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第十三章
光　学
第2讲　光的波动性
(含实验17　用双缝干涉实验测量光的波长)
1.知道双缝干涉和薄膜干涉现象,掌握形成明暗条纹的条件。2.知道光的衍射、偏振现象,知道产生明显衍射现象的条件。3.会用双缝干涉测量光的波长。
1.定义:在两列光波叠加的区域,某些区域相互加强,出现_______条纹,某些区域相互减弱,出现_______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_______、相位差恒定。
考点1　光的干涉现象
亮
暗
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_______条纹,其余为_______条纹。
4.薄膜干涉:利用薄膜(如肥皂液薄膜)___________反射的光相遇而形成的。图样中同一条亮(或暗)条纹上所对应薄膜厚度_______。
白色亮
彩色
前后表面
相同
(1)频率不同的两列光波不能发生干涉现象( )
(2)双缝干涉实验中,用单色光照射能形成明暗相间的干涉条纹,用白光照射时不能产生干涉现象( )
(3)薄膜干涉是经薄膜前后表面反射光叠加后发生干涉的结果( )




答案　B
考向2　薄膜干涉
1.形成。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,在膜的前表面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。

【典例2】　(多选)(2021·浙江卷)肥皂膜的干涉条纹如图所示,条纹间距上面宽、下面窄。下列说法正确的是(　　)
A.过肥皂膜最高和最低点的截面一定不是梯形
B.肥皂膜上的条纹是前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　干涉条纹间距上宽下窄,说明从上往下肥皂膜的厚度不是均匀增加的,即截面一定不是梯形,A项正确;肥皂膜在重力的作用下会形成上窄下宽的楔形,在入射光一侧由前后表面反射光叠加形成干涉条纹,B项正确;肥皂膜从形成到破裂,由于重力的作用,膜的厚度会越来越薄,条纹的宽度和间距会不断发生变化,C项错误;转动把柄,肥皂膜还是上窄下宽,条纹不会跟着转动,D项错误。
答案　AB
1.光的衍射。
发生明显衍射的条件:只有当障碍物的尺寸与光的波长_________,甚至比光的波长_______的时候,衍射现象才会明显。
考点2　光的衍射和偏振现象
相差不多
还小
2.光的偏振。
(1)自然光:包含着在垂直于传播方向上沿_________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_______的方向振动的光。
一切方向
特定
(3)偏振光的形成。
①让自然光通过_______形成偏振光。
②让自然光在两种介质的界面发生反射和_______,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_______波。
偏振片
折射
横
(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)光遇到障碍物时都能产生衍射现象 ( )
1.单缝衍射与双缝干涉的比较。
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。
考向1　光的衍射
【典例3】　(多选)在单缝衍射实验中,中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的95%以上。假设现在只让一个光子通过单缝,那么该光子
(　　)
A.一定落在中央亮纹处
B.一定落在亮纹处
C.可能落在亮纹处,也可能落在暗纹处
D.落在中央亮纹处的可能性最大
解析　根据光的概率波的概念,对于一个光子通过单缝后落在何处是不可确定的,但概率最大的是落在中央亮纹处,可达95%以上。当然也可能落在其他亮纹处,还可能落在暗纹处,只不过落在暗处的概率很小而已,综上所述C、D两项正确。
答案　CD
考向2　光的干涉和衍射的比较
【典例4】　如图所示的4种明暗相间的条纹,是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分表示亮纹)。则在下面的四个图中,哪个图是蓝光形成的干涉图样(　　)
解析　干涉图样条纹间的距离都是相等的,衍射图样最中间的条纹最粗,向两旁依次变细,故A、C是干涉图样,B、D是衍射图样;又由于蓝光波长较红光短,所以蓝光形成的干涉图样条纹间的距离较小,所以A是蓝光形成的干涉图样。
答案　A
考向3　光的偏振
【典例5】　(多选)如图,P是偏振片,P的透振方向(用带箭头的实线表示)为竖直方向。下列四种入射光束中,照射P时能在P的另一侧观察到透射光的是(　　)
A.太阳光
B.沿竖直方向振动的光
C.沿水平方向振动的光
D.沿与竖直方向成45°角振动的光
解析　太阳光包含垂直传播方向向各个方向振动的光,当太阳光照射P时能在P的另一侧观察到偏振光,A项正确;沿竖直方向振动的光能通过偏振片,B项正确;沿水平方向振动的光不能通过偏振片,因为它们已经相互垂直,C项错误;沿与竖直方向成45°角振动的光也能通过偏振片,D项正确。
答案　ABD
考点3　实验:用双缝干涉测量光的波长
原理装置图
根据关系式Δx=____可知,测出相邻亮条纹间距离Δx、遮光筒的长度l和双缝间距离d,代入上式即可计算出光的波长

