专题109光的干涉衍射偏振（原卷版+解析版）-2023届高考物理一轮复习知识点精讲与最新高考题模拟题同步训练

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2023高考一轮知识点精讲和最新高考题模拟题同步训练第十八章  光学专题109  光的干涉、衍射和偏振第一部分  知识点精讲一、光的干涉、衍射和偏振1．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。(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。【特别提醒】亮、暗条纹的判断方法(1)对于两个振动步调一致的光源，如图所示，光源S1、S2发出的光到屏上某点的路程差：①r2－r1＝kλ(k＝0,1,2…)时，光屏上出现亮条纹。②r2－r1＝(2k＋1)(k＝0,1,2…)时，光屏上出现暗条纹。(2)对于两个振动步调反相的光源，产生亮、暗条纹的条件与上面的正好相反。　 　　 2．光的衍射(1)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)单缝衍射和圆孔衍射图样的比较 单缝衍射圆孔衍射单色光中央为亮且宽的条纹，两侧为明暗相间的条纹，且越靠近两侧，亮条纹的亮度减弱，宽度越小 (如图甲所示)①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，宽度减小 (如图乙所示)②亮环或暗环间的距离随圆孔半径的增加而减小白光中央为亮且宽的白色条纹，两侧为亮度逐渐变暗、宽度逐渐变窄的彩色条纹，其中最靠近中央的色光是紫光、离中央最远的是红光中央是大且亮的白色亮斑，周围是不等间距的彩色的同心圆环(3)泊松亮斑(圆盘衍射)当光照射到不透明的半径很小的小圆盘上时，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)3．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)偏振光的两种形成方式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。二．平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制特点 平行玻璃砖三棱镜圆柱体(球)结构玻璃砖上下表面是平行的横截面为三角形的三棱镜横截面是圆对光线的作用通过平行玻璃砖的光线不改变传播方向，但要发生侧移通过三棱镜的光线经两次折射后，出射光线向棱镜底面偏折圆界面的法线是过圆心的直线，光线经过两次折射后向圆心偏折应用测定玻璃的折射率全反射棱镜，改变光的传播方向改变光的传播方向 三．各种色光的比较分析颜色红橙黄绿青蓝紫频率ν低→高同一介质中的折射率小→大同一介质中的速度大→小同一介质中的波长大→小通过同一棱镜的偏折角小→大同一介质中的临界角大→小同一装置的双缝干涉条纹间距大→小亮、暗条纹的判断方法(1)对于两个振动步调一致的光源，如图所示，光源S1、S2发出的光到屏上某点的路程差：①r2－r1＝kλ(k＝0,1,2…)时，光屏上出现亮条纹。②r2－r1＝(2k＋1)(k＝0,1,2…)时，光屏上出现暗条纹。(2)对于两个振动步调反相的光源，产生亮、暗条纹的条件与上面的正好相反。　薄膜干涉的理解和应用(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。(2)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。(3)应用：干涉法检查平面，如图所示，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。　 　　   四．1.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。3．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。