第十四章第三节 光的波动性 光的偏振 光的电磁波学说

14.3 光的波动性 光的偏振 光的电磁波学说一、考点聚焦 光本性学说的发展简史级要求 光的干涉现象，双缝干涉，薄膜干涉。双缝干涉的条纹间距与波长的关系级要求 光的衍射级要求 光的偏振 级要求 光谱和光谱分析。红外线、紫外线、X射线、射线以及它们的应用。光的电磁本性。电磁波谱 级要求二、知识扫描1十七世纪，关于光的本性形成了两种学说，一种是牛顿主张的微粒说，另一种是惠更斯提出的波动说。光的_干涉_证实光具有波动性。麦克斯韦首先从理论上提出光是一种电磁波。赫兹用实验加以证实。2两列波长相同的单色光在相互覆盖的区域发生叠加，会出现明暗相间的条纹，如果是白光，则会出现彩色条纹，这种现象称为光的干涉。相干光源的条件是两光源频率相同。获得相干光的办法是：把一个点光源（或线光源）发出的光分为两列光。3明纹之间或暗纹之间的距离总是相等的，根据公式，在狭缝间距离和狭缝与屏距离都不变的条件下，条纹的间距跟波长成正比。在波长不变的条件下，当狭缝与屏的距离增大或狭缝间的距离减小时，条纹的间距增大。4光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象，叫光的衍射。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甚至比光的波长还要小。且障碍物尺寸比波长越小，衍射越明显。5横波只沿着某一特定的方向振动，称为波的偏振，光的偏振现象说明光是横波。通过偏振片的光波，在垂直于传播方向的平面上，只沿着一个特定的方向振动，称为偏振光。6按频率从大到小的顺序组成的电磁波谱，其产生机理与主要作用如下表：电磁波产生机理主要作用无线电波电路中自由电子周期性振荡而产生广播、电视红外线原子的外层电子受激而产生热作用可见光原子的外层电子受激而产生视觉作用色彩效应紫外线原子的外层电子受激而产生化学作用生理作用荧光效应伦琴射线原子的内层电子受激而产生医用透视r 射线原子核受激而产生穿透作用三、好题精析例1：一束复色可见光射到置于空气中的平板玻璃上，穿过玻璃后从下表面射出，变为a、b两束平行单色光，如图所示，对于两束单色光来说（ ）A玻璃对 a光的折射率较大Ba光在玻璃中传播的速度较大Cb光每个光子的能量较大Db光的波长较长解析：光的频率较大，玻璃对它的折射率越大，从平行板玻璃另一面射出时偏离原传播方向越大。由图知玻璃对a的折射率较大，对b的折射率较小，即b光频率较小，即波长较长，故 A、D正确。点评：光从一种透明介质进入另一种透明介质时，频率不变，波长、传播的速度会改变。频率大的色光折射率大。例2：如图所示，S是一个单色的点光源，M是水平放置的平面镜，S到M所在平面间的距离很近。P是放在竖直面内的一个光屏。试用作图法确定在光屏上的什么范围内可以观察到光的干涉现象。解析：如图，点光源S发出的光一部分直接照到光屏上（如阴影部分所示），另一部分则照到平面镜上，经平面镜反射后再照到光屏上。这一部分光好像是从点光源的像点S发出的一样，这样就把同一束光分成了两束，形成相干光源，在它们叠加的区域内，形成明暗相间的干涉条纹。 作法：连接S和平面镜的右边缘并延长交平面镜于b；根据对称性做S在平面镜中的像点S/ ，连接S/ 和平面镜的左、右边缘并延长交平面镜于c、d；光屏上c、d之间的部分是两束光叠加的区域，在此区域内可以观察到干涉现象。点评：（1）只要设法把一束光分成两束，就可以在两束光叠加的区域内观察到光的干涉现象。（2）本题这种装置叫劳埃德镜。