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第 2 講 光的波動(dòng)性,知識(shí)點(diǎn)1 光的干涉 Ⅰ 【思維激活1】如圖是雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置 的示意圖,S為單縫,S1、S2為雙縫,P為光 屏。用綠光從左邊照射單縫S時(shí),可在光屏 P上觀察到干涉條紋。下列說法正確的是 ( ) A.減小雙縫間的距離,干涉條紋間的距離減小 B.增大雙縫到屏的距離,干涉條紋間的距離增大 C.將綠光換為紅光,干涉條紋間的距離減小 D.將綠光換為紫光,干涉條紋間的距離增大,【解析】選B。由雙縫干涉條紋間距公式Δx= 可知,減小雙縫間的距離d,干涉條紋間的距離Δx增大,A錯(cuò)誤;增大雙縫到屏的距離L,干涉條紋間的距離增大,B正確;將綠光換為紅光,入射光的波長增大,干涉條紋間的距離應(yīng)增大,C錯(cuò)誤;將綠光換為紫光,入射光的波長變短,干涉條紋間的距離應(yīng)減小,D錯(cuò)誤。,【知識(shí)梳理】 1.產(chǎn)生條件：兩列光的_____相同,振動(dòng)方向_____,且具有恒定的相位差,才能產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉圖樣。,頻率,相同,2.兩種典型的干涉： (1)楊氏雙縫干涉。 ①原理如圖所示。,②明、暗條紋的條件。 (ⅰ)單色光：形成_________的條紋,中央為明條紋。 a.光的路程差Δr=r2-r1=____(k=0,1,2…),光屏上出現(xiàn)明條紋。 b.光的路程差Δr=r2-r1=________(k=0,1,2…),光屏上出現(xiàn)暗 條紋。 (ⅱ)白光：光屏上出現(xiàn)_____條紋,且中央亮條紋是_____(填寫 顏色)。 ③條紋間距公式：Δx=_____。,明暗相間,kλ,彩色,白色,(2)薄膜干涉。 ①相干光：光照射到透明薄膜上,從薄膜的兩個(gè)表面_____的 兩列光波。 ②圖樣特點(diǎn)：同雙縫干涉,同一條亮(或暗)紋對(duì)應(yīng)薄膜的_____ 相等。單色光照射薄膜時(shí)形成明暗相間的條紋,白光照射薄膜 時(shí),形成彩色條紋。,反射,厚度,知識(shí)點(diǎn)2 光的衍射 Ⅰ 【思維激活2】某同學(xué)使用激光器做光源,在不透光的擋板上開一條縫寬為0.05mm的窄縫,進(jìn)行光的衍射實(shí)驗(yàn),如圖甲所示。則他在光屏上看到的條紋是圖乙中的( ),【解析】選D。因?yàn)榭p沿水平方向,所以衍射條紋也沿水平方向,A、C選項(xiàng)不對(duì);選項(xiàng)B中明暗相間的條紋間距等大,為干涉圖樣,所以本題應(yīng)選D。,【知識(shí)梳理】 1.發(fā)生明顯衍射的條件：只有當(dāng)障礙物的尺寸與光的波長 _________,甚至比光的波長_____的時(shí)候,衍射現(xiàn)象才會(huì)明顯。,相差不多,還小,2.衍射條紋的特點(diǎn)： (1)單縫衍射和圓孔衍射圖樣的比較。,明暗相間,越弱,越小,明暗相間,越弱,越小,減小,逐漸變暗,逐漸變窄,同心圓環(huán),(2)泊松亮斑(圓盤衍射)：當(dāng)光照到_______(選填“透明” 或“不透明”)的半徑很小的小圓盤上時(shí),在圓盤的陰影中心 出現(xiàn)_____(在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環(huán))。,不透明,亮斑,知識(shí)點(diǎn)3 光的偏振現(xiàn)象 Ⅰ 【思維激活3】如圖所示,半徑為R的圓形偏振片P的透振方向?yàn)樨Q直方向,一束橫截面半徑略小于R的平行自然光正對(duì)著偏振片P照射后射到屏上,現(xiàn)以光的傳播方向OO′為軸將偏振片P旋轉(zhuǎn)90°,則在偏振片P旋轉(zhuǎn)的過程中( ),A.