2024高考物理大一轮复习讲义 第十四章 第2讲 光的干涉、衍射和偏振

这是一份2024高考物理大一轮复习讲义 第十四章 第2讲 光的干涉、衍射和偏振，共14页。试卷主要包含了知道什么是光的干涉、衍射和偏振，知道发生明显衍射的条件．，光的干涉和衍射的本质，3 m，双缝间距d＝0等内容，欢迎下载使用。
3.知道发生明显衍射的条件．
考点一 光的干涉现象
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．
1．光的颜色由光的频率决定．( √ )
2．频率不同的两列光波不能发生干涉．( √ )
3．在“双缝干涉”实验中，双缝的作用是使白光变成单色光．( × )
4．在“双缝干涉”实验中，双缝的作用是用“分光”的方法使两列光的频率相同．( √ )
1．双缝干涉
(1)条纹间距：Δx＝eq \f(l,d)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＝nλ(n＝0,1,2，…)时，光屏上P′处出现明条纹．
当Δr＝(2n＋1)eq \f(λ,2)(n＝0,1,2，…)时，光屏上P′处出现暗条纹．
2．薄膜干涉
(1)形成原因：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，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．
(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，光在薄膜中的波长为λ.
在P1、P2处，Δr＝nλ(n＝1,2,3，…)，薄膜上出现明条纹．
在Q处，Δr＝(2n＋1)eq \f(λ,2)(n＝0,1,2,3，…)，薄膜上出现暗条纹．
(3)应用：增透膜、检查平面的平整度．
考向1 双缝干涉
例1 在图示的双缝干涉实验中，光源S到缝S1、S2距离相等，P0为S1、S2连线的中垂线与光屏的交点．用波长为400 nm的光实验时，光屏中央P0处呈现中央亮条纹(记为第0条亮条纹)，P处呈现第3条亮条纹．当改用波长为600 nm的光实验时，P处将呈现( )
A．第2条亮条纹 B．第3条亮条纹
C．第2条暗条纹 D．第3条暗条纹
答案 A
解析 由公式Δx＝eq \f(l,d)λ可知eq \f(PP0,3)＝eq \f(l,d)λ1，当改用波长为600 nm 的光实验时，则有eq \f(PP0,n)＝eq \f(l,d)λ2，即eq \f(n,3)＝eq \f(λ1,λ2)＝eq \f(400,600)，解得n＝2，即P处将呈现第2条亮条纹，A正确．
考向2 薄膜干涉
例2 (多选)图甲是用光的干涉法来检查物体平面平整程度的装置，其中A为标准平板，B为待检查的物体，C为入射光，图乙为观察到的干涉条纹，下列说法正确的是( )
A．入射光C应采用单色光
B．图乙条纹是由A的下表面反射光和B的上表面反射光发生干涉形成的
C．当A、B之间某处距离为入射光的半波长奇数倍时，对应条纹是暗条纹
D．由图乙条纹可知，被检查表面上有洞状凹陷
答案 AB
例3 (2021·江苏卷·6)铁丝圈上附有肥皂膜，竖直放置时，肥皂膜上的彩色条纹上疏下密，由此推测肥皂膜前后两个面的侧视形状应当是( )
答案 C
解析 薄膜干涉为前后两个面反射回来的光发生干涉形成干涉条纹，当入射光为复色光时，出现彩色条纹．由于重力作用，肥皂膜前后表面的厚度从上到下逐渐增大，从而使干涉条纹上疏下密，由于表面张力的作用，使得肥皂膜向内凹陷，故C正确，A、B、D错误．
考点二 光的衍射和偏振现象
1．光的衍射
发生明显衍射现象的条件：只有当障碍物或狭缝的尺寸足够小的时候，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．
1．阳光下茂密的树林中，地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的．( × )
2．泊松亮斑是光的衍射形成的．( √ )
3．光遇到障碍物时都能产生衍射现象．( √ )
4．自然光是偏振光．( × )
1．单缝衍射与双缝干涉的比较
2.光的干涉和衍射的本质
