 10 7m 屏上p点距双缝s1和s2的路程差为7 95 10 7m 则在这里出现的应是 选填 明条纹 或 暗条纹 现改用波长为6 30 10 7m的激光进行上述实验 保持其他条件不变 则屏上的条纹间距将 选填 变宽 变窄 或 不变 解析 由题意可知 7 95 10 7m 则 即p点距双缝s1和s2的路程差为半波长的奇数倍 因此屏上p点出现的是暗条纹 分析屏上的条纹间距 由 y 可知在l和d不变的情况下 y和波长 成正比 后来激光的波长大于原来激光的波长 因此条纹间距将变宽 答案 暗条纹变宽 1 衍射现象 光绕过障碍物 传播方向的现象2 发生明显衍射现象的条件 当孔或障碍物的尺寸 或者跟波长 时 才能发生明显的衍射现象 考点2光的衍射 偏离直线 比光波波 长小 相差不多 1 光的衍射的理解 1 在发生明显衍射的条件下 当缝变窄 或孔变小 时 亮斑的范围变大 条纹间距离变大 而亮度变暗 2 衍射图样 单缝衍射 中央亮纹宽且亮 两侧条纹明暗相间 窄且暗 白光衍射时 中央仍为白光 两侧为彩色 最靠近中央的是紫光 最远离中央的是红光 圆孔衍射 明暗相间的不等距圆环 中央是大且亮的圆亮斑 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小的亮斑 向外是相应的阴影 再向外是亮暗相间的圆环 这是光能发生衍射的有力证据之一 2 光的干涉 衍射和棱镜使白光色散的比较 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 选b 此现象属于单缝衍射 日光灯发出的是白光 可看见平行彩色条纹 故选b 1 光的偏振 1 自然光 太阳 电灯等普通光源发出的光 2 偏振光 在跟光传播方向垂直的平面内 光的强度在某一方向较强 而在另一些方向 太阳光是偏振光 考点3光的偏振 较弱 2 激光的特点及应用 1 激光是人工产生的相干光 可以用来全息照相 2 激光的平行度好 可以用来通信 测距 测速 刻录 读取光盘 3 激光的亮度高 可以用来切割 焊接 打孔 手术用光刀 治疗视网膜剥落 用于人工控制聚变 光的偏振的进一步说明1 自然光与偏振光的区别 1 自然光 在垂直于传播方向的平面内 光波可沿任何方向振动 光振动在平面内的分布是均匀的 强度都相同 2 偏振光 在垂直于光传播方向的平面内 只沿某一个特定方向上振动的光 2 偏振光的产生方式 1 让自然光通过偏振片 偏振片的作用是只允许沿某一个方向振动的光通过 沿其他方向振动的光不能通过 2 自然光射到两种介质的界面上 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 偏振光的理论意义及应用 1 理论意义 光的干涉和衍射现象充分说明了光是一种波 但不能确定光波是横波还是纵波 光的偏振现象说明光波是横波 2 应用 照相机镜头 立体电影 消除车灯眩光等 关于光的偏振 下列说法中错误的是 a 自然光通过偏振片后就变成了偏振光b 立体电影就利用了光的偏振现象c 在拍摄日落时水面下 池中的鱼等景象时 可在镜头前装一偏振滤光片 使图像清晰d 一列光在界面上发生反射与折射 反射光与折射光都是偏振的 且偏振方向都相同 解析 选d 自然光通过偏振片后就变成了偏振光 这是偏振光产生的一种方法 a对 立体电影是两偏振光同时放出 属于光的偏振现象 b对 在拍摄日落时水面下 池中的鱼等景象时 可在镜头前装一偏振滤光片 这样做可以减少水面反射光的干扰 使图像清晰 c对 d中反射光与折射光都是偏振的 但偏振方向不同 d错 故选d 热点考向1双缝干涉的规律 例证1 在双缝干涉实验中 某同学用黄光作为入射光 为了增大干涉条纹的间距 该同学可以采用的方法有 a 改用红光作为入射光b 改用蓝光作为入射光c 减小双缝到屏的距离d 增大双缝之间的距离 解题指南 干涉条纹间距由入射光的波长 双缝到屏的距离 双缝之间的距离决定 各单色光的波长大小是按红 橙 黄 绿 蓝 靛 紫的顺序依次变短 规范解答 选a 由干涉条纹间距公式 x 可知 要增大干涉条纹的间距 可以增大双缝到屏的距离l 减小双缝之间的距离d 选项c d错误 还可以换用波长大的单色光 红光的波长比黄光大 蓝光的波长比黄光小 选项a正确 