15.5光的干涉、衍射和偏振（解析版）--2024高考一轮复习100考点100讲—高中物理

这是一份15.5光的干涉、衍射和偏振（解析版）--2024高考一轮复习100考点100讲—高中物理，共18页。试卷主要包含了5讲 光的干涉、衍射和偏振，以下现象不属于干涉的是等内容，欢迎下载使用。
第15.5讲 光的干涉、衍射和偏振
【知识点精讲】
一、光的干涉
（1）光的干涉：在两列光波的叠加区域，某些区域相互加强，出现亮纹，某些区域相互减弱，出现暗纹，且加强和减弱的区域相同，即亮纹和暗纹相间的现象。
（2）干涉条件：两列光的频率相同、相差恒定或两列光振动情况总是相同，能发生干涉的两列波称为相干波，两个光源称为相干光源，相干光源可用同一束光分成两列而获得。
（3）托马斯·杨的双缝干涉实验
①获得相干光源的办法
把点光源发出的一束光分成两束，能保证它们具有相同的频率和恒定的相差。
若用狭缝代替小孔，可得到更清晰的干涉条纹，这就是著名的杨氏双缝干涉实验，②光的干涉的意义：证明了光的波动性。
③对光的干涉现象的解释
如图所示，S1、S2是两个狭缝，S1S2=d，缝到屏的距离为L，L>>d，O是S1S2的中垂线与屏的相交点。
(Ⅰ)单色光：形成明暗相间的条纹，中央为明条纹。
a．光的路程差Δr＝r2－r1＝kλ(k＝0，1，2，…)，光屏上出现明条纹。
b．光的路程差Δr＝r2－r1＝(2k＋1)eq \f(λ,2)(k＝0，1，2，…)，光屏上出现暗条纹。更多课件 教案 视频 等优质滋源请 家 威杏 MXSJ663 ④单色光的干涉图样特点：中央为亮纹，两边是明、暗相同的条纹，且亮纹与亮纹间、暗纹与暗纹间的间距相等。
白光的干涉图样：若用白光做实验：则中央亮纹为白色，两侧出现彩色条纹，紫光最靠近中央，彩色条纹显示了不同颜色光的干涉条纹间距是不同的。
⑤相邻两条亮纹（或暗纹）间的距离
相邻两条亮纹（或暗纹）间的距离△x=λ
其中d为两缝间的距离，L为缝到屏的距离，λ为光的波长。
(4)薄膜干涉
①相干光：光照射到透明薄膜上，从薄膜的两个表面反射的两列光波。
②图样特点：同双缝干涉，同一条亮(或暗)纹对应薄膜的厚度相等。单色光照射薄膜时形成明暗相间的条纹，白光照射薄膜时，形成彩色条纹。
二．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)衍射条纹的特点：
①单缝衍射和圆孔衍射图样的比较：
②泊松亮斑(圆盘衍射)：当光照到不透明(选填“透明”或“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)。2
（3）单缝衍射与双缝干涉的比较
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三．光的偏振
(1)偏振：光波只沿某一特定的方向的振动。
(2)自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包括在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫做自然光。
(3)偏振光：在垂直于传播方向的平面上，只沿某个特定方向振动的光。光的偏振证明光是横波。自然光通过偏振片后，就得到了偏振光。
（4）自然光与偏振光的比较：
【方法归纳】
对双缝干涉的理解
1．亮条纹的条件：屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍。即：
|PS1－PS2|＝kλ＝2k·eq \f(λ,2)(k＝0，1，2，3，…)
k＝0时，PS1＝PS2，此时P点位于屏上的O处，为亮条纹，此处的条纹叫中央亮条纹或零级亮条纹，k为亮条纹的级次。
2．暗条纹的条件：屏上某点P到两条缝S1 和S2的路程差正好是半波长的奇数倍。即：
|PS1－PS2|＝(2k－1)·eq \f(λ,2)(k＝1，2，3，…)
k为暗条纹的级次，从第1级暗条纹开始向两侧展开。
3．双缝干涉形成的条纹是等间距的，两相邻亮条纹或相邻暗条纹间距离与波长成正比，即Δx＝eq \f(l,d)λ。
4．用白光照射双缝时，形成的干涉条纹的特点：中央为白色条纹，两侧为彩色条纹。
【最新高考题精练】
1. （2023高考江苏学业水平选择性考试）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
【参考答案】B
【名师解析】
根据双缝干涉的条纹间距与波长关系有
