2012屆高考一輪復(fù)習(xí)學(xué)案：12.2光的干涉、衍射　 激光

1、第2課時(shí) 光的干涉、衍射 激光基礎(chǔ)知識(shí)歸納1.光的干涉現(xiàn)象(1)光的干涉兩列光波在空間相遇時(shí)發(fā)生疊加，在某些區(qū)域總加強(qiáng)，在另一區(qū)域總減弱，從而出現(xiàn)明暗相間的條紋的現(xiàn)象叫光的干涉.(2)干涉的條件相干光源：頻率相同、相差恒定(步調(diào)差恒定)的兩束光.相干光源采用將一束光一分為二的方法獲得，或者采用人造激光.(3)楊氏雙縫干涉相干條件：如圖若S1、S2光振動(dòng)情況完全相同，則符合r2r1xn(n0,1,2,3)時(shí)，出現(xiàn)亮條紋；若S1、S2光振動(dòng)情況完全相同，則符合r2r1x(2n1) (n0,1,2,3)時(shí)，出現(xiàn)暗條紋.(注意：振動(dòng)情況完全相反的加強(qiáng)減弱條件)其中d是兩狹縫之間的距離，L是兩狹縫到屏的

2、距離，是光波的波長.相鄰亮條紋(或相鄰暗條紋)之間的中央間距：x 雙縫干涉圖樣 單色光：中央為明條紋，兩邊為等間距對(duì)稱分布明暗相間條紋；復(fù)合光：中央為明條紋，兩邊為等間距對(duì)稱分布彩色條紋.白光：中央為白色明條紋.(4)薄膜干涉薄膜干涉的成因：由薄膜的前、后表面反射的兩列光波疊加而形成.生活實(shí)例及應(yīng)用：a.液膜干涉：劈形薄膜干涉可產(chǎn)生平行明暗相間的條紋.b.固膜干涉：增透膜.膜的厚度：.增反膜：.2 / 15c.氣膜干涉：檢查平整程度.待檢平面和標(biāo)準(zhǔn)平面之間的楔形空氣薄膜，用單色光進(jìn)行照射，入射光從空氣膜的上、下表面反射出兩列光波，形成干涉條紋，待檢平面若是平的，空氣膜厚度相同的各點(diǎn)就位于一條直

3、線上，干涉條紋是平行的；反之，干涉條紋有彎曲現(xiàn)象.2.光的衍射現(xiàn)象(1)光的衍射光遇到障礙物時(shí)，偏離直線傳播方向而照射到陰影區(qū)域的現(xiàn)象叫做光的衍射.(2)明顯衍射的條件從理論上講衍射是無條件的，但需發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象的條件：當(dāng)孔或障礙物的尺寸比光波的波長小，或者跟光波的波長相差不多時(shí)，光才發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象.(3)衍射圖樣單縫衍射：單色光：中央是最寬的亮條紋，兩側(cè)為不等間隔的明暗相間的條紋；復(fù)合光：中央是最寬的亮條紋，兩側(cè)為不等間隔的彩色條紋，最靠近中央的是紫光，最遠(yuǎn)離中央的是紅光.注意：與雙縫干涉的干涉條紋不同的是：干涉條紋均勻分布，而衍射條紋的中央明紋較寬、較亮.圓孔衍射：明暗相間的不等距

4、圓環(huán).(4)泊松亮斑光照射到一個(gè)半徑很小的圓板后在圓板的陰影中心出現(xiàn)亮斑，這是光能發(fā)生衍射的有力證據(jù)之一.注意泊松亮斑與圓孔衍射條紋的區(qū)別：圖甲是泊松亮斑，圖乙是圓孔衍射條紋.(5)光的衍射的應(yīng)用用衍射光柵測定光波波長.3.光的偏振(1)自然光、偏振光自然光：從光源(如太陽、亮著的燈等)直接發(fā)出的光，包含著在垂直于傳播方向的一切方向振動(dòng)的光，而且沿著各個(gè)方向振動(dòng)的光波的強(qiáng)度都相同.偏振光：自然光通過偏振片后，在跟光傳播方向垂直的平面內(nèi)，光振動(dòng)在某一方向較強(qiáng)而在另一些方向振動(dòng)較弱，這樣的光叫偏振光.自然光射到兩種介質(zhì)的界面上，如果光的入射方向合適，使反射和折射光之間的夾角恰好是90°，

