高中物理人教版 (新课标)选修3第十章 热力学定律综合与测试学案及答案

专题15  物理光学（学生版）

一、目标要求

二、知识点解析

1．光的干涉现象

(1)光的波动说：牛顿在研究光的传播时认为光是由粒子组成的，他利用碰撞的原理解释了光的反射等现象；而同时期的惠更斯则认为光是类似于声音的纵波．但由于牛顿在当时学术界的地位，微粒说取得了当时的统治地位，直到英国物理学家托马斯·杨发现了光的干涉现象，才将光的波动说推上历史舞台．

(2)双缝干涉实验：

①研究历程：如图1所示，若光是一种波，则会在S1和S2两个相隔很近的狭缝上形成两个频率、相位和振动方向相同的波源，这两个波源发出的光会在挡板后的空间形成干涉现象，某些位置振动加强，某些位置振动减弱，在光屏上形成明暗相间的条纹．事实上，托马斯·杨确实观测到了这种现象．

②亮条纹和暗条纹位置关系：

如图2所示，若屏幕上的P点到两个波源的路程差|S1P－S2P|等于半波长的偶数倍（包括0），则P点位置出现亮条纹，若|S1P－S2P|是半波长的奇数倍，则P点位置出现暗条纹．

亮条纹位置：，n=0、1、2……

暗条纹位置：，n=0、1、2……

(3)干涉条纹间距与波长的关系：

如图3所示，两狭缝之间的距离为d（非狭缝宽度），狭缝到光屏的距离为L，相邻亮条纹中心或相邻暗条纹中心为条纹间距Δx（如图4），则条纹间距与光的波长关系为：

(4)应用—薄膜干涉：

①肥皂泡在阳光照射下呈现出彩色波纹，如图5所示，液膜前表面和后表面反射的光为相干光；

②将曲面镜放置于玻璃桌面上，白光垂直入射（如图6所示），在曲面镜的截面上看到不等间距的彩色圆环，如图7所示，这种现象称为牛顿环；

③利用薄膜干涉检测光学元件平面平整度，如图8所示．

④其他：照相机镜头前的增透膜利用光的干涉现象减弱反射光；大楼的玻璃墙和汽车窗户采用反射膜，利用光的干涉现象增强反射光．

2．光的衍射现象

光是一种波，既能发生干涉现象，也能发生衍射现象．

(1)光的衍射：光在传播过程中，通过细小的小孔或障碍物时，绕过小孔或障碍物继续传播的过程称为光的衍射；当小孔或障碍物的尺寸小于或等于光的波长时，衍射现象最为明显．

(2)应用：

①单缝衍射和单孔衍射：如图10是单色光分别通过单缝和单孔时的衍射图样，与光的干涉类似，光的波长越大，形成的中心条纹就越宽，用白光做衍射实验时，观测到中心亮条纹为白色，边缘呈现彩色；

②泊松亮斑：当光照射一个不透明的小圆板时，由于光的衍射，会在圆板阴影中心出现一个与边缘亮度相同的亮斑，称为泊松亮斑，如图11；

③不同形状的障碍物都会造成光的衍射，使得影像边缘模糊不清，如两支铅笔横向对叠，透过中间的缝隙观测灯光，会观测到缝隙边缘呈现模糊的红色和紫色．

3．光的偏振现象

(1)偏振现象：当狭缝的方向与波的振动方向相同时，波可以通过狭缝；当狭缝的方向与波的振动方向垂直时，波不能通过狭缝，如图12所示．这种现象称为波的偏振现象．

只有横波才能发生偏振现象，偏振现象可以检验一列波是横波还是纵波；光是横波，会发生偏振现象．

(2)偏振片：偏振片是由特定材料制成的，具有一个特殊的方向叫透光方向，只有光波的振动方向与透光方向平行时，光才能透过偏振片．

(3)偏振光与自然光：一束光的振动方向若限于某一平面内，则称该束光为偏振光；大量振动方向不相同且不相干的偏振光组成的光叫做自然光，如太阳光和白炽灯发出的光线都是自然光．

(4)应用：

①照相机偏振镜头：拍摄透明物体时能有效减小反射光的影响；

②液晶显示屏：手机或电脑屏幕加入液晶显示屏，强光照射下依然能显示屏幕内容；

③立体电影．

4．激光

三、考查方向

题型1：对光的双缝干涉的理解

典例一：（2012•上海）如图为红光或紫光通过双缝或单缝所呈现的图样，则　　

A．甲为紫光的干涉图样   B．乙为紫光的干涉图样

C．丙为红光的干涉图样   D．丁为红光的干涉图样

题型2：生活中的干涉

典例二：（2020•北京）以下现象不属于干涉的是　　

A．白光经过杨氏双缝得到彩色图样     B．白光照射肥皂膜呈现彩色图样 

C．白光经过三棱镜得到彩色图样     D．白光照射水面油膜呈现彩色图样

题型3：实验：双缝干涉实验

典例三：用双缝干涉测光的波长，已知双缝与屏的距离L=0.700 m，双缝间距d=0.200 mm．用测量头来测量亮纹中心的距离．测量头由分划板、目镜、手轮等构成，转动手轮，使分划板左右移动，让分划板的中心刻线对准亮纹的中心(如图甲所示)，记下此时手轮上的读数，转动测量头，使分划板中心刻线对准另一条亮纹的中心，记下此时手轮上的读数．

