高考物理一轮复习讲义第76课时　光的波动性　激光（教师版）

第76课时光的波动性激光【复习定位】1.知道什么是光的干涉、衍射和偏振，了解这些现象产生的条件，知道其在生产生活中的应用。2.掌握双缝干涉中出现亮、暗条纹的条件。3.通过实验，了解激光的特性，能举例说明激光技术在生产生活中的应用。必备知识自主学习对应学生用书P260一、光的干涉1．定义：在两列光波叠加的区域，某些区域相互加强，出现eq\o(□,\s\up5(1))亮条纹，某些区域相互减弱，出现eq\o(□,\s\up5(2))暗条纹，且加强区域和减弱区域相互eq\o(□,\s\up5(3))间隔的现象。2．条件：两束光的频率eq\o(□,\s\up5(4))相同、相位差eq\o(□,\s\up5(5))恒定。3．双缝干涉(1)原理如图所示。(2)条纹特点①单色光：形成eq\o(□,\s\up5(6))明暗相间的条纹，中央为亮条纹。②白光：光屏上出现eq\o(□,\s\up5(7))彩色条纹，且中央亮条纹是eq\o(□,\s\up5(8))白色(填写颜色)。③相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距公式：Δx＝eq\o(□,\s\up5(9))eq\f(l,d)λ。4．薄膜干涉(1)相干光：光照射到透明薄膜上，从薄膜的两个表面eq\o(□,\s\up5(10))反射的两列光波。(2)图样特点：同双缝干涉，同一条亮(或暗)条纹对应薄膜的eq\o(□,\s\up5(11))厚度相等。单色光照射薄膜时形成明暗相间的条纹，白光照射薄膜时形成彩色条纹。二、光的衍射1．发生明显衍射的条件：只有当障碍物的尺寸与光的波长eq\o(□,\s\up5(12))相差不多，甚至比光的波长eq\o(□,\s\up5(13))还小的时候，衍射现象才会明显。2．衍射条纹的特点(1)单缝衍射和圆孔衍射图样的比较单缝衍射圆孔衍射单色光中央为亮且宽的条纹，两侧为eq\o(□,\s\up5(14))明暗相间的条纹，且越靠外，亮条纹的亮度eq\o(□,\s\up5(15))越弱，宽度eq\o(□,\s\up5(16))越小中央是大且亮的圆形亮斑，周围分布着eq\o(□,\s\up5(17))明暗相间的同心圆环，且越靠外，圆形亮条纹的亮度eq\o(□,\s\up5(18))越弱，宽度越小；亮环或暗环间的距离随圆孔半径的增大而eq\o(□,\s\up5(19))减小白光中央为亮且宽的白色条纹，两侧为亮度eq\o(□,\s\up5(20))逐渐变暗、宽度eq\o(□,\s\up5(21))逐渐变窄的彩色条纹，其中最靠近中央的色光是紫光，离中央最远的是红光中央是大且亮的白色亮斑，周围是不等间距的彩色的eq\o(□,\s\up5(22))同心圆环(2)泊松亮斑(圆盘衍射)：当光照到eq\o(□,\s\up5(23))不透明(选填“透明”或“不透明”)的半径很小的圆盘上时，在圆盘的阴影中心出现eq\o(□,\s\up5(24))亮斑(在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环)。三、光的偏振现象1．偏振：光波只沿eq\o(□,\s\up5(25))某一特定的方向的振动。2．自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包括在垂直于传播方向上沿eq\o(□,\s\up5(26))一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的eq\o(□,\s\up5(27))强度都相同，这种光叫作自然光。3．