为了真正能观察到干涉现象，本题中的点光源S到平面镜的距离必须非常小（S和S/ 间的距离相当于双缝干涉实验中双缝间的距离d）。例3：如图14所示，在挡板上开一个大小可以调节的小圆孔P，用点光源S照射小孔，小孔后面放一个光屏MN，点光源和小孔的连线垂直于光屏，并于光屏交于其中心。当小孔的直径从1.0mm逐渐减小到0.1rnm的过程中，在光屏上看到的现象将会是（ ）A光屏上始终有一个圆形亮斑，并且其直径逐渐减小B光屏上始终有明暗相间的同心圆环，并且其范围逐渐增大C光屏上先是形成直径逐渐减小的圆形亮斑，然后是形成范围逐渐增大而亮度逐渐减弱的明暗相间的同心圆环D光屏上先是形成直径逐渐减小的圆形亮斑，然后是形成范围逐渐减小而亮度逐渐增大的明暗相间的同心圆环解析：能观察到明显的衍射现象的障碍物或孔的尺寸应该小于0.5mm。本题小孔直径是从1.0mm逐渐减小到0.1rnm的，所以在开始阶段没有明显的衍射现象，光基本上是沿直线传播的，因此在光屏上应该得到和小圆孔相似的圆形亮斑，当孔的直径减小到0.5mm以下时，将发生较为明显的衍射现象，所以光屏上出现明暗相间的圆环；随着小孔直径的减小，光的衍射现象越来越明显，衍射图样的范围越来越大，相邻亮纹和相邻暗纹间的距离也逐渐增大，同时由于通过小孔的光能越来越少，所以衍射图样的亮度将变得越来越暗。根据以上分析，本题应选C点评：（1）这道题把光的直线传播和光的衍射结合起来考察，关键是抓住转变点，从实验中发现能发生明显衍射现象的最小尺寸大约是0.5mm左右。（2）如果所用的光源是平行光源，观察到的现象基本和点光源相同。如果所用的光源是烛焰，那么在小孔直径从1.0mm逐渐减小到0.1rnm的阶段，由于小孔成像，在光屏上应该呈现烛焰的倒像，像的大小不会改变（这由烛焰到孔和孔到光屏的距离决定），但像的亮度将逐渐变暗，在孔径减小到0.5mm以下后，像就会变得模糊而出现明暗相间的衍射图样了。 例4：如图所示是用干涉法检查某块厚玻璃板的上表面是否平的装置，所用的单色光是用普通光加滤光片产生的。检查中所观察到的干涉条纹是由下列哪两个表面反射的光线叠加而成的？（ ） AM的上表面和N的下表面 BM的上表面和N的上表面 CM的下表面和N的上表面 DM的下表面和N的下表面解析：首先要弄清薄膜干涉是透明介质形成厚度与光波波长相近的膜的两个面的反射光叠加而成的。显然本题中的标准样板和厚玻璃是不可能作为薄膜来处理，只有垫上薄片，M的下表面和N的上表面之间的空气膜才能称为薄膜，才能发生干涉，所以C选项正确。点评：利用光的薄膜干涉来检查平面的质量，就是在标准样板平面和被检查平面间形成一个楔行的空气薄层，用单色光从上面照射，入射光在空气层的上、下表面反射形成两列相干光束。如果被检测的平面是平的，那么空气层厚度相同的各点的干涉条纹就在一条直线上；若是被测平面的某处凹下去了，这时干涉条纹就不是直线，而凹下去的干涉条纹将向楔型膜中薄的一侧弯曲。这是因为凹处的两束反射光的光程差变大了，它只能与膜厚一些位置的两反射光的光程差相同，并形成同一级的条纹（光程差相同的干涉条纹为同一级，一般光程差大的干涉条纹级别高，光程差小的级别低）。显然凹处的级别增大，将与膜厚一些位置的干涉条纹形成同一级别的条纹。同理，若是被测平面某处凸起，则该处的干涉条纹将向模型膜中厚的一侧弯曲例5：关于电磁波谱，下列说法中正确的是（ ）A射线的频率一定大于X射线的频率B紫外线的波长一定小于红外线的波长C若某紫外线能使一金属发生光电效应，则所有的X射线均可使该金属发生光电效应D紫外线光子的能量较大，它是原子内层电子受激发而产生的解析：由电磁波谱中的频率关系可知：射线的频率不一定大于X射线的频率，而紫外线的频率一定高于红外线的频率，所以，紫外线的波长一定小于红外线波长，紫外线的频率不一定低于X射线的频率，即紫外线光子的能量不一定比X射线光子的能量低。