屏上出現(xiàn)圓形亮斑,亮度不變 B.屏上出現(xiàn)圓形亮斑,亮度逐漸變暗 C.屏上出現(xiàn)隨偏振片P旋轉(zhuǎn)的亮條紋,且亮度不變 D.屏上出現(xiàn)隨偏振片P旋轉(zhuǎn)的亮條紋,且亮度變暗,【解析】選A。圓柱狀光束通過偏振片后,屏幕上出現(xiàn)圓形亮斑,偏振片是讓特定方向振動(dòng)的光透過去,只是相對(duì)光源的亮度減弱,故屏幕上依然出現(xiàn)圓形亮斑,C、D錯(cuò)。自然光包含在垂直于傳播方向上沿一切方向振動(dòng)的光,而且沿著各個(gè)方向振動(dòng)的光波的強(qiáng)度都相同,故轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片,透振方向雖然改變,但成像依然是圓形亮斑,且亮度不變,A正確,B錯(cuò)誤。,某一特定,一切方向,強(qiáng)度,垂直,橫波,【微點(diǎn)撥】 1.對(duì)相干光源獲得方法的兩點(diǎn)提醒： (1)將一束光分成兩束而獲得,此法稱為分光法。 (2)利用激光。 2.研究干涉現(xiàn)象時(shí)的兩點(diǎn)注意： (1)只有相干光才能形成穩(wěn)定的干涉圖樣,光的干涉是有條件的。 (2)單色光形成明暗相間的干涉條紋,白光形成彩色條紋。,3.偏振現(xiàn)象的兩個(gè)易錯(cuò)提醒： (1)偏振現(xiàn)象在生活中非常普遍,并不是只有自然光通過偏振片后才變?yōu)槠窆?生活中除光源直接發(fā)出的光外,我們看到的絕大部分光都是偏振光。 (2)當(dāng)偏振光入射到偏振片上時(shí),如果偏振方向與透振方向既不平行也不垂直,仍會(huì)有部分光透過偏振片。,考點(diǎn)1 光的干涉、衍射及偏振 1.單縫衍射與雙縫干涉的比較：,對(duì)比分析,2.自然光和偏振光的比較：,【題組通關(guān)方案】 【典題1】(2014·成都模擬)如圖所示的四種明暗相間的條紋,分別是紅光、藍(lán)光各自通過同一個(gè)雙縫干涉儀器形成的干涉圖樣以及黃光、紫光各自通過同一個(gè)單縫形成的衍射圖樣(黑色部分表示亮紋)。則在下面四個(gè)圖中從左往右排列,亮條紋的顏色依次是( ),A.黃紫紅藍(lán) B.紫黃藍(lán)紅 C.紅藍(lán)紫黃 D.藍(lán)紅黃紫,【典題解析】選C。干涉條紋的特點(diǎn)是條紋寬度相等,且相鄰條紋等間距,波長越大,條紋越寬。又因?yàn)榧t光的波長大于藍(lán)光的波長,所以左邊數(shù)第一幅圖是紅光的干涉條紋,第二幅圖是藍(lán)光的干涉條紋。衍射條紋的特點(diǎn)是條紋寬度不等,中央最寬且各相鄰條紋間距不等,波長越大,中央條紋越寬。又因?yàn)辄S光的波長大于紫光的波長,故左邊數(shù)第三幅圖對(duì)應(yīng)紫光,第四幅圖對(duì)應(yīng)黃光,C正確,A、B、D錯(cuò)誤。,【典題2】(2012·江蘇高考)如圖所示,白熾燈的右側(cè)依次平行放置偏振片P和Q,A點(diǎn)位于P、Q之間,B點(diǎn)位于Q右側(cè)。旋轉(zhuǎn)偏振片P,A、B兩點(diǎn)光的強(qiáng)度變化情況是( ) A.A、B均不變 B.A、B均有變化 C.A不變,B有變化 D.A有變化,B不變,【典題解析】選C。對(duì)白熾燈而言,無論偏振片P轉(zhuǎn)動(dòng)到哪個(gè)方向,獲得的都是單一振動(dòng)方向、強(qiáng)度都相同的偏振光,轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片P時(shí),只有振動(dòng)方向和偏振片Q的透振方向相同時(shí),透過的光最強(qiáng),所以答案選C。,【加固訓(xùn)練】 1.(2012·上海高考)如圖為紅光或紫光通過雙縫或單縫所呈現(xiàn)的圖樣,則( ) A.甲為紫光的干涉圖樣 B.乙為紫光的干涉圖樣 C.丙為紅光的干涉圖樣 D.丁為紅光的干涉圖樣,【解析】選B。