(全国版)高考物理一轮复习讲义第16章 第2讲 光的干涉、衍射和偏振　电磁波(含解析)

第2讲　光的干涉、衍射和偏振　电磁波

目标要求　1.知道什么是光的干涉、衍射和偏振2.掌握双缝干涉中出现亮、暗条纹的条件.3.知道发生明显衍射的条件.4.理解麦克斯韦电磁场理论，了解电磁波的产生、发射、传播和接收过程.

考点一　光的干涉现象

基础回扣

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.

技巧点拨

1.双缝干涉

(1)条纹间距：Δx＝λ，对同一双缝干涉装置，光的波长越长，干涉条纹的间距越大.

(2)明暗条纹的判断方法：

如图1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.

当Δr＝kλ(k＝0,1,2…)时，光屏上P′处出现明条纹.

当Δr＝(2k＋1)(k＝0,1,2…)时，光屏上P′处出现暗条纹.

图1

2.薄膜干涉

(1)形成原因：如图2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.

图2

(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.

在P1、P2处，Δr＝nλ(n＝1,2,3…)，薄膜上出现明条纹.

在Q处，Δr＝(2n＋1)(n＝0,1,2,3…)，薄膜上出现暗条纹.

例1　如图3所示，用频率为f的单色光(激光)垂直照射双缝，在光屏的P点出现第3条暗条纹，已知光速为c，则P到双缝S1、S2的距离之差|r1－r2|应为(　　)

图3

A.   B.

C.   D.

答案　D

解析　出现第3条暗条纹，说明S1、S2到P点距离之差为(2n－1)＝(2×3－1)＝λ，而λ＝，所以|r1－r2|＝λ＝，故D正确.

1.(波长与条纹间距的关系)(2020·山东青岛市西海岸区模拟)如图4所示，双缝干涉实验装置中，屏上一点P到双缝的距离之差为2.1 μm，若用单色光A照射双缝时，发现P点正好是从屏中间O算起的第四条暗条纹，换用单色光B照射双缝时，发现P点正好是从屏中间O算起的第三条亮条纹，则下列说法正确的是(　　)

图4

A.单色光B的频率大于单色光A的频率

B.单色光B的波长小于单色光A的波长

C.单色光B的相邻亮条纹间的距离小于单色光A的相邻亮条纹间的距离

D.用单色光A和B在同一单缝衍射的装置上做实验，在缝宽不变的情况下，单色光B更容易发生明显衍射

答案　D

解析　由题意可知，单色光A照射双缝时条纹间距较小，根据Δx＝λ可知单色光A的波长较小，频率较大，选项A、B、C错误；因单色光B的波长较大，则用单色光A和B在同一单缝衍射的装置上做实验，在缝宽不变的情况下，单色光B更容易发生明显衍射，选项D正确.

2.(薄膜干涉的应用)(多选)如图5所示，把一个凸透镜的弯曲表面压在另一个玻璃平面上，让单色光从上方射入，这时可以看到亮暗相间的同心圆环，对这些亮暗圆环的相关说法合理的是(　　)

图5

A.远离中心点处亮环的分布较密

B.用白光照射时，不会出现干涉形成的圆环

C.这些亮暗圆环是透镜曲面上反射光与透镜上方平面上的反射光干涉形成的

D.与同一亮环相对应的空气薄膜的厚度是相同的

答案　AD

解析　远离中心点处亮环的分布较密，故A正确；用白光照射时，仍然会出现干涉形成的圆环，故B错误；这些亮暗圆环是透镜曲面上反射光与玻璃平面上的反射光干涉形成的，故C错误；与同一亮环相对应的空气薄膜的厚度是相同的，故D正确.

考点二　光的衍射和偏振现象

基础回扣

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相差不多，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象才会明显.

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)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.

(5)光的偏振现象说明光是一种横波.

技巧点拨

1.单缝衍射与双缝干涉的比较

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.

