專題11-2-光的干涉、衍射、光的偏振、激光用雙縫干涉測量光的波長【講】【學(xué)生版】

專題11.2光的干涉、衍射、光的偏振、激光用雙縫干涉測量光的波長【講】目錄TOC\o"1-3"\h\u一講核心素養(yǎng) 1二講必備知識(shí) 1【知識(shí)點(diǎn)一】光的干涉現(xiàn)象 1【知識(shí)點(diǎn)二】光的衍射和偏振現(xiàn)象 4【知識(shí)點(diǎn)三】電磁振蕩、電磁波與相對論 7【知識(shí)點(diǎn)四】實(shí)驗(yàn):用雙縫干涉測光的波長 8三．講關(guān)鍵能力會(huì)分析光的薄膜干涉 11一講核心素養(yǎng)1.物理觀念：干涉、衍射、激光、偏振、電磁波。 (1)觀察光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象，了解這些現(xiàn)象產(chǎn)生的條件，知道其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。知道光是橫波。(2)通過實(shí)驗(yàn)，了解激光的特性。能舉例說明激光技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。(3).知道電磁波的發(fā)射、傳播和接收。認(rèn)識(shí)電磁波譜。知道各個(gè)波段的電磁波的名稱、特征和典型應(yīng)用。2.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：初步了解麥克斯韋電磁場理論的基本思想，初步了解場的統(tǒng)一性與多樣性，體會(huì)物理學(xué)對統(tǒng)一性的追求。3.科學(xué)實(shí)驗(yàn)：會(huì)用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)測量光的波長。。二講必備知識(shí)【知識(shí)點(diǎn)一】光的干涉現(xiàn)象1.光的干涉(1)定義：在兩列光波疊加的區(qū)域，某些區(qū)域相互加強(qiáng)，出現(xiàn)亮條紋，某些區(qū)域相互減弱，出現(xiàn)暗條紋，且加強(qiáng)區(qū)域和減弱區(qū)域相互間隔的現(xiàn)象.(2)條件：兩束光的頻率相同、相位差恒定.(3)雙縫干涉圖樣特點(diǎn)：單色光照射時(shí)，形成明暗相間的等間距的干涉條紋；白光照射時(shí)，中央為白色亮條紋，其余為彩色條紋.2.雙縫干涉(1)條紋間距：Δx＝eq\f(l,d)λ，對同一雙縫干涉裝置，光的波長越長，干涉條紋的間距越大.(2)明暗條紋的判斷方法：如圖1所示，相干光源S1、S2發(fā)出的光到屏上P′點(diǎn)的路程差為Δr＝r2－r1.當(dāng)Δr＝kλ(k＝0,1,2…)時(shí)，光屏上P′處出現(xiàn)明條紋.當(dāng)Δr＝(2k＋1)eq\f(λ,2)(k＝0,1,2…)時(shí)，光屏上P′處出現(xiàn)暗條紋.【例1】(2020·山東卷，3)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置的截面圖如圖所示。光源S到S1、S2的距離相等，O點(diǎn)為S1、S2連線中垂線與光屏的交點(diǎn)。光源S發(fā)出的波長為λ的光，經(jīng)S1出射后垂直穿過玻璃片傳播到O點(diǎn)，經(jīng)S2出射后直接傳播到O點(diǎn)，由S1到O點(diǎn)與由S2到O點(diǎn)，光傳播的時(shí)間差為Δt。玻璃片厚度為10λ，玻璃對該波長光的折射率為1.5，空氣中光速為c，不計(jì)光在玻璃片內(nèi)的反射。以下判斷正確的是()A.Δt＝eq\f(5λ,c) B.Δt＝eq\f(15λ,2c)C.Δt＝eq\f(10λ,c) D.