高考物理总复习 4光的干涉、衍射和偏振现象课件 新人教版选修34.ppt

第4单元光的干涉 衍射和偏振现象 一 光的干涉1 杨氏双缝干涉实验 1 实验装置及各部分的作用 实验装置如图所示 其中三屏的作用 缝屏s是单缝 作用获得点光源 双缝屏 s1 s2是双缝 靠得很近0 1mm 且s1 s2到s的距离相等 s1 s2的作用是获得相干光源 此法巧妙地解决了相干光源的问题 像屏 承接获得干涉图样 学法指导 为了获得单色光 可以加滤光片 加红色的滤光片可获得红色光 相干光源的获得是比较困难的 不是说只要频率相同即可 比如两个日光灯 发出光的频率相同 但我们并没看到干涉图样 杨氏双缝干涉实验巧妙地解决了相干光源 巧妙之处就是 一分为二 即保证了两列波的频率相同 相差恒定 振动情况完全相同 2 实验得到的干涉条纹 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 且加强区域和减弱区域互相间隔的现象叫做光的干涉现象 条纹特点 明暗相间 间隔均匀的条纹 如图所示 名师点拨 干涉条纹要与衍射条纹区别开来 衍射条纹是中央极亮 极大 向两侧条纹间距逐渐变窄变暗 2 干涉条件频率相同 相差恒定 振动方向相同的两个相干光源发出的光相遇 才能产生稳定的干涉现象 例1 在双缝干涉实验中 以白光为光源 在屏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 本题考查干涉条件 在双缝干涉实验的装置中 缝的宽度跟光的波长相差不多 在双缝分别放上红色和绿色滤光片之后 由于红光和绿光的频率不相等 在光屏上不可能再出现干涉条纹了 但由于满足产生明显衍射现象的条件 所以在屏上将同时出现红光和绿光的衍射条纹 故选项为c 答案 c 触类旁通 能产生干涉现象的两束光是 a 频率相同 振幅相同的两束光b 频率相同 相位差恒定的两束光c 两只完全相同的灯泡发出的光d 同一光源的两个发光部分发出的光 解析 由产生干涉条件 可知a c项错误 b项正确 即使是同一光源的两个部分发出的光 由于相位差随时间不同而改变 所以也不会发生干涉 激光光源除外 通常把一束光一分为二来获得相干光源 故d项错误 对于d选项 也可以以日光灯为例来说明 日光灯下没有干涉现象的出现 说明不符合干涉条件 这样解释 学生比较容易接受 答案 b 二 薄膜干涉薄膜干涉及其图样特点 1 薄膜干涉 利用薄膜 如肥皂膜 前后两表面的反射光波相遇而形成的干涉 2 图样特点 同一条亮 或暗 条纹对应薄膜厚度相等 单色光在肥皂膜上 上薄下厚 形成水平状的明暗相间的条纹 白光入射时形成彩色条纹 例2 劈尖干涉是一种薄膜干涉 其装置如图甲所示 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乙所示 干涉条纹有如下特点 任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等 任意相邻明条纹和暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定 现若在图中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 a 变疏b 变密c 不变d 消失 答案 a 触类旁通 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 在它们间形成一个厚度均匀的空气膜 现在用波长为 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地变化 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 答案 d 学法指导 对薄膜干涉问题 首先要准确找出何处形成的薄膜 薄膜干涉的亮暗 仍是两束光在入射面一侧叠加的结果 其条件仍是 亮 暗条纹产生条件 三 光的衍射1 光的衍射光在传播过程中 遇到障碍物或小孔时 光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象 2 光发生明显衍射的条件在障碍物或小孔的尺寸比光的波长小 或差不多的情况下 会出现明显的衍射现象 3 典型衍射图样 1 单缝衍射 单色光通过单缝在屏上形成明暗相间的条纹 中央条纹又宽又亮 两边条纹变窄变暗 白光通过单缝 在屏上的图样 中间宽且亮的白条纹 两侧彩色条纹 渐窄且暗的 2 小孔衍射 明暗相间的圆环 中间很亮 3 泊松亮斑 当光照到不透明的小圆板上 在圆板的阴影中心出现亮斑 在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环 例3 2011 上海 如图所示 