例2　如图6所示的4种明暗相间的条纹分别是红光、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(黑色部分表示亮条纹).在下面的4幅图中从左往右排列，亮条纹的颜色依次是(　　)

图6

A.红黄蓝紫   B.红紫蓝黄

C.蓝紫红黄   D.蓝黄红紫

答案　B

解析　双缝干涉条纹是等间距的，而单缝衍射条纹除中央亮条纹最宽、最亮之外，两侧条纹亮度、宽度都逐渐减小，因此1、3为双缝干涉条纹，2、4为单缝衍射条纹.相邻亮条纹间距Δx＝λ，红光波长比蓝光波长长，则红光干涉条纹间距大于蓝光干涉条纹间距，即1、3分别对应于红光和蓝光.而在单缝衍射中，当单缝宽度一定时，波长越长，衍射越明显，即中央条纹越宽越亮，黄光波长比紫光波长长，即2、4分别对应于紫光和黄光.综上所述，1、2、3、4四个图中亮条纹的颜色依次是：红、紫、蓝、黄，B正确.

3.(光的衍射)(多选)雾霾天气严重影响人们的身体健康，雾霾天气时能见度只有几米，天气变黄变暗，这是由于这种情况下(　　)

A.只有波长较短的一部分光才能到达地面

B.只有波长较长的一部分光才能到达地面

C.只有频率较大的一部分光才能到达地面

D.只有频率较小的一部分光才能到达地面

答案　BD

解析　根据光发生明显衍射的条件，雾霾天气时，只有波长较长、频率较小的一部分光发生衍射绕过空气中的颗粒物到达地面，选项A、C错误，B、D正确.

4.(光的偏振)(多选)食品安全检验中碳水化合物(糖)的含量是一个重要指标，可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度，从而鉴定含糖量.偏振光通过糖的水溶液后，偏振方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度α，这一角度α称为“旋光度”，α的值只与糖溶液的浓度有关，将α的测量值与标准值相比较，就能确定被测样品的含糖量了.如图7所示，S是自然光源，A、B是偏振片，转动B，使到达O处的光最强，然后将被测样品P置于A、B之间.以下说法中正确的是(　　)

图7

A.到达O处光的强度会明显减弱

B.到达O处光的强度不会明显减弱

C.将偏振片B转动一个角度，使得O处光强度最强，偏振片B转过的角度等于α

D.将偏振片A转动一个角度，使得O处光强度最强，偏振片A转过的角度等于α

答案　ACD

解析　偏振光通过糖的水溶液后，若迎着射来的光线看，偏振方向会以传播方向为轴线，旋转一个角度α，所以到达O处光的强度会明显减弱，故A正确，B错误；将偏振片B转动一个角度，使得O处光强度最强，偏振片B转过的角度等于α，故C正确；同理，将偏振片A转动一个角度，使得O处光强度最强，偏振片A转过的角度等于α，故D正确.

考点三　电磁波

基础回扣

1.麦克斯韦电磁场理论

变化的磁场能够在周围空间产生电场，变化的电场能够在周围空间产生磁场.

2.电磁波

(1)电磁场在空间由近及远地向周围传播，形成电磁波.

(2)电磁波的传播不需要介质，可在真空中传播，在真空中不同频率的电磁波传播速度相同(都等于光速).

(3)不同频率的电磁波，在同一介质中传播，其速度是不同的，频率越高，波速越小.

(4)v＝λf，f是电磁波的频率.

3.电磁波的发射与接收

(1)发射电磁波需要开放的高频振荡电路，并对电磁波根据信号的强弱进行调制(两种方式：调幅、调频).

(2)接收电磁波需要能够产生电谐振的调谐电路，再把信号从高频电流中解调出来，调幅波的解调也叫检波.

4.电磁波谱

按照电磁波的频率或波长的大小顺序把它们排列成谱.按波长由长到短排列的电磁波谱为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线.

技巧点拨

1.对麦克斯韦电磁场理论的理解

2.电磁波与机械波的比较

5.(电磁波)(多选)(2016·全国卷Ⅱ·34(1))关于电磁波，下列说法正确的是(　　)

A.电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关

B.周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波

C.电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直

D.利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输

E.电磁波可以由电磁振荡产生，若波源的电磁振荡停止，空间的电磁波随即消失

答案　ABC

解析　电磁波在真空中传播速度等于光速，与频率无关，A正确；电磁波是周期性变化的电场和磁场互相激发得到的，B正确；电磁波传播方向与电场方向、磁场方向均垂直，C正确；光是一种电磁波，光可在光导纤维中传播，D错误；电磁振荡停止后，电磁波仍会在介质或真空中继续传播，E错误.