對(duì)于干涉條紋,明條紋和暗條紋在比較多的條數(shù)之內(nèi)都保持寬度相等,且波長越大,條紋越寬;對(duì)于衍射條紋,條紋寬度中間大,兩邊逐漸減小。由于紅光波長大于紫光波長,故紅光條紋比紫光條紋寬。因此,甲是紅光干涉圖樣,乙是紫光干涉圖樣,丙是紅光衍射圖樣,丁是紫光衍射圖樣,故選項(xiàng)B對(duì),A、C、D錯(cuò)。,2.如圖所示,甲、乙、丙、丁四個(gè)圖是不同的單色光形成的雙縫干涉或單縫衍射圖樣,分析各圖樣的特點(diǎn)可以得出的正確結(jié)論是( ),A.甲、乙是光的干涉圖樣 B.丙、丁是光的干涉圖樣 C.形成甲圖樣的光的波長比形成乙圖樣的光的波長短 D.形成丙圖樣的光的波長比形成丁圖樣的光的波長短,【解析】選A。干涉條紋是等間距的條紋,衍射條紋是不等間 距的條紋。因此,甲、乙圖是干涉圖樣,丙、丁圖是衍射圖樣, A正確,B錯(cuò)誤。由公式Δx= 可知,條紋寬度與l、d、λ均有關(guān),故無法判斷甲圖樣與乙圖樣光的波長的大小關(guān)系,C錯(cuò)。丙、丁兩圖中由于縫的大小關(guān)系沒有限定,故無法比較丙、丁圖樣光的波長的大小關(guān)系,D錯(cuò)。,【學(xué)科素養(yǎng)升華】 區(qū)分雙縫干涉條紋與單縫衍射條紋的方法 (1)根據(jù)條紋的寬度區(qū)分：雙縫干涉的條紋的寬度相同,而單縫衍射的條紋中央亮條紋最寬,兩側(cè)的亮條紋逐漸變窄。 (2)根據(jù)條紋的間距區(qū)分：雙縫干涉條紋的間距是相等的,而單縫衍射的條紋越向兩側(cè)條紋間距越窄。 (3)根據(jù)亮條紋的亮度區(qū)分：雙縫干涉條紋,從中央亮紋往兩側(cè)亮度變化很小,而單縫衍射條紋中央亮紋最亮,兩側(cè)的亮紋逐漸變暗。,考點(diǎn)2 用雙縫干涉測(cè)光的波長 1.實(shí)驗(yàn)原理：相鄰兩條明條紋間距Δx與入射光波長λ, 雙縫S1、S2間距d及雙縫與屏的距離l滿足的關(guān)系式為Δx= 2.實(shí)驗(yàn)器材：雙縫干涉儀、光具座、光源、學(xué)生電源、導(dǎo)線、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒、毛玻璃屏、測(cè)量頭、刻度尺。,深化 理解,3.實(shí)驗(yàn)步驟： (1)安裝儀器。,①將光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上。 ②接好光源,打開開關(guān),使白熾燈正常發(fā)光。調(diào)節(jié)各部件的高度,使光源燈絲發(fā)出的光能沿軸線到達(dá)光屏。 ③安裝單縫和雙縫,中心位于遮光筒的軸線上,使雙縫和單縫的縫平行。,(2)觀察與記錄。 ①調(diào)單縫與雙縫間距為5～10cm時(shí),觀察白光的干涉條紋。 ②在單縫和光源間放上濾光片,觀察單色光的干涉條紋。 ③調(diào)節(jié)測(cè)量頭,使分劃板中心刻度線對(duì)齊第1條亮條紋的中心, 記下手輪上的讀數(shù)a1;轉(zhuǎn)動(dòng)手輪,使分劃板向一側(cè)移動(dòng),當(dāng)分劃 板中心刻度線與第n條相鄰的明條紋中心對(duì)齊時(shí),記下手輪上 的刻度數(shù)a2,則相鄰兩條紋間的距離Δx= ④換用不同的濾光片,測(cè)量其他色光的波長。,(3)數(shù)據(jù)處理：用刻度尺測(cè)量出雙縫到光屏間的距離l,由公 式λ= Δx計(jì)算波長,重復(fù)測(cè)量、計(jì)算,求出波長的平均值。,4.注意事項(xiàng)： (1)調(diào)節(jié)雙縫干涉儀時(shí),要注意調(diào)節(jié)光源的高度,使它發(fā)出的一束光能夠沿著遮光筒的軸線把屏照亮。 (2)放置單縫和雙縫時(shí),縫要相互平行,中心大致位于遮光筒的軸線上。