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第2讲　光的干涉、衍射和偏振
一、光的干涉(选一第四章第3节)
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,振动方向相同。
3.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。
4.条纹间距:Δx=λ,其中l是双缝到光屏的距离,d是双缝间的距离,λ是入射光波的波长。
5.薄膜干涉:利用薄膜(如肥皂液薄膜)前后表面反射的光相遇而形成。薄膜干涉图样中同一条亮(或暗)条纹上所对应薄膜厚度相同。
二、光的衍射和偏振(选一第四章第5、6节)
1.光的衍射
(1)发生明显衍射的条件:在障碍物的尺寸与光的波长相差不多,甚至比光的波长还小的时候,衍射现象十分明显。
(2)衍射条纹的特点:
a.单缝衍射:若为单色光,中央为亮且宽的条纹,两侧为明暗相间的条纹,条纹间距不等,且离中央条纹越远,亮条纹的亮度越弱,宽度越小(如图甲所示)。
b.单孔衍射:若为单色光,中央是大且亮的圆形亮斑,周围分布着明暗相间的同心圆环,且越靠外,圆形亮条纹的亮度越弱,宽度越小(如图乙所示);亮环或暗环间的距离随圆孔半径的增加而减小。
c.泊松亮斑(圆盘衍射):当光照射到不透明的半径很小的圆盘上时,在圆盘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。(如图丙所示)
2.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。
【质疑辨析】
角度1 光的干涉
(1)频率不同的两列波一定不能发生干涉。 (　√　)
(2)在双缝干涉实验中,若仅将入射光由红光换成绿光,则条纹宽度一定变大。(　×　)
(3)太阳光通过三棱镜形成彩色光谱,这是光的干涉的结果。 (　×　)
(4)厚度相同的薄膜也可以形成干涉现象。 (　×　)
角度2 光的衍射、偏振
(5)只有在障碍物的尺寸与光的波长相差不多,甚至比光的波长还小的时候,才会出现光的衍射现象。 (　×　)
(6)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。 (　×　)
(7)除了从光源直接发出的光,我们通常看到的绝大部分光,都是不同程度的偏振光。 (　√　)
精研考点·提升关键能力
考点一　 光的干涉现象　(核心共研)
【核心要点】
项目 双缝干涉 薄膜干涉
平行的平面薄膜干涉 牛顿环
装置
形成原因 通过双缝的分光作用获得两列相干光源 由薄膜上、下表面反射的光线形成相干光源 由球面上和平面上反射的光线形成相干光源
条纹特征 (单色光) 形成明暗相间的等间距的干涉条纹 形成明暗相间的等间距的干涉条纹 明暗相间的同心圆环,中间疏、边缘密
条纹宽度 Δx=λ Δx= —
【典例剖析】
角度1 双缝干涉
[典例1](2023·江苏选择考)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(　　)
A.倍　　B.倍 C.2倍 D.3倍
角度2 薄膜干涉
[典例2] (2023·山东等级考)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.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
【备选例题】
(2023·孝感模拟)肥皂膜的干涉条纹如图所示,竖直放置的肥皂膜条纹间距上面宽、下面窄,下列说法正确的是(　　)
A.肥皂膜上的条纹是前后表面反射光形成的干涉条纹
B.肥皂膜上的条纹是前表面折射光与后表面反射光形成的干涉条纹
C.肥皂膜从形成到破裂,条纹的宽度和间距不会发生变化
D.将肥皂膜外金属环左侧的把柄向上转动90°,条纹也会跟着转动90°
考点二　光的衍射和偏振现象　(基础自悟)
【核心要点】
1.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 各相邻条纹间距不等 各相邻条纹等间距
亮度情况 中央条纹最亮,两边变暗 条纹清晰,亮度基本相等
相同点 干涉、衍射都是波特有的现象,属于波的叠加;干涉、衍射都有明暗相间的条纹
2.光的干涉和衍射的本质
光的干涉和衍射都属于光的叠加,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.对光的偏振的理解
(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 从普通光源发出的光 自然光通过起偏器后的光
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,且沿各个方向振动的光的强度相同 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。
【题点全练】
角度1 光的衍射
1.(2023·邢台模拟)某同学用红光做实验,拍摄到屏上亮条纹的照片如图甲、乙所示,则该同学做的是(　　)
A.单缝衍射实验,甲图中单缝的宽度小
B.单缝衍射实验,乙图中单缝的宽度小
C.用和甲图相同装置做实验,仅将红光改为绿光,中央亮纹宽度更大
D.用和甲图相同装置做实验,仅将红光改为白光,屏上出现黑白相间条纹
2.某研究性学习小组用激光束照射不同直径的圆孔和不透明圆板后,拍摄了许多屏上的图样,图甲和图乙是学习小组拍摄的图样中的两张,下列说法正确的是(　　)
A.图甲为著名的“泊松亮斑”
