新教材人教版高中物理选择性必修第一册第四章光 学案(知识点考点汇总及配套习题)

第四章光4.1光的折射 -1-4.2全反射 -11-4.3光的干涉 -20-4.4实验：用双缝干涉测量光的波长 -29-4.5光的衍射 -34-4.6光的偏振激光 -41-4.1光的折射【学习目标】1．理解光的折射定律，能解释生活中的折射现象。2．理解折射率的物理意义，知道折射率与光速的关系，并能计算相关问题。3．会用插针法测量玻璃的折射率，具备相关的实验能力。【思维脉络】课前预习反馈知识点1光的折射和折射定律1．折射现象光从一种介质斜射进入另一种介质时传播方向__改变__的现象。2．折射定律(1)内容：折射光线与入射光线、法线处在__同一平面__内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成__正__比。(2)表达式：eq\f(sinθ1,sinθ2)＝n12。3．光路的特点在光的折射现象中，光路是__可逆__的。知识点2折射率1．定义光从__真空__射入某种介质发生折射时，__入射角__的正弦与__折射角__的正弦之比，叫作这种介质的绝对折射率，简称折射率。2．物理意义是一个与介质有关的常数，反映介质__光学性质__的物理量。3．用光速表示的折射率n＝eq\f(c,v)，某种介质的折射率，等于光在__真空__中传播的速度c与光在这种__介质__中的传播速度v之比。4．特点任何介质的折射率都__大于1__。知识点3测量玻璃的折射率1．实验器材白纸，图钉，__大头针__，直尺，铅笔，__量角器__，平木板，长方形玻璃砖。2．实验原理如图所示为两面平行的玻璃砖对光路的侧移。用插针法找出与入射光线AO对应的出射光线__O′D__，确定出O′点，画出__折射光线OO′__，量出入射角θ1和折射角θ2，据n＝__eq\f(sinθ1,sinθ2)__计算出玻璃的折射率。思考辨析『判一判』(1)入射光线与反射光线在不同介质中。(×)(2)入射光线与反射光线关于法线对称。(√)(3)光从一种介质进入另一种介质时传播方向就会变化。(×)(4)若光从空气中射入水中，它的传播速度一定减小。(√)(5)介质的密度越大，其折射率一定也越大。(×)(6)光从真空斜射入任何介质时，入射角均大于折射角。(√)『选一选』如图所示，国家游泳中心“水立方”的透明薄膜“外衣”上点缀了无数白色亮点，他们被称为镀点，北京奥运会举行时正值盛夏，镀点能改变光线方向，将光线挡在场馆外，镀点对外界阳光的主要作用是(A)A．反射太阳光线，遵循光的反射定律B．反射太阳光线，不遵循光的反射定律C．折射太阳光线，遵循光的折射定律D．折射太阳光线，不遵循光的折射定律解析：“挡在场馆外”一定是反射，只要是反射就一定遵循光的反射定律。『想一想』有经验的渔民叉鱼时，不是正对着看到的鱼去叉，而是对着所看到鱼的下方叉，如图所示。你知道这是为什么吗？解析：从鱼身上反射的光线由水中进入空气时，在水面上发生折射，折射角大于入射角，折射光线进入人眼，人眼会逆着折射光线的方向看去，就会觉得鱼变浅了，眼睛看到的是鱼的虚像，在鱼的上方，所以叉鱼时要瞄准像的下方，如图所示。课内互动探究光的折射情境导入__如图所示，落山的太阳看上去正好在地平线上，但实际上太阳已处于地平线以下，观察者的视觉误差大小取决于当地大气的状况。造成这种现象的原因是什么？提示：光的折射要点提炼__1．光的方向光从一种介质进入另一种介质时，传播方向一般要发生变化(斜射)。并非一定变化，当光垂直界面入射时，传播方向就不发生变化。2．光的传播速度光从一种介质进入另一种介质时，传播速度一定发生变化，当光垂直界面入射时，光的传播方向虽然不变，但也属于折射，因为光传播的速度发生了变化。3．入射角与折射角的大小关系光从一种介质进入另一种介质时，折射角与入射角的大小关系不要一概而论，要视两种介质的折射率大小而定。当光从真空斜射入介质时，入射角大于折射角，当光从介质斜射入真空时，入射角小于折射角。特别提醒(1)应用折射定律和反射定律解题的关键是确定入射角和折射角。画出正确的光路图是解题的必要前提。(2)入射角、折射角、反射角均以法线为标准来确定，注意法线与界面的区别。典例剖析_典例1如图所示，一小孩站在宽6m的河边，在他正对面的岸边有一距离河面高度为3m的树，树的正下方河底有一块石头，小孩向河面看去，可同时看到树顶和石头两者的像，并发现两个像重合，若小孩的眼睛离河面高为1.5m，河水的折射率为eq\f(4,3)，试估算河水深度。思路引导：根据题意，正确作出光路图，明确入射角、反射角、折射角间的关系是解答此题的关键。解析：树顶反射和石头折射成像的光路图如图所示由图得n＝eq\f(sini,sinr) ①由几何关系得1.5tani＋3tani＝6解得tani＝eq\f(4,3)sini＝eq\f(4,5) ②P点至树岸边的距离为3tani＝4sinr＝eq\f(4,\r(42＋h2)) ③把②代入 ③得h＝5.3m答案：5.3m对点训练1．(2020·浙江省嘉兴一中，湖州中学高二下学期期中)一束光线从空气射向折射率为eq\r(2)的玻璃内，入射角为45°，下面光路图中正确的是(C)解析：光在两介质的界面上通常同时发生反射和折射，所以A错误；由反射定律得反射角为45°，根据折射定律n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)得θ2＝30°，故B、D错误，C正确。对折射率的理解情境导入不同介质折射率不同，而它们的密度也往往不同，那么介质的折射率与其密度有什么关系？是不是介质的密度越大，其折射率就越大？提示：介质的折射率与介质的密度没有必然的联系，密度大，折射率未必大，如水和酒精，水的密度较大，但水的折射率较小。