b错误 总结提升 双缝干涉中条纹间距和位置的判断方法 1 影响条纹间距的因素 相邻亮纹或相邻暗纹的间距 y与双缝到屏的距离l成正比 与两狭缝之间距离d成反比 与光的波长成正比 即 y 2 中央位置是亮纹还是暗纹的条件 双缝到光屏中央距离相等 光程差为零 如果两光源振动完全一致 中央一定是亮纹 假如两光源振动正好相反 则中央为暗纹 3 单色光颜色 频率 波长的关系 光的颜色由频率决定 光的频率由光源决定 在可见光中红光频率最低 紫光最高 真空中各色光光速相同 由c 知 真空中红光波长最大 紫光最小 4 要明确同种颜色的光在不同介质中传播时 频率不变 但波长随波速的变化而变化 要注意n 及v 的综合运用 变式训练 在双缝干涉实验中 光屏上p点到双缝s1 s2的距离之差 s1 0 75 m 光屏上q点到双缝s1 s2的距离之差 s2 1 5 m 若用频率 6 0 1014hz的黄光照射双缝 则 a p点出现亮纹 q点出现暗纹b p点出现暗纹 q点出现亮纹c 两点均出现亮纹d 两点均出现暗纹 解析 选b 由光的频率 6 0 1014hz 知光的波长 5 10 7m p点到双缝s1 s2的距离之差 s1 0 75 m 7 5 10 7m 1 5 q点到双缝s1 s2的距离之差 s2 1 5 m 15 10 7m 3 因此 p点出现暗纹 q点出现亮纹 故选b 变式备选 如图所示是双缝干涉实验装置 使用波长为600nm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400nm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 解析 选b 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p点是亮纹中心 因而 无论入射光是什么颜色的光 波长多大 p点都是中央亮纹的中心 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 600nm 400nm 紫 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 b对 热点考向2 增反膜 的厚度的分析 例证2 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 1 1014hz 那么他设计的这种 增反膜 的厚度至少是 a 9 26 10 8mb 1 85 10 7mc 1 23 10 7md 6 18 10 8m 解题指南 解答该题应明确以下两个方面 1 增反膜 的作用是让紫外线在薄膜表面反射光增强 2 波程差应等于光在薄膜中的波长的整数倍 自主解答 选c 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 则波程差 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 3 7 10 7m 在膜中的波长是 2 47 10 7m 故膜的厚度至少是1 23 10 7m 故选c 总结提升 解答本题的关键是要理解 增反膜 的作用与原理以及干涉的实验规律 对易错选项及错误原因具体分析如下 变式训练 照相机的透镜表面涂有一层氟化镁薄膜 其折射率n 1 38 介于空气和透镜之间 入射光正入射 为使真空中波长为550nm的光增透 所涂薄膜的最小厚度为 解析 由 最小厚度d 得d 代入数据解得d 1 0 10 7m答案 1 0 10 7m 热点考向3几何光学与物理光学的综合 例证3 光束1和光束2通过三棱镜的传播路径如图所示 针对光束1和光束2 以下说法正确的是 a 两束光束在棱镜中的传播时间相等b 两束光束以相同的入射角从水中斜射入空气中时 如果光束1发生全反射 那么光束2也一定发生全反射c 两束光在大气中传播遇到浮尘等小颗粒时 光束2的衍射比光束1明显d 通过同一实验装置观察两束光的双缝干涉条纹 光束1的条纹间距比光束2的小 解题指南 本题可按如下思路进行分析 规范解答 选b 由题图可知 光束1 2进入三棱镜后 光束2的偏折程度更大 所以光束2的折射率大 频率大 波长小 在介质中的速度小 