81　第十三章　第72课时　光的波动性

第72课时光的波动性[学习目标]1．了解干涉现象，知道干涉现象发生的条件，能够分析干涉现象。2．知道发生明显衍射现象的条件，了解光的偏振现象。3．了解激光的性质、特点和应用。光的干涉现象1．定义：在两列光波叠加的区域，某些区域相互加强，出现亮条纹，某些区域相互减弱，出现暗条纹，且加强区域和减弱区域相互间隔的现象。2．条件：两束光的频率相同、相位差恒定。3．双缝干涉(1)双缝干涉图样特点：单色光照射时，形成明暗相间的等间距的干涉条纹；白光照射时，中央为白色亮条纹，其余为彩色条纹。(2)条纹间距：Δx＝ldλ，其中l是双缝到屏的距离，d4．薄膜干涉由薄膜(如肥皂液薄膜)前表面和后表面反射光相遇而形成。干涉图样中同一条亮(或暗)条纹所对应的薄膜厚度相同。劈尖干涉是一种薄膜干涉，如图(1)此图是空气膜形成的薄膜干涉图样。 (√)(2)只有频率相同的两列光波才能产生干涉。 (√)(3)若两个平板之间的距离减小，则条纹间的距离变小。 (×)双缝干涉[典例1](2025·山东卷)用如图所示的装置观察光的干涉和偏振现象。狭缝S1、S2关于OO'轴对称，光屏垂直于OO'轴放置。将偏振片P1垂直于OO'轴置于双缝左侧，单色平行光沿OO'轴方向入射，在屏上观察到干涉条纹，再将偏振片P2置于双缝右侧，P1、P2透振方向平行。保持P1不动，将P2绕OO'轴转动90°的过程中，关于光屏上的干涉条纹，下列说法正确的是()A．条纹间距不变，亮度减小B．条纹间距增大，亮度不变C．条纹间距减小，亮度减小D．条纹间距不变，亮度增大A[根据干涉条纹间距公式Δx＝Ldλ可知，当P2旋转时，L、d、λ均不变，故条纹间距不变；随着P2的旋转，透过P2的光强在减小，干涉条纹的亮度在减小，故选A。【教师备选资源】如图所示，截面为等腰直角三角形ABC的玻璃砖，∠B＝90°，一束频率为f＝6×1014Hz的光线从AB面中点处垂直射入棱镜，在AC面发生全反射，从BC面射出后，进入双缝干涉装置。已知AC长度L＝0.3m，双缝间距d＝0.2mm，光屏与双缝间距离l＝1.0m，光在真空中的传播速度为c＝3.0×108m/s，求：(1)玻璃砖对该光线的折射率的最小值n；(2)光线在玻璃砖中传播的最短时间t；(3)光屏上相邻亮条纹的间距Δy。[解析](1)由几何关系知，光线在AC面发生全反射的入射角为45°，可知临界角C≤45°，由sinC＝1n得n≥2，即折射率的最小值为2(2)由几何关系可知，光线在玻璃砖中传播距离s＝22L，光线在玻璃砖中的传播速度v＝cn，传播时间t＝sv，可得t＝2nL2c，当n最小时，有最短时间，解得最短时间t＝1(3)由λ＝cf和Δy＝ldλ联立代入数据解得Δy＝2.5[答案](1)2(2)1×10-9s(3)2.5mm薄膜干涉[典例2]某卡片由内外两层胶合而成，内层为黑色塑料，外层为透明、硬质塑料。由于两层间左下角张开进入空气，在激光照射下仔细观察会看到明暗相间的条纹(如图甲所示)。已知任意一条亮条纹或暗条纹所在位置下面的空气薄膜厚度相等；任意相邻亮条纹或暗条纹所对应的空气薄膜厚度差恒定。现按压卡片左下角，空气薄膜轮廓不变，如图乙所示。下列选项正确的是()A．条纹变疏，且向右上方移动B．条纹变疏，且向左下方移动C．条纹变密，且向左下方移动D．条纹变密，且向右上方移动B[内外两层间形成空气劈尖，光线在空气膜的上下表面反射，并发生干涉，形成明暗相间的条纹，设空气膜顶角为θ，两相邻亮条纹的间距为Δl，如图所示，两处光的路程差分别为Δs1＝2d1，Δs2＝2d2，由Δs2－Δs1＝λ得d2－d1＝λ2，由几何关系得，tanθ＝d2-d1Δl，即Δl＝λ2tanθ，当按压左下角时，θ减小，Δl增大方法技巧：薄膜干涉(1)形成原因：如图所示，竖直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形。光照射到薄膜上时，从膜的前表面AA'和后表面BB'分别反射回来，形成两列频率相同的光波，并且叠加。(2)明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，光在薄膜中的波长为λ。在P1、P2处，Δr＝nλ(n＝1，2，3，…)，薄膜上出现亮条纹。在Q处，Δr＝(2n＋1)λ2(n＝0，1，2，3，…)，光的衍射和偏振现象、激光一、光的衍射发生明显衍射现象的条件：在障碍物或狭缝的尺寸足够小的时候，衍射现象十分明显。二、光的偏振1．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。