由题图知 x乙 = 2x甲
则 。B正确。
2. （2023高考山东高中学业水平等级考试）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
【参考答案】A
【名师解析】
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，且同一厚度的空气膜向劈尖移动，则条纹向左移动。A正确。
3. （2023学业水平等级考试上海卷） 我国科学家获得单色性很好的两种光A，B，且频率νA小于νB，若它们在真空中通过相同距离的时间分别是tA和tB，则tA tB，（选填“＞”“＜”“=”）。若它们通过相同的双缝达到同一光屏，则频率为 的光产生的干涉条纹间隔更宽。
【参考答案】= νA
【名师解析】真空中所有光的传播速度相同，所以tA= tB，由于频率大的光波长短，若它们通过相同的双缝达到同一光屏，根据双缝干涉条纹间隔公式可知波长较长的νA 光产生的干涉条纹间隔更宽。
4.（2020高考北京卷）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
【命题意图】本题考查光的干涉及其相关知识点。
【解题思路】白光经过三棱镜得到的彩色图样是光的色散现象，属于光的折射，此题不属于干涉的是C。
5．（2019高考北京理综卷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
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
【参考答案】A
【名师解析】根据单缝衍射图样和双缝干涉图样特点判断。
单缝衍射图样为中央亮条纹最宽最亮，往两边变窄，双缝干涉图样是明暗相间的条纹，条纹间距相等，条纹宽度相等，结合图甲，乙可知，甲对应单缝，乙对应双缝，故A正确，BCD错误。
【最新模拟题精练】
1. (2023山东泰安模拟). 如图，将水平面上一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，使在两玻璃表面之间形成一个倾角很小的劈形空气薄膜，光从上方入射后，从上往下看到的干涉条纹有如下特点：（1）任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；（2）任意相邻明条纹中心位置或暗条纹中心位置所对应的薄膜厚度差恒定。由此可以判定在垂直水平面的入射光不变的情况下，相邻明条纹或暗条纹的间距与倾角（单位为rad）的关系图像可能正确的是（ ）
A. B. C. D.
【参考答案】D
【名师解析】
设任意相邻明条纹或暗条纹中心位置所对应的薄膜厚度差为，根据几何关系可得
由于任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定，又倾角很小，则有
可得，D正确。
2. （2023广东实验中学质检）利用光的干涉规律可以检测工件表面的平整度与设计要求之间的微小差异。现将精度很高的标准玻璃板（样板），放在被检查工件上面，如图甲所示，在样板的左端垫薄片，使标准玻璃板与被检查平面之间形成一楔形空气膜。用平行单色光向下照射，检查不同平面时可观察到图乙或图丙的干涉条纹。下列说法正确的是（ ）
A. 干涉条纹是样板的上下两个表面的反射光干涉形成的
B. 当稍向右移动图甲中的薄片时，条纹间距会变小
C. 当换用频率更高的单色光照射时，条纹间距不变
D. 图丙条纹弯曲处对应着被检查平面处是凹陷的
【参考答案】BD
【名师解析】
干涉条纹是样板的下表面和被检查表面的上表面的反射光干涉形成的，A错误；
如下图所示，当稍向右移动图甲中的薄片时，A、B两点之间的距离增大，根据 ，相当于双缝之间的距离d增大，条纹间距Δx变小，B正确；
根据，当换用频率更高的单色光照射时，波长λ变短，条纹间距Δx变小，C错误；
如下图所示，在A、B两点的光程差相等，经过A点的两列相干光产生的亮条纹与经过B点的两列相干光产生的亮条纹是同一条亮条纹，所以图丙条纹弯曲处对应着被检查平面处是凹陷的，D正确。
4. （2023石家庄三模）如图甲所示为双缝干涉实验的原理图，屏上的点位于双缝和的中垂线上，在双缝与屏之间充满折射率为n的均匀介质。用一单色光垂直照射双缝，在屏上会产生干涉条纹，屏上点是一条暗条纹的中心，点到点的距离为x。已知该单色光在真空中的波长为，双缝与屏之间的距离为L，则双缝和间的距离为（ ）