偏振光：在eq\o(□,\s\up5(28))垂直于传播方向的平面上，只沿某个特定方向振动的光。自然光通过偏振片后，就得到了偏振光。4．偏振光的形成(1)让自然光通过eq\o(□,\s\up5(29))偏振片形成偏振光。(2)让自然光在两种介质的界面发生反射和eq\o(□,\s\up5(30))折射，反射光和折射光可以成为部分偏振光或完全偏振光。5．光的偏振现象说明光是一种eq\o(□,\s\up5(31))横波。四、激光的特点及应用1．传播方向、偏振、相位等性质完全eq\o(□,\s\up5(32))相同，可以进行光纤通信。2．平行度好，可以进行精确的eq\o(□,\s\up5(33))测距。3．亮度高，可以进行切割、焊接以及在很硬的材料上打孔，医学上可以做“光刀”。1．判断正误。(1)只有频率相同的两列光波才能产生干涉。(√)(2)在双缝干涉实验中，双缝的作用是使白光变成单色光。(×)(3)阳光下茂密的树荫中，地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的。(×)(4)自然光是偏振光。(×)(5)光学镜头上的增透膜利用的是光的干涉现象。(√)(6)光的双缝干涉实验中，若仅将入射光从红光改为紫光，则相邻亮条纹间距一定变小。(√)2．(2024·黑吉辽卷)某同学自制双缝干涉实验装置：在纸板上割出一条窄缝，于窄缝中央沿缝方向固定一根拉直的头发丝形成双缝，将该纸板与墙面平行放置，如图所示。用绿色激光照射双缝，能够在墙面上观察到干涉条纹。下列做法可以使相邻两条亮条纹中心间距变小的是(A)A．换用更粗的头发丝B．换用红色激光照射双缝C．增大纸板与墙面的距离D．减小光源与纸板的距离解析由干涉条纹间距Δx＝eq\f(l,d)λ可知，换用更粗的头发丝，双缝间距d变大，则相邻两条亮条纹中心间距Δx变小，故A正确；换用红色激光照射双缝，波长变长，则相邻两条亮条纹中心间距Δx变大，故B错误；增大纸板与墙面的距离l，则相邻两条亮条纹中心间距Δx变大，故C错误；减小光源与纸板的距离，不会影响相邻两条亮条纹中心间距Δx，故D错误。关键能力阶梯突破对应学生用书P261考点一光的干涉、衍射现象1．对光的衍射的理解(1)波长越长，衍射现象越明显。在任何情况下都可以发生衍射现象，只是明显与不明显的差别。(2)衍射现象说明“光沿直线传播”只是一种特殊情况，只有在光的波长比障碍物小得多时，光才可以看作是沿直线传播的。2．光的干涉和衍射的本质光的干涉和衍射都属于波的叠加，从本质上看，干涉条纹和衍射条纹的形成有相似的原理，都可认为是从单缝通过两列或多列频率相同的光波，在屏上叠加形成的。3．双缝干涉亮、暗条纹的判断方法如图所示，相干光源S1、S2发出的光到屏上P′点的路程差为Δr＝r2－r1。(1)当Δr＝nλ(n＝0，1，2，…)时，光屏上P′处出现亮条纹；(2)当Δr＝(2n＋1)eq\f(λ,2)(n＝0，1，2，…)时，光屏上P′处出现暗条纹。4．薄膜干涉亮、暗条纹的判断方法两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr等于薄膜厚度的2倍，设光在薄膜中的波长为λ，在Δr＝nλ(n＝1，2，3，…)处，薄膜上出现亮条纹，在Δr＝(2n＋1)eq\f(λ,2)(n＝0，1，2，…)处，薄膜上出现暗条纹。5．薄膜干涉的应用干涉法检查平面，如图所示，两板之间形成一楔形空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检平面是平整光滑的，我们会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹；若被检平面不平整，则干涉条纹发生弯曲。