操作要求
1.安装仪器(如图所示)。
(1)将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上。
(2)接好光源,打开开关,使白炽灯正常发光。调节各部件的高度,使光源灯丝发出的光能沿轴线到达光屏。
(3)安装单缝和双缝,中心位于遮光筒的轴线上,使双缝和单缝的缝_______。
平行
操作要求 2.观察与记录。
(1)调单缝与双缝间距为5~10 cm时,观察白光的干涉条纹。
(2)在单缝和光源间放上滤光片,观察单色光的干涉条纹。
(3)调节测量头,使分划板中心刻度线对齐第1条亮条纹的中心,记下手轮上的读数a1;转动手轮,使分划板向一侧移动,当分划板中心刻度线与第n条相邻的亮条纹中心对齐时,记下手轮上的读
数a2,则相邻两条亮条纹间的距离Δx=_________。
(4)换用不同的滤光片,测量其他色光的波长

注意事项 (1)放置单缝和双缝时,必须使缝平行,间距5~10 cm。
(2)要保持光源、滤光片、单缝、双缝和光屏的中心在同一条轴线上。
(3)测量头的中心刻线要对应着亮(或暗)纹的中心。
(4)要多测几个亮纹(或暗纹)中心间的距离,再求Δx。
(5)照在像屏上的光很弱,原因是灯丝与单缝、双缝,测量头与遮光筒不共轴,干涉条纹不清晰,主要原因一般是单缝与双缝不平行
考向1　实验基本技能
【典例6】　在“用双缝干涉测光的波长”实验中,将双缝干涉实验仪按要求安装在光具座上(如图甲),并选用双缝间距d=0.20 mm 的双缝屏。从仪器注明的规格可知,像屏与双缝屏间的距离l=700 mm。然后,接通电源使光源正常工作。
(1)已知测量头主尺的最小刻度是毫米,副尺上有50分度。某同学调整手轮后,从测量头的目镜看去,第1次映入眼帘的干涉条纹如图乙(a)所示,图乙(a)中的数字是该同学给各暗纹的编号,此时图乙(b)中游标尺上的读数x1=1.16 mm;接着再转动手轮,映入眼帘的干涉条纹如图丙(a)所示,此时图丙(b)中游标尺上的读数x2=________mm。
(2)利用上述测量结果,经计算可得两个相邻明纹(或暗纹)间的距离Δx=________mm;这种色光的波长λ=________nm。

答案　(1)15.02　(2)2.31　6.6×102
考向2　实验的迁移、拓展和创新
【典例7】　洛埃德在1834年提出了一种更简单的观察干涉现象的装置。如图所示,从单缝S发出的光,一部分入射到平面镜后反射到屏上,另一部分直接投射到屏上,在屏上两光束交叠区域里将出现干涉条纹。单缝S通过平面镜成的像是S'。
(1)通过洛埃德镜在屏上可以观察到明暗相间的干涉条纹,这和双缝干涉实验得到的干涉条纹一致。如果S被视为其中的一个缝,_______相当于另一个“缝”。
(2)实验表明,光从光疏介质射向光密介质界面发生反射,在入射角接近90°时,反射光与入射光相比,相位有π的变化,即半波损失。如果把光屏移动到和平面镜接触,接触点P处是________(填“亮条纹”或“暗条纹”)。
(3)实验中已知单缝S到平面镜的垂直距离h=0.15 mm,单缝到光屏的距离D=1.2 m,观测到第3个亮条纹中心到第12个亮条纹中心的间距为22.78 mm,则该单色光的波长λ=________m(保留3位有效数字)。
解析　(1)根据平面镜成像原理,经镜面反射的光线可认为是从S的像S'发出的,故S'相当于双缝干涉中的另一个缝。
(2)根据题意,如果把光屏移动到和平面镜相接触,直接射到光屏上P点的光和经平面镜反射的光相位差为π,故接触点P处形成暗条纹。

答案　(1)S经平面镜成的像S'　(2)暗条纹 (3)6.33×10-7

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