2024年高考物理复习第一轮：第 2讲　光的干涉、衍射、光的偏振、激光

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第2讲　光的干涉、衍射、光的偏振、激光

[主干知识·填一填]
一、光的干涉
1．产生条件
两列光的频率相同，振动方向相同，且具有恒定的相位差，才能产生稳定的干涉图样．
2．两种典型的干涉
(1)杨氏双缝干涉
①原理如图所示．

②明、暗条纹的条件
(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)(k＝0，1，2，…)，光屏上出现暗条纹．
(ⅱ)白光：光屏上出现彩色条纹，且中央亮条纹是白色(填写颜色)．
③相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距公式：Δx＝λ.
(2)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　偏振
1．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

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
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；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
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．光的偏振现象
(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，这种光叫作自然光．
(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．

[规律结论·记一记]
1．光发生干涉现象是有条件的，光发生衍射现象是没有条件的，但发生明显的衍射现象是有条件的．
2．圆孔衍射和圆盘衍射图样最明显的区别在于中心的亮斑，前者的较大，后者的很小且有阴影包围．
3．只有横波才能发生偏振现象．
[必刷小题·测一测]
一、易混易错判断
1．光的颜色由光的频率决定．(√)
2．只有频率相同的两列光波才有可能产生稳定的干涉．(√)
3．在双缝干涉实验中，双缝的作用是使白光变成单色光．(×)
4．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．(×)
5．自然光是偏振光．(×)
6．光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象．(√)
7．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．(√)
二、经典小题速练
1．(鲁科版选择性必修第一册P136T1)用手捏紧叠在一起的两块平板玻璃时，若板间存在薄空气层，从平板玻璃的上表面常会看到彩色条纹．产生这一现象的原因是(　　)
A．光的折射　　　　　 B．光的衍射
C．光的干涉 D．光的偏振
解析：C　这是光射到板间空气薄层的上下两个表面的反射光所产生光的干涉现象，选项C正确．
2.(鲁科版选择性必修第—册P118T3) 在如图所示的双缝干涉实验中，用波长λ＝600 nm的橙色光照射，在光屏中心点P0呈现亮条纹．若点P0上方的点P到S1、S2的路程差恰为λ，现改用波长为400 nm的紫光照射，则(　　)
A．P0和P都呈现亮条纹
B．P0为亮条纹，P为暗条纹
C．P0为暗条纹，P为亮条纹
D．P0和P都呈现暗条纹
解析：B　P0点到双缝的路程差为0，出现明条纹，用600 nm的橙光和400 nm的紫光照射时P0处均为亮条纹，对P点，由Δx＝λ＝×3可知，用400 nm的紫光照射时，P处为暗条纹，选项B正确．
3．(粤教版选择性必修第一册P126T5)(多选)一束自然光通过起偏器照射到光屏上，下列选项中光屏上发亮的有(起偏器上用箭头表示其透射方向)(　　)

解析：ABD　自然光包含垂直传播方向各个方向振动的光，当自然光照到起偏器上时，后面的屏上能观察到光亮，当两个偏振片的偏振方向互相垂直时，光不能到达屏上，当两偏振片的偏振方向相互平行时，则光可以到达光屏上，综上所述，屏上有亮光的是选项A、B、D.

命题点一　光的干涉现象(自主学习)
[核心整合]
1．双缝干涉明、暗条纹的确定
双缝干涉实验中，光屏上某点到相干光源S1、S2的路程之 差为光程差，记为Δr.如图所示．

(1)若光程差Δr是波长λ的整倍数，即Δr＝nλ(n＝0，1，2，3，…)，P点将出现亮条纹．
(2)若光程差Δr是半波长的奇数倍，即Δr＝(2n＋1)(n＝0，1，2，3，…)，P点将出现暗条纹．
(3)屏上到双缝S1、S2距离相等的点即为加强点，故双缝干涉中央条纹为亮条纹．
2．薄膜干涉
(1)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．
(2)光照射到薄膜上时，在膜的前表面AA′和后表面BB′分别反射出来，形成两列频率相同的光波，并且叠加．
(3)明暗条纹的判断方法
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 ＝kλ(k＝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＝ (2k＋1)(k＝0，1，2，3，…)，薄膜上出现暗条纹．
③用白光进行实验时薄膜上出现水平彩色条纹．
(4)薄膜干涉的应用