,(3)調(diào)節(jié)測(cè)量頭時(shí),應(yīng)使分劃板中心刻線和條紋的中心對(duì)齊,記清此時(shí)手輪上的讀數(shù),轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量頭,使分劃板中心刻線和另一條紋的中心對(duì)齊,記下此時(shí)手輪上的讀數(shù),兩次讀數(shù)之差就表示這兩個(gè)條紋間的距離。 (4)不要直接測(cè)Δx,要測(cè)幾個(gè)條紋的間距,計(jì)算得Δx,這樣可以減小誤差。 (5)白光的干涉觀察到的是彩色條紋,其中白色在中央,紅色在最外邊。,【題組通關(guān)方案】 【典題3】(2012·福建高考)在“用雙縫干涉測(cè)光的波長”實(shí)驗(yàn)中(實(shí)驗(yàn)裝置如圖)：,(1)下列說法哪一個(gè)是錯(cuò)誤的 。 A.調(diào)節(jié)光源高度使光束沿遮光筒軸線照在屏中心時(shí),應(yīng)放上單縫和雙縫 B.測(cè)量某條干涉亮紋位置時(shí),應(yīng)使測(cè)微目鏡分劃板中心刻線與該亮紋的中心對(duì)齊 C.為了減少測(cè)量誤差,可用測(cè)微目鏡測(cè)出n條亮紋間的距離a, 求出相鄰兩條亮紋間距Δx=,(2)測(cè)量某亮紋位置時(shí),手輪上的示數(shù)如圖,其示數(shù)為 mm。,【典題解析】(1)選A。應(yīng)先調(diào)節(jié)光源高度、遮光筒中心及光 屏中心后再放上單、雙縫,A選項(xiàng)不正確。目鏡分劃板中心應(yīng) 與亮紋中心對(duì)齊,使得移動(dòng)過程測(cè)出的條紋間距較為準(zhǔn)確,B選 項(xiàng)正確。目鏡移過n條亮紋,則亮條紋間距Δx= ,C選項(xiàng)正確。 (2)主尺讀數(shù)是1.5mm,螺旋讀數(shù)是47.0×0.01 mm,因此示數(shù)為1.970 mm。 答案：(1)A (2)1.970,【典題4】(2014·杭州模擬)現(xiàn)有毛玻璃屏A、雙縫B、白光光源C、單縫D和透紅光的濾光片E等光學(xué)元件,要把它們放在如圖所示的光具座上組裝成雙縫干涉裝置,用以測(cè)量紅光的波長。,(1)將白光光源C放在光具座最左端,依次放置其他光學(xué)元件,由 左至右,表示各光學(xué)元件的字母排列順序應(yīng)為C、________、 _________、_______、A。 (2)本實(shí)驗(yàn)的步驟有： ①取下遮光筒左側(cè)的元件,調(diào)節(jié)光源高度,使光束能直接沿遮光 筒軸線把屏照亮; ②按合理順序在光具座上放置各光學(xué)元件,并使各元件的中心位 于遮光筒的軸線上; ③用米尺測(cè)量雙縫到屏的距離; ④用測(cè)量頭(其讀數(shù)方法同螺旋測(cè)微器)測(cè)量數(shù)條亮紋間的距離。 在操作步驟②時(shí)還應(yīng)注意___________________________。,(3)將測(cè)量頭的分劃板中心刻線與某亮紋中心對(duì)齊,將該亮紋定為第1條亮紋,此時(shí)手輪上的示數(shù)如圖甲所示。然后同方向轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量頭,使分劃板中心刻線與第6條亮紋中心對(duì)齊,記下此時(shí)圖乙中手輪上的示數(shù) mm,求得相鄰亮紋的間距Δx為 mm。,(4)已知雙縫間距d為2.0×10-4m,測(cè)得雙縫到屏的距離l 為0.700m,由計(jì)算式λ= ,求得所測(cè)紅光波長 為 nm。,【典題解析】(1)濾光片E是從白光中選出單色紅光,單縫屏是獲取線光源,雙縫屏是獲得相干光源,最后成像在毛玻璃屏上,所以排列順序?yàn)镃、E、D、B、A。(順序不能交換) (2)在操作步驟②時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)有：放置單縫、雙縫時(shí),單縫、雙縫間距離大約為5～10cm;使單縫與雙縫相互平行。 (3)螺旋測(cè)微器的讀數(shù)應(yīng)該先讀整數(shù)刻度,然后看半刻度是否露出,最后看可動(dòng)刻度,圖乙讀數(shù)為13.870mm,圖甲讀數(shù)為2.320mm,所以相鄰條紋間距,(4)由條紋間距離公式Δx= 得： λ= ，代入數(shù)值得： λ=6.6×10-7 m=6.6×102 nm。 答案：(1)E D B (2)單縫與雙縫必須平行，其間距為5～10 cm，保證光源、濾光片、單縫、雙縫和光屏的中心在同一軸線上 (3)13.870 2.310 (4) 6.6×102,【加固訓(xùn)練】 1.在用紅光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí),已知雙縫間的距離為0.5mm,測(cè)得雙縫到光屏的距離為1.0m,在光屏上第一條暗條紋到第六條暗條紋間的距離為7.5mm。則： (1)此紅光的頻率為多少?它在真空中的波長為多少? (2)假如把整個(gè)裝置放入折射率為 的水中,這時(shí)屏上相鄰明條紋的間距為多少?,【解析】(1)相鄰兩條暗條紋間的距離 Δx= 根據(jù)λ= 得 λ= 由ν= 得此光的頻率 ν=,(2)在水中紅光的波長 λ′= 相鄰兩條明條紋間的距離為 答案：(1)4.0×1014 Hz 7.5×10-7 m (2)1.125×10-3 m,2.如圖所示,在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中,S1和S2為雙縫,P是光屏上的一點(diǎn),已知P點(diǎn)與S1、S2距離之差為2.1×10-6m,分別用A、B兩種單色光在空氣中做雙縫干涉實(shí)驗(yàn),問P點(diǎn)是亮條紋還是暗條紋?,(1)已知A光在折射率為1.5的介質(zhì)中波長為4×10-7m。 (2)已知B光在某種介質(zhì)中波長為3.15×10-7m,當(dāng)B光從這種介質(zhì)射向空氣時(shí),臨界角為37°。 (3)若讓A光照射S1,B光照射S2,試分析光屏上能觀察到的現(xiàn)象。,【解析】(1)設(shè)A光在空氣中波長為λ1,在介質(zhì)中波長為λ2, 由n= 得λ1=nλ2=1.5×4×10-7m=6×10-7m,根據(jù)路程 差Δr=2.1×10-6m,所以N1= =3.5。由此可知,從S1和S2到P點(diǎn)的路程差是波長λ1的3.5倍,所以P點(diǎn)為暗條紋。,(2)根據(jù)臨界角與折射率的關(guān)系sinC= 得n= 由此可知,B光在空氣中波長λ3=nλ介= ×3.15×10-7 m =5.25×10-7 m。路程差Δr和波長λ3的關(guān)系為N2= 可見,用B光作光源,P點(diǎn)為亮條紋。 (3)若讓A光和B光分別照射S1和S2,這時(shí)既不能發(fā)生干涉,也不發(fā)生衍射,此時(shí)在光屏上只能觀察到亮光。 答案：(1)暗條紋 (2)亮條紋 (3)見解析,【學(xué)科素養(yǎng)升華】 “用雙縫干涉測(cè)光的波長”問題的解決方法 (1)明確雙縫干涉條紋間距公式Δx= λ中各物理量的意義,其中Δx是相鄰兩條亮條紋或暗條紋的中心間距,d是雙縫之間的距離,l是雙縫到屏的距離,λ為光在真空中的波長。,(2)熟記求解相鄰兩條亮條紋或暗條紋間的距離的公式 中各物理量的意義。 a1是使分劃板的中心刻線對(duì)齊某條亮紋的中央時(shí)記下的手輪上的讀數(shù)，將該條紋記為第1條亮紋，a2是轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使分劃板中心刻線移動(dòng)至另一條亮紋的中央時(shí)記下的手輪上的讀數(shù)，并將該條紋記為第n條亮紋。 (3)若將裝置放入水中，必須根據(jù)介質(zhì)中的波長λ介、真空中 的波長λ真與介質(zhì)的折射率n間的關(guān)系λ介= 求出水中的 波長，并用水中的波長代替Δx= λ中的λ。 (4)將各物理量統(tǒng)一為國際單位制代入求解。,