資源簡介

主題1　光的干涉與衍射的比較
內容 干涉 衍射
現象 在光重疊區域出現加強或減弱的現象 光繞過障礙物偏離直線傳播的現象
產生條件 兩束光頻率相同、相位差恒定，即必須是相干光源 障礙物或孔的尺寸與波長差不多或比波長更小(明顯衍射的條件)
典型實驗 楊氏雙縫實驗、薄膜干涉 單縫衍射(圓孔衍射、不透明圓盤衍射)
圖樣特點 中央亮紋，兩邊等間距分布的明暗相間條紋 中央最寬最亮，兩邊不等間距分布的明暗相間條紋
應用 檢查平面、增透膜、測定波長
【典例1】　(雙選)用激光做單縫衍射實驗和雙縫干涉實驗，比普通光源效果更好，圖像更清晰。如果將感光元件置于光屏上，則不僅能在光屏上看到彩色條紋，還能通過感光元件中的信號轉換，在電腦上看到光強的分布情況。下列說法正確的是(　　)
A．當做單縫實驗時，光強分布圖如乙所示
B．當做單縫實驗時，光強分布圖如丙所示
C．當做雙縫實驗時，光強分布圖如乙所示
D．當做雙縫實驗時，光強分布圖如丙所示
AD　[當做單縫實驗時，中間是亮條紋，往兩側條紋亮度逐漸降低，且亮條紋的寬度不等，所以其光強分布圖如乙所示，A項正確，B項錯誤；當做雙縫實驗時，在屏上呈現的是寬度相等的亮條紋，所以其光強分布圖如丙所示，C項錯誤，D項正確。]
　如何分析干涉、衍射圖樣
在分析干涉、衍射圖樣時，主要注意圖樣條紋寬度的情況：若條紋寬度相等，則是干涉條紋，若中間條紋最寬，兩邊越來越窄，則是衍射條紋。
主題2　光的波動性的應用
光是一種橫波，光經過雙縫時會發生雙縫干涉，光經薄膜反射會發生薄膜干涉，光經過小孔或狹縫會發生衍射，光經過偏振片后的強度會發生變化，如何利用光的這些不同的特性呢？
(1)利用光的雙縫干涉測光的波長等物理量
單色光發生雙縫干涉時會在屏上形成明暗相間的條紋，且條紋間距滿足公式Δy＝λ；若已知Δy、l、d則可求λ，若已知l、d、λ則可求Δy。
(2)利用光的薄膜干涉檢查薄膜厚度變化或檢查工件表面是否平整，還可使光增透或增反。
在薄膜干涉圖樣中，同一條紋對應同一厚度的薄膜，所以條紋形狀與薄膜等厚線的形狀一致。
(3)利用單縫衍射確定縫寬
單縫衍射的條紋寬度與縫寬和波長有確定的關系，根據條紋寬度變化即可確定縫寬變化情況。
(4)利用偏振片改變光的強度
自然光經鏡面反射后的反射光為偏振光，偏振片的偏振化方向與光的偏振方向的夾角不同，透過偏振片的光強度也就不同，根據這一原理可以有效地減少反射光的影響。
【典例2】　關于光現象及其應用，下列說法正確的是(　　)
A．汽車燈光夜間照著自行車“尾燈”，就變得十分明亮，是利用了光的折射
B．照相機的鏡頭表面鍍有一層膜，使照相效果更好，是利用了光的衍射
C．用透明的標準樣板和單色光檢查工件平面的平整度，利用了光的干涉
D．抽制高強度纖維細絲，可用激光監控其粗細，是利用了光的偏振
C　[自行車“尾燈”為全反射棱鏡，利用光的全反射現象，故A不符合題意；照相機鏡頭表面鍍有一層增透膜是利用了光的薄膜干涉現象，故B不符合題意；用透明的標準樣板和單色光檢查工件平面的平整度，利用了光的薄膜干涉現象，故C符合題意；激光束越過細絲時產生的衍射條紋和它通過遮光板的同樣寬度的窄縫規律相同。觀察光束經過細絲后在光屏上所產生的條紋即可判斷細絲粗細的變化，故D不符合題意。]
章末綜合測評(五)　光的干涉、衍射和偏振
(滿分：100分)
一、單項選擇題(本題共4小題，每小題4分，共16分。在每小題給出的四個選項中，只有一項符合題目要求)
1．某同學使用激光器作光源，在不透光的擋板上開一條縫寬為0.05 mm的窄縫，進行光的衍射實驗，如圖所示，則他在光屏上看到的條紋是(　　)
A　　　　B　　　　 C　　　　　D