要点提炼1．关于正弦值当光由真空射入某种介质时，入射角、折射角以及它们的正弦值是可以改变的，但正弦值的比值是一个常数。2．关于常数n入射角的正弦值跟折射角的正弦值之比是一个常数，但不同介质具有不同的常数，说明常数反映了该介质的光学特性。3．折射率与光速的关系介质的折射率n跟光在其中的传播速度v有关，即n＝eq\f(c,v)，由于光在真空中的传播速度c大于光在任何介质中的传播速度v，所以任何介质的折射率n都大于1。4．决定因素介质的折射率是反映介质的光学性质的物理量，它的大小由介质本身及光的性质共同决定，不随入射角、折射角的变化而变化。特别提醒(1)折射率的定义式n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)中的θ1为真空中光线与法线的夹角，不一定是入射角，θ2也不一定是折射角，产生这种现象的原因是光路的可逆性。(2)介质的折射率由介质的性质和光的频率共同决定，与入射角和折射角无关。典例剖析典例2(多选)有一束单色光从介质A射入介质B，再由介质B射入介质C，如图所示。根据图中所给的情况判断，下列说法正确的是(BC)A．介质B的折射率最大B．介质C的折射率最大C．光在介质B中的速度最大D．光在介质C中的速度最大思路引导：(1)根据入射角与折射角的大小，判定介质折射率的大小；(2)根据n＝eq\f(c,v)判定光线在各介质中的速度大小；(3)明确光路的可逆性。解析：光线由介质A进入介质B时，根据光路图可知，A的折射率大于B的折射率；光由介质B进入介质C时，根据光路图可知，B的折射率小于C的折射率。所以介质B的折射率最小，光在其中传播速度最大。由光路的可逆性可知，光由B进入A时，如果入射角为60°，则折射角为45°，而光由B进入C时，入射角为60°，折射角为30°，由此比较可知，介质C的折射率最大，光在其中传播速度最小。故选BC。对点训练2．(多选)关于折射率，下列说法中正确的是(CD)A．根据eq\f(sinθ1,sinθ2)＝n可知，介质的折射率与入射角的正弦成正比B．根据eq\f(sinθ1,sinθ2)＝n可知，介质的折射率与折射角的正弦成反比C．根据n＝eq\f(c,v)可知，介质的折射率与介质中的光速成反比D．同一频率的光由第一种介质进入第二种介质时，折射率与波长成反比解析：介质的折射率是一个表明介质的光学特性的物理量，由介质本身决定，与入射角、折射角无关。由于真空中光速是个定值，故n与v成反比正确，这也说明折射率与光在该介质中的光速是有联系的，由v＝λf，当f一定时，v正比于λ。n与v成反比，故折射率与波长λ也成反比。探究实验：测量玻璃的折射率要点提炼1．实验步骤(1)如图所示，将白纸用图钉钉在绘图板上。(2)在白纸上画出一条直线aa′作为界面(线)，过aa′上的一点O画出界面的法线NN′，并画一条线段AO作为入射光线。(3)把长方形玻璃砖放在白纸上，使它的长边跟aa′对齐，画出玻璃砖的另一边bb′。(4)在直线AO上竖直插上两枚大头针P1、P2，透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线方向直到P2的像挡住P1的像。再在观察者一侧竖直插上两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P3及P1、P2的像，记下P3、P4的位置。(5)移去大头针和玻璃砖，过P3、P4所在处作直线O′B与bb′交于O′，直线O′B就代表了沿AO方向入射的光线通过玻璃砖后的传播方向。(6)连接OO′，入射角θ1＝∠AON，折射角θ2＝∠O′ON′。2．数据处理通过测量入射角和折射角，然后查数学用表，找出入射角和折射角的正弦值，再代入n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)中求多次不同入射角时n的值，然后取其平均值，即为玻璃的折射率。3．注意事项(1)实验时，尽可能将大头针竖直插在纸上，且P1和P2之间，P2与O点之间，P3与P4之间，P3与O′之间距离要稍大一些。(2)入射角θ1应适当大一些，以减小测量角度的误差，但入射角不宜太大，也不宜太小。(3)在操作时，手不能触摸玻璃砖的光洁面。更不能把玻璃砖界面当尺子画界线。(4)在实验过程中，玻璃砖与白纸的相对位置不能改变。(5)玻璃砖应选用宽度较大的，宜在5cm以上。若宽度太小，则测量误差较大。4．误差分析实验误差主要有两个：(1)入射光线和出射光线确定的不够精确，因此要求插大头针时两大头针间距应较大。(2)入射角、折射角测量的不精确，为减小测角时的相对误差，入射角要稍大些，但不宜太大，否则光线会从玻璃砖的侧面射出，并且入射角太大时，反射光较强，折射光会相对较弱。典例剖析典例3(2020·江苏省扬州中学高二下学期期中)如图1所示，某同学在“测定玻璃的折射率”的实验中，先将白纸平铺在木板上并用图钉固定，玻璃砖平放在白纸上，然后在白纸上确定玻璃砖的界面aa′和bb′，O为直线AO与aa′的交点。在直线OA上竖直地插上P1、P2两枚大头针。(1)该同学接下来要完成的必要步骤有__BD__。A．插上大头针P3，使P3仅挡住P2的像B．插上大头针P3，使P3挡住P1的像和P2的像C．插上大头针P4，使P4仅挡住P3D．插上大头针P4，使P4挡住P3和P1、P2的像(2)过P3、P4作直线交bb′于O′，过O′作垂直于bb′的直线NN′，连接OO′。测量图1中角α和β的大小。则玻璃砖的折射率n＝__eq\f(sinβ,sinα)__。(3)如图2所示，该同学在实验中将玻璃砖界面aa′和bb′的间距画得过宽。若其他操作正确，则折射率的测量值__小于__准确值(选填“大于”“小于”或“等于”)。