2．偏振光：在垂直于光的传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动的光。3．偏振光的形成(1)让自然光通过偏振片形成偏振光。(2)让自然光在两种介质的界面发生反射和折射，反射光和折射光可以成为部分偏振光或完全偏振光。4．光的偏振现象说明光是一种横波。三、激光激光具有高度的相干性，可以被调制，用来传递信息；平行度非常好，可用来精确测距；亮度很高，可用来切割、焊接等。(1)阳光下茂密的树林中，地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的。 (×)(2)泊松亮斑是光的衍射形成的。 (√)(3)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。 (√)光的衍射现象[典例3](2025·山东潍坊调研)线膨胀系数是表征物体受热时长度增加程度的物理量。利用单缝衍射实验装置可以测量金属的线膨胀系数。如图是该实验的装置示意图，挡光片a固定，挡光片b放在待测金属棒上端，让激光通过a、b间的平直狭缝后在光屏上形成衍射图样。已知中央亮条纹宽度D、单缝宽度d、光的波长λ、缝到屏的距离L满足关系式D＝2Ldλ。关于该实验，下列说法正确的是(A．激光通过狭缝后在光屏上可以形成明暗相间的等距条纹B．其他实验条件不变，使用频率更大的激光，中央亮条纹宽度变大C．其他实验条件不变，对金属棒加热，中央亮条纹宽度变大D．其他实验条件不变，增大光屏到狭缝的距离，中央亮条纹宽度变小C[激光通过狭缝发生衍射后在光屏上得到的是中间宽、两侧窄的明暗相间的条纹，A错误；由λ＝cν可知使用频率更大的激光，激光的波长更小，根据D＝2Ldλ可知，其他实验条件不变的情况下，使用频率更大的激光，中央亮条纹宽度变小，B错误；根据D＝2Ldλ可知，其他实验条件不变的情况下，对金属棒加热，金属棒膨胀，长度增加，则单缝宽度d变小，中央亮条纹宽度变大，C正确；根据D＝2Ldλ可知，其他实验条件不变的情况下，增大光屏到狭缝的距离方法技巧：单缝衍射与双缝干涉的比较项目单缝衍射双缝干涉不同点条纹宽度条纹宽度不等，中央最宽条纹宽度相等条纹间距各相邻亮(暗)条纹间距不等各相邻亮(暗)条纹等间距亮度情况中央条纹最亮，两边变暗条纹清晰，亮度基本相同相同点干涉、衍射都有明暗相间的条纹，干涉、衍射都是波特有的现象；从本质上看都属于光波的叠加，干涉是从双缝通过两列频率相同的光波在屏上叠加形成的，衍射是由来自单缝上不同位置的光在屏上叠加形成的光的偏振现象[典例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()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D[立体眼镜的左、右两镜片为透振方向相互垂直的偏振片，开始时左镜片明亮、右镜片暗，则手机液晶屏幕发出的光的振动方向与左镜片的透振方向一致，手机屏幕旋转90°，其屏幕发出的光的振动方向与右镜片的透振方向一致，则左镜片变暗，右镜片变亮，故选D。]课时作业(七十二)光的波动性1．(2025·江苏苏州模拟)抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细，如图所示，根据激光束越过细丝后在光屏上产生的条纹变化判断细丝的粗细变化，下列说法正确的是()A．运用了光的衍射现象，屏上条纹变宽，说明细丝变细B．运用了光的衍射现象，屏上条纹变宽，说明细丝变粗C．运用了光的干涉现象，屏上条纹变宽，说明细丝变细D．运用了光的干涉现象，屏上条纹变宽，说明细丝变粗A[当障碍物的尺寸与波的波长相当或小于波的波长时，会发生明显的衍射现象，该装置的原理是光的衍射现象，如果屏上条纹变宽，则细丝变细，故B、C、D错误，A正确。]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，用绿色激光照双缝，能在墙面上观察到干涉条纹，下列做法可以使相邻两条亮纹中央间距变小的是()A．换用更粗的头发丝B．换用红色激光照双缝C．增大纸板与墙面的距离D．减小光源与纸板的距离A[由Δx＝Ldλ，可知换用更粗的头发丝，双缝间距d变大，则相邻两条亮纹中央间距Δx变小，故A正确；换用红色激光照双缝，波长变长，则相邻两条亮纹中央间距Δx变大，故B错误；增大纸板与墙面的距离L，则相邻两条亮纹中央间距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纹中央间距Δx，故D错误。