A. B.
C. D.
【参考答案】A
【名师解析】
点到点的距离为x，根据图乙有
双缝与屏之间充满折射率为n的均匀介质，则有
根据干涉规律有
解得，A正确。
2. （2023江苏南京市中华中学一模）肥皂泡在阳光下呈现斑斓色彩，下列说法中正确的是（ ）
A. 肥皂泡的斑斓色彩是由于光的色散形成的
B. 肥皂膜厚度的改变会导致彩色花纹的改变
C. 肥皂泡表面水分子间的作用力表现为斥力
D. 肥皂泡内气体的压强等于外部大气的压强
【参考答案】B
【名师解析】
肥皂泡的斑斓色彩是由于光的干涉形成的，故A错误；
随着肥皂膜厚度越来越薄，发生干涉的光的波长也越来越短，会导致彩色花纹的改变，故B正确；
肥皂泡表面水分子间的作用力表现为引力，故C错误；
由于液体的表面张力作用，肥皂泡有收缩的趋势，所以内部压强要大于外部压强，故D错误。
6．（2023山东中学联盟考前押题）如图所示，竖直放置的肥皂膜的照片，按拍摄时间先后顺序从左至右排列，可以看出干涉条纹间距随时间推移逐渐变化。下列说法正确的是
A．过肥皂膜最高和最低点的截面是梯形
B．肥皂膜上的条纹是前后两表面的反射光形成的干涉条纹
C．肥皂膜从形成到破裂，前后两表面夹角逐渐变大
D．将肥皂膜外金属环上端的把柄在纸面内顺时针转动90°，条纹也会跟着转动90°
【参考答案】B
【名师解析】
肥皂膜因为自重导致厚度不一致，因表面张力的原因其截面应是一个圆滑的曲面而不是梯形，A错误；
薄膜干涉是等厚干涉，其原因为肥皂膜上的条纹是前后表面反射光形成的干涉条纹，B正确；
形成条纹的原因是前后表面的反射光叠加出现了振动加强点和振动减弱点，肥皂膜形成到破裂的过程越来越薄，前后两表面夹角逐渐变小，因此出现加强点和减弱点的位置发生了变化，条纹宽度和间距发生变化，C错误；将肥皂膜外金属环上端的把柄向上转动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，因此并不会跟着旋转90°；D错误。
3. （2023湖南二轮复习联考）某实验小组利用如图所示的实验装置探究光的干涉现象.为单色光源，发出波长为的单色光，为一平面镜.光源发出的光和由光源发出经过平面镜反射的光均照在竖直放置的光屏上，形成明暗相间的条纹.光源到平面镜的距离为、到平面镜左端点的水平距离为，平面镜左端点到光屏的水平距离为，则相邻两条亮纹之间的距离为（ ）
A.B.C.D.
【参考答案】.A
【名师解析】相邻两条亮纹之间的距离，A正确，B、C、D错误.
4. （2023湖南新高考联盟第一次联考）光程是光学中的概念，定义为光在介质中经过的几何路程与该介质折射率的乘积。当两束相干光的光程差为波长的整数倍时，在屏幕上出现亮条纹。瑞利干涉仪就是利用这个原理测量气体的折射率。如图甲所示，两束光的光程差为零时，屏幕上O点为零级干涉亮条纹。将长度为、装有待测气体的透明薄管放在S1后面，如图乙所示，零级亮条纹移至屏幕上的O'点，O点为第级干涉亮条纹。已知空气的折射率为，所用光的波长为，待测气体的折射率为（ ）
A B. C. D.
【参考答案】B
【名师解析】
乙图中两束光到O点的光程差为
根据题意得
联立可得 ，B正确。
5（2023山东潍坊期末）如图是蓝色大闪蝶，在阳光下可以看到其翅膀灿烂闪烁。蓝色大闪蝶的翅膀表面有凸起的翅脊，这些翅脊有一串类似台阶的结构。光照射翅脊上“台阶结构”的典型光路如图所示，则（ ）
A. 翅膀灿烂闪烁是光的干涉现象
B. 翅膀灿烂闪烁是光的色散现象
C. 翅膀灿烂闪烁是光的全反射现象
D. 光在空气中的波长约是在翅脊中波长的倍
【参考答案】A
【名师解析】
翅膀灿烂闪烁是光的薄膜干涉现象，选项A正确，BC错误；
根据，选项D错误。
6. （2023云南昆明云南师大附中质检）用平行单色光垂直照射一层透明薄膜，观察到如图所示的明暗相间的干涉条纹。下列关于该区域薄膜厚度随坐标的变化图像，可能正确的是（ ）