B.图甲和图乙都是光线照射到圆孔后的衍射图样,图甲中孔的直径较小
C.图甲和图乙都是光线照射到圆板后的衍射图样,图乙中板的直径较小
D.图甲是光线照射到圆孔后的衍射图样,图乙是光线照射到圆板后的衍射图样
角度2 光的偏振
3.(多选)关于下列四幅图所涉及的光学知识中,说法正确的是(　　)
A.图甲皂液薄膜观测到明暗相间条纹是光的干涉结果
B.图乙医用内窥镜是光的衍射现象的应用
C.图丙是观测光的偏振现象,偏振现象说明光是一种横波
D.图丁泊松亮斑是由于光的折射产生的
答案及解析
考点一　 光的干涉现象
【典例剖析】
角度1 双缝干涉
[典例1](2023·江苏选择考)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(　　)
A.倍　　B.倍 C.2倍 D.3倍
【解析】选B。根据双缝干涉的条纹间距与波长关系有Δx=λ,由题图知Δx乙 = 2Δx甲,则d乙=d甲,故选B。
角度2 薄膜干涉
[典例2] (2023·山东等级考)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.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
【题眼破译】——提升信息提取能力
信息→温度升高,标准石英环G增长的高度更大,劈形空气层厚度变大。
【解析】选A。由题知,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,且同一厚度的空气层向劈尖移动,则条纹向左移动,故选A。
【方法技巧】
1.亮、暗条纹的判断
①在P1、P2处,两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr等于波长的整数倍,即Δr=nλ(n=1,2,3,…),薄膜上出现亮条纹。
②在Q处,两列反射回来的光波的路程差Δr等于半波长的奇数倍,即Δr=(2n+1)(n=0,1,2,3,…),薄膜上出现暗条纹。
2.应用:干涉法检查平面如图甲所示,两板之间形成一楔形空气膜,用单色光从上向下照射,如果被检查平面是平整光滑的,我们会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹;若被检查平面不平整,则干涉条纹发生弯曲。如图乙所示中干涉条纹弯曲处说明被检查的平面在此处是凹下的。
【备选例题】
(2023·孝感模拟)肥皂膜的干涉条纹如图所示,竖直放置的肥皂膜条纹间距上面宽、下面窄,下列说法正确的是(　　)
A.肥皂膜上的条纹是前后表面反射光形成的干涉条纹
B.肥皂膜上的条纹是前表面折射光与后表面反射光形成的干涉条纹
C.肥皂膜从形成到破裂,条纹的宽度和间距不会发生变化
D.将肥皂膜外金属环左侧的把柄向上转动90°,条纹也会跟着转动90°
【解析】选A。肥皂膜上的条纹是薄膜前后两表面反射形成的两列光波叠加形成的干涉条纹,故A正确,B错误;薄膜是等厚干涉,肥皂膜从形成到破裂,由于液体在向下流动,薄膜上部逐渐变薄,下部逐渐变厚,因此出现加强点和减弱点的位置发生了变化,条纹的宽度和间距会发生变化,故C错误;将肥皂膜外金属环左侧的把柄向上转动90°,由于重力、表面张力和粘滞力等的作用,肥皂膜的形状和厚度会重新分布,因此条纹并不会跟着旋转90°,故D错误。
考点二　光的衍射和偏振现象　
【题点全练】
角度1 光的衍射
1.(2023·邢台模拟)某同学用红光做实验,拍摄到屏上亮条纹的照片如图甲、乙所示,则该同学做的是(　　)
A.单缝衍射实验,甲图中单缝的宽度小
B.单缝衍射实验,乙图中单缝的宽度小
C.用和甲图相同装置做实验,仅将红光改为绿光,中央亮纹宽度更大
D.用和甲图相同装置做实验,仅将红光改为白光,屏上出现黑白相间条纹
【解析】选A。双缝干涉条纹的特征是等宽等亮度,单缝衍射条纹的特征是中央条纹最宽,向两侧越来越窄,中央条纹最亮,向两侧越来越暗,所以该图片是单缝衍射实验的条纹。又因为单缝越窄条纹越宽,所以甲图中单缝的宽度小,A正确,B错误;波长越长,中央条纹越宽,所以用和甲图相同装置做实验,仅将红光改为绿光,波长变短,中央亮纹宽度更小,C错误;用和甲图相同装置做实验,仅将红光改为白光,屏上出现彩色条纹,D错误。
2.某研究性学习小组用激光束照射不同直径的圆孔和不透明圆板后,拍摄了许多屏上的图样,图甲和图乙是学习小组拍摄的图样中的两张,下列说法正确的是(　　)
A.图甲为著名的“泊松亮斑”
B.图甲和图乙都是光线照射到圆孔后的衍射图样,图甲中孔的直径较小
C.图甲和图乙都是光线照射到圆板后的衍射图样,图乙中板的直径较小
D.图甲是光线照射到圆孔后的衍射图样,图乙是光线照射到圆板后的衍射图样
【解析】选D。圆孔衍射图样是中央大亮斑,周围为明暗相间的圆环,不透明圆板衍射的图样是背后大阴影中心处有个亮斑,即“泊松亮斑”,因此图甲为光线照射到圆孔后的衍射图样,图乙为光线照射到圆板后的衍射图样,且图乙为“泊松亮斑”,D正确。
角度2 光的偏振
3.(多选)关于下列四幅图所涉及的光学知识中,说法正确的是(　　)
A.图甲皂液薄膜观测到明暗相间条纹是光的干涉结果
B.图乙医用内窥镜是光的衍射现象的应用
C.图丙是观测光的偏振现象,偏振现象说明光是一种横波
D.图丁泊松亮斑是由于光的折射产生的
【解析】选A、C。图甲皂液薄膜观测到明暗相间条纹是光的干涉结果,故A正确;图乙医用内窥镜是光的全反射现象的应用,故B错误;图丙是观测光的偏振现象,偏振是横波特有的现象,说明光是一种横波,故C正确;图丁泊松亮斑是由于光的衍射产生的,故D错误。
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