高考物理一轮复习 专题53 光的干涉、衍射和偏振现象（讲）（含解析）1

专题53 光的干涉、衍射和偏振现象（讲）本章考查的热点有简谐运动的特点及图象、波的图象以及波长、波速、频率的关系，光的折射和全反射，题型以选择题和填空题为主，难度中等偏下，波动与振动的综合及光的折射与全反射的综合，有的考区也以计算题的形式考查复习时应注意理解振动过程中回复力、位移、速度、加速度等各物理量的变化规律、振动与波动的关系及两个图象的物理意义，注意图象在空间和时间上的周期性，分析几何光学中的折射、全反射和临界角问题时，应注意与实际应用的联系，作出正确的光路图；光和相对论部分，以考查基本概念及对规律的简单理解为主，不可忽视任何一个知识点1理解光的干涉现象，掌握双缝干涉中出现明暗条纹的条件2理解光的衍射现象，知道发生明显衍射的条件3知道光的偏振现象，了解偏振在日常生活中的应用1光的干涉（1）定义两列频率相同、振动情况相同的光波相叠加，某些区域出现振动加强，某些区域出现振动减弱，并且加强区域和减弱区域总是相互间隔的现象叫光的干涉现象（2）相干条件只有相干光源发出的光叠加，才会发生干涉现象相干光源是指频率相同、相位相同（振动情况相同）的两列光波2双缝干涉：由同一光源发出的光经双缝后，在屏上出现明暗相间的条纹白光的双缝干涉的条纹是中央为白色条纹，两边为彩色条纹，单色光的双缝干涉中相邻亮条纹间距离为3薄膜干涉：利用薄膜（如肥皂液薄膜）前后两面反射的光相遇而形成的图样中同一条亮（或暗）条纹上所对应的薄膜厚度相同4光的衍射（1）定义光离开直线路径绕到障碍物阴影区的现象叫光的衍射，衍射产生的明暗条纹或光环叫衍射图样（2）发生明显衍射的条件只有当障碍物的尺寸跟光的波长相差不多，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象才会明显（3）衍射图样单缝衍射a单色光：明暗相间的不等距条纹，中央亮纹最宽最亮，两侧条纹具有对称性b白光：中间为宽且亮的白色条纹，两侧是窄且暗的彩色条纹，最靠近中央的是紫光，远离中央的是红光圆孔衍射：明暗相间的不等距圆环，圆环面积远远超过孔的直线照明的面积圆盘衍射：明暗相间的不等距圆环，中心有一亮斑称为泊松亮斑5光的偏振（1）偏振：光波只沿某一特定的方向振动，称为光的偏振（2）自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，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，叫做偏振光光的偏振证明光是横波自然光通过偏振片后，就得到了偏振光考点一光的干涉现象的理解1、光的双缝干涉现象的理解（1）光能够发生干涉的条件：两光的频率相同，振动步调相同（2）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（3）用白光照射双缝时，形成的干涉条纹的特点：中央为白条纹，两侧为彩色条纹2、薄膜干涉现象的理解（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）原理分析单色光在P1、P2处，两个表面反射回来的两列光波的路程差r等于波长的整数倍rn（n1，2，3），薄膜上出现明条纹在Q处，两列反射回来的光波的路程差r等于半波长的奇数倍r（2n1）（n0，1，2，3），薄膜上出现暗条纹白光：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，我们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重点归纳1、两束振动情况相同的光源产生的光相互叠加时：（1）出现明条纹的条件是屏上某点P到两个相干光源S1和S2的路程差等于波长的整数倍或半波长的偶数倍，即|PS1PS2|k2k（k0，1，2，3）当k0时，即PS1PS2，此时P点处的明条纹叫做中央亮条纹（2）出现暗条纹的条件是屏上某点P到两个相干光源S1和S2的路程差等于半波长的奇数倍，即|PS1PS2|（2k1）（k0，1，2，3）典型案例如图所示，两束不同的单色光P和Q射向半圆形玻璃砖，其出射光线都是从圆心O点沿OF方向，由此可知： （ ）AQ光穿过玻璃砖所需的时间比P光短BP光的波长比Q光的波长小CP、Q两束光以相同的入射角从水中射向空气，若Q光能发生全反射，则P光也一定能能发生全反射D如果让P、Q两束单色光分别通过同一双缝干涉装置，P光形成的干涉条纹间距比Q光的大【答案】D【名师点睛】解决本题的关键是通过光路图比较出折射率的大小，要掌握折射率与光速、波长的关系，知道折射率越大，相应的光的频率越大。