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，如果被检平面是平整光滑的，会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹；若被检平面不平整，则干涉条纹发生弯曲．
[题组突破]
1．(光的双缝干涉的理解)在双缝干涉实验中，屏上出现了明暗相间的条纹，则下列说法正确的是(　　)
A．中间条纹间距较两侧更宽
B．不同色光形成的条纹完全重合
C．双缝间距离越大条纹间距离也越大
D．遮住一条缝后屏上仍有明暗相间的条纹
解析：D　据干涉图样的特征可知，干涉条纹特征是等间距、彼此平行，故选项A错误；不同色光干涉条纹分布位置不相同，因此选项B错误；据公式Δx＝λ可知，双缝间距d越大，干涉条纹间距离越小，故选项C错误；遮住一条缝后，变成了单缝衍射，光的衍射也有衍射条纹，故选项D正确．
2．(双缝干涉中亮、暗条纹的判断)如图所示，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(　　)
A.　　　　　　 B．
C. D．
解析：D　在P点出现第3条暗条纹，说明S1、S2到P点距离之差为×(2n－1)＝λ，而λ＝，所以|r1－r2|＝λ＝，因此D是正确的．
3．(薄膜干涉的理解)用如图所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象．图(a)是点燃的酒精灯(在灯芯上撒些盐)，图(b)是竖立的附着一层肥皂液薄膜的金属丝圈．将金属丝圈在其所在的竖直平面内缓慢旋转，观察到的现象是(　　)
A．当金属丝圈旋转30°时，干涉条纹同方向旋转30°
B．当金属丝圈旋转45°时，干涉条纹同方向旋转90°
C．当金属丝圈旋转60°时，干涉条纹同方向旋转30°
D．干涉条纹保持原来状态不变
解析：D　竖直肥皂膜是由于重力作用产生的上薄下厚的薄膜，所以金属丝圈的缓慢转动，改变不了肥皂液膜的上薄下厚的形状，由干涉原理可知，同一厚度处的干涉条纹在同一级次上，所形成的干涉条纹都是水平的，与金属丝圈在该竖直平面内的转动无关，仍然是水平的干涉条纹，D正确．
4．(薄膜干涉的应用)(多选)光的干涉现象在技术中有重要应用．例如，在磨制各种镜面或其他精密的光学平面时，可以用干涉法检查平面的平整程度．如图所示，在被测平面上放一个透明的样板，在样板的一端垫一个薄片，使样板的标准平面与被测平面之间形成一个楔形空气薄层．用单色光从上面照射，在样板上方向下观测时可以看到干涉条纹．如果被测表面是平整的，干涉条纹就是一组平行的直线(如图甲)，下列说法正确的是(　　)

A．这是空气层的上下两个表面反射的两列光波发生干涉
B．空气层厚度相同的地方，两列波的路程差相同，两列波叠加时相互加强或相互削弱的情况也相同
C．如果干涉条纹如图乙所示发生弯曲，就表明被测表面弯曲对应位置向下凹
D．如果干涉条纹如图乙所示发生弯曲，就表明被测表面弯曲对应位置向上凸
解析：ABC　在标准样板平面和被测平面间形成 了很薄的空气薄膜，用单色光从标准平面上面照射，从空气薄膜的上下表面分别反射的两列光波频率相等，符合相干条件，发生干涉现象，出现明暗相间的条纹，A正确；在空气层厚度d相等的地方，两列波的波程差均为2d保持不变，叠加时相互加强和削弱的情况是相同的，属于同一条纹，故薄膜干涉也叫等厚干涉，B正确；薄膜干涉条纹，又叫等厚条纹，厚度相同的地方，应该出现在同一级条纹上．图中条纹向左弯曲，说明后面较厚的空气膜厚度d，在左面提前出现，故左方存在凹陷现象．C正确，D错误．
命题点二　光的衍射现象(自主学习)
[核心整合]
1．对光的衍射的理解
(1)波长越长，衍射现象越明显．在任何情况下都可以发生衍射现象，只是明显与不明显的差别．
(2)衍射现象说明“光沿直线传播”只是一种特殊情况，只有在光的波长比障碍物小得多时，光才可以看作是沿直线传播的．
2．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，亮度基本相同
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
3.光的干涉和衍射的本质
光的干涉和衍射都属于波的叠加，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．
[题组突破]
1．(光的衍射现象的理解)(多选)关于光的衍射现象，下面说法正确的是(　　)
A．红光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹
B．白光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹
C．光照到不透明小圆盘上出现泊松亮斑，说明发生了衍射
D．光照到较大圆孔上出现大光斑，说明光沿直线传播，不存在光的衍射
解析：AC　单色光照到狭缝上产生的衍射图样是亮暗相同的直条纹，A正确；白光的衍射图样是彩色条纹，故B错误；光照到不透明小圆盘上，在其阴影处出现亮点，是衍射现象，故C正确；光的衍射现象只有明显与不明显之分，D项中屏上大光斑的边缘模糊，正是光的衍射造成的，不能认为不存在光的衍射现象，D错误．
2．(衍射现象的应用)(多选)抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细，如图所示，激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板的同样宽度的窄缝规律相同．观察光束经过细丝后在光屏上所产生的条纹即可判断细丝粗细的变化，下列叙述中正确的是(　　)