(1)分划板的中心刻线分别对准第1条和第6条亮纹的中心时，手轮上的读数如图乙所示，则对准第1条时读数x1=　__________　mm、对准第6条时读数x2=　_______　mm

(2)写出计算波长λ的表达式，λ=__________m．

(3)在屏上观察到了干涉条纹．如果将双缝到屏距离增大，则屏上的干涉条纹的间距将　_______　(变大、不变或变小)

题型4：光的薄膜干涉

典例四：劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图甲所示，将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜．当光垂直入射后，从上往下看到的干涉条纹如图乙所示．现若在图甲装置中再增加一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹(   )

A．变疏 B．变密 C．不变 D．消失

题型5：光的衍射

典例五：单缝衍射实验中所产生图样的中央亮条纹宽度的一半与单缝宽度、光的波长、缝屏距离的关系，和双缝干涉实验中所产生图样的相邻两亮条纹间距与双缝间距、光的波长、缝屏距离的关系相同．利用单缝衍射实验可以测量金属的线膨胀系数，线膨胀系数是表征物体受热时长度增加程度的物理量．下图是实验的示意图，挡光片A固定，挡光片B放置在待测金属捧上端，A、B间形成平直的狭缝，激光通过狭缝，在光屏上形成衍射图样，温度升高，金属棒膨胀使得狭缝宽度发生变化，衍射图样也随之发生变化．在激光波长已知的情况下，通过测量缝屏距离和中央亮条纹宽度，可算出狭缝宽度及变化，进而计算出金属的线膨胀系数．下列说法正确的是(   )

A．使用激光波长越短，其它实验条件不变，中央亮条纹宽度越宽

B．相同实验条件下，金属的膨胀量越大，中央亮条纹宽度越窄

C．相同实验条件下，中央亮条纹宽度变化越大，说明金属膨胀量越大

D．狭缝到光屏距离越大，其它实验条件相同，测得金属的线膨胀系数越大

四、模拟训练

一、基础练习

1.下列属于光的干涉现象的是(   )

A． 沙漠蜃景     B．雨后彩虹 

C．多彩肥皂泡     D．立体电影

2.（多选）如图所示明暗相间的条纹是红色、蓝色单色光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样，下列说法正确的是 (    )

A．a光是红光

B．在同一种玻璃中a的速度小于b的速度

C．a和b经相同单缝衍射装置后在光屏上产生衍射图样，则仍然是b光的中心条纹更宽

D．当a和b以相同入射角从玻璃射入空气时，若a刚好能发生全反射，则b也一定能发生全反射

3.如图所示的现象中，属于光的干涉现象的是(   )

A．红光通过很窄的单缝呈现明暗相间的条纹      

B．阳光通过三棱镜形成彩色光带 

C．肥皂泡在阳光照射下呈现彩色条纹       

D．下雨过后天空出现的彩虹

4.把一平行玻璃板压在另一个平行玻璃板上，一端用薄片垫起，构成空气劈尖，让单色光从上方射入，如图所示，这时可以看到明暗相间的条纹，下面关于条纹的说法中正确的是　　

A．干涉条纹的产生是由于光在空气薄膜上下两表面反射形成的两列光波叠加的结果，条纹间距都相等

B．干涉条纹中的暗纹是由于两列反射光的波谷与波谷叠加的结果 

C．将薄片增厚，条纹变疏 

D．观察薄膜干涉条纹时，眼睛应从入射光的另一侧

5.把一个上为平面、下为球面的凸透镜平放在平行玻璃板上，如图，现用单色光垂直于平面照射，在装置的上方向下观察，可以看到一系列的同心圆，下列说法正确的是(   )