Δt＝eq\f(15λ,c)【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維及物理觀念?！練w納總結(jié)】(1)相鄰兩條亮(暗)條紋間的距離公式：Δx＝eq\f(l,d)λ，對同一雙縫干涉裝置，光的波長越長，干涉條紋的間距越大。(2)亮暗條紋的判斷方法如圖所示，相干光源S1、S2發(fā)出的光到屏上P′點(diǎn)的路程差為Δr＝r2－r1。當(dāng)Δr＝kλ(k＝0，1，2，…)時(shí)，光屏上的P′點(diǎn)處出現(xiàn)亮條紋。當(dāng)Δr＝(2k＋1)eq\f(λ,2)(k＝0，1，2，…)時(shí)，光屏上的P′點(diǎn)處出現(xiàn)暗條紋。【變式訓(xùn)練1】(多選)(2021·浙江杭州市教學(xué)質(zhì)量檢測)如圖所示，在利用雙縫干涉測量光的波長的實(shí)驗(yàn)中，單縫S0、雙縫中點(diǎn)O、屏上的P0點(diǎn)位于雙縫S1和S2的中垂線上，屏上P點(diǎn)處在P0上方的第3條亮條紋(不包括P0點(diǎn)處的亮條紋)的中心。已知入射光在真空中的波長為λ，真空中的光速為c，雙縫S1與S2之間距離為d，雙縫到屏的距離為l，若整個(gè)裝置處于真空中，則下列說法正確的是()A.來自雙縫S1和S2的光傳播到P點(diǎn)處的時(shí)間差為eq\f(3λ,c)B.屏上P點(diǎn)和P0點(diǎn)之間僅能觀察到兩條暗條紋C.僅將單縫S0向左(保持S0在雙縫的中垂線上)移動(dòng)的過程中，P點(diǎn)處能觀察到暗條紋D.僅將屏向右(保持P0在雙縫的中垂線上)移動(dòng)的過程中，P點(diǎn)處能觀察到暗條紋【變式訓(xùn)練2】．如圖所示，用頻率為f的單色光(激光)垂直照射雙縫，在光屏的P點(diǎn)出現(xiàn)第3條暗條紋，已知光速為c，則P到雙縫S1、S2的距離之差|r1－r2|應(yīng)為()A.eq\f(c,2f) B.eq\f(3c,2f)C.eq\f(3c,f) D.eq\f(5c,2f)【知識(shí)點(diǎn)二】光的衍射和偏振現(xiàn)象1.對光的衍射的理解(1)波長越長，衍射現(xiàn)象越明顯。在任何情況下都可以發(fā)生衍射現(xiàn)象，只是明顯與不明顯的差別。(2)衍射現(xiàn)象說明“光沿直線傳播”只是一種特殊情況，只有在光的波長比障礙物小得多時(shí)，光才可以看做是沿直線傳播的。2.單縫衍射與雙縫干涉的比較單縫衍射雙縫干涉不同點(diǎn)條紋寬度條紋寬度不等，中央最寬條紋寬度相等條紋間距各相鄰條紋間距不等各相鄰條紋等間距亮度情況中央條紋最亮，兩邊變暗條紋清晰，亮度基本相同相同點(diǎn)干涉、衍射都是波特有的現(xiàn)象，屬于波的疊加；干涉、衍射都有明暗相間的條紋3.光的干涉和衍射的本質(zhì)光的干涉和衍射都屬于波的疊加，從本質(zhì)上看，干涉條紋和衍射條紋的形成有相似的原理。都可認(rèn)為是從單縫通過兩列或多列頻率相同的光波，在屏上疊加形成的。4.光的偏振(1)自然光與偏振光的比較類別自然光(非偏振光)偏振光光的來源從普通光源發(fā)出的光自然光通過起偏器后的光光的振動(dòng)方向在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光沿任意方向振動(dòng)，且沿各個(gè)方向振動(dòng)的光的強(qiáng)度相同在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光沿特定方向振動(dòng)(2)偏振光的應(yīng)用：加偏振濾光片的照相機(jī)鏡頭、液晶顯示器、立體電影、消除車燈眩光等?！纠?】(2021·1月江蘇新高考適應(yīng)性考試，1)小華通過偏振太陽鏡觀察平靜水面上反射的陽光，轉(zhuǎn)動(dòng)鏡片時(shí)發(fā)現(xiàn)光有強(qiáng)弱變化，下列說法能夠解釋這一現(xiàn)象的是()A.