【例1】(多选)(2024·广西卷)如图，S为单色光源，S发出的光一部分直接照在光屏上，一部分通过平面镜反射到光屏上。从平面镜反射的光相当于S在平面镜中的虚像发出的，由此形成了两个相干光源。设光源S到平面镜和到光屏的距离分别为a和l，a≪l，镜面与光屏垂直，单色光波长为λ。下列说法正确的是(AD)A．光屏上相邻两条亮条纹的中心间距为eq\f(l,2a)λB．光屏上相邻两条暗条纹的中心间距为eq\f(l,a)λC．若将整套装置完全浸入折射率为n的蔗糖溶液中，此时单色光的波长变为nλD．若将整套装置完全浸入某种透明溶液中，光屏上相邻两条亮条纹的中心间距为Δx，则该液体的折射率为eq\f(l,2aΔx)λ解析根据光的反射对称性可知光源S与平面镜中的虚像距离为2a，根据条纹间距公式可知Δx＝eq\f(l,d)λ＝eq\f(l,2a)λ，故A正确，B错误；若将整套装置完全浸入折射率为n的蔗糖溶液中，光的频率不变，根据λf＝c，v＝λ1f＝eq\f(c,n)，其中c为在真空中的光速，则λ1＝eq\f(λ,n)，故C错误；若将整套装置完全浸入某种透明溶液中，光屏上相邻两条亮条纹的中心间距为Δx，根据条纹间距公式有Δx＝eq\f(l,2a)λ2，可得λ2＝eq\f(2aΔx,l)，结合C选项的分析可知λ2＝eq\f(2aΔx,l)＝eq\f(λ,n)，所以n＝eq\f(l,2aΔx)λ，故D正确。【例2】(2024·山东卷)检测球形滚珠直径是否合格的装置如图甲所示，将标准滚珠a与待测滚珠b、c放置在两块平板玻璃之间，用单色平行光垂直照射平板玻璃，形成如图乙所示的干涉条纹。若待测滚珠与标准滚珠的直径相等为合格，下列说法正确的是(C)A．滚珠b、c均合格B．滚珠b、c均不合格C．滚珠b合格，滚珠c不合格D．滚珠b不合格，滚珠c合格解析单色平行光垂直照射平板玻璃，上、下玻璃上表面的反射光在上玻璃上表面发生干涉，形成干涉条纹，光程差为两块玻璃上表面间距离的两倍，根据光的干涉知识可知，同一条干涉条纹位置处光的波程差相等，即滚珠a的直径与滚珠b的直径相等，即滚珠b合格，不同的干涉条纹位置处光的波程差不同，则滚珠a的直径与滚珠c的直径不相等，即滚珠c不合格。故选C。考教衔接►本题以检测球形滚珠直径是否合格为素材，创设了与生产生活紧密联系的物理问题情境，主要考查了光的干涉。与人教版选择性必修第一册第四章第3节“练习与应用”第4题在考查劈尖干涉的原理应用方面较为相似。【例3】(多选)(2024·九省联考吉林卷)波长不同的a、b两束单色平行光，分别照射到同一双缝干涉装置上，在屏上得到干涉条纹如图所示。下列说法正确的是(AC)A．在真空中，a光的波长比b光的长B．在真空中，a光的传播速度比b光的小C．若只减小双缝到屏的距离，两光产生的条纹间距均变小D．两光分别照射同一单缝衍射装置，若只减小缝宽，中央亮纹宽度均变小解析由题图可知，a光对应的条纹间距大于b光对应的条纹间距，根据Δx＝eq\f(L,d)λ，可知在真空中，a光的波长比b光的长，故A正确；在真空中，a光的传播速度与b光的传播速度相等，均为c，故B错误；根据Δx＝eq\f(L,d)λ，可知若只减小双缝到屏的距离L，两光产生的条纹间距均变小，故C正确；两光分别照射同一单缝衍射装置，若只减小缝宽，中央亮纹宽度均变大，故D错误。考点二光的偏振激光1．自然光与偏振光的比较类别自然光(非偏振光)偏振光光的来源直接从光源发出的光自然光通过偏振片后的光光的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿任意方向，且沿各个方向光振动的强度相同在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿特定方向2.