第二部分 最新高考题精选1. （2022高考上海）在单缝衍射实验中，仅减小单缝的宽度，则光屏上（  ）A、条纹变宽，光强增强B、条纹变窄，光强增强C、条纹变宽，光强减弱D、条纹变窄，光强减弱 【参考答案】C  【命题意图】本题考查单缝衍射+实验观察能力【名师解析】根据单缝衍射实验可知，狭缝的宽度越小，衍射现象越明显，条纹的间距越大；狭缝的宽度越小，通过狭缝的光越少，光强越弱。因此在单缝衍射实验中，仅减小单缝的宽度，则光屏上衍射条纹变宽，光强减弱，选项C正确。【教材再现】新教材选择性必修1P98页图。 2. （2022山东物理）某同学采用图甲所示的实验装置研究光的干涉与衍射现象，狭缝，的宽度可调，狭缝到屏的距离为L。同一单色光垂直照射狭缝，实验中分别在屏上得到了图乙，图丙所示图样。下列描述正确的是（　　）
A. 图乙是光的双缝干涉图样，当光通过狭缝时，也发生了衍射B. 遮住一条狭缝，另一狭缝宽度增大，其他条件不变，图丙中亮条纹宽度增大C. 照射两条狭缝时，增加L，其他条件不变，图乙中相邻暗条纹的中心间距增大D. 照射两条狭缝时，若光从狭缝、到屏上P点的路程差为半波长的奇数倍，P点处一定是暗条纹【参考答案】ACD【命题意图】本题考查双缝干涉及其相关知识点。【名师解析】由图可知，图乙中间部分等间距条纹，所以图乙是光的双缝干涉图样，当光通过狭缝时，同时也发生衍射，故A正确；狭缝越小，衍射范围越大，衍射条纹越宽，遮住一条狭缝，另一狭缝宽度增大，则衍射现象减弱，图丙中亮条纹宽度减小，故B错误；根据条纹间距公式可知照射两条狭缝时，增加L，其他条件不变，图乙中相邻暗条纹的中心间距增大，故C正确；照射两条狭缝时，若光从狭缝、到屏上P点的路程差为半波长的奇数倍，P点处一定是暗条纹，故D正确。故选ACD。 3．（2022年6月浙江选考）关于双缝干涉实验，下列说法正确的是A．用复色光投射就看不到条纹  B．明暗相间条纹是两列光在屏上叠加的结果C．把光屏前移或后移，不能看到明暗相间条纹  D．蓝光干涉条纹的间距比红光的大【参考答案】B【命题意图】本题考查双缝干涉实验。【解题思路】用复色光投射可以看到彩色条纹，A错误；明暗相间条纹是两列光在屏上叠加的结果，B正确；把光屏前移或后移，仍能看到明暗相间条纹，C错误；根据双缝干涉条纹间隔公式，可知蓝光干涉条纹的间距比红光的小，D错误。 4. （2022年1月浙江选考）双缝干涉实验是近代证实物质波存在的实验。如图所示，电子枪持续发射的电子动量为1.2×10-23kg·m/s，然后让它们通过双缝打到屏上。已知电子质量取9.1×10-31kg，普朗克常量取6.6×10-34J·s，下列说法正确的是（　　）
 A. 发射电子的动能约为8.0×10-15JB. 发射电子的物质波波长约为5.5×10-11mC. 只有成对电子分别同时通过双缝才能发生干涉D. 如果电子是一个一个发射的，仍能得到干涉图样【参考答案】BD【名师解析】根据动量的大小与动能的关系可知发射电子的动能约为，故A错误；发射电子的物质波波长约为，故B正确；物质波也具有波粒二象性，故电子的波动性是每个电子本身的性质，则每个电子依次通过双缝都能发生干涉现象，只是需要大量电子显示出干涉图样，故C错误，D正确；故选BD。 5. (2019·北京高考)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甲乙图2A．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【参考答案】A【名师解析】　单缝衍射图样的中央条纹亮且宽，相邻条纹间距不等；双缝干涉图样中相邻条纹间距相等。 根据题目中给出的甲、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选项正确。6.(2019·江苏高考)将两支铅笔并排放在一起，中间留一条狭缝，通过这条狭缝去看与其平行的日光灯，能观察到彩色条纹，这是由于光的________(选填“折射”“干涉”或“衍射”)。当缝的宽度________(选填“远大于”或“接近”)光波的波长时，这种现象十分明显。