陽光在水面反射時(shí)發(fā)生了偏振，鏡片起起偏器的作用B.陽光在水面反射時(shí)發(fā)生了偏振，鏡片起檢偏器的作用C.陽光在水面反射時(shí)沒有發(fā)生偏振，鏡片起起偏器的作用D.陽光在水面反射時(shí)沒有發(fā)生偏振，鏡片起檢偏器的作用【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是物理觀念。【必備知識(shí)】對偏振光的理解要點(diǎn)(1)當(dāng)偏振光的偏振方向與偏振片的透振方向平行時(shí)，透射的光最強(qiáng)；當(dāng)偏振光的偏振方向與偏振片的透振方向垂直時(shí)，光不能穿過偏振片。(2)當(dāng)偏振光的偏振方向與偏振片的透振方向既不平行也不垂直時(shí)，仍會(huì)有部分光透過偏振片，只是透過的光的強(qiáng)度介于平行和垂直兩種情況之間?！咀兪接?xùn)練1】(多選)(2021·江蘇蘇北四市第一次調(diào)研)下列說法正確的有()A.光的偏振現(xiàn)象說明光是一種縱波B.紅外線比紫外線更容易發(fā)生衍射C.白光下鍍膜鏡片看起來有顏色，是因?yàn)楣獍l(fā)生了衍射D.交警可以利用多普勒效應(yīng)對行駛的汽車進(jìn)行測速【例3】在一次觀察光的衍射的實(shí)驗(yàn)中，觀察到如圖所示的清晰的明暗相間的圖樣(黑線為暗條紋)，那么障礙物應(yīng)是()A.很小的不透明圓板B.很大的中間有大圓孔的不透明圓板C.很大的不透明圓板D.很大的中間有小圓孔的不透明圓板【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是物理觀念?！颈貍渲R(shí)】1．現(xiàn)象：各種不同形狀的障礙物也能使光發(fā)生衍射，使影的輪廓模糊不清。若在單色光傳播途中，放一個(gè)較小的不透明的圓形障礙物，會(huì)發(fā)現(xiàn)在陰影中心有一個(gè)亮斑，這就是著名的泊松亮斑，如圖所示。2．小障礙物的衍射圖樣的特點(diǎn)：圓形陰影中心有一亮斑，圓板陰影的邊緣是模糊的，在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環(huán)。與小孔衍射圖樣有明顯區(qū)別?！咀兪接?xùn)練2】如圖所示的4種明暗相間的條紋分別是紅光、藍(lán)光各自通過同一個(gè)雙縫干涉儀器形成的干涉圖樣以及黃光、紫光各自通過同一個(gè)單縫形成的衍射圖樣(黑色部分表示亮條紋).在下面的4幅圖中從左往右排列，亮條紋的顏色依次是()A.紅黃藍(lán)紫 B.紅紫藍(lán)黃C.藍(lán)紫紅黃 D.藍(lán)黃紅紫【例4】關(guān)于激光的應(yīng)用問題，下列說法正確的是()A.光纖通信是應(yīng)用激光平行度非常好的特點(diǎn)對信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，使其在光導(dǎo)纖維中進(jìn)行傳遞信息的B.計(jì)算機(jī)內(nèi)的“磁頭”讀出光盤上記錄的信息是應(yīng)用了激光有相干性的特點(diǎn)來進(jìn)行的C.醫(yī)學(xué)中用激光做“光刀”來切除腫瘤是應(yīng)用了激光亮度高的特點(diǎn)D.“激光測距雷達(dá)”利用激光測量很遠(yuǎn)目標(biāo)的距離是應(yīng)用了激光亮度高的特點(diǎn)【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是物理觀念。【知識(shí)點(diǎn)三】電磁振蕩、電磁波與相對論1.麥克斯韋電磁場理論變化的磁場能夠在周圍空間產(chǎn)生電場，變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場.2.