紫外线是由原子外层电子受激发而产生的。所以本题中只有B选项正确点评：本题要求考生知道电磁波谱中红外线、紫外线、X射线等不同频率的电磁波的波长范围、产生机理及特点。四、变式迁移1.如右图所示，L为水平放置的点亮的8w日光灯，T为一藤椅的竖直靠背，横藤条与日光灯管平行，竖藤条相互垂交织，它们之间是透空方格，P是与藤条靠背平行的白屏。现将屏从紧贴椅背处慢慢向远处(图中右方)平移，从屏上将依次看到( )A.横藤条的影，横竖藤条的影B.竖藤条的影，横竖藤条的影C.横竖藤条的影，竖藤条的影，没有藤条的影D.横竖藤条的影，横藤条的影，没有藤条的影2在用卡尺观察光的衍射现象的实验中，如果用日光灯做光源，下列哪些实验条件是必须满足的？（ ）A日光灯要距卡尺足够远 B卡尺的两个侧脚形成的狭缝要与灯管平行 C卡尺的两个测脚间的距离要足够小 D卡尺前必须加滤色片 E眼睛要靠近卡尺的测脚形成的狭缝五、能力突破1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2.用眼睛观察远处的灯，有时会看到它周围光芒辐射，对于这一现象的解释，下面的哪些说法正确?( )A.这是空气对光的折射作用造成的B.这是眼睛的瞳孔对光的衍射作用造成的C.这现象说明眼睛的瞳孔是规则的圆形D.这现象说明眼睛的瞳孔是多边形3从点光源L发出的白光，经过透镜后成一平行光束，垂直照射到档光板P上，板上开有两条靠得很近的平行狭缝S1、S2如图所示，在屏Q上可看到干涉条纹，图中O点是屏Q上与两狭缝等距离的一点，则（ ）A干涉条纹是黑白的，O是亮点B干涉条纹是黑白的，O是暗点C干涉条纹是彩色的，O是亮点D干涉条纹是彩色的，O是暗点4右图所示的是一竖立的肥皂液薄膜的横截面，关于竖立的肥皂薄膜上产生光的干涉现象，看下列陈述，其中哪一些是正确的（ ）A干涉条纹产生是由于光线在薄膜前后两表面反射，形成的两列光波的叠加B干涉条纹的暗线是由于上述两列反射波的波谷与波谷叠加造成的C用绿光照射薄膜产生的干涉条纹间距比黄色光照射时小D薄膜上的干涉条纹基本上是竖直的 5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一层薄膜（例如氟化镁），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 B C D 6太阳的连续光谱中有许多暗线，它们对应着某些元素的特征谱线。产生这些暗线是由于（ ）D 太阳表面大气层中缺少相应的元素；B太阳内部缺少相应的元素；C太阳表面大气层中存在着相应的元素；D太阳内部存在着相应的元素。7图中为X射线管的结构示意图，E为灯丝电源。要使射线管发出X射线，须在K、A两电极间加上几万伏的直流高压，则（ ）A高压电源正极应接在P点，X射线从K极发出B高压电源正极应接在P点，X射线从A极发出C高压电源正极应接在Q点，X射线从K极发出D高压电源正极应接在Q 点，X射线从A极发出8登山运动员在攀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，否则将会严重地损坏视力有人想利用薄膜干涉的原理设计一种能大大减小紫外线照射的眼镜。他用的这种薄膜材料的折射率为n=1.5，要消除的这种紫外线的频率为 8.11014Hz。那么它设计的这种“增反膜”的厚度至少是