5、這時(shí)的反射光和折射光就都是偏振光，且它們的偏振方向互相垂直.我們通常看到的絕大多數(shù)光都是偏振光.(2)光的偏振的物理意義光的偏振現(xiàn)象充分表明光波是橫波.因?yàn)槠瘳F(xiàn)象是橫波所特有的現(xiàn)象.(3)偏振光的應(yīng)用全息照相、立體電影等.4.激光(1)激光的特點(diǎn)主要特點(diǎn)有：相干性好；平行度好；亮度很高.激光是一種人工相干光，兩束相同的激光在相遇區(qū)域疊加時(shí)，產(chǎn)生非常明顯的干涉現(xiàn)象；激光具有非常好的平行度，激光在傳播很遠(yuǎn)的距離后仍然保持一定的強(qiáng)度；激光具有很強(qiáng)的亮度，激光可以在很小的空間和很短的時(shí)間內(nèi)集中很大的能量.(2)激光的重要應(yīng)用應(yīng)用：通信、測距、光盤讀取、切割等.由于激光是相干光，便于調(diào)制，常用來傳遞信

6、息，光纖通信就是激光和光導(dǎo)纖維相結(jié)合的產(chǎn)物；激光測距雷達(dá)、激光刻錄光盤等都是根據(jù)激光的平行度好的原理制成的；利用激光在很短的時(shí)間內(nèi)集中很大的能量的性質(zhì)，用激光來切割各種物體、焊接金屬及在硬質(zhì)材料上打孔、醫(yī)學(xué)上用激光做“光刀”來切開皮膚、切除腫瘤、“焊接”剝落的視網(wǎng)膜等，利用激光產(chǎn)生的高溫高壓引起核聚變.重點(diǎn)難點(diǎn)突破一、正確識(shí)別生活中的干涉、衍射、折射、反射等光現(xiàn)象，掌握干涉、衍射條紋的特點(diǎn)因白光是復(fù)色光，白光在干涉，衍射與折射時(shí)均可觀察到彩色光帶，生活中常見的干涉現(xiàn)象為薄膜干涉，如水面的油膜、照相機(jī)鏡頭前的增透膜、肥皂膜，相干光源是同一束光在薄膜前后兩個(gè)表面的反射光.因可見光的波長很短，只有幾

7、百納米，要觀察到明顯的衍射現(xiàn)象，障礙物或孔的尺寸必須很小.所以將眼瞇成一條縫或透過紗巾觀察到的彩色光帶是白光經(jīng)過縫隙產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象.白光通過三棱鏡形成的彩色光帶是光的折射現(xiàn)象即色散，雨后天空中的彩虹產(chǎn)生也是光的色散現(xiàn)象.二、光的干涉條件的理解光的干涉條件是有兩個(gè)頻率相同、振動(dòng)情況總是相同(或相差恒定)的波源，即相干波源由于不同光源發(fā)出的光的頻率一般不同，即使是同一光源，它的不同部位發(fā)出的光也不一定有相同的頻率和恒定的相位差，在一般情況下，很難找到兩列相干光源.通常采用人造激光或?qū)⒁皇庖环譃槎?，如圖分別是利用雙縫、楔形薄膜、空氣膜、平面鏡形成相干光源.三、雙縫干涉中條紋間距和位置的分析及有關(guān)計(jì)