所以传播相同的距离用的时间更长 a错 由sinc 可知 折射率大的光束2的临界角小 所以当光束1发生全反射时 光束2也一定发生了全反射 b对 发生明显衍射的条件是波长比障碍物的尺寸大或相当 所以波长大的光束1更容易发生明显衍射 c错 双缝干涉实验中 波长越长 条纹间距越大 d错 故选b 总结提升 几何光学与物理光学综合问题的分析思路由于几何光学中的折射 全反射与折射率有关 而物理光学中的干涉 衍射现象也与折射率 频率 波长有关 所以这两部分知识常结合在一起出题 折射率是联系这两部分内容的桥梁 一般根据题目先分析出折射率的大小关系 折射率大的光 频率大 临界角小 容易发生全反射 在介质中的速度小 波长小 干涉 衍射条纹窄 将这些知识点记忆清楚 就能快速 准确地作出判断 变式训练 2012 宁德模拟 小明在实验探究中用一束复色光沿ao方向 o是圆心 射入一半圆形玻璃砖 射出时分成a b两束单色光 以下说法正确的是 a a光比b光先从玻璃砖中射出b 若将光束ao绕o点逆时针转动 则a光先发生全反射c 分别让a b通过同一双缝干涉仪 则a光干涉条纹间距较大d 分别让a b通过同一单缝 则a光更容易发生衍射 解析 选b 由题图可知 a光的偏折程度更大 所以a光的折射率大 频率大 波长小 在介质中的速度小 所以传播相同的距离用的时间更长 a错 由sinc 可知 折射率大的a光的临界角小 若光束ao绕o点逆时针转动 则a光先发生全反射 b对 波长大的b光干涉条纹间距较大 通过同一单缝更容易发生衍射 c d错 故选b 例证 如图所示是一种利用光纤温度传感器测量温度的装置 一束偏振光射入光纤 由于温度的变化 光纤的长度 芯径 折射率发生变化 从而使偏振光的透振方向发生变化 光接收器接收的光强度就会变化 设起偏器和检偏器透振方向相同 关于这种温度计的工作原理 正确的说法是 a 到达检偏器的光的透振方向变化越小 光接收器所接收的光强度就会越小 表示温度变化越大b 到达检偏器的光的透振方向变化越大 光接收器所接收的光强度就会越小 表示温度变化越大c 到达检偏器的光的透振方向变化越小 光接收器所接收的光强度就会越小 表示温度变化越小d 到达检偏器的光的透振方向变化越大 光接收器所接收的光强度就会越小 表示温度变化越小 解题指南 解答该题应注意以下两个关键点 1 偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向的夹角大小对偏振片出射光强度的影响 2 明确由于温度的变化 光纤对光的作用发生变化 规范解答 选b 由题意可知温度的变化越大 光纤的长度 芯径 折射率发生变化也越大 从而使偏振光的透振方向发生的变化越大 则从光纤射出的偏振光的偏振方向与检偏器透振方向夹角也越大 从而检偏器出射光强度越小 光接收器所接收的光强度就会越小 故选b 1 2013 泉州模拟 下列光学现象的说法中正确的是 a 用光导纤维束传送图像信息 这是光的衍射的应用b 太阳光通过三棱镜形成彩色光谱 这是光的干涉的结果c 在照相机镜头前加装偏振滤光片拍摄日落时的景物 可使景象更清晰d 透过平行于日光灯的窄缝观察正常发光的日光灯时能看到彩色条纹 这是光的色散现象 解析 选c 用光导纤维束传送图像信息 这是光的全反射的应用 a错误 太阳光通过三棱镜形成彩色光谱 这是光的色散现象 是光的折射的结果 b错误 在照相机镜头前加装偏振滤光片拍摄日落时的景物 可减弱反射光 从而使景象更清晰 c正确 透过平行于日光灯的窄缝观察正常发光的日光灯时能看到彩色条纹 这是光的衍射现象 d错误 故选c 2 将激光束的宽度聚焦到纳米级 10 9m 范围内 可修复人体已损坏的器官 对dna分子进行超微型基因修复 把至今尚令人无奈的癌症 遗传病等彻底根除 这是利用了激光的 a 平行性好的特性b 单色性好的特性c 亮度高的特性d 粒子性好的特性 解析 选c 由于激光能在很小的空间 很短的时间内集中很大的能量 所以可修复器官 根除病变 这是利用了激光亮度高 强度大的特性 故选c 3 2012 荆州模拟 如图所示 甲表示单缝 乙表示双缝 用某单色光分别照射竖直放置的单缝和双缝 在缝后较远位置竖直放置的光屏上可以观察到明暗相间的条纹 图中阴影表示明条纹 如图丙