从本质上看，干涉条纹和衍射条纹的形成有相似的原理，光的干涉和衍射都属于光波的叠加，干涉是从单缝通过两列频率相同的光在屏上叠加形成的，衍射是由来自单缝上不同位置的光在屏上叠加形成的．
考向1 单缝衍射与双缝干涉的比较
例4 如图所示的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( )
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＝eq \f(l,d)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分别对应紫光和黄光．综上所述，1、2、3、4四幅图中亮条纹的颜色依次是：红、紫、蓝、黄，B正确．
考向2 光的偏振
例5 奶粉的碳水化合物(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．
(1)偏振片A的作用是_____________________________________________________．
(2)偏振现象证明了光是一种________．
(3)以下说法中正确的是________．
A．到达O处光的强度会减弱
B．到达O处光的强度不会减弱
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 (1)把自然光变成偏振光 (2)横波
(3)ACD
解析 (1)自然光通过偏振片后变为偏振光，故A的作用是把自然光变成偏振光．
(2)偏振现象证明光是一种横波．
(3)偏振片只能让一定偏振方向的光通过，没有样品时，要使到达O处的光最强，偏振片A、B的透光方向应相同；当放入样品时，由于样品的“旋光度”是α，即偏振方向不再与B的透光方向平行，到达O处光的强度会减弱，A正确，B错误；偏振片B转过的角度等于α，并使偏振片B的透振方向与偏振光的偏振方向平行时，光到达O处的强度将再次最大，C正确；同理，D正确．
考点三 几何光学与物理光学的综合应用
例6 如图所示，不同波长的两单色光a、b沿同一方向从空气射向半圆形玻璃砖，入射点O在直径的边缘，折射光线分别为OA、OB，则( )
A．a单色光的频率比b单色光的频率小
B．当a、b两束光由玻璃射向空气中，a光临界角比b光临界角大
C．在玻璃砖中a单色光从O到A的传播时间不等于b单色光从O到B的传播时间
D．用a、b两束光在相同条件下做双缝干涉实验，a光产生的干涉条纹间距比b光小
答案 D
解析 因为a光的偏折程度大于b光，所以根据折射定律得知：玻璃对a光的折射率大于对b光的折射率，所以a单色光的频率比b单色光的频率大，故A错误；根据全反射临界角公式sin C＝eq \f(1,n)，可知，a光的折射率大，则a光的临界角小于b光的临界角，故B错误；对于任一光束研究：设入射角为i，折射角为r，玻璃砖的半径为R，则折射率为n＝eq \f(sin i,sin r)，光在玻璃中传播速度为v＝eq \f(c,n)，光在玻璃中传播距离为s＝2Rsin r，光在玻璃中传播时间为t＝eq \f(s,v)，联立以上可得t＝eq \f(2Rsin i,c)，i、R、c均相等，所以在玻璃砖中a单色光从O到A的传播时间等于b单色光从O到B的传播时间，故C错误；根据折射率大，频率高，波长短，可知a光的折射率大于b光的折射率，则a光在真空中的波长小于b光在真空中的波长，根据双缝干涉条纹间距公式，可知a光产生的干涉条纹间距比b光小，故D正确．
例7 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.
答案 (1)eq \r(2) (2)1×10－9 s (3)2.5 mm
解析 (1) 由几何关系知，光线在AC面发生全反射的入射角为45°，可知临界角C≤45°时，折射率有最小值，由sin C＝eq \f(1,n)得n≥eq \r(2)，即最小折射率为eq \r(2).
(2) 由几何关系可知，光线在玻璃砖中传播距离
s＝eq \f(\r(2),2)L，光线在玻璃砖中的传播速度v＝eq \f(c,n)
传播时间t＝eq \f(s,v)
代入数据解得最短时间t＝1×10－9 s
(3) 由λ＝eq \f(c,f)，Δx＝eq \f(l,d)λ
联立代入数据解得Δx＝2.5 mm.