B　[單縫衍射條紋中間寬，兩側越來越窄，又由于單縫是水平的，衍射條紋也是水平的，故B對。]
2．如圖所示，讓太陽光通過M上的小孔S后照射到M右方的一偏振片P上，P的右側再放一光屏Q，現使P繞著平行于光傳播方向的軸勻速轉動一周，則關于光屏Q上光的亮度變化情況，下列說法正確的是(　　)
A．只有當偏振片轉到某一適當位置時光屏被照亮，其他位置時光屏上無亮光
B．光屏上亮、暗交替變化
C．光屏上亮度不變
D．光屏上只有一條亮線隨偏振片轉動而轉動
C　[旋轉P，自然光通過偏振片P后，在垂直于傳播方向的平面上，只沿著某個特定的方向振動，太陽光是自然光，包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，而且沿著各個方向振動的光波的強度都相同。所以光屏上總是有沿著某個特定的方向振動的偏振光，光屏上亮度不變。]
3．如圖所示，把酒精燈放在肥皂液膜前，從液膜上可看到明暗相間的條紋，能解釋這一現象產生原因的示意圖是(圖中實線、虛線為光照射到液膜上時，從液膜的前后表面分別反射形成的兩列波)(　　)
A　　　　　B　　　　C　　　　　D
C　[看到的亮暗條紋是從液膜前后表面分別反射形成的兩列相干波發生干涉形成的，而肥皂液膜在重力作用下導致從上至下的薄膜厚度不同，反射回來的兩列波的同步性不同，亮條紋是相干加強形成的，暗條紋是相干減弱形成的，故C項正確。]
4．如圖所示為一種干涉熱膨脹儀原理圖。G為標準石英環，C為待測柱形樣品，C的上表面與上方標準平面石英板之間存在劈形空氣層。用單色平行光垂直照射上方石英板，會形成干涉條紋。已知C的膨脹系數小于G的膨脹系數，當溫度升高時，下列說法正確的是(　　)
A．劈形空氣層的厚度變大，條紋向左移動
B．劈形空氣層的厚度變小，條紋向左移動
C．劈形空氣層的厚度變大，條紋向右移動
D．劈形空氣層的厚度變小，條紋向右移動
A　[由題知，C的膨脹系數小于G的膨脹系數，當溫度升高時，G增長的高度大于C增長的高度，則劈形空氣層的厚度變大，且同一厚度的空氣膜向劈尖移動，則條紋向左移動。故選A。]
二、雙項選擇題(本題共4小題，每小題6分，共24分。在每小題給出的四個選項中，有兩項符合題目要求，全部選對的得6分，選對但不全的得3分，有選錯的得0分)
5．有關光的應用，下列說法正確的是(　　)
A．拍攝玻璃櫥窗內的物品時，往往在鏡頭前加一個偏振片以增加反射光的強度
B．光學鏡頭上的增透膜是利用光的干涉現象
C．用三棱鏡觀察白光看到的彩色圖樣是光的干涉形成的色散現象
D．在光導纖維束內傳輸信息是利用光的全反射原理
BD　[拍攝玻璃櫥窗內的物品時，在鏡頭前加一個偏振片減弱反射光的強度，故A錯誤；增透膜是利用薄膜干涉，故B正確；用三棱鏡觀察白光，由于三棱鏡對不同色光的折射率不同，進出三棱鏡的偏折角度不同，出現了不同色光的色散，故C錯誤；光導纖維束內傳送圖像是利用光的全反射原理，故D正確。]
6．下列四幅圖為光的相關現象，關于它們說法正確的是(　　)
A．甲圖是單色光通過雙縫后得到的干涉條紋
B．乙圖是葉片上的水珠特別明亮，是由于水珠將光線匯聚而成
C．丙圖是薄膜干涉的應用，用來檢測平面的平整程度
D．丁圖是立體電影原理，利用了光的偏振現象
CD　[干涉條紋是等寬、等亮度的，衍射條紋是中央條紋最亮、最寬，向兩側越來越暗，越來越窄，甲是單色光通過單縫后得到的衍射條紋，A錯誤；乙是葉片上的水珠特別明亮，是由于光發生全反射形成的，B錯誤；丙是薄膜干涉的應用，用來檢測平面的平整程度，C正確；丁是立體電影原理，利用了光的偏振現象，D正確。故選CD。]
