第14章 第75讲 光的干涉、衍射和偏振 光的折射与物理光学的综合应用 课件 -2027届高考物理一轮复习（全国通用）

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第75讲　光的干涉、衍射和偏振　光的折射与物理光学的综合应用
提能训练　练案[75]
1．定义：在两列光波叠加的区域，某些区域相互加强，出现_________，某些区域相互减弱，出现________，且加强区域和减弱区域相互_____的现象。2．条件：两束光的频率______、相位差______。
3．双缝干涉(1)原理如图所示。(2)条纹特点①单色光：形成___________的条纹，中央为亮条纹。②白光：光屏上出现______条纹，且中央亮条纹是______(填写颜色)。(3)相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距公式：Δx＝_____。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。
(4)亮、暗条纹的判断方法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；
注意：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。
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______的两列光波。(2)图样特点：同薄膜干涉，同一条亮(或暗)条纹对应薄膜的_____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。
(3)亮、暗条纹的判断①两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。
注意：式中λ为光在薄膜中的波长。
(4)薄膜干涉现象的应用①增透膜：增透膜的厚度为透射光在薄膜中波长的四分之一，使薄膜前后两面的反射光的路程差为薄膜中波长的一半，故反射光叠加后减弱，透射光的强度增强。②利用薄膜干涉检测平滑度：如图甲所示，两板之间形成一个空气薄层，用单色光从上向下照射，如果被检测表面是平滑的，得到的干涉图样必是等间距的。如果某处凹下，则对应亮纹(或暗纹)向左弯曲，如图乙所示；如果某处凸起来，则对应亮条纹(或暗条纹)向右弯曲，如图丙所示。
易 错 辨 析1．只有频率相同的两列光波才能产生稳定的干涉图样。(　 　)2．在双缝干涉实验中，双缝的作用是使白光变成单色光。(　 　)3．光的双缝干涉实验中，若仅将入射光从红光改为紫光，则相邻亮条纹间距一定变小。(　 　)4．光学镜头上的增透膜利用的是光的干涉现象。(　 　)
　如图所示，用某种频率的激光垂直照射双缝，光屏上O是中央亮条纹中心，P是O上方第2条亮条纹中心，O、P距离为y，双缝间距为d，双缝到光屏的距离为L，真空中光速为c，下列说法正确的是(　　)
C．光屏P上方的暗纹是因为光不能经缝S2衍射到该区域D．若将缝S1遮住，光屏上不再有明暗相间的条纹
跟 踪 训 练1．(多选)(2024·广西卷·9题)如图，S为单色光源，S发出的光一部分直接照在光屏上，一部分通过平面镜反射到光屏上。从平面镜反射的光相当于S在平面镜中的虚像发出的，由此形成了两个相干光源。设光源S到平面镜和到光屏的距离分别为a和l，a≪l，镜面与光屏垂直，单色光波长为λ。下列说法正确的是(　　)
　劈尖干涉是一种薄膜干涉，如图甲所示，将一块标准平板玻璃放置在另一待测平板玻璃上，一端用两张纸片垫起，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜。当单色光从上方入射后，从上往下可以看到明暗相间的条纹。下列关于条纹的说法正确的是(　　)
A．干涉条纹是光在标准样板的上下两表面反射形成的两列光叠加的结果B．将该单色光换成频率更大的单色光则条纹间距变稀疏C．若观察到的干涉条纹如图乙，则待测平面有凹坑D．若抽去一张纸片，观察到的条纹将变密集[答案]　C