A. B.
C. D.
【参考答案】B
【名师解析】
由题意可知，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
（n=1，2，3，⋯）
时，此处表现为亮条纹，即当薄膜的厚度为
（n=1，2，3，⋯）
时，对应的条纹为亮条纹，相邻亮条纹之间的薄膜厚度差为，从题图中可知，从左向右相邻亮条纹（或暗条纹）之间的距离逐渐变小，则薄膜层的厚度逐渐变大，可厚度不是均匀变大，ACD错误。B可能正确。
故选B。
7. （2023重庆名校质检） 把一个曲率半径很大凸透镜的弯曲表面压在另一个玻璃平画上，让单色光从上方射入如图(甲)，这时可以看到亮暗相间的同心圆如图(乙)．这个现象是牛顿首先发现的，这些同心圆叫做牛顿环，为了使同一级圆环的半径变大(例如从中心数起的第二道圆环)，则应 ( )
A. 将凸透镜的曲率半径变大
B. 将凸透镜的曲率半径变小
C. 改用波长更长的单色光照射
D. 改用波长更短的单色光照射
【参考答案】AC
【名师解析】
光程差相同的各点过程同一条亮或暗条纹，光在上下两个面发生两次反射，两次反射光线形成干涉条纹，所以当将凸透镜的曲率半径变大时，厚度变化变得平缓，条纹变稀，选项Ａ正确，B错误；由可知波长变长间距变大，选项Ｃ正确，D错误；
8. （2023重庆名校质检）一束光照射到底面有涂层的平行玻璃砖上表面，经下表面反射从玻璃砖上表面射出，光线分为a、b两束，如图所示下列说法正确的是（ ）
A. 在玻璃中a光的传播速度大于b光的传播速度
B. 在真空中，遇到障碍物时b光更容易产生明显的衍射现象
C. 增大空气一侧的入射角，a光线先消失
D. 在真空中用同一装置进行双缝干涉实验，a光条纹间距大于b光的条纹间距
【参考答案】B
【名师解析】
光路图如图所示
在玻璃砖上表面折射时，a光的偏折程度较大，则a光的折射率较大，由知，在玻璃中a光的传播速度小于b光的传播速度，故A错误；
B．由于b光偏折程度较小，故其折射率较小，所以其波长较长，波动性较强，遇到障碍物时b光更容易产生明显的衍射现象，故B正确；
C．两列光的折射后经反射再从玻璃进入空气折射，由几何关系可知第一次折射的折射角等于第二次折射的入射角，根据光路的可逆性可得两列光均不能发生全反射，故两列光不会消失，故C错误；
D．a光的折射率大，频率大，则波长小，根据，a光的条纹间距小于b光的条纹间距，故D错误。
9. （2023山东潍坊三校联考）两个透明标准板M和N间形成楔形空气薄层，用某单色光从上向下照射时，在空气膜的上表面可观察到明暗相间的干涉条纹，某同学想利用该装置测量单色光的波长，他沿着M标准板测出从第1条中心亮纹到第5条亮纹中心的距离为L，斜面倾角为，则下列说法中正确的是（ ）
A. 波长大小为
B. 波长大小为
C. 实验中如果减小斜面的倾角，则相邻条纹间距将变小
D. 实验中如果用波长更长的光照射，则相邻条纹间距将变大
【参考答案】BD
【名师解析】
根据形成亮纹的条件可知，对第1条亮纹
对第5条亮纹
即
由几何关系
解得
选项A错误，B正确；
C．根据
可知，实验中如果减小斜面的倾角，则从第1条中心亮纹到第5条亮纹中心的距离为L将变大，则相邻条纹间距将变大，选项C错误；
D．根据
可知，实验中如果用波长更长的光照射，则从第1条中心亮纹到第5条亮纹中心的距离为L将变大，则相邻条纹间距将变大，选项D正确；
10. （2023河北九师联盟质检）双缝干涉的实验装置如图甲所示，光源发出的白光通过透镜把单缝照亮，单缝相当于一个线光源，又把双缝照亮，通过双缝的两束光产生干涉，在屏上出现彩色干涉条纹，为了测量单色光的波长，可在单缝前加上滤光片获得单色光，在屏上将出现明暗相间的干涉条纹，通过测微目镜可以观察到干涉条纹，用游标卡尺测量7条明条纹中心之间的距离D如图乙所示，双缝的间距用d表示，下列有关光的说法正确的是（ ）
A. 由图乙可得相邻亮条纹中心之间的距离为
B. 若用激光做光源，则可以直接用激光束照射双缝，透镜、滤光片及单缝都不需要了
C. 因为可见光的波长短难测量，所以实验时让双缝间的距离大些，让双缝与屏之间的距离小些，才可让波长的测量误差小些