课时精练
1．下列有关光学现象说法中正确的是( )
A．甲中荷叶上的露珠显得特别“明亮”是由于水珠将光线会聚而形成的
B．乙中将双缝干涉实验中的双缝间距调小，则干涉条纹间距变小
C．丙中用加有偏振滤光片的相机拍照，可以拍摄清楚汽车内部的情景
D．丁中肥皂膜在阳光下呈现彩色条纹是光的衍射现象
答案 C
解析 题图甲中荷叶上的露珠显得特别“明亮”是由于水珠对光线的全反射形成的，故A错误；在双缝干涉实验中，条纹间距Δx＝eq \f(l,d)λ，若将双缝间距d调小，则条纹间距Δx变大，故B错误；在照相机镜头前加装偏振滤光片拍摄汽车内部情景，滤去了汽车外玻璃的反射光，使景象清晰，故C正确；肥皂膜表面可看到彩色条纹，是因为肥皂膜的前后两面反射回来的两列光发生干涉时形成的，故D错误．
2．(2019·北京卷·14)利用图示的装置(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
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．
3．(多选)(2023·河北张家口市模拟)通过如图甲所示的装置可研究光的干涉和衍射现象．从光源发出的光经过一缝板，在缝板后有一装有感光元件的光屏，通过信号转换，可在电脑上看到屏上的光强分布情况．图乙分别显示出A光和B光通过同一缝板得到的光强分布情况．下列有关A、B两种色光的说法正确的有( )
A．光通过的可能是缝板上的单缝
B．A光的波长比B光的波长长
C．A光在玻璃中的传播速度大于B光在玻璃中的传播速度
D．A光比B光更容易发生明显的衍射现象
答案 BCD
解析 从光的强度分布可以看出，光屏上的光是等间距、等亮度的，所以是光通过双缝产生的干涉现象，A错误；由题图乙可看出，A光的条纹间距大于B光的，由Δx＝eq \f(l,d)λ可知，A光的波长大于B光的波长，B正确；A光的频率小于B光的频率，则玻璃对A光的折射率小于对B光的折射率，所以A光在玻璃中的传播速度大于B光在玻璃中的传播速度，C正确；由于A光的波长较长，所以更容易发生明显的衍射现象，D正确．
4.(2023·江苏海安市检测)如图所示，a、b两束不同单色光相互平行，从平行玻璃砖PQ表面入射，从MN面出射时变为一束光c，则下列说法正确的是( )
A．a、b中有一束光在MN面发生了全发射
B．在玻璃中a光传播速度大于b光的传播速度
C．在同一个双缝干涉装置中，a光干涉条纹间距较大
D．减小玻璃砖的厚度，光从MN面出射时变为两束平行光
答案 D
解析 根据光路的可逆性原理可知，对于平行玻璃砖界面来说，能够射进玻璃砖的光线，在另一个界面绝对不会发生全反射，因此无论是a光线还是b光线，都不可能在MN面发生全反射现象，A错误；画出光路图如图甲所示，根据折射定律有sin i＝nasin ia，sin i＝nbsin ib，由图可知ib > ia，则nb va，B错误；由波长与折射率的关系可知λb > λa，根据干涉条纹间距公式Δx＝eq \f(l,d)λ，则Δxb >Δxa，C错误；如图乙所示减小玻璃砖的厚度，下边界变为M′N′，则出射时变为两束平行光，D正确．
5.(2023·浙江绍兴市模拟)如图所示，把一个底角很小的圆锥玻璃体倒置(上表面为圆形平面，纵截面为等腰三角形)紧挨玻璃体下放有一平整矩形玻璃砖，它和圆锥玻璃体间有一层薄空气膜．现用红色光垂直于上表面照射，从装置的正上方向下观察，可以看到( )
A．一系列不等间距的三角形条纹
B．一系列明暗相间的等间距圆形条纹
C．若将红光换成白光，则看到黑白相间的条纹
D．若将红光换成紫光，则看到的亮条纹数将变少
答案 B
解析 由于截面是等腰三角形，从圆心向外，经过相同的宽度空气膜厚度增加量相同，根据光的干涉原理，从装置的正上方向下观察，可以看到一系列明暗相间的等间距圆形条纹，A错误，B正确；若将红光换成白光，则看到明暗相间的彩色条纹，C错误；由于红光的波长比紫光的长，若将红光换成紫光，则条纹间距减小，看到的亮条纹数将增多，D错误．
6．(2021·湖北卷·5)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
答案 D
解析 由双缝干涉条纹间距公式Δx＝eq \f(λl,d)可知，当两种色光通过同一双缝干涉装置时，波长越长相邻两亮条纹间距越宽，由屏上亮条纹的位置可知λ1>λ2，反射光经过三棱镜后分成两束色光，由题图可知从N位置出射的光的折射角大，又由折射定律可知，入射角相同时，折射率越小的色光折射角越大，由于λ1>λ2，则n1x1
C．该矿泉水的折射率为eq \f(x1,x2)
D．仅将单缝S0向左(保持S0在双缝的中垂线上)移动的过程中，P点处能观察到暗条纹
答案 C
解析 第三条亮条纹对应路程差s＝3λ，但光在介质中的传播速度小于c，故A错误；由Δx＝eq \f(L,d)λ，n＝eq \f(c,v)＝eq \f(λ,λ0)可知(λ0为光在矿泉水中的波长)，光在矿泉水中的波长小于真空中的波长，所以x2