3．一种干涉热膨胀仪原理图如图所示。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．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A[由题意知，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。]4．(2025·陕西西安模拟)下列四种情形中，与其余三种所涉及的光学原理不同的是()A．透镜上方看到牛顿环B．相机镜头涂有增透膜C．光经过大头针尖时产生条纹D．检查平面的平整程度C[牛顿环是利用了光的干涉原理，增透膜是利用光的干涉原理，光经过大头针尖时产生条纹是衍射现象，用标准平面检查光学平面的平整程度是利用光的薄膜干涉现象，综上所述，与其余三种所涉及的光学原理不同的是C。]5．(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()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C[单色平行光垂直照射平板玻璃，空气薄膜上、下表面的反射光发生干涉，形成干涉条纹，光程差为两块玻璃距离的两倍，根据光的干涉知识可知，同一条干涉条纹位置处光的光程差相等，即滚珠a的直径与滚珠b的相等，即滚珠b合格，不同的干涉条纹位置处光的光程差不同，则滚珠a的直径与滚珠c的不相等，即滚珠c不合格，故选C。]6．(2025·江苏卷)如图所示，一束激光射入肥皂泡后(入射激光束未在图中标出)，肥皂膜内出现一亮环。肥皂膜内的激光()A．波长等于亮环的周长B．频率比在真空中的大C．在肥皂膜与空气的界面上发生衍射D．在肥皂膜与空气的界面上发生全反射D[激光在不同的介质中传播时，频率相同，波长不同，激光波长与亮环周长无关，故A、B错误；一束激光打进一个肥皂泡(图中未画出入射光线)，发现在肥皂泡内侧出现一个亮环，是因为激光在空气与肥皂膜分界面处发生了全反射，故C错误，D正确。]7．日晕是一种大气光学现象。当光线射入卷层云中的冰晶后，经过两次折射，分散成不同方向的单色光，形成围绕太阳的彩色光环。如图所示为一束太阳光射到一冰晶时的光路图，a、b为其折射出的光线中的两种单色光。下列说法正确的是()A．在冰晶中，b光的折射率大B．在冰晶中，a光的传播速度比b光小C．相同条件下，b光的衍射现象更明显D．相同条件下，a光的双缝干涉条纹间距小A[由题图可以看出，太阳光射入冰晶时，b光的折射角小于a光的折射角，即rb<ra，根据折射率公式n＝sinisinr可知nb>na，故A正确；因为n＝cv，所以vb<va，故B错误；nb>na，故fb>fa，根据λ＝cf可知λb<λa，故相同条件下a光的衍射现象更明显，故C错误；根据Δx＝ldλ，可知通过同一装置发生双缝干涉，b8．(2025·云南昆明模拟)光的干涉现象在技术中有着重要应用，例如检查平面的平整程度。如图甲所示，把一标准透明板压在另一被检测透明板上，一端用两张纸片垫起，构成空气劈尖，让单色光a、b分别从上方射入，得到明暗相间的条纹如图乙所示。下列说法正确的是()A．若抽掉一张纸片，条纹间距不变B．单色光a的波长比单色光b的波长大C．照射同种金属发生光电效应时单色光a的遏止电压比单色光b小D．若出现图丙的干涉图样，弯曲的干涉条纹说明被检测的平面在此处是凸起的D[设空气劈尖的顶角为θ，则有tanθ＝λ2Δx，故相邻亮条纹中央的距离Δx＝λ2tanθ，由Δx＝λ2tanθ可知，若抽掉一张纸片，θ减小，条纹间距变大，A错误；由Δx＝λ2tanθ可知，波长越长，条纹间距越大，由题图乙可知，单色光a的波长比单色光b的波长小，B错误；照射同种金属发生光电效应时，由eUc＝Ek＝hν－W0、ν＝cλ可知波长越短，遏止电压越大，因为λa<λb，故单色光a的遏止电压比单色光b大，C错误9．(多选)(2025·陕晋青宁卷)在双缝干涉实验中，某实验小组用波长为440nm的蓝色激光和波长为660nm的红色激光组成的复合光垂直照射双缝，双缝间距为0.5mm，双缝到屏的距离为500mm，则屏上()A．蓝光与红光之间能发生干涉形成条纹B．蓝光相邻条纹间距比红光相邻条纹间距小C．距中央亮条纹中心1.32mm处蓝光和红光亮条纹中心重叠D．距中央亮条纹中心1.98mm处蓝光和红光亮条纹中心重叠BC[蓝光与红光频率不等，不能发生干涉形成条纹，故A错误；根据相邻干涉条纹间距公式Δx＝Ldλ，由于蓝光的波长较短，故蓝光相邻条纹间距比红光相邻条