偏振光的应用加偏振滤光片的照相机镜头、液晶显示器、立体电影、消除车灯眩光等。【例4】(2024·江苏卷)用立体影院的特殊眼镜去观看手机液晶屏幕，左镜片明亮，右镜片暗，现在将手机屏幕旋转90度，会观察到(D)A．两镜片都变亮B．两镜片都变暗C．两镜片没有任何变化D．左镜片变暗，右镜片变亮解析立体影院的特殊眼镜是利用了光的偏振，其镜片为偏振片，用立体影院的特殊眼镜去观看手机液晶屏幕，左镜片明亮，右镜片暗，则此时手机液晶屏幕发出的光线的振动方向与左镜片的透振方向一致，与右镜片的透振方向垂直，故将手机屏幕旋转90度后，左镜片变暗，右镜片变亮。故选D。【例5】关于激光的应用，下列说法中正确的是(C)A．光纤通信是应用了激光平行度非常好的特点，使其在光导纤维中传递信息B．计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用了激光相干性强的特点C．医学中用激光做“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点D．“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点解析由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用了激光的相干性强的特点，A项错误；计算机内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的平行度好的特点，B项错误；医疗中的激光“光刀”利用了激光的亮度高的特点，C项正确；激光测距利用的是激光的平行度好的特点，D项错误。微点突破23几何光学与物理光学的综合问题对应学生用书P263光的频率、折射率、波速、波长的对应关系颜色红橙黄绿蓝靛紫频率f低→高同一介质中折射率n小→大同一介质中速度v大→小波长λ大→小临界角大→小通过棱镜的偏折角小→大【例证1】(2024·黑龙江大庆实验中学开学考)如图所示为一束太阳光射到截面为六边形的冰晶上时的光路图，a、b为其折射出的光线中的两种单色光，下列说法不正确的是(C)A．在冰晶中，a光的传播速度较大B．通过同一装置发生双缝干涉，a光的相邻条纹间距较大C．从同种玻璃中射入空气发生全反射时，a光的临界角较小D．用同一装置做单缝衍射实验，a光的中央亮条纹更宽解析太阳光射入六边形冰晶时，a光的折射角大于b光的折射角，由折射定律n＝eq\f(sini,sinr)，冰晶对a光的折射率小于对b光的折射率，由v＝eq\f(c,n)判断可知，在冰晶中，a光的传播速度较大，故A正确；a光的折射率小于b光的折射率，故a光的频率小于b光的频率，由于c＝λf，所以a光的波长大于b光的波长，根据双缝干涉条纹间距公式Δx＝eq\f(l,d)λ知a光相邻条纹间距较大，故B正确；由临界角公式sinC＝eq\f(1,n)可知，a光的折射率较小，a光的临界角较大，故C错误；单缝衍射实验中，入射光的波长越长，中央亮条纹越宽，由于a光的波长大于b光的波长，故a光中央亮条纹更宽，故D正确。【例证2】如图所示，由波长为λ1和λ2的单色光组成的一束复色光，经半反半透镜后分成透射光和反射光。透射光经扩束器后垂直照射到双缝上并在屏上形成干涉条纹。O是两单色光中央亮条纹的中心位置，P1和P2分别是波长为λ1和λ2的光形成的距离O点最近的亮条纹中心位置。反射光入射到三棱镜一侧面上，从另一侧面M和N位置出射，则(D)A．λ1<λ2，M是波长为λ1的光出射位置B．λ1<λ2，N是波长为λ1的光出射位置C．λ1＞λ2，M是波长为λ1的光出射位置D．