8、算1.影響條紋間距的因素，x，L為雙縫刻屏的距離，d為兩狹縫間的距離，為光的波長.2.中央位置是亮紋還是暗紋的條件：雙縫到光屏中央距離相等，光程差為零.若兩光源振動(dòng)完全一致，中央一定是亮紋，若兩光源振動(dòng)恰好相反，則中央為暗紋.分析時(shí)要結(jié)合兩狹縫的具體位置及兩光源的振動(dòng)情況兩個(gè)因素進(jìn)行判斷.3.單色光顏色、頻率、波長的關(guān)系.光的顏色由光的頻率決定，在可見光中，紅光頻率最低，紫光頻率最高，真空中各色光光速相同，由c·知，真空中紅光波長最大，紫光波長最小.四、薄膜干涉條紋間距與彎曲方法的判斷方法1.條紋出現(xiàn)在薄膜前表面的等厚線上，明紋產(chǎn)生的條件是厚度等于光波半波長的整數(shù)倍.2.等傾干涉條紋

9、是均勻的，相鄰明紋間的高度差是一個(gè)常數(shù)，是由厚度決定.如圖若薄片變厚，增大，第一條明紋位置向左移動(dòng)且相鄰明紋的間距變密.3.若被檢查平面平整則干涉圖樣是等間距明暗相同的平行直條紋.若某處凹下，則對(duì)應(yīng)明(暗)條紋提前出現(xiàn)，如圖(a)所示；若某處凸起，則對(duì)應(yīng)明(暗)條紋延后出現(xiàn)，如圖(b)所示.典例精析1.各種光現(xiàn)象的識(shí)別【例1】分析以下現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：(1)通過盛水的玻璃杯，在適當(dāng)?shù)慕嵌?，可看到彩色光?2)菜湯上的油花呈現(xiàn)彩色；(3)隔著帳?？催h(yuǎn)處的燈，見到燈周圍輻射彩色的光芒；(4)光線照在花布上，可以看見花布上的圖樣.【解析】(1)白光通過盛水的玻璃杯發(fā)生折射，產(chǎn)生色散，在適當(dāng)?shù)慕嵌?，各?/p>

10、光分離較大，可看到彩色光.(2)光經(jīng)過菜湯上油膜的上、下兩表面發(fā)生反射，兩列反射光波相互疊加，產(chǎn)生干涉條紋，因此菜湯上的油花呈現(xiàn)彩色.(3)遠(yuǎn)處發(fā)出的光經(jīng)過帳幔的縫隙，產(chǎn)生衍射，因此遠(yuǎn)處的燈周圍輻射彩色的光芒.(4)光線照在花布上看見花布的圖樣，是由于光的反射與吸收的結(jié)果.花布是由各種顏色的花紋組成的，當(dāng)白光照在花布上時(shí)紅色花紋反射紅光，吸收其他顏色的光，這樣我們在該位置只看到紅色.同理可以看到各種花紋反射的顏色.這樣可以看到花布的圖樣.【思維提升】題目中的四種現(xiàn)象都使觀察者看到彩色光，但它們產(chǎn)生彩色光的原因不盡相同，解答這類說理題要求我們善于透過現(xiàn)象抓住事物的本質(zhì).【拓展1】如圖所示為單色光

11、源發(fā)出的光經(jīng)一狹縫照射到光屏上，可觀察到的圖像是( A )【解析】單色光源經(jīng)狹縫產(chǎn)生衍射，衍射圖樣是間距不等明暗相間，中央寬而亮，兩邊寬度和亮度逐漸降低的條紋，且兩邊明條紋的亮度迅速降低，只有A符合這些特點(diǎn).故本題答案為A.2.對(duì)相干光源的理解及干涉規(guī)律的實(shí)際應(yīng)用【例2】1801年，托馬斯·楊用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)研究了光波的性質(zhì).1834年，洛埃利用單面鏡同樣得到了楊氏干涉的結(jié)果(稱洛埃鏡實(shí)驗(yàn)).(1)洛埃鏡實(shí)驗(yàn)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在圖上畫出S經(jīng)平面鏡反射后的光與直接發(fā)出的光在光屏上相交的區(qū)域.(2)設(shè)光源S到平面鏡的垂直距離和到光屏的垂直距