【参考答案】衍射　接近【名师解析】：光能绕过障碍物或小孔的现象叫做衍射；产生明显衍射现象的条件：障碍物或孔的尺寸与光的波长差不多或比光的波长小。第三部分 最新模拟题精选1. （2022山东枣庄一模）某实验小组用完全相同的双缝干涉实验装置进行实验，仅换用频率不同的单色光a、b得到的干涉图样分别如图甲、乙所示，下列说法正确的是（　　）A. a光更容易发生明显的衍射现象B. a光子的能量大于b光子的能量C. 从同一种介质射入空气发生全反射时，a光的临界角大于b光的临界角D. 对于同一金属，a光的截止电压小于b光的截止电压【参考答案】B【名师解析】根据得，a光的间距小于b光，所以a光的波长小于b光的波长，故b光更容易发生明显的衍射现象，A错误；根据c=λν知，a光的频率大于b光的频率，根据E=hν，可知a光的光子能量较大，B正确；根据知，a光的临界角小于b光的临界角，C错误；根据光电效应规律，知a光的截止电压大于b光的截止电压，D错误。2. （2022江苏南京宁海中学4月模拟）用铁环粘上肥皂液，用白炽灯光照射，从反射光的方向去看，呈现如图所示的现象，最上部是较宽的黑色条纹，其下是若干彩色条纹图。已知可见光的频率为3.9×1014Hz~7.5×1014Hz，请估算肥皂膜最上面黑色条纹区域的厚度最大值为（　　）
A. 20nm      B. 80nm      C. 200nm    D. 2000nm【参考答案】C【名师解析】由于重力作用，肥皂液逐渐向下流动，形成上薄下厚的形状，上部的肥皂膜越来越薄，当厚度恰好等于可见光最长波长的时，从膜的前表面反射回来的光和从后表面反射回来的光的光程差为波长的，叠加的结果是减弱，而且两个反射光与透射光相比能量很小，所以看起来是黑色。即膜的厚度最大值为，故选C。3.（2022山东潍坊学科核心素养测评）长度测量是光学干涉测量最常见的应用之一。如要测量某样品的长度，较为精确的方法之一是通过对干涉产生的条纹进行计数；若遇到非整数干涉条纹情形，则可以通过减小相干光的波长来获得更窄的干涉条纹，直到得到满意的测量精度为止。为了测量细金属丝的直径，把金属丝夹在两块平板玻璃之间，使空气层形成尖劈，金属丝与劈尖平行，如图所示。如用单色光垂直照射，就得到等厚干涉条纹，测出干涉条纹间的距离，就可以算出金属丝的直径。某次测量结果为：单色光的波长λ=589.3nm，金属丝与劈尖顶点间的距离L=28.880mm，其中30条亮条纹间的距离为4.295mm，则金属丝的直径为（　　）A. 4.25×10-2mm B. 5.75×10-2mm C. 6.50×10-2mm D. 7.20×10-2mm【参考答案】B【名师解析】劈尖形空气层如图所示距劈尖x处空气层厚度为y，由几何关系得出现明条纹的空气层厚度满足则相邻两明纹间距为解得故选B。4. （2022天津河东二模）下列说法正确的是（　　）A. 图1中，用自然光照射透振方向（箭头所示）互相垂直的前后两个竖直放置的偏振片，光屏依然发亮B. 图2为光导纤维示意图，内芯的折射率比外套的折射率小C. 图3所示的雷达测速利用了多普勒效应D. 图4所示的照相机镜头上呈现的淡紫色是由光的衍射现象引起的【参考答案】C【名师解析】用自然光照射透振方向(箭头所示)互相垂直的前后两个竖直放置的偏振片，因透振方向不同，光屏变暗，故A错误；依据光的全反射条件可知，内芯的折射率比外套的折射率大，故B错误；雷达测速利用了多普勒效应，C正确；照相机镜头上呈现的淡紫色是由光的干涉现象引起的，D错误。5. （2022江苏南京宁海中学4月模拟）下列图中的有关应用，说法不正确的是（　　）A. 在图甲中，利用光的干涉原理检测物体表面的平整度B. 在图乙中，内窥镜利用了光的全反射原理C. 在图丙中，全息照片的拍摄利用了光的干涉原理D. 在图丁中，超声波测速仪利用波的衍射原理测汽车速度【参考答案】D【名师解析】在图甲中，利用光的干涉原理检测物体表面的平整度，选项A正确，不符合题意；在图乙中，内窥镜利用了光的全反射原理，选项B正确，不符合题意；在图丙中，全息照片的拍摄利用了光的干涉原理，选项C正确，不符合题意；在图丁中，超声波测速仪利用多普勒效应原理测汽车速度，选项D错误，符合题意。