λ1＞λ2，N是波长为λ1的光出射位置解析由双缝干涉条纹间距的公式Δx＝eq\f(l,d)λ可知，当两单色光通过同一双缝干涉装置时，波长越长条纹间距越宽，由屏上亮条纹的位置可知λ1>λ2；反射光经过三棱镜后分成两束单色光，由折射定律可知，入射角相同时，折射率越大的单色光折射角越小，又由题图可知M位置的光折射率大，由于λ1>λ2，则n1＜n2，所以N是波长为λ1的光出射位置，D正确，A、B、C错误。课时作业对应学生用书P463[基础过关]1．(2023·北京卷)阳光下的肥皂膜呈现彩色条纹，这种现象属于光的(C)A．偏振现象 B．衍射现象C．干涉现象 D．全反射现象解析阳光下的肥皂膜呈现彩色条纹，这种现象属于光的薄膜干涉现象。故选C。2．(多选)光的偏振现象说明光是横波。下列现象能反映光的偏振特性及其应用的是(ABC)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图像更清晰D．通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹解析在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定方向振动的光是偏振光，选项A、B反映了光的偏振特性；选项C是偏振现象的应用；选项D是光的衍射现象。故A、B、C符合题意，D不符合题意。3．(2023·江苏卷)用某种单色光进行双缝干涉实验，在屏上观察到的干涉条纹如图甲所示，改变双缝间的距离后，干涉条纹如图乙所示，图中虚线是亮纹中心的位置。则双缝间的距离变为原来的(B)A．eq\f(1,3)倍 B．eq\f(1,2)倍C．2倍 D．3倍解析根据双缝干涉的条纹间距与波长关系有Δx＝eq\f(L,d)λ，由题图知Δx乙＝2Δx甲，则d乙＝eq\f(1,2)d甲，故选B。4．(2023·山东卷)如图所示为一种干涉热膨胀仪原理图。G为标准石英环，C为待测柱形样品，C的上表面与上方标准平面石英板之间存在劈形空气层。用单色平行光垂直照射上方石英板，会形成干涉条纹。已知C的膨胀系数小于G的膨胀系数，当温度升高时，下列说法正确的是(A)A．劈形空气层的厚度变大，条纹向左移动B．劈形空气层的厚度变小，条纹向左移动C．劈形空气层的厚度变大，条纹向右移动D．劈形空气层的厚度变小，条纹向右移动解析由题意可知，C的膨胀系数小于G的膨胀系数，当温度升高时，G增长的高度大于C增长的高度，则劈形空气层的厚度变大，且同一厚度的空气膜向劈尖移动，则条纹向左移动。故选A。5．(2025·山东济南联考)如图所示为双缝干涉实验装置示意图，单色光源S到两缝S1、S2的距离相等。要使相邻亮条纹之间的距离变小且干涉条纹上移，下列办法可行的是(D)A．增大双缝到屏的距离并下移光源B．减小双缝间距离并上移光源C．减小光源到双缝的距离并上移光源D．更换波长更短的单色光源并下移光源解析根据双缝干涉的相邻亮条纹中心间距公式Δx＝eq\f(L,d)λ可知，要使条纹之间的距离变小，可以通过减小单色光的波长、减小双缝到屏的距离或增大两缝间的距离来完成，要想使干涉条纹上移，可下移光源。故选D。6．(多选)(2022·山东卷)某同学采用图甲所示的实验装置研究光的干涉与衍射现象，狭缝S1、S2的宽度可调，狭缝到屏的距离为L。同一单色光垂直照射狭缝，实验中分别在屏上得到了图乙、图丙所示图样。下列描述正确的是(ACD)A．图乙是光的双缝干涉图样，当光通过狭缝时，也发生了衍射B．遮住一条狭缝，另一狭缝宽度增大，其他条件不变，图丙中亮条纹宽度增大C．照射两条狭缝时，增加L，其他条件不变，图乙中相邻暗条纹的中心间距增大D．