(4)另一位同学准确地画好玻璃砖的界面aa′和bb′后，实验过程中不慎将玻璃砖向下平移了一些，如图3所示，而实验的其他操作均正确，则折射率的测量值__等于__准确值(选填“大于”“小于”或“等于”)。思路引导：(1)用挡像法确定P3、P4的位置；(2)应根据折射定律n＝eq\f(sinβ,sinα)，求解折射率；(3)将玻璃砖界面aa′和bb′的间距画得过宽但仍平行，导致α角偏大，由折射率公式分析误差；(4)通过作光路图，分析入射角和折射角是否变化，由折射定律分析折射率的误差。解析：(1)该同学接下来要完成的必要步骤有：确定P3大头针的位置的方法是插上大头针P3，使P3能挡住P1、P2的像。确定P4大头针的位置的方法是大头针P4能挡住P3和P1、P2的像。故该同学接下来要完成的必要步骤有：BD。(2)根据折射定律得：玻璃砖的折射率为n＝eq\f(sinβ,sinα)；(3)将玻璃砖界面aa′和bb′的间距画得过宽但仍平行，而其他操作正确，导致α角偏大，由于n＝eq\f(sinβ,sinα)，故折射率的测量值将偏小。(4)如图所示，虚线表示将玻璃砖向下平移后实际的光路图，而实线是作图时所采用的光路图，通过比较发现，入射角和折射角没有变化，则由折射定律得知，该同学测得的折射率将不变。对点训练3．如图所示是利用插针法测定玻璃砖的折射率时得到的光路图。玻璃砖的入射面AB和出射面CD并不平行，则：(1)出射光线与入射光线__不平行__。(选填“平行”或“不平行”)(2)以入射点O为圆心，以R为5cm长度为半径画圆，与入射线PO交于M点，与折射线OQ交于F点，过M、F点分别向法线作垂线，量得MN＝1.68cm，EF＝1.12cm，则该玻璃砖的折射率n＝__1.5__。解析：(1)因为上下表面不平行，易知出射光线和入射光线不平行；(2)根据折射定律得n＝eq\f(sinα,sinβ)＝eq\f(MN,EF)＝eq\f(1.68,1.12)＝1.5。核心素养提升解决光的折射问题的常规思路和两类典型的问题1．常规思路(1)根据题意画出正确的光路图。(2)利用几何关系确定光路图中的边、角关系，要注意入射角、折射角均是与法线的夹角。(3)利用折射定律、折射率公式列式求解。2．玻璃砖对光的折射问题常见的玻璃砖有半圆形玻璃砖和长方形玻璃砖。对于半圆形玻璃砖若光线从半圆面射入，且其方向指向圆心，则其光路图如图甲所示，光线只发生一次偏折。对于两个折射面相互平行的长方形玻璃砖，其折射光路如图乙所示，光线经过两次折射后，出射光线与入射光线的方向平行，但发生了侧移。特别提醒画光路图时应注意的问题(1)光路是可逆的。(2)垂直界面入射的光线，折射光线与入射光线在同一直线上。(3)过半圆形玻璃砖圆心的光线在圆弧处不偏折。案例(多选)如图所示，把用相同玻璃制成的厚度为d的正方体a和半径亦为d的半球体b，分别放在报纸上，且让半球的凸面向上。从正上方分别观察a、b中心处报纸上的字，下面的观察记录中正确的是(AD)A．a中的字比b中的字高B．b中的字比a中的字高C．一样高D．a中的字较没有玻璃时的高，b中的字和没有玻璃时的一样解析：如图所示，放在b中的字反射的光线经半球体向外传播时，传播方向不变，故人看到字的位置是字的真实位置。而放在a中的字经折射，人看到的位置比真实位置要高。4.2全反射【学习目标】1．知道什么是光疏介质，什么是光密介质。2．理解光的全反射现象。3．理解临界角的概念，能判断是否发生全反射，并能解决相关的问题。4．知道全反射棱镜和光导纤维的原理及应用。【思维脉络】eq\x(全反射)—eq\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(→\x(光疏介质与光密介质),→\x(全反射现象)→\x(折射光线消失),→\x(全反射的条件)—\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(→\x(光从光密介质射入光疏介质),→\x(入射角大于或等于临界角))),→\x(全反射的应用)→\x(全反射棱镜，光导纤维)))课前预习反馈知识点1全反射1．光疏介质和光密介质对于折射率不同的两种介质，我们把折射率__较小__的称为光疏介质，折射率__较大__的称为光密介质。2．全反射现象(1)当光从光密介质射入光疏介质时，同时发生折射和反射。当入射角增大到某一角度，使折射角达到__90°__时，折射光完全消失，只剩下__反射光__，这种现象叫作全反射，这时对应的__入射角__叫作临界角。(2)发生全反射的条件①光由__光密__介质射入__光疏__介质。②入射角__大于__或__等于__临界角。(3)临界角与折射率的关系①定量关系：光由某种介质射入空气(或真空)时，sinC＝__eq\f(1,n)__。②定性关系：介质的折射率越大，发生全反射的临界角__越小__，越容易发生全反射。知识点2全反射的应用1．全反射棱镜(1)构造：截面为__等腰直角三角形__的玻璃棱镜叫全反射棱镜。(2)光学特性：①当光垂直于截面的直角边射入棱镜时，光在截面的斜边上发生__全反射__，光射出棱镜时，传播方向改变了__90°__。②当光垂直于截面的斜边射入棱镜时，在两个直角边上各发生一次__全反射__，使光的传播方向改变了__180°__。(3)主要优点①光垂直于它的一个界面射入后，都会在其内部发生__全反射__，与平面镜相比，它的反射率__很高__。②反射面不必涂敷任何反光物质，反射时__失真小__。2．光导纤维(1)原理：利用了光的__全反射__。(2)构造：光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有1～100μm左右，如图所示。