跟 踪 训 练2．(肥皂液薄膜干涉)(多选)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．肥皂膜上的条纹是前后表面反射光形成的干涉条纹B．如果薄膜上下两端的厚度差变大，干涉条纹间距将变大C．如果薄膜上下两端的厚度差变大，干涉条纹间距将变小D．将肥皂膜外金属环左侧的把柄向上转动90°，稳定后条纹也会跟着转动90°
[答案]　AC[解析]　肥皂膜的干涉条纹是薄膜干涉引起的，该条纹是肥皂膜前后表面反射光形成的干涉条纹，故A正确；根据薄膜干涉规律有2d＝nλ(n＝1,2,3…)，如果薄膜上下两端的厚度差变大，则条纹数目增多，可知，干涉条纹间距将变小，故B错误，C正确；将肥皂膜外金属环左侧的把柄向上转动90°，由于重力作用，薄膜仍然上薄下厚，条纹仍然处于水平面上，可知，稳定后条纹不会跟着转动90°，故D错误。故选AC。
3．(增透膜)(多选)为了降低光通过照相机镜头等光学元件表面因反射造成的光能损失，人们在这些光学元件的表面镀上透明的薄膜，即增透膜(如图甲)。增透膜上下两个表面的反射光会因发生干涉而相互抵消，增加了透射光的能量。若将照相机镜头等光学元件简化为矩形元件，真空中波长为λ的单色光垂直增透膜的上表面入射，如图乙所示，其中增透膜的厚度为d，增透膜对该单色光的折射率为n，光在真空中速度为c。下列说法正确的是(　　)
1．定义：指光在传播过程中，遇到障碍物或______时，偏离_____传播路径而绕到障碍物_______传播的现象。2．发生明显衍射的条件：在障碍物的尺寸与光的波长_________，甚至比光的波长还___的时候，衍射现象十分明显。
3．三种衍射图样的比较(1)单缝衍射：若为单色光，中央为亮且____的条纹，两侧为明暗相间的条纹，条纹间距不等，且离中央条纹越远，亮条纹的亮度______，宽度______(如图甲所示)。
(2)单孔衍射：若为单色光，中央是大且亮的______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______，宽度_____(如图乙所示)；亮环或暗环间的距离随圆孔半径的增加而______。(3)泊松亮斑(圆盘衍射)：当光照射到不透明的半径很___的圆盘上时，在圆盘的阴影中心出现______，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。(如图丙所示)
4．单缝衍射与双缝干涉的特点比较
5．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。
易 错 辨 析1．阳光下茂密的树荫中地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的。(　 　)2．波长比单缝的宽度越大，中央亮条纹越宽。(　 　)3．白光的单缝衍射条纹与白光的双缝干涉条纹形状相同。(　 　)
自 主 验 收1．(双缝干涉和单缝衍射的区别)红、蓝两种单色光分别通过同一套单缝衍射仪器后得到各自的衍射图样如图甲乙所示，分别通过同一套双缝干涉仪器后得到各自的双缝干涉图样如图丙丁所示，四幅图中黑色部分表示亮条纹，则其中红光形成的图样是(　　)A．甲、丙 B．乙、丁C．乙、丙 D．甲、丁
2．(圆孔衍射)如图甲所示，用单色光照射厚纸板上的圆孔，在纸板后边的光屏上得到如图乙所示的圆形光斑。下列方法有助于在光屏上看到明显衍射条纹的是(　　)A．增大光的强度B．增大光的频率C．减小圆孔的直径D．减小纸板到光屏的距离[答案]　C
[解析]　当障碍物或孔的尺寸与光波的波长差不多或者比波长小时会发生明显的衍射现象，则要看到明显的衍射条纹，可以增大光的波长、减小光的频率或减小圆孔的直径。故选C。