照射两条狭缝时，若光从狭缝S1、S2到屏上P点的路程差为半波长的奇数倍，P点处一定是暗条纹解析题图乙中间部分为等间距条纹，所以题图乙是光的双缝干涉图样，当光通过狭缝时，同时也发生衍射，故A正确；狭缝越小，衍射范围越大，衍射条纹越宽，遮住一条狭缝，另一狭缝宽度增大，则衍射现象减弱，题图丙中亮条纹宽度减小，故B错误；根据条纹间距公式Δx＝eq\f(L,d)λ可知照射两条狭缝时，增加L，其他条件不变，题图乙中相邻暗条纹的中心间距增大，故C正确；照射两条狭缝时，若光从狭缝S1、S2到屏上P点的路程差为半波长的奇数倍，P点处一定是暗条纹，故D正确。7．(多选)光的干涉现象有许多应用。如图甲所示是利用光的干涉检查某精密光学平面的平整度，下列说法正确的是(AC)A．图甲中上板是标准样板，下板是待检查的光学元件B．若换用频率更大的单色光，其他条件不变，则图乙中的干涉条纹变宽C．若出现图丙中弯曲的干涉条纹，说明被检查的平面在此处出现了凹陷D．用单色光垂直照射图丁中的牛顿环，得到的条纹是随离圆心的距离增加而逐渐变宽的同心圆环解析题图甲中，上板是标准样板，下板是待检测板，故A正确；设空气膜厚度为d，则出现亮条纹时需满足2d＝nλ，换用频率更大的单色光，则单色光波长变短，亮条纹左移，条纹变窄，故B错误；题图丙条纹向左弯曲，说明亮条纹提前出现，说明被检查的平面在此处出现了凹陷，故C正确；牛顿环中的空气厚度不是均匀变化的，空气膜厚度增加的越来越快，则亮条纹提前出现，得到的条纹是随离圆心的距离增加而逐渐变窄的，同心圆环间距不相等，故D错误。[能力提升]8．某一质检部门为检测一批矿泉水的质量，利用干涉原理测定矿泉水的折射率。方法是将待测矿泉水填充到特制容器中，放置在双缝与荧光屏之间(之前为真空)，如图所示，特制容器未画出，通过对比填充后的干涉条纹间距x2和填充前的干涉条纹间距x1就可以计算出该矿泉水的折射率。单缝S0、双缝中点O、屏上的P0点均位于双缝S1和S2的中垂线上，屏上P点处是P0上方的第3条亮条纹(不包括P0点处的亮条纹)的中心。已知入射光在真空中的波长为λ，真空中的光速为c，双缝S1与S2之间的距离为d，双缝到屏的距离为L，则下列说法正确的是(C)A．来自双缝S1和S2的光传播到P点处的时间差为eq\f(3λ,c)B．x2>x1C．该矿泉水的折射率为eq\f(x1,x2)D．仅将单缝S0向左(保持S0在双缝的中垂线上)移动的过程中，P点处能观察到暗条纹解析第三条亮条纹对应路程差s＝3λ，但光在介质中的传播速度小于c，故A错误；由Δx＝eq\f(L,d)λ，n＝eq\f(c,v)＝eq\f(λ,λ0)可知(λ0为光在矿泉水中的波长)，光在矿泉水中的波长小于真空中的波长，所以x2<x1，故B错误；由n＝eq\f(c,v)＝eq\f(λ,λ0)，x1＝eq\f(L,d)λ，x2＝eq\f(L,d)λ0，得n＝eq\f(x1,x2)，故C正确；由Δx＝eq\f(L,d)λ可知，向左移动S0对观察结果没有影响，故D错误。9．(2025·辽宁模拟预测)如图所示，AB、CD、DE为三个透明平板固定放置，AB水平，CD的倾角比DE的倾角大。一束平行光竖直向下入射，下列干涉条纹的图像可能正确的是(A)解析光线在空气膜的上、下表面发生反射，并发生干涉，从而形成干涉条纹。设空气膜顶角为θ，d1、d2处为两相邻亮条纹，如图所示，则此两处的光程差分别为δ1＝2d1，δ2＝2d2，因为当光程差为nλ(n＝0，1，2，3，…)时表现为亮条纹，所以有δ2－δ1＝λ，则d2－d1＝eq\f(1,2)λ，设此两相邻亮条纹中心的距离为Δl，则由几何关系得eq\f(d2－d1,Δl)＝tanθ，即Δl＝eq\f(λ,2tanθ)，可知夹角越小，条纹间距越大，根据题意知CD的倾角比DE的倾角大，故左侧对应部分相邻两条纹间距小于右侧相邻两条纹间距。故选A。10．如图所示，一束含有两种频率的复色光斜射