它是由内芯和外套两层组成，内芯的折射率__大于__外套的折射率，光由一端进入，在内芯和外套的界面上经多次__全反射__，从另一端射出。(3)主要优点：容量大、衰减小、抗干扰能力强、__保密性好__等。思考辨析『判一判』(1)水的密度大于酒精的密度，水是光密介质。(×)(2)光从水中射入空气中时一定能发生全反射。(×)(3)光从玻璃射入空气中时能发生全反射。(√)(4)水或玻璃中的气泡看起来特别亮，就是因为光从水或玻璃射向气泡时，在界面发生了全反射。(√)(5)只要入射角足够大，就能发生全反射。(×)『选一选』(多选)透明的水面上有一圆形荷叶，叶梗直立在水中，紧靠叶梗有一条小鱼，在岸上的人恰能看到小鱼，则(BC)A．当小鱼潜深点时，人就看不见它B．当小鱼潜深点时，人照样能看见它C．当小鱼上浮点时，人就看不见它D．当小鱼上浮点时，人照样看见它解析：小鱼下潜一点后，它的入射角变小，光线能折射出水面，人能看到鱼，同理，鱼上浮一点，入射角大于临界角，发生全反射，所以，B、C正确，A、D错误。『想一想』夏季的早晨，从某一方向看植物叶子上的露珠会格外明亮，玻璃中的气泡从侧面看也是特别明亮，这是什么道理呢？解析：光照射露珠或经玻璃照射气泡时，一部分光会发生全反射，有更多的光反射到人的眼睛中，光的能量大了，人就会感觉特别明亮。课内互动探究全反射情境导入如图所示，光由玻璃斜射向空气，若逐渐增加入射角，当入射角增大到一定程度后将出现折射光消失的现象，这种现象叫作全反射。请问：要想出现这种现象必须具备什么条件？提示：①光从光密介质射入光疏介质②入射角大于或等于临界角要点提炼1．对光疏介质和光密介质的理解(1)相对性光疏介质和光密介质是相对而言的，并没有绝对的意义。例如：水晶(n＝1.55)对玻璃(n＝1.5)是光密介质，而对金刚石来说(n＝2.427)，就是光疏介质。同一种介质到底是光疏介质还是光密介质，是不确定的。(2)与介质密度无关光疏和光密是从介质的光学特性来说的，并不是它的密度大小。例如，酒精的密度比水小，但酒精和水相比酒精是光密介质。(3)光疏介质和光密介质的比较光在其中速度折射率光疏介质大小光密介质小大2．全反射(1)全反射现象光由光密介质进入光疏介质时，当入射角增大到某一角度时，折射角达到90°，折射光全部消失，只剩下反射光的现象。这个角度称为临界角，用C表示。(2)全反射临界角sinC＝eq\f(1,n)①临界角的含义：折射角为90°时的入射角。②规律：一旦发生全反射，即遵循光的反射定律。(3)产生全反射现象的条件①光从光密介质射到它与光疏介质的界面上。②入射角等于或大于临界角。(4)全反射现象中的能量分配关系①折射角随入射角的增大而增大，折射角增大的同时，折射光线的强度减弱，即折射光线的能量减小，亮度减弱，而反射光线增强，能量增大，亮度增加。②当入射角增大到某一角度时(即临界角)，折射光能量减到零，入射光的能量全部反射回来，这就是全反射现象。(5)不同色光的临界角不同颜色的光由同一介质射向空气或真空时，频率越高的光的临界角越小，越易发生全反射。典例剖析典例1如图所示，直角三棱镜ABC的斜边AB长为L，∠C＝90°，∠A＝θ(未知)，一束单色光从斜边上某点(非中点)垂直入射到棱镜中，已知棱镜折射率为n＝2，单色光在真空中的传播速度为c，(1)求θ在什么范围内，入射光能够经过两次全反射又从斜边射出；(2)若θ＝45°，该单色光从斜边某处垂直入射到棱镜中，通过棱镜后出射光与入射光的距离为eq\f(L,4)，求此单色光通过三棱镜的时间。思路引导：分析光的全反射时，关键是根据临界条件画出发生全反射时的光路图，再利用几何知识分析边角关系。当发生全反射时，仍遵循光的反射定律及光的可逆性。解析：(1)光的传播方向如图所示，欲使入射光在左侧直角边发生全反射，须满足sinθ≥eq\f(1,n)解得θ≥30°，又在光反射至右侧直角边时，入射角为90°－θ，欲使入射光在该边发生全反射，须满足sin(90°－θ)≥eq\f(1,n)解得θ≤60°，所以θ的范围为30°≤θ≤60°(2)当θ＝45°时，由几何关系可知光在三棱镜中通过的距离s＝L光在棱镜中的传播速度v＝eq\f(c,n)则单色光通过三棱镜的时间t＝eq\f(s,v)＝eq\f(2L,c)答案：(1)30°≤θ≤60°(2)eq\f(2L,c)对点训练1．如图是在高山湖泊边拍摄的一张风景照片，湖水清澈见底，近处湖面水下的景物(石块、砂砾等)都看得很清楚，而远处只看到对岸山峰和天空的倒影，水面下的景物则根本看不到。下列说法中正确的是(C)A．远处山峰的倒影非常清晰，是因为山峰的光线在水面上发生了全反射B．光线由水射入空气，光的波速变大，波长变小C．远处水面下景物的光线射到水面处，入射角很大，可能发生了全反射，所以看不见D．近处水面下景物的光线射到水面处，入射角较小，反射光强而折射光弱，因此有较多的能量射出水面而进入人眼中解析：远处山峰的倒影非常清晰，是因为山峰的光线在水面上发生了反射，但不是全反射，因为全反射只有光从光密介质射入光疏介质时才可能发生，故A错误；光线由水射入空气，光的波速变大，频率不变，由波速公式v＝λf知波长变大，故B错误；远处水面下景物的光线射到水面处，入射角很大，当入射角大于等于全反射临界角时能发生全反射，光线不能射出水面，因而看不见，故C正确；近处水面下景物的光线射到水面处，入射角较小，反射光较弱而折射光较强，射出水面而进入人眼睛中的能量较多，故D错误。全反射的应用情境导入如图所示，自行车后面有尾灯，它虽然本身不发光，但在夜间行驶时，从后面开来的汽车发出的强光照在尾灯上，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车。那么自行车的尾灯利用了什么原理？提示：利用了全反射的原理。要点提炼1．全反射棱镜横截面是等腰直角三角形的棱镜是全反射棱镜。