A．这是光的干涉现象，同心圆间隔均匀 

B．这是光的干涉现象，同心圆间隔不均匀，中间密，边缘稀疏 

C．这是光的干涉现象，同心圆间隔不均匀，中间稀疏，边缘密 

D．这是光的衍射现象，同心圆间隔不均匀，中间稀疏，边缘密

6.如图所示的双缝干涉实验，用绿光照射单缝时，在光屏上观察到干涉条纹。要得到相邻条纹间距更大的干涉图样，可以　　

A．增大与的间距 

B．减小双缝屏到光屏的距离 

C．将绿光换为红光 

D．将绿光换为紫光

7.在图示的双缝干涉实验中，光源到縫、距离相等，为、连线中垂线与光屏的交点。用波长为的光实验时，光屏中央处呈现中央亮条纹（记为第0条亮条纹），处呈现第3条亮条纹。当改用波长为的光实验时，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

8.如图所示是双缝干涉的实验装置，使用波长为600 nm的橙色光照射单缝S，在光屏中央P处观察到亮条纹，在位于P的上方的P1处出现第一条亮纹中心，现换用波长为400 nm的紫色光照射单缝S，则(　　)

A．P和P1处都为亮条纹    

B．P和P1处都为暗条纹

C．P处是亮条纹，P1处是暗条纹  

D．P处是暗条纹，P1处是亮条纹

9.如图给出4个明暗相间的图样，已知它们分别是红光、蓝光(红光波长比蓝光波长大)在相同干涉仪器中的双缝干涉图样以及黄光、紫光(黄光波长比紫光波长大)在相同的衍射仪器中的单缝衍射图样（黑色部分表示亮纹），则在下面的四个图中从左往右排列的亮条纹的颜色依次是(   )

A．红紫蓝黄    B．红黄蓝紫    C．蓝黄红紫    D．蓝紫红黄

10.下列现象中，属于光的衍射现象的是(   )

A．雨后天空出现彩虹 

B．通过一个狭缝观察日光灯可看到彩色条纹 

C．一束白光通过三棱镜形成彩色光带 

D．日光照射在肥皂泡上出现彩色条纹

11.下列说法中正确的是(   )

A．在照相机的光学镜头上涂一层厚度适当的透明薄膜，利用了光的衍射原理 

B．著名的泊松亮斑是由光的衍射造成的 

C．阳光下，茂密树荫中地面上的圆形亮斑是由于衍射造成的 

D．发生明显光的衍射现象时，光的波长比障碍物或孔的尺寸小的多

12.(多选)光在科学技术和生产生活中有着广泛的应用，下列说法正确的有(   )

A．为使拍摄的水面下景物更清晰，可利用偏振现象在照相机镜头前加一偏振片，减少反射光的影响

B．蚌壳内表面上有一薄层珍珠质，在阳光照射下常会呈现美丽的色彩，这是光的衍射

C．在光导纤维束内传送图象是利用光的色散现象

D．光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象

13.在“用双缝干涉实验测光的波长”实验中，装置如图所示．双缝间的距离d=3mm．

(1)若测得双缝与屏之间的距离为0.70 m，通过测量头(与螺旋测微器原理相同，手轮转动一周划分板前进或后退0.5mm)观察第一条亮纹的位置如图甲所示，图甲中测量头的读数x1=0.020 mm，观察第五条亮纹的位置如图乙所示，图乙中测量头的读数x2=___________mm．

(2)利用上述测量结果，经计算可得两个相邻明纹(或暗纹)间的距离Δx=　________　mm；则可求出光的波长λ=　_________　m．(保留两位有效数字)

二、提升练习

1.（2019•北京）利用图1所示的装置（示意图），观察光的干涉、衍射现象，在光屏上得到如图2中甲和乙两种图样。下列关于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

2.（2018•北京）用双缝干涉实验装置得到白光的干涉条纹，在光源与单缝之间加上红色滤光片后　　

A．干涉条纹消失 B．彩色条纹中的红色条纹消失 

C．中央条纹变成暗条纹 D．中央条纹变成红色

3.（2017·全国II卷·多选）在双缝干涉实验中，用绿色激光照射在双缝上，在缝后的屏幕上显示出干涉图样。若要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距，可选用的方法是________

A．改用红色激光                        

B．改用蓝色激光

C．减小双缝间距                        

D．将屏幕向远离双缝的位置移动

E．将光源向远离双缝的位置移动

4.（2016高考天津理综物理）右图是a、b两光分别经过同一双缝干涉装置后在屏上形成的干涉图样，则（  ）

A、在同种均匀介质中，a光的传播速度比b光的大

B、从同种介质射入真空发生全反射时a光临界角大

C、照射在同一金属板上发生光电效应时，a光的饱和电流大

D、若两光均由氢原子能级跃迁产生，产生a光的能级能量差大

5.（2016高考上海物理）在双缝干涉实验中，屏上出现了明暗相间的条纹，则（   ）

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

6.(2016江苏高考物理)在上述杨氏干涉试验中，若单色光的波长λ=5.89×10-7m，双缝间的距离d=1mm，双缝到屏的距离=2m.求第1个亮光条到第11个亮条纹的中心距离。