6.(电磁波的特性)目前，我国正在开展5G网络试点工作，即将全面进入5G时代.届时，将开启万物互联时代：车联网、物联网、智慧城市、无人机网络、自动驾驶技术等将一一变为现实.5G(即第五代移动通信技术)采用3 300～5 000 MHz频段，相比于现有的4G(即第四代移动通信技术，1 880～2 635 MHz频段)技术而言，具有极大的带宽、极大的容量和极低的时延.5G信号与4G信号相比，下列说法正确的是(　　)

A.5G信号在真空中的传播速度更快

B.5G信号是横波，4G信号是纵波

C.5G信号粒子性更显著

D.5G信号更容易发生明显衍射

答案　C

解析　任何电磁波在真空中的传播速度均为光速，传播速度相同，A错误；电磁波均为横波，B错误；5G信号的频率更高，则其粒子性更显著，C正确；因5G信号的频率更高，则波长更小，故4G信号更容易发生明显的衍射现象，D错误.

7.(电磁波的应用)(2020·浙江7月选考·4)在抗击新冠病毒的过程中，广泛使用了红外体温计测量体温，如图8所示.下列说法正确的是(　　)

图8

A.当体温超过37.3 ℃时人体才辐射红外线

B.当体温超过周围空气温度时人体才辐射红外线

C.红外体温计是依据体温计发射红外线来测体温的

D.红外体温计是依据人体温度越高，辐射的红外线强度越大来测体温的

答案　D

解析　所有物体都会辐射出红外线，故A、B错误；红外体温计是依据人体发射红外线来测体温的，且人体温度越高，辐射的红外线强度越大，故C错误，D正确.

课时精练

1.(2020·北京卷·1)以下现象不属于干涉的是(　　)

A.白光经过杨氏双缝得到彩色图样

B.白光照射肥皂膜呈现彩色图样

C.白光经过三棱镜得到彩色图样

D.白光照射水面油膜呈现彩色图样

答案　C

解析　选项A是双缝干涉，选项B是薄膜干涉，选项C是光的色散，选项D是薄膜干涉.故选C.

2.(多选)(2019·广东深圳市第二次调研)下列有关光学现象的说法正确的是(　　)

A.光从光疏介质射入光密介质，若入射角大于临界角，则一定发生全反射

B.做双缝干涉实验时，仅用红光替代紫光，相邻亮条纹间距变大

C.在白光下观察肥皂泡，其表面的相邻各条纹是等间距的

D.光的偏振现象表明光是横波

答案　BD

3.(多选)(2020·重庆市康德高三上学期期中联考)下列说法正确的是(　　)

A.变化的电场一定产生变化的磁场

B.电磁波是横波

C.紫外线的频率比红外线的频率大

D.障碍物的尺寸比光的波长大时，不能发生光的衍射现象

E.在“双缝干涉实验”中，其他条件不变，若双缝间距越大，屏上相邻条纹间距越小

答案　BCE

解析　变化的电场产生磁场，均匀变化的电场产生稳定的磁场，故A错误；光的偏振现象说明电磁波是横波，故B正确；紫外线的频率比红外线的频率大，故C正确；任何光都可以发生衍射，只是障碍物的尺寸跟光的波长差不多时，衍射现象比较明显，故D错误；在双缝干涉实验中，据Δx＝λ知，其他条件不变，双缝间距越大，屏上相邻条纹间距越小，故E正确.

4.(多选)关于电磁波谱，下列说法正确的是(　　)

A.X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变

B.γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高

C.紫外线比紫光更容易发生干涉和衍射

D.在电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是γ射线

答案　AB

解析　紫外线比紫光的波长短，更不容易发生干涉和衍射，故C错误；在电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是无线电波，故D错误.

5.(多选)下列说法中正确的是(　　)

A.人耳能听见的声波比超声波更易发生衍射

B.光的色散现象是由光的干涉引起的

C.根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场周围一定可以产生电磁波

D.光导纤维丝内芯材料的折射率比外套材料的折射率大

答案　AD

解析　超声波的频率较大，波长较小，所以人耳能听见的声波比超声波更易发生衍射，选项A正确；光的色散现象是由光的折射引起的，选项B错误；根据麦克斯韦的电磁场理论，周期性变化的电场周围才可以产生电磁波，选项C错误；光导纤维丝内芯材料的折射率比外套材料的折射率大，选项D正确.