它在光学仪器里，常用来代替平面镜，改变光的传播方向。光通过全反射棱镜时的几种方式：方式一方式二方式三光路图入射面ABACAB全反射面ACAB、BCAC光线方向改变角度90°180°0°(发生侧移)2．光导纤维(1)光导纤维：用光密介质制成的用来传导光信号的纤维状的装置。(2)光纤原理：“光纤通信”利用了全反射原理。实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝，一定程度上可以弯折，直径只有几微米到一百微米之间，由内芯和外套组成。如图所示，内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射，使反射光的能量最强，实现远距离传送。(3)光纤的应用：携带着数码信息、电视图像、声音等的光信号沿着光纤传输到很远的地方，实现光纤通信。典例剖析典例2由于激光是亮度高、平行度好、单色性好的相干光，所以光导纤维中用激光作为高速传输信息的载体。要使射到粗细均匀的圆形光导纤维一个端面上的激光束都能从另一个端面射出，而不会从侧壁“泄漏”出来，光导纤维所用材料的折射率至少应为多少？思路引导：准确理解光纤传导的原理，利用全反射临界角计算。解析：设激光束在光导纤维前端的入射角为θ1，折射角为θ2，折射光线射向侧面时的入射角为θ3，如图所示。由折射定律n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)由几何关系θ2＋θ3＝90°，则sinθ2＝cosθ3由全反射临界角公式sinθ3＝eq\f(1,n)故cosθ3＝eq\r(1－\f(1,n2))要保证从端面射入的任何光线都能发生全反射，应有θ1＝90°，sinθ1＝1故n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)＝eq\f(sinθ1,cosθ3)＝eq\f(1,\r(1－\f(1,n2)))＝eq\f(n,\r(n2－1))解得n＝eq\r(2)答案：n＝eq\r(2)对点训练2．空气中两条光线a和b从虚框左侧入射，分别从方框下方和上方射出，其框外光线如图1所示。虚框内有两个折射率n＝1.5的玻璃全反射棱镜。图2给出了两棱镜四种放置方式的示意图，其中能产生图1效果的是(B)解析：四个选项产生光路效果如图所示：则可知B项正确。核心素养提升解决全反射问题的基本思路1．确定光是由光疏介质进入光密介质还是由光密介质进入光疏介质。2．若光由光密介质进入光疏介质时，则根据sinC＝eq\f(1,n)确定临界角，看是否发生全反射。3．根据题设条件，画出入射角等于临界角的“临界光路”。4．运用几何关系、三角函数关系、反射定律等进行判断推理或定量计算。案例一个半圆柱形玻璃砖，其横截面是半径为R的半圆，AB为半圆的直径，O为圆心，如图所示。玻璃的折射率为n＝eq\r(2)。(1)一束平行光垂直射向玻璃砖的下表面。若光线到达上表面后，都能从该表面射出，则入射光束在AB上的最大宽度为多少？(2)一细束光线在O点左侧与O相距eq\f(\r(3),2)R处垂直于AB从下方入射，求此光线从玻璃砖射出点的位置。解析：本题考查全反射涉及的几何计算，解题思路为先求出临界角，然后利用几何关系求距离。(1)在O点左侧，设从E点射入的光线进入玻璃砖后在上表面的入射角恰好等于全反射的临界角θ，则OE区域的入射光线经上表面折射后都能从玻璃砖射出，如图由全反射条件有sinθ＝eq\f(1,n) ①由几何关系有OE＝Rsinθ ②由对称性可知，若光线都能从上表面射出，光束的宽度最大为L＝2OE ③联立①②③式，代入已知数据得L＝eq\r(2)R ④(2)设光线在距O点eq\f(\r(3),2)R的C点射入后，在上表面的入射角为α，由几何关系及①式和已知条件得α＝60°>θ ⑤光线在玻璃砖内会发生三次全反射，最后由G点射出，如图，由反射定律和几何关系得OG＝OC＝eq\f(\r(3),2)R ⑥射到G点的光有一部分被反射，沿原路返回到达C点射出。答案：(1)eq\r(2)R(2)O点右侧与O相距eq\f(\r(3),2)R4.3光的干涉【学习目标】1．了解光的干涉现象，了解光的干涉产生的条件。2．知道决定干涉条纹间距的条件，认识出现亮条纹和暗条纹的位置特点。3．了解薄膜干涉及其成因。4．知道光的干涉在生产、生活中的应用。【思维脉络】课前预习反馈知识点1双缝干涉实验1．物理史实1801年，英国物理学家__托马斯·杨__成功地观察到了光的干涉现象。2．实验示意图如图所示3．实验过程如图，让一束平行的__单色光__投射到一个有两条狭缝S1和S2的挡板上，狭缝S1和S2相距__很近__，两条狭缝就产生两个波源，它们的频率、相位和振动方向总是__相同的__，两波源发出的光在挡板后面的空间互相__叠加__，发生干涉现象。4．实验现象在屏上得到__明暗相间__的条纹。5．实验结论证明光是一种__波__。知识点2干涉条纹和光的波长之间的关系1．亮条纹的条件屏上某点P到两缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半个波长的__偶数倍__。2．暗条纹的条件屏上某点P到两缝S1和S2的路程差正好是半个波长的__奇数倍__。3．干涉图样中条纹间距的计算在双缝间的距离d和双缝到光屏间的距离l不变的条件下，单色光产生的干涉条纹间距Δx(相邻两条亮条纹中心或相邻两条暗条纹中心间的距离)跟光的波长λ成__正比__，即Δx＝__eq\f(l,d)λ__。知识点3薄膜干涉1．薄膜干涉中的获得光照射到薄膜上，在薄膜的前后两个面__反射__的光是由同一个光波分解而成的，它们具有相同的__频率__、恒定的相位差及振动方向。2．