1．光的偏振：光波只沿___________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___________振动的光，而且沿各个方向振动的光波的_____都相同，这种光叫作自然光。3．偏振光：在_____于传播方向的平面上，只沿某个特定方向振动的光。自然光通过偏振片后，就得到了偏振光。4．光的偏振现象说明光是一种____波。注意：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。
易 错 辨 析1．自然光是偏振光。(　 　)2．自然光经过偏振片后的光是偏振光。(　 　)3．自然光不是横波。(　 　)
自 主 验 收3．(多选)如图所示，电灯S发射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[答案]　BD
[解析]　电灯直接发出的光为自然光，A错误；它通过A偏振片后，即变为偏振光，B正确；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光，若P点无光亮，则将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，C错误，D正确。
考点四　光的折射与物理光学的综合应用
1．光的色散成因棱镜对不同色光的折射率不同，对红光的折射率最小，红光的偏折程度最小。对紫光的折射率最大，紫光的偏折程度最大，从而产生色散现象。
2．光从一种介质进入另一种介质时，频率不变，由v＝λf知，当光速v改变时，波长λ改变。
4．各种色光的比较与分析
说明：光的颜色由光的频率决定。
跟 踪 训 练4．(多选)《梦溪笔谈》是中国科学技术史上的重要文献，书中对彩虹作了如下描述：“虹乃雨中日影也，日照雨则有之”。彩虹成因的简化示意图如图所示，设水滴是球形的，图中的圆代表水滴过球心的截面，入射光线在过此截面的平面内，a、b是两种不同频率的单色光。下列说法正确的是(　　)A．雨后太阳光入射到水滴中发生色散而形成彩虹B．水滴对a光的临界角小于对b光的临界角C．在水滴中，a光的波长大于b光的波长D．在水滴中，a光的传播速度大于b光的传播速度
基础巩固练1．(2025·北京卷·2题)下列现象属于光的衍射的是(　　)A．雨后天空出现彩虹B．通过一条狭缝看日光灯观察到彩色条纹C．肥皂膜在日光照射下呈现彩色D．水中的气泡看上去特别明亮[答案]　B
[解析]　雨后彩虹是阳光在雨滴中发生折射、反射和色散形成的，属于光的色散现象，故A不符合题意；通过狭缝观察日光灯出现彩色条纹，是光绕过狭缝边缘产生的衍射现象，故B符合题意；肥皂膜彩色条纹是光在薄膜前后表面反射后发生干涉形成的，属于薄膜干涉，故C不符合题意；水中气泡明亮是由于光从水进入气泡时发生全反射，使得更多光线进入人眼，故D不符合题意。故选B。
2．(2024·江苏卷·2题)用立体影院的特殊眼镜去观看手机液晶屏幕，左镜片明亮，右镜片暗，现在将手机屏幕旋转90度，会观察到(　　)A．两镜片都变亮B．两镜片都变暗C．两镜片没有任何变化D．左镜片变暗，右镜片变亮[答案]　D
[解析]　立体影院的特殊眼镜是利用了光的偏振，其镜片为偏振片，用这种特殊眼镜去观看手机液晶屏幕，左镜片明亮，说明光的振动方向与镜片的透振方向平行；右镜片暗，说明光的振动方向与镜片的透振方向垂直。将手机屏幕旋转90度后，光的振动方向与左镜片的透振方向垂直，与右镜片的透振方向平行，左镜片变暗，右镜片变亮。故选D。
3．(多选)(2025·陕晋青宁卷·9题)在双缝干涉实验中，某实验小组用波长为440 nm的蓝色激光和波长为660 nm的红色激光组成的复合光垂直照射双缝，双缝间距为0.5 mm，双缝到屏的距离为500 mm，则屏上(　　)A．蓝光与红光之间能发生干涉形成条纹B．蓝光相邻条纹间距比红光相邻条纹间距小C．距中央亮条纹中心1.32 mm处蓝光和红光亮条纹中心重叠D．距中央亮条纹中心1.98 mm处蓝光和红光亮条纹中心重叠[答案]　BC
4．激光作为单色性极好的光源而得到广泛应用。如图所示，用频率为ν的激光照射双缝干涉实验装置，光屏上出现明暗相间的干涉条纹。图中的P点为第14级暗条纹的位置。已知真空中的光速为c，则P点到双缝的距离之差r2－r1为(　　)