6.(2019·北京卷·14)利用图1所示的装置(示意图)，观察光的干涉、衍射现象，在光屏上得到如图2中甲和乙两种图样.下列关于P处放置的光学元件说法正确的是(　　)

图1

图2

A.甲对应单缝，乙对应双缝

B.甲对应双缝，乙对应单缝

C.都是单缝，甲对应的缝宽较大

D.都是双缝，甲对应的双缝间距较大

答案　A

解析　由题图中给出的甲、乙两种图样可知，甲是单缝衍射的图样，乙是双缝干涉的图样，A项正确，B、C、D项错误.

7.(多选)(2019·四川南充市第二次适应性考试)由a、b两种单色光构成的复色光束从水中斜射入空气中的光路图如图3所示，关于a、b两种单色光，下列说法正确的是(　　)

图3

A.从同种介质中斜射入空气发生全反射时，a光的临界角小于b光的临界角

B.在同种介质中传播，a光传播速度大于b光传播速度

C.相同条件的双缝干涉实验中，a光的相邻亮条纹间距比b光的相邻亮条纹间距小

D.通过同一狭缝，a光的衍射现象比b光的衍射现象更明显

答案　BD

解析　由题图可知b光的折射程度较大，可知水对b光的折射率较大，根据sin C＝可知，从同种介质中斜射入空气发生全反射时，b光的临界角小于a光的临界角，选项A错误；根据v＝可知，在同种介质中传播，a光传播速度大于b光传播速度，选项B正确；b光的折射率较大，则b光波长较短，根据Δx＝λ可知，相同条件的双缝干涉实验中，b光的相邻亮条纹间距比a光的相邻亮条纹间距小，选项C错误；b光波长较短，则通过同一狭缝，a光的衍射现象比b光的衍射现象更明显，选项D正确.

8.(2020·山东卷·3)双缝干涉实验装置的截面图如图4所示.光源S到S1、S2的距离相等，O点为S1、S2连线中垂线与光屏的交点.光源S发出的波长为λ的光，经S1出射后垂直穿过玻璃片传播到O点，经S2出射后直接传播到O点，由S1到O点与由S2到O点，光传播的时间差为Δt.玻璃片厚度为10λ，玻璃对该波长光的折射率为1.5，空气中光速为c，不计光在玻璃片内的反射.以下判断正确的是(　　)

图4

A.Δt＝   B.Δt＝

C.Δt＝   D.Δt＝

答案　A

解析　无玻璃片时，光传播10λ所用时间为t1＝①

有玻璃片时，光传播10λ所用时间为t2＝②

且v＝＝③

联立①②③式得Δt＝t2－t1＝，选项A正确.

9.(多选)(2017·浙江4月选考·16)图5中给出了“用双缝干涉测量光的波长”实验示意图，双缝S1和S2间距为0.80 mm，双缝到屏的距离为0.80 m.波长为500 nm的单色平行光垂直入射到双缝S1和S2上，在屏上形成干涉条纹.中心轴线OO′上方第1条亮纹中心位置在P1处，第3条亮纹中心位置在P2处.现有1号、2号虫子分别从S1、S2出发以相同速度沿垂直屏方向飞行，1号虫子到达屏后，沿屏直线爬行到P1,2号虫子到达屏后，沿屏直线爬行到P2.假定两只虫子爬行速率均为10－3 m/s.正确的是(　　)

图5

A.1号虫子运动路程比2号短

B.两只虫子运动的时间差为0.2 s

C.两只虫子运动的时间差为1.0 s

D.已知条件不够，两只虫子运动时间差无法计算

答案　AB

解析　由题意结合双缝干涉的条纹间距公式Δx＝λ可知，该光的干涉条纹相邻亮条纹中心的间距：

Δx＝×500×10－9 m＝5×10－4 m，

中心轴线OO′上方第1条亮纹中心位置在P1处，

所以＝Δx＝5×10－4 m

中心轴线OO′上方第3条亮纹中心位置在P2处，

所以＝3Δx＝1.5×10－3 m

所以1号虫子的路程为：s1＝l＋＋；

2号虫子的路程为：s2＝l＋－，

则s2－s1＝－－d＝1.5×10－3 m－5×10－4 m－0.80×10－3 m＝2×10－4 m，故A正确；两只虫子运动的时间差Δt＝＝ s＝0.2 s，故B正确，C、D错误.