当用激光照射直径小于激光束的不透明圆盘时 在圆盘后屏上的阴影中心出现了一个亮斑 这是光的 填 干涉 衍射 或 直线传播 现象 这一实验支持了光的 填 波动说 微粒说 或 光子说 解析 当用激光照射直径小于激光束的不透明圆盘时 在圆盘后屏上的阴影中心出现了一个亮斑 亮斑的周围是明暗相间的环状衍射条纹 这就是泊松亮斑 是激光绕过不透光的圆盘发生衍射形成的 泊松最初做本实验的目的是推翻光的波动性 而实验结果却证明了光的波动性 答案 衍射波动说 4 光的衍射的实质在光的衍射现象中 衍射图样的出现 即明暗相间条纹的产生 是光波互相叠加后的结果 其中明条纹是光波叠加后的加强区 暗条纹是光波叠加后的减弱区 四 光的偏振1 自然光 在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光 且沿着各个方向振动的光波的强度都相同 如由太阳 电灯等普通光源发出的光 2 偏振光 在垂直于传播方向的平面上 只沿着某一个特定的方向振动的光 如自然光经偏振片作用后的光 3 偏振光的产生方式 1 偏振片只让某一方向振动的光通过 其他振动方向的光被吸收 2 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 3 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 除了直接从光源发出的光外 日常生活中遇到的光大都是偏振光 4 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 名师点拨 偏振片并非刻有狭缝 而是具有一种特征 即存在一个透振方向 只让平行于该方向振动的光通过 其他振动方向的光被吸收了 例4 如图所示 让太阳光通过m上的小孔s后照射到m右方的一偏振片p上 p的右侧再放一光屏q 现使p绕着平行于光传播方向的轴匀速转动一周 则关于光屏q上光的亮度变化情况 下列说法中正确的是 a 只有当偏振片转到某一适当位置时光屏被照亮 其他位置时光屏上无亮光b 光屏上亮 暗交替变化c 光屏上亮度不变d 光屏上只有一条亮线随偏振片转动而转动 解析 旋转p 自然光通过偏振片p后 在垂直于传播方向的平面上 只沿着某个特定的方向振动 太阳光是自然光 包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光 而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同 所以光屏上总是有沿着某个特定的方向振动的偏振光 光屏上亮度不变 答案 c 触类旁通 夜晚 汽车前灯发出的强光将迎面驶来的汽车司机照射的睁不开眼睛 严重影响行车安全 若考虑将汽车前灯玻璃改用偏振玻璃 使射出的灯光变为偏振光 同时汽车前窗玻璃也采用偏振玻璃 其透振方向正好与灯光的振动方向垂直 但还要能看清自己车灯发出的光所照亮的物体 假设所有的汽车前窗和前灯玻璃均按要求设置 反射光不改变振动方向 下面的措施中可行的是 a 前窗玻璃的透振方向是竖直的 车灯玻璃的透振方向是水平的b 前窗玻璃的透振方向是竖直的 车灯玻璃的透振方向是竖直的c 前窗玻璃的透振方向是斜向右上45 车灯玻璃的透振方向是斜向左上45 d 前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是斜向右上45 解析 本题与生活实际紧密接触 考查学生灵活运用所学知识解决实际问题的能力 本题的难点是对题目所述情景的理解 要把握题目所说的 前窗玻璃的透振方向 和 车灯玻璃的透振方向 都是指同一辆车的车灯和前窗玻璃 另外左和右都是对各自司机本身而言的 由此分析出a选项所述情景 使自己发出的光反射回来与前窗的透振方向垂直 自己看不到反射回来的光 即看不清所照亮的物体 b c选项所述的情景 使对方的车灯光与自己的前窗玻璃的透振方向相同 对方的灯光照的睁不开眼睛 d选项所述情景 使对方车灯的光与自己车窗的透振方向垂直 这样避免了对方强光的照射 自己车灯反射回来的光与自己车窗玻璃的透振方向相同 又能看到反射回来的光 答案 d 五 激光1 产生组成物质的原子中 有不同数量的粒子 电子 分布在不同的能级上 在高能级上的粒子受到某种光子的激发 会从高能级跳到 跃迁 低能级上 这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光 而且在某种状态下 能出现一个弱光激发出一个强光的现象 这就叫做 受激辐射的光放大 简称激光 2 激光特性 1 相干性好 2 亮度高 3 平行度好 4 高能 3 应用 通信 切割 焊接 测距 雷达 唱片等 例5 2010 江苏 激光具有相干性好 平行度好 亮度高等特点 