6. (2022天津河北区二模)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【参考答案】C【名师解析】．根据光的干涉定义可知白光经过杨氏双缝得到彩色图样是杨氏双缝干涉，故A错误；由于重力的作用，肥皂膜形成了上薄下厚的薄膜，光线通过薄膜时频率不变，干涉条纹的产生是由于光线在薄膜前后两表面反射形成的两列光波的叠加，白光照射肥皂膜呈现彩色图样是属于干涉现象，故B错误；白光经过三棱镜得到彩色图样是光在折射时产生的色散现象，故C正确；水面上的油膜呈现彩色是光的干涉现象，属于薄膜干涉，故D错误；故选C。7. (2022重庆涪陵高中冲刺)在双缝干涉实验中，用绿色激光照射在双缝上，在缝后的屏幕上显示出干涉图样。若要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距，下面不可选用的方法是（　　）A. 改用蓝色激光 B. 改用红色激光C. 减小双缝间距 D. 将屏幕向远离双缝的位置移动【参考答案】A【名师解析】根据双缝干涉条纹间距公式知，减小入射光波长、增大双缝间距，以及减小屏幕与双缝的距离，可以减小条纹的间距，改用红光，波长变大，改用蓝光，波长变小。本题若要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距，选择不可选用的方法，故A正确，BCD错误。8. (2022年高考广东梅州二模) 利用图（a）所示的装置（示意图），观察蓝光的干涉、衍射现象，在光屏上得到如图（b）中甲和乙两种图样。则甲应是______（选填“干涉”或“衍射”）图样。若将蓝光换成红光，干涉图样中相邻两个亮条纹的中心间距______（选填“变长”“变短”或“不变”）。
 【参考答案】    ①. 衍射    ②. 变长【思路分析】干涉条纹在光屏上观察到的图案是间距相等的条纹图象，而衍射条纹中，中间的亮纹的宽度最大。【名师解析】 [1]干涉图样的条纹宽度相等，衍射图样的条纹宽度不等、中央最宽。故甲应是衍射图样，乙是干涉图样。[2]干涉图样中相邻两个亮条纹的中心间距与波长成正比，若将蓝光换成红光，则波长变长，因此条纹间距也变长。 9. （2022山东枣庄二模）用平行单色光垂直照射一层透明薄膜，观察到如图所示明暗相间干涉条纹。下列关于该区域薄膜厚度d随坐标x的变化图像，可能正确的是（　　）A.  B. C.  D. 【参考答案】C【名师解析】从薄膜的上下表面分别反射的两列光是相干光，其光程差为△x=2d，即光程差为薄膜厚度的2倍，当光程差△x=nλ时此处表现为亮条纹，故相邻亮条纹之间的薄膜的厚度差为λ，在图中相邻亮条纹（或暗条纹）之间的距离变大，则薄膜层的厚度之间变小，因条纹宽度先是保持不变，然后突变变宽，再保持不变，则厚度先不变再突然变小再保持不变。故选C。 10．（2022浙江三地市二模）激光陀螺能精确确定运动物体的方位，其工作原理如图所示，激光器位于正三角形一边正中央，其发出一束激光并能被分成沿相反方向传播的两束激光，两束激光相遇时会产生干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，可以测出闭合光路旋转的角速度，进而确定物体的方位。若整个装置绕垂直纸面过中心点O的转轴顺时针转动，则       A．激光束A、B的频率可能不同 B．激光束A比B传播的路程小 C．随着角速度增大，读取传感器接收到明暗交替的条纹 D．无论转动的角速度多大，读取传感器始终接收到明条纹【参考答案】BC【名师解析】一束激光并能被分成沿相反方向传播的两束激光，其频率相同，选项A错误；由于整个装置绕垂直纸面过中心点O的转轴顺时针转动，当激光发出在传播过程中，读取传感器已经发生了位移，所以激光束A比B传播的路程小，选项B正确；根据光的干涉产生名暗条纹的条件可知，随着角速度增大，读取传感器接收到明暗交替的条纹，选项C正确D错误。11．（2022山东烟台模拟）2. 如图所示，在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中，将实验仪器按要求安装在光具座上，某同学观察到清晰的干涉条纹。