7．小明同學在假期旅游期間學習攝影，他發現照相機鏡頭呈現淡紫色。如圖所示是他拍攝的兩張照片：甲圖的湖泊遠景照中，能看到遠處山峰的清晰倒影，看不到水面下景物：乙圖的湖水近景照中，能清楚看到魚、石頭等水下景物，則(　　)
甲　　　　　　乙
A．鏡頭呈現淡紫色是鏡頭表面所鍍膜使光發生干涉的結果
B．甲圖山峰倒影非常清晰是因為來自山峰的光在水面發生了全反射
C．乙圖水下景物的光射到水面時因入射角較小致反射光強而折射光弱
D．拍攝乙圖時若安裝透振方向與水面反射光偏振方向垂直的偏振片將更清晰
AD　[照相機鏡頭鍍了增透膜，增強了可見光的透過性，由于高頻的藍光和紫光等并不能完全地干涉抵消，因此鏡頭呈現淡紫色，故A正確；題圖甲中的倒影是因為來自山峰的光通過水面反射進入鏡頭而引起的，而全反射在光線由光密介質射入光疏介質時才可能發生，故B錯誤；當光從光密介質入射到光疏介質時，只有當入射角增大才會使反射光增強而折射光減弱，故C錯誤；拍攝題圖乙時，來自水下魚的光通過水面的折射再進入鏡頭，為了使照片更清晰，可以利用偏振片來減少在水面發生反射而進入鏡頭的光，故D正確。]
8．如圖所示的雙縫干涉實驗，用綠光照射單縫S時，在光屏P上觀察到干涉條紋。要得到相鄰條紋間距更大的干涉圖樣，可以(　　)
A．減小S1與S2的間距
B．減小雙縫屏到光屏的距離
C．將綠光換為紅光
D．將整個裝置放在水中
AC　[根據雙縫干涉條紋的間距公式Δy＝λ知，減小雙縫間的距離，即d變小，則干涉條紋間距變大，故A正確；根據雙縫干涉條紋的間距公式Δy＝λ知，減小雙縫到屏的距離，即l減小，干涉條紋間距減小，故B錯誤；根據雙縫干涉條紋的間距公式Δy＝λ知，將綠光換為紅光，波長變長，則干涉條紋間距變大，故C正確；因為v＝，λ＝，則光進入水中的波長λ′＝＝＝。光進入水中波長變短，根據雙縫干涉條紋的間距公式Δy＝λ知，波長變短，則干涉條紋間距變小，故D錯誤。]
三、非選擇題(共60分，其中9、10題為實驗題，11、12、13題為計算題)
9．如圖所示，在“用雙縫干涉測光的波長”實驗中，光具座上放置的光學元件依次為：①光源、②、③、④、⑤遮光筒、⑥毛玻璃。
(1)②、③、④三個光學元件依次為　　　　(填正確答案的標號)；
A．濾光片、單縫、雙縫　　 B．單縫、濾光片、雙縫
C．單縫、雙縫、濾光片 D．濾光片、雙縫、單縫
(2)如果實驗時將紅光濾光片換為綠光濾光片，則相鄰亮紋(暗紋)間的距離　　　　；(選填“變大”或“變小”)
(3)某次測量時，選用的雙縫的間距為0.300 mm，測得屏與雙縫間的距離為1.20 m，第1條暗條紋到第4條暗條紋之間的距離為7.56 mm，則所測單色光的波長λ為　　　　nm(結果保留3位有效數字)。
[解析]　(1)為獲取單色線光源，白色光源后面要有濾光片、單縫、雙縫，故A正確。
(2)根據Δy＝λ知增大光屏到雙縫的距離L或者減小雙縫間距d，可以使條紋間距增大；當將紅光濾光片換為綠光濾光片，即波長減小，則相鄰亮紋(暗紋)間的距離變小。
(3)根據：Δy＝λ得：
λ＝＝ m＝0.63×10-6 m＝630 nm。
[答案]　(1)A　(2)變小　(3)630
10．(1)某同學用圖甲所示的裝置做“用雙縫干涉測量光的波長”的實驗，他采用了藍色燈作為光源，在測量頭目鏡中觀察到如圖乙所示的藍色條紋。在不改變其他實驗條件的情況下，觀察到目鏡中的條紋如圖丙所示，則可能的原因是　　　　。
甲
乙
丙
A．單縫寬度變小了
B．雙縫間距變小了
C．光源與單縫間的距離變大了
D．光源的發光強度變大了
(2)干涉條紋除了可以通過雙縫干涉觀察到，把一個凸透鏡壓在一塊平面玻璃上(圖甲)，讓單色光從上方射入(示意圖如圖乙，其中R為凸透鏡的半徑)，從上往下看凸透鏡，也可以觀察到由干涉造成圖丙所示的環狀條紋，這些條紋叫作牛頓環。如果改用波長更長的單色光照射，觀察到的圓環半徑將　　　　(選填“變大”“變小”或“不變”)；如果換一個曲率半徑更大的凸透鏡，觀察到的圓環半徑將　　　　(選填“變大”“變小”或“不變”)。