5．在酒精灯的灯芯上撒一些食盐，灯焰就能发出明亮的黄光。把铁丝圈在肥皂水中蘸一下，让它挂上一层薄薄的液膜。把这层液膜当作一个平面镜，用它观察灯焰，下列说法正确的是(　　)A．换用不同颜色的光做实验时，亮条纹的间距保持不变B．肥皂膜上的条纹是光线在液膜后表面发生干涉现象所致C．可利用薄膜干涉的原理检测精密仪器光学平面的平滑度D．液膜厚度相同的位置，前后表面反射光的路程差是不同的
[答案]　C[解析]　根据薄膜干涉的特点可知，波长越长的光，相邻亮条纹的间距越大，如红光比紫光相邻亮条纹的间距大，故A错误；肥皂膜上的条纹是前后表面的反射光在前表面发生干涉现象所致，故B错误；结合薄膜干涉的应用可知，可以利用薄膜干涉原理对镜面的平滑度进行检测，故C正确；液膜厚度相同的位置，前后表面反射光的路程差是相同的，路程差等于薄膜厚度的2倍，故D错误。故选C。
能力提升练6．如图甲、乙所示，是两种光分别经过同一单缝衍射装置后得到的图像，根据图像可知甲、乙两种情形中(　　) A．甲光的粒子性更强B．同一介质对甲光的折射率较小C．乙光在玻璃中的传播速度比甲光大D．乙光比甲光更容易发生明显衍射现象[答案]　B
7．(多选)如图所示，一束可见光穿过玻璃三棱镜后，变为三束单色光。关于a光、b光和c光，下列说法正确的是(　　) A．a、b和c三色光从空气进入三棱镜后，三种色光的频率不变，波长均变小B．若让a、b和c三色光以同一入射角，从玻璃中某方向射入空气中，b光恰能发生全反射，则a光也一定能发生全反射C．若分别让a、b和c三色光通过同一双缝装置，则a光形成的干涉条纹的间距最大D．a、b和c三种色光相比，c光最容易发生明显衍射
8．如图甲所示，在平静的水面下深h处有一个点光源s，它发出的a、b两种不同颜色的光，在水面上形成了一个有光线射出的圆形区域，该区域的中间为由a、b两种单色光所构成的圆形复色光区域，周围为环状区域，且为a光的颜色(如图乙)。设b光的折射率为nb，则下列说法正确的是(　　)A．在水中，a光的波长比b光小B．水对a光的折射率比b光大C．在水中，a光的传播速度比b光小
9．(多选)(2024·湖南卷·9题)1834年，洛埃利用平面镜得到杨氏双缝干涉的结果(称洛埃镜实验)，平面镜沿OA放置，靠近并垂直于光屏。某同学重复此实验时，平面镜意外倾斜了某微小角度θ，如图所示。S为单色点光源。下列说法正确的是(　　)A．沿AO向左略微平移平面镜，干涉条纹不移动B．沿OA向右略微平移平面镜，干涉条纹间距减小C．若θ＝0°，沿OA向右略微平移平面镜，干涉条纹间距不变D．若θ＝0°，沿AO向左略微平移平面镜，干涉条纹向A处移动
所示，沿OA向右略微平移平面镜，即将平面镜从图乙中①位置移至②位置，由图可看出双缝的间距增大，则干涉条纹间距减小，沿AO向左略微平移平面镜，即将平面镜从图乙中②位置移至①位置，由图可看出干涉条纹向上移动，故A错误，B正确。
10．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．λ1λ2，N是波长为λ1的光出射位置
11．(多选)(2025·河北省联考)如图甲所示，等腰△ABC为一棱镜的横截面，AB＝AC；一平行于BC边的细光束从AB边射入棱镜，在BC边经过一次反射后从AC边射出，出射光分成了不同颜色的Ⅰ、Ⅱ两束光。图乙是这两束光分别通过相同的双缝和单缝装置后形成的图样，下列说法正确的是(　　)A．Ⅰ光的波长比Ⅱ光的长B．Ⅰ光在棱镜中的传播速度比Ⅱ光的小C．图乙中a是Ⅱ光的干涉图样D．图乙中c是Ⅰ光的衍射图样
12．如图所示，截面为等腰直角三角形ABC的玻璃砖，∠B＝90°，一束频率为f＝6×1014 Hz的光线从AB面中点处垂直射入棱镜，在AC面发生全反射，从BC面射出后，进入双缝干涉装置，已知AC长度L＝0.3 m，双缝间距d＝0.2 mm，光屏与双缝间距离l＝1.0 m，光在真空中的传播速度为c＝3.0×108 m/s。求：(1)玻璃砖对该光线的折射率的最小值n；(2)光线在玻璃砖中传播的最短时间t；(3)光屏上相邻亮条纹的间距Δx。