A．这里应用的是光的衍射现象
B．这里应用的是光的干涉现象
C．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗
D．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细
解析：AD　由于是激光束越过细丝即绕过障碍物，所以是光的衍射现象，当抽制的丝变细，即相当于遮光板上的窄缝变窄，条纹间距变宽，A、D正确．
3．(干涉、衍射的图样比较)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
解析：B　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．
命题点三　光的偏振(自主学习)
[核心整合]
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
直接从光源发出的光
自然光通过偏振片后的光
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，且沿各个方向光振动的强度相同
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：照相机镜头、液晶显示器、立体电影、消除车灯眩光等．
[题组突破]

1．(偏振现象的理解)(多选)如图所示，电灯S发出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光为自然光
B．图中a光为偏振光
C．图中b光为偏振光
D．以SP为轴将B转过180°后，在P处将看到光亮
解析：AC　自然光沿各个方向振动的光是均匀分布的，通过偏振片后，透射光是只沿着某一特定方向振动的光．从电灯直接发出的光为自然光，它通过A偏振片后，即变为偏振光，则B错，A、C对；设通过A的光沿竖直方向振动，P点无光亮，则B偏振片只能通过沿水平方向振动的偏振光，将B转过180°后，P处仍无光亮，D错．
2．(偏振现象的应用)(2021·丽水模拟)偏振光通过不加电压的液晶时，光的偏振方向会被液晶旋转，这种性质叫液晶的旋光性．用人工方法也可以产生旋光效应，其中最重要的是磁致旋光效应．当偏振光沿着(或逆着)磁场方向透过样品时，偏振方向会旋转一个角度α.实验表明，磁致旋光效应有如下规律：①对于给定的介质，偏振方向转过的角度α与样品的长度l和磁感应强度B的乘积成正比，即：α＝klB，k为比例系数．②偏振光沿着磁场方向通过样品，逆着光的传播方向看，偏振方向顺时针转过一个角度；逆着磁场方向通过样品，逆着光的传播方向看，偏振方向逆时针转过一个角度．利用磁致旋光的这一特点可以制成光隔离器，即只允许光从一个方向通过而不能从反方向通过．现使一束激光(偏振光)通过一偏振片(偏振方向与透振方向平行)，沿着磁场方向通过某一样品后垂直射到一玻璃砖，会有部分光反射，如图所示，为了消除反射光对前面装置的影响，那么所加磁场至少多大．已知该种样品的k＝15°/(cmT)，样品的长度l为3 cm，玻璃砖反射不改变偏振方向(　　)