在科学技术和日常生活中应用广泛 下面关于激光的叙述正确的是 a 激光是纵波b 频率相同的激光在不同介质中的波长相同c 两束频率不同的激光能产生干涉现象d 利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离 解析 激光属于电磁波 电磁波为横波 故a项错误 频率相同的激光在不同介质中频率不变 但波速不同 由v f知 波长也不同 真空中波长最长 其他介质中波长小于真空中波长 故b项错误 波产生干涉的前提条件是频率相同 两束频率不同的激光不能产生干涉现象 故c项错误 利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离 故d项正确 答案 d 六 折射中的色散 例6 如图所示 一束白光通过玻璃棱镜发生色散现象 下列说法正确的是 a 红光的偏折最大 紫光的偏折最小b 红光的偏折最小 紫光的偏折最大c 玻璃对红光的折射率比紫光大d 玻璃中紫光的传播速度比红光大 答案 b 学法指导 对于光的色散 除棱镜外 光栅等也可发生光的色散 不要让学生错误地认为只有玻璃棱镜才能出现光的色散现象 复色光 白光 在三棱镜中 经过两次折射让我们清楚地看到色散的光谱 不是说必须经过两次折射 实际上经过一次折射就已经将色光分开了 在例6的示意图中可以看出 形成色散的原因是各色光在介质中的传播速度不同造成的 导致各色光在介质中的折射率不同 这里的因果关系要辨析清楚 触类旁通 一束复色光由空气射向玻璃 发生折射而分为a b两束单色光 其传播方向如图所示 设玻璃对a b的折射率分别为na和nb a b在玻璃中的传播速度分别为va vb 则 a na nbb na nbc va vbd va vb 答案 ad 例1 如图所示为双缝干涉实验装置 当使用波长6 10 7m的橙色光做实验时 光屏p点及其上方的p1点形成两条相邻的亮条纹 若使用波长为4 10 7m的紫光重复上述实验 在p和p1点形成的亮 暗条纹的情况是 a p和p1都是亮条纹b p是亮条纹 p1是暗条纹c p是暗条纹 p1是亮条纹d p和p1都是暗条纹 解析 根据形成亮 暗条纹的条件 可知无论换用哪种波长的色光 ps1 ps2 0 故p点总是亮条纹 橙色光在p1点形成第一级亮条纹 应有 p1s2 p1s1 k 橙 1 6 10 7m 6 10 7m 对紫光来说 有 p1s2 p1s1 1 5 紫 故p1为暗条纹 答案 b 触类旁通 在双缝干涉实验中 双缝到光屏上某p点的距离之差 x 0 6 m 若用频率为 5 0 1014hz的单色光垂直照射双缝 则p点将出现 条纹 填 亮 或 暗 答案 亮 例2 2012 全国 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 增大双缝到屏的距离d 增大双缝之间的距离 答案 ac 触类旁通 2010 江苏 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 答案 暗条纹变宽 双缝干涉中央亮条纹的位置判断一 单缝移动 例1 如图所示 在双缝干涉实验中 若单缝s从双缝s1 s2的中央对称轴位置处稍微向上移动 则 a 不再产生干涉条纹b 仍可产生干涉条纹 其中央亮条纹p的位置不变c 仍可产生干涉条纹 其中央亮条纹p的位置上移d 仍可产生干涉条纹 其中央亮条纹p的位置下移 解析 光是横波 传播的过程中将出现波峰和波谷 在两列相干波相互叠加的区域 波峰 波峰或波谷 波谷相遇处将出现亮条纹 波峰波谷相遇处将出现暗条纹 当单缝s从双缝s1 s2的中央对称轴位置处稍微向上移动时 如果刚好移动到单缝s到双缝s1 s2的光程相差半波长的奇数倍 此时在双缝s1 s2处产生的光波虽然仍是相干光 但其相位差为 2n 1 两波源的振动方向刚好相反 又由于s1 s2到光屏上p点的光程相等 则所含波的个数相等 所以在p点将出现暗条纹 这就与 中央亮纹 的观点相矛盾了 因此上题中答案b是不对的 应如何来确定中央亮纹的位置呢 根据上面的分析我们看到 光屏上p点出现的是暗纹还是亮纹 将受到单缝s所处位置的影响 但是 在双缝干涉中 中央点 必定是 亮纹 这是毫无质疑的 因此在判断 中央点 位置时 就应是 从单缝s量起 经双缝s1 s2到达光屏上的光程中 所含波的个数相等的点为中央点 因为该点必定是亮纹 与s1 s2处的振动情况无关 所以上题正确答案应选d项 即 当单缝s从双缝s1 s2的中央对称轴位置处稍微向上移动时 仍可产生干涉条纹 其中央亮条纹p的位置下移 对于光屏上的原中央p点来说 将随着单缝s的上移出现亮 暗纹交替的现象 当单缝s到双缝s1 s2的光程差为波长整数倍时出现亮纹 为半波长的奇数倍时出现暗纹 答案 d 二 其中一缝被透明介质遮挡 例2 在杨氏干涉实