针对练习1关于薄膜干涉实验，下列说法正确的： （ ）A薄膜内的反射光线和折射光线相互叠加产生B入射到薄膜的光线和从薄膜反射回来的光线相互叠加产生C同一束光线经薄膜前后两表面反射回来的光线相互叠加产生D明条纹是波峰和波峰叠加而成，暗条纹是波谷和波谷叠加而成【答案】C【解析】 由于重力的作用，肥皂膜形成了上薄下厚的薄膜，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，故AB错误，C正确；当从肥皂膜前后表面反射的光程差等于半波长奇数倍时，振动减弱，形成暗条纹，而光程差等于半波长偶数倍时，振动加强，形成明条纹，则波谷和波谷叠加，也是明条纹，故D错误。【名师点睛】解答本题应掌握薄膜干涉的原理，干涉取决于两层肥皂膜的厚度而形成反射光的光程差。针对练习2（多选）在双缝干涉实验中，某同学用黄光作为入射光，为了增大干涉条纹的间距，该同学可以采用的方法有： （ ）A改用红光作为入射光 B改用蓝光作为入射光C增大双缝到屏的距离 D增大双缝之间的距离【答案】AC【解析】 光的干涉现象中，条纹间距公式，即干涉条纹间距与入射光的波长成正比，与双缝到屏的距离成正比，与双缝间距离成反比，红光波长大于黄光波长，则条纹间距增大，故A正确；蓝光波长小于黄光波长，则条纹间距减小，故B错误；增大双缝到屏的距离，条纹间距增大，故C正确；增大双缝之间的距离，条纹间距减小故D错误【名师点睛】根据双缝干涉条纹的间距公式判断如何增大干涉条纹的间距考点二光的衍射现象的理解1衍射与干涉的比较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特别提醒1白光发生光的干涉、衍射和光的色散都可出现彩色条纹，但光学本质不同2区分干涉和衍射，关键是理解其本质，实际应用中可从条纹宽度、条纹间距、亮度等方面加以区分2干涉与衍射的本质：光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果，从本质上讲，衍射条纹的形成与干涉条纹的形成具有相似的原理在衍射现象中，可以认为从单缝通过两列或多列频率相同的光波，它们在屏上叠加形成单缝衍射条纹重点归纳光的干涉和衍射比较内容干涉衍射现象在光重叠区域出现加强或减弱的现象光绕过障碍物偏离直线传播的现象产生条件两束光频率相同、相位差恒定障碍物或孔的尺寸与波长差不多或小得多典型实验杨氏双缝干涉实验单缝衍射、圆孔衍射、不透明圆盘衍射图样特点不同点条纹宽度条纹宽度相等条纹宽度不等，中央最宽条纹间距各相邻条纹间距相等各相邻条纹间距不等亮度情况清晰条纹，亮度基本相等中央条纹最亮，两边变暗相同点干涉、衍射都是波特有的现象；干涉、衍射都有明暗相间的条纹典型案例在白炽灯的照射下从两块捏紧的玻璃板表面看到彩色条纹，通过狭缝观察发光的白炽灯也会看到彩色条纹，这两种现象 ： （ ）A都是光的衍射现象B都是光的干涉现象C前者是光的干涉现象，后者是光的衍射现象D前者是光的衍射现象，后者是光的干涉现象【答案】C【解析】 两玻璃板间将形成空气薄膜，光照射在空气薄膜上下表面的反射光发生干涉，由于是白光，产生了干涉条纹而从狭缝观察得到彩色条纹是光的衍射现象；C正确【名师点睛】本题主要考查了光的波动性中的衍射和干涉现象，这题中理解两玻璃板形成空气薄膜是关键本题较容易。针对练习1下列说法正确的是_（填入正确选项前的字母，选对1个给2分，选对2个给4分，选对3个给5分；每选错1个扣3分，最低得分为0分）。A只有当障碍物或孔的尺寸跟光的波长差不多，甚至比光的波长还小时，才能产生明显的光的衍射现象 B光的衍射现象是光波相互叠加的结果，光的衍射现象说明了光具有波动性 C用单色平行光照射单缝，缝宽不变，照射光的波长越长，衍射现象越显著 D光的衍射现象和干涉现象否定了光的直线传播的结论 E在太阳光照射下，肥皂泡呈现彩色，这是光的衍射现象 F在城市交通中，用红灯表示禁止通行，这是因为红光更容易产生干涉【答案】ABC【名师点睛】考查光的干涉与衍射区别，掌握衍射与明显衍射条件不同，理解干涉与衍射的意义；当只有波长比障碍物的尺寸小或相差不多的时候才会发生明显的衍射现象；衍射说明具有波动性，波长越长时，衍射越明显；干涉与衍射没有否定直线传播；肥皂泡呈现彩色，这是光的干涉现象。