高考物理一轮复习讲义练习第十四章　第2讲　光的波动性

这是一份高考物理一轮复习讲义练习第十四章　第2讲　光的波动性，共14页。试卷主要包含了光的干涉，光的衍射，光的偏振，光遇到障碍物时都能产生衍射现象，自然光是偏振光等内容，欢迎下载使用。
1．光的干涉
(1)定义：在两列光波的叠加区域，某些区域的光被加强，出现亮纹，某些区域的光被减弱，出现暗纹，且亮纹和暗纹互相间隔的现象叫作光的干涉现象。
(2)条件：两列光的频率相等，振动方向相同，且具有恒定的相位差，才能产生稳定的干涉现象。
(3)双缝干涉：由同一光源发出的光经双缝后形成两束振动情况总是相同的相干光，屏上某点到双缝的路程差是波长的整数倍处出现亮条纹；路程差是半波长的奇数倍处出现暗条纹。如图所示，相邻的亮条纹(或暗条纹)之间的距离Δx与波长λ、双缝间距d及屏到双缝距离l的关系为Δx＝ eq \f(l,d)λ。
(4)薄膜干涉：利用薄膜(如肥皂液薄膜)前后表面反射的光相遇而形成的。图样中同一条亮(或暗)条纹上所对应薄膜厚度相同。
2．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
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)。
3．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)光的偏振现象说明光是一种横波。
教材链接·想一想 请仔细阅读人教版教材选择性必修第一册P98“做一做”——用肥皂膜做薄膜干涉实验，回答下列问题。
劈尖干涉是一种薄膜干涉。如图所示，将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夹入薄片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜。当光从上方入射后，从上往下看到干涉条纹。
(1)任意一条明条纹所在位置下面的薄膜厚度是怎样的？
(2)改用频率更大的光照射，条纹间距将怎样变化？
提示：(1)厚度相同；(2)干涉条纹间距变小。
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，双缝的作用是用“分光”的方法使两列光的频率相同。( √ )
4．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。( × )
5．光遇到障碍物时都能产生衍射现象。( √ )
6．自然光是偏振光。( × )
考点一 光的干涉现象
1．双缝干涉
(1)条纹间距公式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，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。
(2)亮、暗条纹的判断方法
当Δr＝nλ(n＝0，1，2，…)时，光屏上P′处出现亮条纹；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，在膜的前表面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)亮、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…)，薄膜上出现亮条纹，在Q处，Δr＝(2n＋1) eq \f(λ,2)(n＝0，1，2，3…)，薄膜上出现暗条纹。
(3)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。
【典例1】 (多选)(2024·广西卷)如图所示，S为单色光源，S发出的光一部分直接照在光屏上，一部分通过平面镜反射到光屏上。从平面镜反射的光相当于S在平面镜中的虚像发出的，由此形成了两个相干光源。设光源S到平面镜和到光屏的距离分别为a和l，a≪l，镜面与光屏垂直，单色光波长为λ。下列说法正确的是( AD )
A．光屏上相邻两条亮条纹的中心间距为 eq \f(l,2a)λ
B．光屏上相邻两条暗条纹的中心间距为 eq \f(l,a)λ
C．若将整套装置完全浸入折射率为n的蔗糖溶液中，此时单色光的波长变为nλ
D．若将整套装置完全浸入某种透明溶液中，光屏上相邻两条亮条纹的中心间距为Δx，则该液体的折射率为 eq \f(l,2aΔx)λ
【解析】 根据光的反射对称性可知，光源S与平面镜中的虚像距离为2a，根据条纹间距公式可知Δx＝ eq \f(l,d)λ＝ eq \f(l,2a)λ，故A正确，B错误；若将整套装置完全浸入折射率为n的蔗糖溶液中，光的频率不变，根据λf＝c，v＝λ1f＝ eq \f(c,n)，其中c为在真空中的光速，则λ1＝ eq \f(λ,n)，故C错误；若将整套装置完全浸入某种透明溶液中，光屏上相邻两条亮条纹的中心间距为Δx，根据条纹间距公式有Δx＝ eq \f(l,2a)λ2，可得λ2＝ eq \f(2aΔx,l)，结合C选项的分析可知λ2＝ eq \f(2aΔx,l)＝ eq \f(λ,n)，所以n＝ eq \f(l,2aΔx)λ，故D正确。
1．(多选)利用薄膜干涉的原理可以检查平面的平整度和制作镜头增透膜。图甲中，让单色光从上方射入，这时从上方看可以看到明暗相间的条纹。下列说法正确的是( BC )
A．图甲中将薄片向着劈尖方向移动使劈角变大时，条纹变疏
B．图甲中将样板微微平行上移，条纹疏密不变
C．在图甲中如果看到的条纹如图乙所示，说明被检平面在此处是凹陷
D．图丙中镀了增透膜的镜头看起来是有颜色的，那是增透了这种颜色的光的缘故