薄膜干涉的原理光照在厚度不同的薄膜上时，在薄膜的不同位置，前后两个面的反射光的__路程差__不同，在某些位置两列波叠加后相互加强，于是出现__亮__条纹；在另一些位置，两列波叠加后相互削弱，于是出现__暗__条纹。思考辨析『判一判』(1)托马斯·杨用光的干涉实验证明了光是一种波。(√)(2)在双缝干涉实验中，中央亮纹的宽度最大。(×)(3)在双缝干涉实验中，光屏上何处出现亮条纹，何处出现暗条纹是由光的路程差所决定的。(√)(4)用白光做光的干涉实验时，偏离中央亮条纹较远的是波长较长的光。(√)(5)只有频率相同的两列光波才能产生干涉。(√)(6)干涉条纹的产生是光在液膜前后两表面反射形成的两列光波叠加的结果。(√)『选一选』如图所示，从两只相同的手电筒射出的光，当它们在某一区域叠加后，看不到干涉图样，这是因为(D)A．手电筒射出的光不是单色光B．干涉图样太细小看不清楚C．周围环境的光太强D．这两束光为非相干光源解析：两束光为非相干光源，不满足干涉产生的条件。『想一想』很多摄影爱好者在扫描贴在玻璃板表面的底片时常会在扫描后的图像上看到一圈圈明暗相间的光环，如图所示。这就是光的现象——牛顿环。你知道牛顿环是怎样形成的吗？提示：是由光的干涉现象形成的。课内互动探究对光的双缝干涉实验的理解情境导入如图所示，用单色光照射双狭缝，在后面的屏上得到明暗相间的干涉条纹，请思考：为什么会出现双缝干涉现象？提示：两条狭缝相当于两个频率、振动方向相同，相位差恒定的光源，满足干涉条件。要点提炼1．双缝干涉的装置示意图实验装置如图所示，有光源、单缝、双缝和光屏。2．单缝屏的作用获得一个线光源，使光源有唯一的频率和振动情况。3．双缝屏的作用平行光照射到单缝S上，又照到双缝S1、S2上，这样一束光被分成两束频率相同和振动情况完全一致的相干光。4．屏上某处出现亮、暗条纹的条件频率相同的两列波在同一点引起的振动的叠加，如亮条纹处某点同时参与的两个振动步调总是一致，即振动方向总是相同；暗条纹处振动步调总相反。具体产生亮、暗条纹的条件为：①亮条纹的条件：屏上某点P到两缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍。即|PS1－PS2|＝kλ＝2k·eq\f(λ,2)(k＝0,1,2,3…)k＝0时，PS1＝PS2，此时P点位于屏上的中心O处，为亮条纹，此处的条纹叫中央亮纹。②暗条纹的条件：屏上某点到两条缝S1和S2的路程差正好是半波长的奇数倍。即|PS1－PS2|＝(2k＋1)eq\f(λ,2)(k＝0,1,2,3…)典例剖析典例1如图所示为双缝干涉实验装置，当使用波长为6×10－7m的橙光做实验时，光屏P点及上方的P1点形成相邻的亮条纹。若使用波长为4×10－7m的紫光重复上述实验，在P和PA．P和P1点处都是亮条纹B．P点处是亮条纹，P1点处是暗条纹C．P点处是暗条纹，P1点处是亮条纹D．P和P1点处都是暗条纹思路引导：根据橙光的干涉情况可以得知P点与S1、S2的距离之差和P1点与S1、S2的距离之差，根据距离之差与紫光波长的关系，确定紫光的干涉情况。解析：从单缝S射出的光波被S1、S2两缝分成两束相干光，由题意知屏中央P点到S1、S2的距离相等，即分别由S1、S2射出的光到P点的路程差为零，因此P点是中央亮条纹，因而，无论入射光是什么颜色，波长多长，P点处都是亮条纹。由题意可知分别由S1、S2射出的光到P1点的路程差刚好是橙光的一倍波长，即|P1S1－P1S2|＝600nm＝λ橙，当换用波长为400nm的紫光时，|P1S1－P1S2|＝600nm＝eq\f(3,2)λ紫，则两列光波到P1点时振动情况完全相反，即分别由S1、S2射出的光在P1点相互削弱，因此，在P1点出现暗条纹。故选B。对点训练1．某同学自己动手利用如图所示的器材，观察光的干涉现象，其中，A为单缝屏，B为双缝屏，C为像屏。当他用一束阳光照射到A上时，屏C上并没有出现干涉条纹。他移走B后，C上出现一窄亮斑。分析实验失败的原因，最大的可能是(B)A．单缝S太窄 B．单缝S太宽C．S到S1和S2距离不等 D．太阳光不能作光源解析：本实验中，单缝S应非常窄，才可看作“理想线光源”，也才能成功地观察到干涉现象，移走B屏后，在C上出现一窄亮斑，说明单缝S太宽，故B正确，A错误；S到S1和S2距离不等时，也能出现干涉条纹，但中央不一定是亮纹，C错误；太阳光可以作光源，屏上将出现彩色条纹，D错误。双缝干涉图样的特点情境导入如图所示是几种单色光的双缝干涉图样，请问：(1)单色光干涉时相邻两亮条纹的间距和相邻两暗条纹的间距相等吗？(2)用不同颜色的光做干涉实验时干涉图样完全一样吗？提示：(1)相等(2)不一样要点提炼1．干涉条纹间距Δx与波长λ的关系(1)关系式：Δx＝eq\f(l,d)λ式中l是指屏和双缝之间的距离，d是指两缝之间的距离。(2)同一干涉装置中，条纹间距Δx与λ成正比。(3)c＝λf，频率越高的光波长越短。白光的各种色光波长从长到短依次为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。2．单色光的干涉图样若用单色光作光源，则干涉条纹是明暗相间的条纹，且条纹间距相等。中央为亮条纹，两相邻亮纹(或暗纹)间距离与光的波长有关，波长越大，条纹间距越大。3．白光的干涉图样若用白光作光源，则干涉条纹是彩色条纹，且中央条纹是白色的。这是因为(1)从双缝射出的两列光波中，各种色光都形成明暗相间的条纹，各种色光都在中央条纹处形成亮条纹，从而复合成白色条纹。(2)两侧条纹间距与各色光的波长成正比，即红光的亮纹间宽度最大。紫光亮纹间宽度最小，即除中央条纹以外的其他条纹不能完全重合，这样便形成了彩色干涉条纹，而且同一级条纹内紫外红。