甲　　　　　　乙　　　　　　　丙
(3)采用波長為690 nm的紅色激光作為單色入射光，牛頓環的兩條相鄰亮條紋位置所對應的空氣膜的厚度差約為　　　　。
A．345 nm　　　　　　 B．690 nm
C．幾微米 D．幾毫米
[解析]　(1)根據條紋間距公式Δx＝λ可知，當雙縫間距d減小時，條紋間距增大，故選項B正確，A、C、D錯誤。
(2)當光程差為波長的整數倍時是亮條紋，當光程差為半個波長的奇數倍時是暗條紋；用波長變長的光照射，則出現亮條紋的這一厚度遠離中心，則圓環的半徑變大；換一個表面曲率半徑更大的凸透鏡，出現亮條紋的這一厚度偏移中心，知圓環的半徑變大。
(3)由題意知相鄰亮條紋對應的空氣層的厚度差為半個波長，故為345 nm，故選項A正確，B、C、D錯誤。
[答案]　(1)B　(2)變大　變大　(3)A
11．一種紅寶石激光器發射的激光是不連續的一道道閃光，每道閃光為一個(列)光脈沖，若這種激光器光脈沖的持續時間為1.0×10-11 s，波長為694.3 nm，發射功率為1.0×1010 W：
(1)每列光脈沖的長度是多少？
(2)用這種紅寶石激光器照射皮膚上的色斑，每平方厘米色斑吸收能量達到60 J以后，色斑便逐漸消失，一塊色斑的面積為，則它要吸收多少個(列)紅寶石激光脈沖才能逐漸消失？
[解析]　(1)光脈沖持續時間即為發射一個光脈沖所需的時間，所以一個光脈沖長度Δl＝c·Δt＝3×108×1.0×10-11 m＝3.0×10-3 m。
(2)面積為1 cm2的色斑吸收的能量E＝60 J，色斑便逐漸消失。而1個光脈沖的能量為
ΔE＝P·Δt＝1.0×1010×1.0×10-11 J＝0.1 J
消除50 mm2的色斑需要光脈沖數為
n＝＝＝300(個)。
[答案]　(1)3.0×10-3 m　(2)300 個
12．劈尖干涉是一種薄膜干涉，其裝置如圖甲所示，將一塊平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夾入兩張紙片，從而在兩玻璃表面之間形成一個劈形空氣薄膜。當光垂直入射后，從上往下看到的干涉條紋如圖乙所示，干涉條紋有如下特點：
(1)任意一條亮條紋或暗條紋所在位置下面的薄膜厚度相等。
(2)任意相鄰亮條紋或暗條紋所對應的薄膜厚度差恒定。
現若在圖甲裝置中抽去一張紙片，則當光垂直入射到新劈形空氣薄膜后，從上往下觀察到的干涉條紋會發生怎樣變化？
甲　　　　　　　　　乙
[解析]　光線在空氣膜的上、下表面發生反射，并發生干涉，從而形成干涉條紋。設空氣膜頂角為θ，d1、d2處為兩相鄰亮條紋，如圖所示，則此兩處的光程分別為δ1＝2d1，δ2＝2d2。
因為光程差δ2－δ1＝λ，所以d2－d1＝λ。
設此兩相鄰亮紋中心的距離為Δl，則由幾何關系得＝tan θ，即Δl＝，當抽去一張紙片θ減小，Δl增大，條紋變疏。
[答案]　干涉條紋會變疏
13．1801年，托馬斯·楊用雙縫干涉實驗研究了光波的性質。1834年，洛埃利用單面鏡同樣得到了楊氏干涉的結果(稱洛埃鏡實驗)。
(1)洛埃鏡實驗的基本裝置如圖所示，S為單色光源，M為一平面鏡。試用平面鏡成像作圖法畫出S經平面鏡反射后的光與直接發出的光在光屏上相交的區域。
(2)設光源S到平面鏡的垂直距離和到光屏的垂直距離分別為a和L，光的波長為λ，在光屏上形成干涉條紋。寫出相鄰兩條亮紋(或暗紋)間距離Δx的表達式。