電磁波(1)電磁場在空間由近及遠(yuǎn)地向周圍傳播，形成電磁波.(2)電磁波的傳播不需要介質(zhì)，可在真空中傳播，在真空中不同頻率的電磁波傳播速度相同(都等于光速).(3)不同頻率的電磁波，在同一介質(zhì)中傳播，其速度是不同的，頻率越高，波速越小.(4)v＝λf，f是電磁波的頻率.3.電磁波的發(fā)射與接收(1)發(fā)射電磁波需要開放的高頻振蕩電路，并對電磁波根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱進(jìn)行調(diào)制(兩種方式：調(diào)幅、調(diào)頻).(2)接收電磁波需要能夠產(chǎn)生電諧振的調(diào)諧電路，再把信號(hào)從高頻電流中解調(diào)出來，調(diào)幅波的解調(diào)也叫檢波.4.電磁波譜按照電磁波的頻率或波長的大小順序把它們排列成譜.按波長由長到短排列的電磁波譜為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線.5.對麥克斯韋電磁場理論的理解6.電磁波與機(jī)械波的比較名稱項(xiàng)目電磁波機(jī)械波產(chǎn)生由周期性變化的電場、磁場產(chǎn)生由質(zhì)點(diǎn)(波源)的振動(dòng)產(chǎn)生傳播介質(zhì)不需要介質(zhì)(在真空中仍可傳播)必須有介質(zhì)(真空中不能傳播)波的種類橫波既有橫波也有縱波速度特點(diǎn)由介質(zhì)和頻率決定，在真空中等于光速(c＝3×108m/s)僅由介質(zhì)決定能量都能攜帶能量并傳播能量速度公式v＝λf遵循規(guī)律都能發(fā)生反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象【例4】(2021·北京市朝陽區(qū)5月等級(jí)考模擬)(多選)關(guān)于電磁波譜，下列說法正確的是()A.X射線對生命物質(zhì)有較強(qiáng)的作用，過量的X射線輻射會(huì)引起生物體的病變B.γ射線是波長最短的電磁波，它比X射線的頻率還要高C.紫外線比紫光更容易發(fā)生干涉和衍射D.在電磁波譜中，最容易發(fā)生衍射現(xiàn)象的是γ射線【素養(yǎng)提升】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是物理觀念?！咀兪接?xùn)練】(2021·北京市海淀區(qū)一模)(多選)下列說法中正確的是()A.人耳能聽見的聲波比超聲波更易發(fā)生衍射B.光的色散現(xiàn)象是由光的干涉引起的C.根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，變化的電場周圍一定可以產(chǎn)生電磁波D.光導(dǎo)纖維絲內(nèi)芯材料的折射率比外套材料的折射率大【知識(shí)點(diǎn)四】實(shí)驗(yàn):用雙縫干涉測光的波長1.實(shí)驗(yàn)原理單色光通過單縫后，經(jīng)雙縫產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉圖樣，圖樣中相鄰兩條亮(暗)條紋間距Δx與雙縫間距d、雙縫到屏的距離l、單色光波長λ之間滿足λ＝eq\f(d,l)Δx.2.實(shí)驗(yàn)過程(1)觀察雙縫干涉圖樣①將光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上，如圖所示.②接好光源，打開開關(guān)，使燈絲正常發(fā)光.③調(diào)節(jié)各器件的高度，使光源燈絲發(fā)出的光能沿遮光筒軸線到達(dá)光屏.④安裝單縫和雙縫，盡量使縫的中點(diǎn)位于遮光筒的軸線上，使單縫與雙縫平行，二者間距約為5～10cm.