典例剖析典例2(2020·北京师大附中高二下学期期中)如图(甲)所示为双缝干涉实验的装置示意图，(乙)图为用绿光进行实验时，在屏上观察到的条纹情况，a为中央条纹，(丙)图为换用另一颜色的单色光做实验时观察到的条纹情况，a′为中央亮条纹，则以下说法正确的是(A)A．(丙)图可能为用红光实验产生的条纹，表明红光波长较长B．(丙)图可能为用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较长C．(丙)图可能为用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较短D．(丙)图可能为用红光实验产生的条纹，表明红光波长较短思路引导：求解该类题目需思考以下两个问题：(1)乙、丙两图中，哪个条纹间距较大？(2)双缝干涉图样中条纹间距与单色光的波长有什么关系？解析：根据双缝干涉图样的特点，入射光的波长越长，同一装置产生的双缝干涉图样中条纹的间距就越大，由题意可确定另一种颜色的单色光比绿光的波长长，因此B、C、D错，A对。对点训练2．(2020·河北省石家庄二中高二下学期期中)某同学用单色光进行双缝干涉实验，在屏上观察到如图甲所示的条纹，仅改变一个实验条件后，观察到的条纹如图乙所示。他改变的实验条件可能是(B)A．减小光源到单缝的距离B．减小双缝之间的距离C．减小双缝到光屏之间的距离D．换用频率更高的单色光源解析：通过观察发现，图乙中干涉条纹的宽度比甲图中的大，根据干涉条纹宽度有：Δx＝eq\f(l,d)λ，因此可以使缝屏距l变大，双缝间距d减小，或换用波长较长即频率较低的光，以达到要求，故选项C、D错误；选项B正确；与光源到单缝的距离无关，故选项A错误。薄膜干涉及其应用情境导入观察薄膜干涉现象时，要在有光照的一侧观察还是在无光照的一侧观察？提示：在有光照的一侧，因为薄膜干涉是前后两个面的反射光叠加后发生的干涉。要点提炼1．薄膜干涉的成因如图所示，竖直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用使下面厚、上面薄，因此在薄膜上不同的地方，从膜的前、后表面反射的两列光波叠加，若两列波叠加后互相加强，则出现亮纹；在另一些地方，叠加后互相减弱，则出现暗纹。故在单色光照射下，就出现了明暗相间的干涉条纹；若在白光照射下，则出现彩色干涉条纹。2．薄膜干涉的应用(1)等倾法检查平面平整度如图所示，被检查平面B与标准样板A之间形成了一个楔形的空气薄膜，用单色光照射，入射光从空气膜的上、下表面反射出两列光波，形成干涉条纹。被检查平面若是平的，空气膜厚度相同的各点就位于一条直线上，干涉条纹平行；若被检查表面某些地方不平，那里空气膜产生的干涉条纹将发生弯曲。(2)光学镜头上的增透膜光学镜头表面常常镀一层透光的膜称为增透膜。因增透膜的厚度为入射光在薄膜中波长的eq\f(1,4)，从介质膜前后两个面反射的光的路程差为eq\f(λ,2)，所以两列光波相互削弱，使反射光的强度大大降低，透射光的强度得到加强。特别提醒对“增透”的理解：如果用宏观的思维方式来理解，两束反射光相互抵消，并没有增加透射光的强度，因此，此过程只是“消反”，却不能“增透”。其实光的干涉将引起整个光强分布的改变，但总的能量是守恒的，反射光的能量被削弱了，透射光的能量就必然得到增强。增透膜正是通过“消反”来确保“增透”的。典例剖析典例3(多选)把一个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)，这时可以看到亮暗相间的条纹。下面关于条纹的说法中正确的是(AC)A．将薄片远离劈尖移动使劈角变小时，条纹变疏B．将薄片向着劈尖移动使劈角变大时，条纹变疏C．将上玻璃板平行上移，条纹向着劈尖移动D．将上玻璃板平行上移，条纹远离劈尖移动思路引导：因为条纹的位置与薄膜厚度相对应，所以同一厚度的空气薄膜移动的方向就是条纹移动的方向。解析：A对，B错：从空气膜的上下表面分别反射的两列光是相干光，发生干涉现象，出现干涉条纹，所以此条纹是由上方玻璃板的下表面和下方玻璃板的上表面反射光叠加后形成的。当将薄片向着劈尖移动使劈角变大时，相邻亮条纹间距变小，所以干涉条纹会变密；若将薄片远离劈尖移动使劈角变小时，相邻亮条纹间距变大，所以干涉条纹会变疏。C对，D错：将上玻璃板平行上移，导致满足亮条纹光程差的间距向劈尖移动，因此条纹向着劈尖移动。对点训练3．如图所示为一显示薄膜干涉现象的实验装置，P是附有肥皂泡薄膜的铁丝圈，S是一点燃的酒精灯，往火焰上撒些盐后，在肥皂膜上观察到的干涉图像应是图中的(D)解析：铁丝圈上的肥皂泡薄膜在重力作用下上薄下厚，在同一水平线上厚度基本一致，如果某一厚度处前后表面反射的同一列光波叠加得到加强，那么这一水平线上同一厚度处光波会加强，所以干涉条纹应是基本水平的。核心素养提升易错点：对光的干涉条件认识不清案例教室内两盏相同的普通白炽灯发出的光相遇时，我们观察不到干涉条纹，这是因为(C)A．两盏灯亮度不同 B．灯光的波长太短C．两灯光的振动频率不同 D．电灯发出的光不稳定易错分析：生活中任何两个独立发光的光源产生的光在空间相叠加都不会产生干涉，这是由物体的发光机理决定的，即任何两个独立的光源都不是相干光源。光的相干条件中，中学主要考查的是频率，频率相同是光发生干涉的必要条件，要注意从题目中挖掘。正确解答：本题虽然强调两盏相同的白炽灯，但它们发出的光仍然频率不同。不满足干涉产生的条件，看不到干涉图样，所以C项正确，A、B、D三项都是错误的。4.4实验：用双缝干涉测量光的波长【学习目标】1．观察不同单色光的双缝干涉图样。2．掌握用公式Δx＝eq\f(l,d)λ测定单色光的波长的方法。3．认识物理实验和数学工具在物理发展过程中的作用。