12、離分別為a和L，光的波長為，在光屏上形成干涉條紋.寫出相鄰兩條亮紋(或暗紋)間距離x的表達(dá)式.【解析】(1)根據(jù)平面鏡成像特點(diǎn)(對(duì)稱性)，先作出S在鏡中的像，畫出邊沿光線，范圍如圖所示.(2)要求記住楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中干涉條紋寬度與雙縫間距、縫屏距離、光波波長之間的關(guān)系x，因?yàn)閐2a，所以x【思維提升】對(duì)于雙縫干涉原理的理解是很重要的，關(guān)鍵是楊氏的“一分為二”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想.光源S在平面鏡中所成的像與S本身構(gòu)成了相干光源.要獲得穩(wěn)定的干涉，就是要找到相干光源.如還可以利用兩塊成很小角度的平面鏡的反射光進(jìn)行干涉實(shí)驗(yàn)等.【拓展2】在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，如果( BD )A.用白光作為光源，屏上將呈現(xiàn)

13、黑白相間的條紋B.用紅光作為光源，屏上將呈現(xiàn)紅黑相間的條紋C.用紅光照射一條狹縫，用紫光照射另一條狹縫，屏上將呈現(xiàn)彩色條紋D.用紫光作為光源，遮住其中一條狹縫，屏上將呈現(xiàn)間距不等的條紋【解析】白光是由不同頻率單色光組成的復(fù)色光，各種色光都能形成明暗相間的條紋，各種色光都在中央條紋處形成亮條紋，從而復(fù)合成白色條紋，由于兩側(cè)條紋間距與各色光波長成正比，即紅光的亮條紋間寬度最大，紫光亮條紋間寬度最小，除中央條紋以外的其他條紋不能完全重合，這樣便形成了彩色干涉條紋，所以A錯(cuò)，B正確；當(dāng)兩縫用不同光照射時(shí)，兩光頻率不同，不是相干光，不能呈現(xiàn)彩色條紋，C錯(cuò)；遮住一縫，則為衍射實(shí)驗(yàn)，屏上將呈現(xiàn)間距不等的條紋

14、，D正確.3.雙縫干涉中明暗條紋出現(xiàn)的條件及定量計(jì)算【例3】如圖所示是雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置，使用波長為600 nm的橙色光源照射單縫S，在光屏中央P處觀察到亮條紋，在位于P點(diǎn)上方的P1點(diǎn)出現(xiàn)第一條亮紋中心(即P1到S1、S2的路程差為一個(gè)波長)，現(xiàn)換用波長為400 nm的紫光源照射單縫，則()A.P和P1仍為亮點(diǎn)B.P為亮點(diǎn)，P1為暗點(diǎn)C.P為暗點(diǎn)，P1為亮點(diǎn)D.P、P1均為暗點(diǎn)【解析】從單縫S射出的光波被S1、S2兩縫分成的兩束光為相干光，由題意，屏中央P點(diǎn)到S1、S2距離相等，即由S1、S2分別射出的光到P點(diǎn)的路程差為零，因此是亮紋中心.因而，無論入射光是什么顏色的光，波長多大，P點(diǎn)都是中央亮

15、紋中心.而P1點(diǎn)到S1、S2路程相差剛好是橙光的一個(gè)波長，即|P1S1P1S2|600 nm橙，則兩列光波到達(dá)P1點(diǎn)振動(dòng)情況完全一致，振動(dòng)得到加強(qiáng)，因此出現(xiàn)亮紋.當(dāng)換用波長為400 nm的紫光時(shí)，|P1S1P1S2|600 nm，則兩列光波到達(dá)P1點(diǎn)時(shí)振動(dòng)情況完全相反，即由S1、S2射出的光波到達(dá)P1點(diǎn)就相互消弱，因此，出現(xiàn)暗條紋.綜上所述，選項(xiàng)B正確.【答案】B【思維提升】判斷屏上某點(diǎn)為亮紋還是暗紋，要看該點(diǎn)到兩個(gè)光源(雙縫)的路程差與波長的比值，要記住路程差等于波長整數(shù)倍處為亮條紋，等于半波長的奇數(shù)倍處為暗條紋.還要注意這一結(jié)論成立的條件是：兩個(gè)光源情況完全相同.本題若頻率相同的兩相干光源