[解析]　(1)①根據對稱性作出光源S在平面鏡中所成的像S′。②連接平面鏡的最左端和光源，即為最左端的入射光線，連接平面鏡的最左端和像點S′，并延長交光屏于一點，該點即為反射光線到達的光屏的最上端；同理連接平面鏡的最右端和像點S′，即可找到反射光線所能到達的平面鏡的最下端。故經平面鏡反射后的光與直接發出的光在光屏上相交的區域如圖所示。
(2)從光源直接發出的光和被平面鏡反射的光實際上是同一列光，故是相干光，該干涉現象可以看作雙縫干涉，所以SS′之間的距離為d，而光源S到光屏的距離可以看作雙孔屏到像屏距離L，根據雙縫干涉的相鄰條紋之間的距離公式Δx＝λ，因為d＝2a，所以相鄰兩條亮紋(或暗紋)間距離Δx＝λ。
[答案]　(1)見解析圖　(2)Δx＝
12 / 12主題1　光的干涉與衍射的比較
內容 干涉 衍射
現象 在光重疊區域出現加強或減弱的現象 光繞過障礙物偏離直線傳播的現象
產生條件 兩束光頻率相同、相位差恒定，即必須是相干光源 障礙物或孔的尺寸與波長差不多或比波長更小(明顯衍射的條件)
典型實驗 楊氏雙縫實驗、薄膜干涉 單縫衍射(圓孔衍射、不透明圓盤衍射)
圖樣特點 中央亮紋，兩邊等間距分布的明暗相間條紋 中央最寬最亮，兩邊不等間距分布的明暗相間條紋
應用 檢查平面、增透膜、測定波長
【典例1】　(雙選)用激光做單縫衍射實驗和雙縫干涉實驗，比普通光源效果更好，圖像更清晰。如果將感光元件置于光屏上，則不僅能在光屏上看到彩色條紋，還能通過感光元件中的信號轉換，在電腦上看到光強的分布情況。下列說法正確的是(　　)
A．當做單縫實驗時，光強分布圖如乙所示
B．當做單縫實驗時，光強分布圖如丙所示
C．當做雙縫實驗時，光強分布圖如乙所示
D．當做雙縫實驗時，光強分布圖如丙所示
[聽課記錄]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　如何分析干涉、衍射圖樣
在分析干涉、衍射圖樣時，主要注意圖樣條紋寬度的情況：若條紋寬度相等，則是干涉條紋，若中間條紋最寬，兩邊越來越窄，則是衍射條紋。
主題2　光的波動性的應用
光是一種橫波，光經過雙縫時會發生雙縫干涉，光經薄膜反射會發生薄膜干涉，光經過小孔或狹縫會發生衍射，光經過偏振片后的強度會發生變化，如何利用光的這些不同的特性呢？
(1)利用光的雙縫干涉測光的波長等物理量
單色光發生雙縫干涉時會在屏上形成明暗相間的條紋，且條紋間距滿足公式Δy＝λ；若已知Δy、l、d則可求λ，若已知l、d、λ則可求Δy。
(2)利用光的薄膜干涉檢查薄膜厚度變化或檢查工件表面是否平整，還可使光增透或增反。
在薄膜干涉圖樣中，同一條紋對應同一厚度的薄膜，所以條紋形狀與薄膜等厚線的形狀一致。
(3)利用單縫衍射確定縫寬
單縫衍射的條紋寬度與縫寬和波長有確定的關系，根據條紋寬度變化即可確定縫寬變化情況。
(4)利用偏振片改變光的強度
自然光經鏡面反射后的反射光為偏振光，偏振片的偏振化方向與光的偏振方向的夾角不同，透過偏振片的光強度也就不同，根據這一原理可以有效地減少反射光的影響。
【典例2】　關于光現象及其應用，下列說法正確的是(　　)
A．汽車燈光夜間照著自行車“尾燈”，就變得十分明亮，是利用了光的折射
B．照相機的鏡頭表面鍍有一層膜，使照相效果更好，是利用了光的衍射
C．用透明的標準樣板和單色光檢查工件平面的平整度，利用了光的干涉
D．抽制高強度纖維細絲，可用激光監控其粗細，是利用了光的偏振
[聽課記錄]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
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