⑤在單縫和光源間放上濾光片，觀察單色光的干涉條紋.(2)測定單色光的波長①安裝測量頭，調(diào)節(jié)至可清晰觀察到干涉條紋.②使分劃板中心刻線對齊某條亮條紋的中央，記下此時(shí)手輪上的讀數(shù)，將該條紋記為第1條亮條紋；轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使分劃板中心刻線移動(dòng)至另一亮條紋的中央，記下此時(shí)手輪上的讀數(shù)，將該條紋記為第n條亮條紋.③用刻度尺測量雙縫與光屏間距離l(d是已知的).④改變雙縫間的距離d，雙縫到屏的距離l，重復(fù)測量.3.數(shù)據(jù)處理(1)條紋間距Δx＝eq\f(an－a1,n－1).(2)波長λ＝eq\f(d,l)Δx.(3)計(jì)算多組數(shù)據(jù)，求λ的平均值.4.注意事項(xiàng)(1)安裝時(shí)，注意調(diào)節(jié)光源、濾光片、單縫、雙縫的中心均在遮光筒的中心軸線上，并使單縫、雙縫平行且間距適當(dāng).(2)光源燈絲最好為線狀燈絲，并與單縫平行且靠近.(3)調(diào)節(jié)的基本依據(jù)：照在光屏上的光很弱，主要原因是燈絲與單縫、雙縫，測量頭與遮光筒不共軸所致；干涉條紋不清晰，一般原因是單縫與雙縫不平行所致.【例5】(2021·北京市昌平區(qū)二模練習(xí))在“用雙縫干涉測量光的波長”實(shí)驗(yàn)中，將雙縫干涉實(shí)驗(yàn)儀按要求安裝在光具座上，如圖所示。已知雙縫間的距離為d，在離雙縫l遠(yuǎn)的屏上，用測量頭測量條紋間寬度。(1)將測量頭的分劃板中心刻線與某亮紋中心對齊，將該亮紋定為第1條亮紋，此時(shí)手輪上的示數(shù)如圖甲所示；然后同方向轉(zhuǎn)動(dòng)測量頭，使分劃板中心刻線與第6條亮紋中心對齊，記下此時(shí)如圖乙所示的手輪上的示數(shù)為__________mm，求得相鄰亮紋的間距Δx為__________mm；(2)波長的表達(dá)式λ＝__________(用Δx、l、d表示)；(3)若改用頻率較高的單色光照射，得到的干涉條紋間距將__________(填“變大”“不變”或“變小”)；(4)圖為上述實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。S為單縫，S1、S2為雙縫，屏上O點(diǎn)處為一條亮條紋。若實(shí)驗(yàn)時(shí)單縫偏離光軸，向下微微移動(dòng)，則可以觀察到O點(diǎn)處的干涉條紋__________。A.向上移動(dòng) B.向下移動(dòng)C.間距變大 D.間距變小【素養(yǎng)提升】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)實(shí)驗(yàn)。【變式訓(xùn)練】(2021·北京市海淀區(qū)一模)在“用雙縫干涉測光的波長”實(shí)驗(yàn)中，將雙縫干涉實(shí)驗(yàn)儀按要求安裝在光具座上(如圖所示)，單縫保持豎直方向，并選用縫間距為d的雙縫屏。從儀器注明的規(guī)格可知，毛玻璃屏與雙縫屏間的距離為l。接通電源使光源正常工作。(1)組裝儀器時(shí)，單縫和雙縫的空間關(guān)系應(yīng)該為______。A.a代表單縫，b代表雙縫B.a代表雙縫，b代表單縫C.二者相互垂直放置D.二者相互平行放置(2)將紅色濾光片改為綠色濾光片，其他實(shí)驗(yàn)條件不變，在目鏡中仍可看見清晰的條紋，則__________。A.條紋為豎條紋B.條紋為橫條紋C.與紅光相比條紋間距變窄D.與紅光相比條紋間距變寬(3)經(jīng)計(jì)算可得兩個(gè)相鄰明紋(或暗紋)間的距離為Δx，則這種色光的波長表達(dá)式為λ＝__________(用題中所給字母表示