16、，振動(dòng)情況完全相反，那么P點(diǎn)仍然是中央亮條紋嗎？(答案：不是，為暗條紋.)【拓展3】雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，綠光通過單縫S后，投射到具有雙縫的擋板上，雙縫S1和S2與單縫S的距離相等，光通過雙縫后在與雙縫平行的屏上形成干涉條紋.屏上O點(diǎn)距雙縫S1和S2的距離相等，P點(diǎn)是距O點(diǎn)最近的第一條亮紋.如果將入射的單色光換成紅光或藍(lán)光，討論屏上O點(diǎn)及其上方的干涉條紋的情況是：O點(diǎn)是紅光的亮條紋；紅光的第一條亮條紋在P點(diǎn)的上方；O點(diǎn)不是藍(lán)光的亮條紋；藍(lán)光的第一條亮條紋在P點(diǎn)的上方.已知紅光波長大于綠光波長，綠光波長大于藍(lán)光的波長，據(jù)此判斷( A )A.只有正確 B.只有正確C.只有正確 D.只有正確【解

17、析】由于O點(diǎn)到雙縫的光程差為零，所以為各種單色光的亮條紋，P點(diǎn)是綠光的第一亮條紋，因?yàn)榧t>綠，x，所以紅光條紋間距大于綠光條紋間距.4.薄膜干涉規(guī)律的認(rèn)識(shí)與應(yīng)用【例4】劈尖干涉是一種薄膜干涉，其裝置如圖所示.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(gè)劈形空氣薄膜.當(dāng)光垂直入射后，從上往下看到干涉條紋如圖所示.干涉條紋有如下特點(diǎn)：(1)任意一條明條紋或暗條紋所在位置下面的薄膜厚度相等；(2)任意相鄰明條紋或暗條紋所對(duì)應(yīng)的薄膜厚度差恒定.現(xiàn)若在圖裝置中抽去一張紙片，則當(dāng)光垂直入射到新的劈形空氣薄膜后，從上往下觀察到的干涉條紋()A.變疏B.變密C.

18、不變D.消失【解析】撤去一張紙片后，劈形空氣薄膜的劈勢減緩，相同水平距離上，劈勢厚度變化減小，以致干涉時(shí)波程差變化減小，條紋變寬，數(shù)量變少(變疏).【答案】A【思維提升】本題考查了對(duì)薄膜干涉的正確理解，特別是同一條紋對(duì)應(yīng)的空氣膜厚度相同這一知識(shí)的靈活運(yùn)用，考查了學(xué)生的應(yīng)用能力.【拓展4】登山運(yùn)動(dòng)員在登雪山時(shí)要注意防止紫外線的過度照射，尤其是眼睛更不能長時(shí)間被紫外線照射，否則將會(huì)嚴(yán)重地?fù)p壞視力.有人想利用薄膜干涉的原理設(shè)計(jì)一種能大大減小紫外線對(duì)眼睛的傷害的眼鏡.他選用的薄膜材料的折射率為n1.5，所要消除的紫外線的頻率為8.1×1014 Hz，那么它設(shè)計(jì)的這種“增反膜”的厚度至少是多少？【解析】“增反膜”與“增透膜”的區(qū)別是：“增透膜”是增強(qiáng)透射光的強(qiáng)度，“增反膜”卻是減弱透射光的強(qiáng)度，故“增反膜”的前后表面的兩反射光的光程差為波長的整數(shù)倍，即光程差最小為光在膜中的一個(gè)波長介，由題中信息可知：紫外線在膜中波長介2.5×107 m所以d1.25×107