针对练习2（多选）沙尘暴是由于土地的沙化引起的一种恶劣的气象现象，发生沙尘暴时能见度只有十几米，天气变黄发暗，这是由于这种情况下： （ ）A只有波长较短的一部分光才能到达地面B只有波长较长的一部分光才能到达地面C只有频率较大的一部分光才能到达地面D只有频率较小的一部分光才能到达地面【答案】BD【名师点睛】本题结合生活现象考查了波发生明显衍射现象的条件，波长越长、频率越小越容易发生衍射现象。考点三光的偏振现象的理解1偏振光的产生方式（1）自然光通过起偏器：通过两个共轴的偏振片观察自然光，第一个偏振片的作用是把自然光变成偏振光，叫起偏器第二个偏振片的作用是检验光是否为偏振光，叫检偏器（2）自然光射到两种介质的交界面上，如果光入射的方向合适，使反射光和折射光之间的夹角恰好是90时，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直特别提醒不能认为偏振片就是刻有狭缝的薄片，偏振片并非刻有狭缝，而是具有一种特征，即存在一个偏振方向，只让平行于该方向振动的光通过，其他振动方向的光被吸收了2偏振光的理论意义及应用（1）理论意义：光的干涉和衍射现象充分说明了光是波，但不能确定光波是横波还是纵波光的偏振现象说明了光波是横波（2）应用：照相机镜头、立体电影、消除车灯眩光等重点归纳自然光和偏振光的比较自然光（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，光振动沿特定方向典型案例（多选）如图所示，白炽灯S发出的a光经过偏振片A后变成b光，再经过偏振片B后，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【答案】BD【解析】 由题意可知，人眼在P处看不到光亮，是因为偏振片A与偏振片B相互垂直，a光是自然光，经过偏振片后，b光是偏振光，故A错误，B正确；由上分析可知，当SP为轴将B转过90后，在P处将看到光亮，故C错误，D正确；故选BD【名师点睛】此题考查了光的偏振现象；题中另一侧能观察到光即可同时自然光向各个方向发射，而偏振光则是向特定方向放射。针对练习1光的偏振现象说明光是横波，下列现象中不能反映光的偏振特性的是 ： （ ）A一束自然光相继通过两个偏振片，以光束为轴旋转其中一个偏振片，透射光强度发生变化B立体电影是利用了光的偏振现象C日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振光片可以使景象更清晰D光学镜头上的增透膜是利用光的偏振现象【答案】D【名师点睛】偏振光具有的性质是光子的振动具有方向性当两个偏振片的偏振方向夹角增大时，透射光的强度减弱；通过日常生活中的事实，让我们更能理解光的偏振与光的衍射。针对练习2下列说法正确的是。（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偏振光可以是横波，也可以是纵波B光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象C光纤通信及医用纤维式内窥镜都是利用了光的全反射原理DX射线在磁场中能偏转穿透能力强，可用来进行人体透视E声源与观察者相对靠近时，观察者所接收的频率大于声源振动的频率【答案】BCE【解析】 偏振是横波是特有现象，光的偏振现象说明光的横波，故A错误；照相机的镜头上的增透膜是光的干涉现象照相机的镜头呈现淡紫色，因为可见光有“红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫”七种颜色，而膜的厚度是唯一的，所以只能照顾到一种颜色的光让它完全进入镜头，一般情况下都是让绿光全部进入的，这种情况下，你在可见光中看到的镜头反光其颜色就是蓝紫色，因为这反射光中已经没有了绿光故，B正确；用光导纤维传播信号是利用了光的全反射，C正确；X射线穿透力较强，但它不带电，不能在磁场中偏转，故D错误；根据多普勒效应可知声源与观察者相对靠近时，观察者所接收的频率大于声源振动的频率，E正确；【名师点睛】导纤维传播信号是利用光的全反射原理；光的偏振说明光的横波，反射光都是横波；光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象；声源与观察者相对靠近，观察者所接收的频率大于声源发出的频率。