A．0.5 T　　　　　　　 B．1 T
C．1.5 T D．2 T
解析：B　向右传播，通过样品后，从左往右看，激光偏振方向逆时针转过klB角度，通过玻璃砖反射回来，向左传播通过样品后，偏振方向继续逆时针转过klB角度，所以总共转过2klB角度，为了不能透过偏振片，那么2klB至少是90°，所以B＝1 T，故B正确，ACD错误，故选B.
限时规范训练
1．(2021·江苏省如皋中学高三三模)华为手机采用了双麦克风降噪技术，以保证优秀的通话体验．一个麦克风为用户通话时使用的麦克风，用于收集人声，而另一个配置在机身顶端的麦克风采集周围环境噪音，通过特定的模块对这两路信号进行技术处理，实现降噪功能．技术处理用到的原理是(　　)
A．干涉　　　　　　 B．衍射
C．调制 D．解调
解析：A　降噪麦克风是通过降噪系统产生与外界噪音相位相反的声波与噪音叠加从而实现降噪的效果，且环境噪音与降噪声波频率相同，两列波发生了干涉现象．故选A.
2．(2021·全国高三专题练习)(多选)下列说法正确的是(　　)
A．在双缝干涉实验中，用红光代替黄光作为入射光可增大相邻两亮条纹的间距
B．光从空气射入玻璃时可能发生全反射
C．在岸边观察前方水中的一条鱼，鱼的实际深度比看到的要深
D．白光通过双缝后产生的干涉条纹是彩色的，其原因是不同色光的波长不同
解析：ACD　双缝干涉实验中，相邻两条亮条纹间距Δx＝λ，λ红＞λ黄，故Δx红＞ Δx黄，故A正确；空气相对玻璃是光疏介质，光从空气射入玻璃时不可能发生全反射，故B错误；光从水中射向空气时向远离法线的方向偏折，所以鱼的位置比较深，故C正确；双缝干涉实验中，相邻两条亮条纹间距跟波长成正比知，不同波长的光通过双缝后被分开呈彩色，故D正确．
3.(多选)双缝干涉实验装置如图所示，绿光通过单缝S后，投射到具有双缝的挡板上，双缝S1和S2与单缝的距离相等，光通过双缝后在与双缝平行的屏上形成干涉条纹．屏上O点距双缝S1和S2的距离相等，P点是距O点最近的第一条亮条纹．如果将入射的单色光换成红光或蓝光，讨论屏上O点及其上方的干涉条纹的情况是(　　)
A．O点是红光的亮条纹
B．O点不是蓝光的亮条纹
C．红光的第一条亮条纹在P点的上方
D．蓝光的第一条亮条纹在P点的上方
解析：AC　O点处波程差为零，对于任何光都是振动加强点，均为亮条纹，A正确；红光的波长较长，蓝光的波长较短，根据Δx＝λ可知，C正确．
4．(多选)光的干涉现象在技术中有重要应用，例如检查平面的平整程度．如图甲所示，把一透明板压在另一透明板上，一端用薄片垫起，构成空气劈尖，让单色光a、b分别从上方射入，得到明暗相间的条纹如图乙所示．下列说法正确的是(　　)

A．单色光a的波长比单色光b的波长大
B．单色光a的波长比单色光b的波长小
C．同种介质对单色光a的折射率比对单色光b的折射率大
D．同种介质对单色光a的折射率比对单色光b的折射率小
解析：BC　波长越长，条纹间距越大，由题图乙可知，单色光a的波长比单色光b的波长小，故A错误，B正确；同种介质对波长小的光的折射率大，故C正确，D错误．
5．如图所示，把一平凸透镜置于一平板玻璃上方，如果用平行单色光垂直照射到平凸透镜上，顺着平行光入射的方向观测可看到透镜中央出现明暗相间的条纹，这种现象最早是牛顿发现的，因此称为牛顿环．以下说法正确的是(　　)

A．牛顿环是光的衍射现象
B．牛顿环是明暗相间、半径均匀增大的同心圆条纹
C．若在透镜AB面施加向下的微小压力，则可看到同心圆向外扩展
D．若在C处不小心沾上了灰尘，明暗相间的同心圆条纹排列将比没有灰尘时疏
解析：C　空气薄层是由两个反射面形成的，两束光在圆弧面与平面反射形成，干涉条纹的间距不是均匀增加，而是随着空气薄层的厚度越向外增加得越快，所以干涉条纹不是疏密均匀的同心圆，故A、B错误；若在透镜AB面上施加向下的微小压力，满足产生这一亮条纹的厚度向外移，即亮环向远离圆心的方向平移，则可看到同心圆向外扩展，故C正确；若在C处不小心沾上了灰尘，空气膜厚度并未发生改变，明暗相间的同心圆条纹排列不变，故D错误．
6．(2020·山东卷)双缝干涉实验装置的截面图如图所示．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(　　)

A．Δt＝ B．Δt＝
C．Δt＝ D．Δt＝
解析：A　由几何知识知OS2＝OS1，设OS2＝x，光从S2传播到O点的时间t1＝，由n＝得，光在玻璃片中的传播速度v＝＝，光垂直玻璃片入射，光的传播方向不变，则光从S1传播到O点的时间t2＝＋＝，所以Δt＝t2－t1＝，A正确，B、C、D错误．