解析：题图甲中当将薄片向着劈尖方向移动使劈角变大时，相邻亮条纹间距变小，所以干涉条纹会变密，故A错误；题图甲中将样板微微平行上移，导致满足原亮条纹光程差的间距向劈尖移动，因此出现条纹向着劈尖移动，但条纹疏密不变，故B正确；从题图乙中弯曲的条纹可知，此处检查平面左边处的空气膜厚度与后面的空气膜厚度相同，此处凹陷，故C正确；照相机、望远镜的镜头表面镀了一层透光的膜，可以增大某种光的透射强度，这种称为增透膜，这是利用了光的干涉现象，同时镀膜镜头看起来是有颜色的是因为对该光增透效果稍差造成的，故D错误。
2．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 )
A．Δt＝ eq \f(5λ,c) B．Δt＝ eq \f(15λ,2c)
C．Δt＝ eq \f(10λ,c) D．Δt＝ eq \f(15λ,c)
解析：波长为λ的光在玻璃片中的传播速度v＝ eq \f(c,n)，通过10λ的距离，光传播的时间差Δt＝ eq \f(10λn,c)－ eq \f(10λ,c)＝ eq \f(5λ,c)，A正确。
考点二 光的衍射和偏振现象
1．对光的衍射的理解
(1)衍射是波的特征，波长越长，衍射现象越明显。任何情况下都可以发生衍射现象，只是存在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
3.自然光和偏振光的比较
考向1光的衍射
【典例2】 线膨胀系数是表征物体受热时长度增加程度的物理量。利用单缝衍射实验装置可以测量金属的线膨胀系数。如图所示是该实验的装置示意图，挡光片a固定，挡光片b放置在待测金属棒上端，让激光通过a、b间的平直狭缝后在光屏上形成衍射图样。已知中央亮条纹宽度D、单缝宽度d、光的波长λ、缝到屏的距离L，满足关系式D＝ eq \f(2L,d)λ。关于该实验，下列说法正确的是( C )
A．激光通过狭缝后在光屏上可以形成明暗相间的等距条纹
B．其他实验条件不变，使用频率更大的激光，中央亮条纹宽度变大
C．其他实验条件不变，对金属棒加温，中央亮条纹宽度变大
D．其他实验条件不变，增大光屏到狭缝的距离，中央亮条纹宽度变小
【解析】 激光通过狭缝后在光屏上得到的是中间宽、两侧窄的明暗相间的条纹，故A错误；根据D＝ eq \f(2L,d)λ可知，其他实验条件不变，使用频率更大的激光，则激光的波长更小，中央亮条纹宽度变小，故B错误；根据D＝ eq \f(2L,d)λ可知，其他实验条件不变，对金属棒加温，则单缝宽度d变小，中央亮条纹宽度变大，故C正确；根据D＝ eq \f(2L,d)λ可知，其他实验条件不变，增大光屏到狭缝的距离L，则中央亮条纹宽度变大，故D错误。
考向2光的偏振
【典例3】 (2024·江苏卷)用立体影院的特殊眼镜去观看手机液晶屏幕，左镜片明亮，右镜片暗，现在将手机屏幕旋转90度，会观察到( D )
A．两镜片都变亮
B．两镜片都变暗
C．两镜片没有任何变化
D．左镜片变暗，右镜片变亮
【解析】 立体影院的特殊眼镜是利用了光的偏振，其镜片为偏振片，用立体影院的特殊眼镜去观看手机液晶屏幕，左镜片明亮，右镜片暗，可知眼镜的左、右两个镜片为透振方向相互垂直的偏振片，且屏幕发出的光的振动方向与左镜片的透振方向一致，将手机屏幕旋转90度后屏幕发出的光的振动方向与右镜片的透振方向一致，则左镜片变暗，右镜片变亮，故选D。
3．(2022·上海卷)在单缝衍射实验中，仅减小单缝的宽度，则光屏上( C )
A．条纹变宽，光强增强 B．条纹变窄，光强增强
C．条纹变宽，光强减弱 D．条纹变窄，光强减弱
解析：根据单缝衍射实验规律可知，单缝的宽度越小，衍射现象越明显，光屏上中央亮条纹越宽；通过单缝的光越少，光屏上光强越弱。因此在单缝衍射实验中，仅减小单缝的宽度，则光屏上条纹变宽，光强减弱，C正确。
4．(多选)利用旋光仪这种仪器可以用来测量糖溶液的浓度，从而测定含糖量。其原理是偏振光通过糖的水溶液后，若迎着射来的光线看，偏振方向会以传播方向为轴线，旋转一个角度θ，这一角度称为“旋光角”，θ的值与糖溶液的浓度有关。将θ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，则下列说法中正确的是( ACD )
A．到达O处光的强度会明显减弱
B．到达O处光的强度不会明显减弱
C．将偏振片B转动一个角度，使得O处光的强度最大，偏振片B转过的角度等于θ
D．将偏振片A转动一个角度，使得O处光的强度最大，偏振片A转过的角度等于θ
解析：偏振光通过糖的水溶液后，若迎着射来的光线看，偏振方向会以传播方向为轴线，旋转一个角度θ，所以到达O处光的强度会明显减弱，故A正确，B错误；将偏振片A或B转动一个角度，使得O处光的强度最大，偏振片A或B转过的角度等于θ，故C、D正确。
考点三 几何光学与物理光学的综合应用
1．光从一种介质进入另一种介质时，频率不变，由v＝λf知，当f改变时，波长改变，光速改变。
2．同一种介质中，频率越大的色光折射率越大，由n＝ eq \f(c,v)知，n越大，传播速度越小。
3．光的频率、折射率、波速、波长的对应关系
【典例4】 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( D )
A．λ1λ2，N是波长为λ1的光出射位置
【解析】 由双缝干涉条纹间距的公式Δx＝ eq \f(l,d)λ可知，当两种色光通过同一双缝干涉装置时，波长越长条纹间距越宽，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，由题图可知射向M的光的折射角小，又由折射定律可知，入射角相同时，折射率越大的色光折射角越小，由于λ1>λ2，则n1