D. 若实验中所用的单色光的频率为，则双缝到屏之间的距离为
【参考答案】BD
【名师解析】
由图乙可得7条明条纹中心之间的距离
相邻明条纹中心之间的距离为
故A错误；
因为激光的单色性好、相干性高，若用激光做光源，则可以直接用激光束照射双缝，透镜、滤光片及单缝都不需要了，故B正确；
因为可见光的波长短，由
可知，为了让干涉条纹的间距大些便于测量，所以实验时让双缝间的距离d小些，让双缝与屏之间的距离L大些，才可让大些，这样波长的测量误差才小些，故C错误；
由
综合可得双缝到屏之间的距离为
故D正确。
11. 下列对生活中光学现象的描述正确的有（ ）（填正确答案标号。选对1个得2分，选对2个得4分，选对3个得5分，每选错1个扣3分，最低得分为0分）
A．雨后的彩虹是由于光透过空气中的小水珠发生了衍射现象
B．日食和月食的形成都是由光沿直线传播引起的
C．影子的边缘都是模糊不清的，这是由光的衍射形成的
D．小轿车前边的挡风玻璃制成倾斜的，主要是为了让司机的像成像在正前方
E．观看“3D电影”的眼镜镜片为偏振片，两镜片透振方向互相垂直
【参考答案】、BCE
【名师解析】雨后的彩虹是由于光透过空气中的小水珠发生了折射产生的色散现象，选项A错误；日食和月食的形成都是由光沿直线传播引起的，选项B正确；影子的边缘都是模糊不清的，这是由光的衍射形成的，选项C正确；小轿车前边的挡风玻璃制成倾斜的，主要是为了让司机的像成像在斜上方，选项D错误；观看“3D电影”的眼镜镜片为偏振片，两镜片透振方向互相垂直，选项E正确。
12．(多选)如图所示，电灯S发生的光先后经过偏振片A和B，人眼在P处迎着入射光方向，看不到光亮，则( )
A．图中a光为偏振光
B．图中b光为偏振光
C．以SP为轴将B转过180°后，在P处将看到光亮
D．以SP为轴将B转过90°后，在P处将看到光亮
【参考答案】．BD
【名师解析】 从电灯直接发出的光为自然光，则A错；它通过A偏振片后，即变为偏振光，则B对；设通过A的光沿竖直方向振动，若B偏振片只能通过沿水平方向振动的偏振片，则P点无光亮，将B转过90°时，偏振光的振动方向与B偏振片的透振方向平行，偏振光就能通过偏振片，在P处就可看到光亮，D项正确。
13、如图所示，半径为R的圆形偏振片P的透振方向为竖直方向，一束横截面半径略小于R的平行自然光正对着偏振片P照射后射到屏上。现以光的传播方向OO′为轴将偏振片P旋转90°，则在偏振片P旋转的过程中( )
A．屏上出现圆形亮斑，亮度不变
B．屏上出现圆形亮斑，亮度变暗
C．屏上出现随偏振片P旋转的亮条纹，且亮度不变
D．屏上出现随偏振片P旋转的亮条纹，亮度变暗
【参考答案】．A
【名师解析】圆柱形光束通过偏振片后，屏幕上出现圆形亮斑，偏振片是让特定方向振动的光透过去，只是相对光源的亮度减弱，故屏幕上依然出现圆形亮斑，C、D错误；自然光包含在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，故转动偏振片，透射方向虽然改变，但屏上依然是圆形亮斑，且亮度不变，A正确，B错误。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，且越靠外，亮条纹的亮度越弱，宽度越小
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，宽度越小；②亮环或暗环间的距离随圆孔半径的增大而减小
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
两种现象
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
自然光(非偏振光)
偏振光
光的
来源
直接从光源发出的光
①自然光通过偏振片后的光
②自然光被界面反射或折射后的反射光或折射光
光的振动方向
在垂直于光的传播方向的平面内，光沿一切方向振动，且沿各个方向振动的光波的强度相同
在垂直于光的传播方向的平面内，光沿一个特定方向振动
联系
自然光通过偏振片后或被界面反射、折射后就转变为偏振光