若他对实验装置进行改动后，在毛玻璃屏上仍能观察到清晰的干涉条纹，但条纹间距变窄。下列改动可能会实现这个效果的是（　　）A. 仅将滤光片向右移动靠近单缝B. 仅减小双缝间的距离C. 仅增大双缝与毛玻璃屏间的距离D. 仅将红色滤光片换成绿色滤光片【参考答案】D【名师解析】滤光片作用是得到相干光源，靠近单缝和远离单缝不影响干涉，A错误；双缝干涉两相邻亮条纹的间距为，仅减小双缝之间距离d或仅增大双缝与毛玻璃屏间的距离，条纹间距都会变大，B错误；仅将红色滤光片换成绿色滤光片，滤光片射向双缝等的光的波长λ减小，根据，可知，条纹间距减小，D正确。12. （2022湖北新高考协作体高二质检）华中科技大学建规学院等多家单位联合打造的2022年XR新春光影秀在千古名楼黄鹤楼上演。光影秀是介于实景与电影之间的一种新的光影艺术，下列有关光现象说法正确的是（　　）A. 光影秀使用的激光方向性好，所以激光不能发生衍射现象B. 斜放在装有水的玻璃杯里的吸管看起来像折断了一样，这是光的折射现象C. 立体电影原理和眼镜镜片表面涂上的增透膜的原理一样D. 肥皂泡在阳光下呈现彩色条纹是由于光的衍射形成的【参考答案】B【名师解析】激光是一种波，衍射是波的特有现象，故A错误；斜放在装有水的玻璃杯里的吸管看起来像折断了一样，这是光在从水进入空气时发生了折射，故B正确；立体电影原理是利用了光的偏振原理，眼镜镜片表面涂上的增透膜是利用了光的干涉原理，故C错误；肥皂泡在阳光下呈现彩色条纹是由于肥皂膜内外光线发生干涉形成的，故D错误。13．（2022广东省广州市重点高中质检）如图所示，由波长为λ1和λ2的单色光组成的一束复色光，经半反半透镜后分成透射光和反射光。透射光经扩束器后垂直照射到双缝上并在屏上形成干涉条纹。O是两单色光中央亮条纹的中心位置，P1和P2分别是波长为λ1和λ2的光形成的距离O点最近的亮条纹中心位置。反射光入射到三棱镜一侧面上，从另一侧面M和N位置出射，则（　　）
A．λ1＜λ2，M是波长为λ1的光出射位置B．λ1＜λ2，N是波长为λ1的光出射位置C．λ1＞λ2，M是波长为λ1的光出射位置D．λ1＞λ2，N是波长为λ1的光出射位置【参考答案】D【名师解析】根据双峰干涉条纹产生亮条纹的条件和条纹间隔公式可知λ1＞λ2，根据折射率与波长关系可知，λ1光的折射率小于λ2，根据光的折射定律，N是波长为λ1的光出射位置，选项D正确。14（2022湖北新高考协作体高二质检）华中科技大学建规学院等多家单位联合打造的2022年XR新春光影秀在千古名楼黄鹤楼上演。光影秀是介于实景与电影之间的一种新的光影艺术，下列有关光现象说法正确的是（　　）A. 光影秀使用的激光方向性好，所以激光不能发生衍射现象B. 斜放在装有水的玻璃杯里的吸管看起来像折断了一样，这是光的折射现象C. 立体电影原理和眼镜镜片表面涂上的增透膜的原理一样D. 肥皂泡在阳光下呈现彩色条纹是由于光的衍射形成的【参考答案】B【名师解析】激光是一种波，衍射是波的特有现象，故A错误；斜放在装有水的玻璃杯里的吸管看起来像折断了一样，这是光在从水进入空气时发生了折射，故B正确；立体电影原理是利用了光的偏振原理，眼镜镜片表面涂上的增透膜是利用了光的干涉原理，故C错误；肥皂泡在阳光下呈现彩色条纹是由于肥皂膜内外光线发生干涉形成的，故D错误。15（2021山东高考学业水平测试）如图所示是利用薄膜干涉检查平整度的装置，同样的装置也可以用于液体折射率的测定。方法是只需要将待测液体填充到两平板间的空隙（之前为空气）中，通过比对填充后的干涉条纹间距d’和填充前的干涉条纹间距d就可以计算出该液体的折射率。已知空气的折射率为1。则下列说法正确的是  A．d’＜d，该液体的折射率为d’/dB．d’＜d，该液体的折射率为d/d’C．d’＞d，该液体的折射率为d’/dD．d’ ＞d，该液体的折射率为d’/d【参考答案】A【名师解析】由于薄膜干涉条纹间距d与光的波长成正比，而光的波长与光在介质中的速度成正比，光在介质中的速度与折射率成反比，所以将待测液体填充到两平板间的空隙（之前为空气）中后，d’＜d，该液体的折射率为d’/d，选项A正确。