【思维脉络】课前预习反馈知识点1实验器材双缝干涉仪，即光具座、光源、__滤光片__、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、__测量头__。另外，还有学生电源、导线、__刻度尺__等。知识点2实验原理如图所示，与两缝之间的距离d相比，每个狭缝都很窄，宽度可以忽略。两缝S1、S2的连线的中垂线与屏的交点为P0，双缝到屏的距离OP0＝L相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距是Δx＝eq\f(L,d)λ，则λ＝__eq\f(d,L)Δx__。已知双缝间距d，再测出双缝到屏的距离L和条纹间距Δx，就可以求得光波的波长。知识点3物理量的测量1．L的测量：双缝到屏的距离可以用__刻度尺__测出。2．Δx的测量：相邻两条亮条纹间的距离需用__测量头__测出。为减小误差，可测出n个亮条纹间的距离a，再求出相邻两个亮条纹间的距离Δx＝__eq\f(a,n－1)__。课内互动探究要点提炼1．实验过程(1)按照如图所示的装置安装好仪器，调整光源的位置，使光源发出的光能平行地进入遮光筒并照亮光屏。(也可直接用双缝干涉仪)(2)放置单缝和双缝，使缝相互平行，调整各部件的间距，观察白光的双缝干涉图样。(3)在光源和单缝间放置滤光片，使单一颜色的光通过后观察单色光的双缝干涉图样。(4)用米尺测出双缝到屏幕的距离L，用测量头测出相邻的两条亮(或暗)纹间的距离Δx。(5)利用表达式λ＝eq\f(d,L)Δx求单色光的波长。(6)换用不同颜色的滤光片，观察干涉图样的异同，并求出相应的波长。2．数据处理(1)转动手轮，使分划板中心刻线对齐某条亮纹的中央，如图所示。记下手轮上的读数a1；转动手轮，使分划板中心刻线移动至另一条亮条纹的中央，记下此时手轮上的读数a2；并记下两次测量时移过的条纹数n，则相邻两亮条纹间距Δx＝eq\f(|a2－a1|,n－1)。(2)用刻度尺测量双缝到光屏的距离l(双缝间距d是已知的)。(3)将测得的l、Δx代入Δx＝eq\f(l,d)λ求出光的波长λ。(4)多次重复上述步骤，求出波长的平均值。3．注意事项(1)放置单缝和双缝时，必须使缝平行。间距大约为5～10cm。(2)要保证光源、滤光片、单缝、双缝和光屏的中心在同一条轴线上。(3)测量头的中心刻线要对应着亮(或暗)纹的中心。(4)要多测几个亮纹(或暗纹)中心间的距离，再求Δx。(5)调节的基本依据：照在像屏上的光很弱，主要原因是灯丝与单缝、双缝、测量头与遮光筒不共轴所致，干涉条纹不清晰主要原因是单缝与双缝不平行所致。考点一实验装置与原理典例剖析典例1如图甲所示，是用双缝干涉测光的波长的实验装置示意图，其中A、B、C、D分别表示滤光片、单缝、双缝、光屏。图乙a是实验时用红色滤光片和缝间距d＝0.36mm的双缝在光屏上得到的图样；图乙b是实验时用红色滤光片和缝间距d＝0.18mm的双缝在光屏上得到的图样；图乙c是实验时用蓝色滤光片和双缝间距d＝0.36mm的双缝在光屏上得到的图样，则(1)比较图乙a和图乙b，可以说明__对相同色光，双缝间距减小，相邻条纹间距增大__。(2)比较图乙a和图乙c，可以说明__对相同双缝，光波长变短，相邻条纹间距减小__。(3)能进行上述比较的前提是做这三次实验时不改变__C__和__D__的位置(从“A”“B”“C”“D”中选填)。思路引导：解答本题的关键是熟记双缝干涉实验中条纹的间距公式，清楚不同实验器材的调整对实验结果的影响。解析：(1)根据Δx＝eq\f(L,d)λ，当L、λ一定时，Δx与d成反比。(2)根据Δx＝eq\f(L,d)λ，当L、d一定时，Δx与λ成正比。(3)根据实验要求，双缝到光屏的距离L不变。对点训练1．(多选)利用如图所示装置研究双缝干涉现象并测量光的波长，下列说法中正确的是(AB)A．实验装置中的①②③元件分别为滤光片、单缝、双缝B．将滤光片由紫色换成红色，干涉条纹间距变宽C．将单缝向双缝移动一小段距离后，干涉条纹间距变宽D．测量过程中，误将5个条纹间距数成6个，波长测量值偏大解析：滤光片的作用是使入射光变成单色光，单缝的作用是使入射光变成线光源，双缝的作用是形成相干光源，其排列顺序是滤光片、单缝、双缝，故A正确；将滤光片由紫色换成红色，透过的单色光波长λ变长，根据双缝干涉条纹的间距公式Δx＝eq\f(l,d)λ知，干涉条纹间距Δx变宽，故B正确；将单缝向双缝移动一小段距离，由Δx＝eq\f(l,d)λ可知，干涉条纹间距与此距离无关，故干涉条纹间距不变，故C错误；测量过程中，误将5个条纹间距数成6个，导致Δx变小，则波长测量值偏小，D错误。考点二实验数据分析与处理典例剖析典例2在“用双缝干涉测光的波长”的实验中，装置如图所示。双缝间的距离d＝3mm。(1)若测定红光的波长，应选用__红__色的滤光片。(2)若测得双缝与屏之间的距离为0.70m，通过测量头(与螺旋测微器原理相似，手轮转动一周，分划板前进或后退0.500mm)观察第1条亮纹的位置如图甲所示，观察第5条亮纹的位置如图乙所示，则可求出红光的波长λ＝__6.86×10－7__m。(保留三位有效数字)思路引导：(1)在单缝前放需要的颜色的滤光片就得到对应颜色的单色光。(2)螺旋测微器的读数时，注意半格线是否露出。(3)由Δx＝eq\f(a,n－1)计算条纹间距。(4)由波长的计算公式λ＝eq\f(Δx·d,l)计算波长，注意各物理量的单位。解析：(1)若测红光波长，则应选红色滤光片，因为红色滤光片能透过红光。(2)图甲中测量头的读数a1＝0，图乙中测量头的读数a2＝0.5mm＋14.0×0.01mm＝0.640mm所以Δx＝eq\f(a2－a1,n－1)＝eq\f(0.640,4)mm＝1.60×10－4mλ＝eq\f(dΔx,l)＝eq\f(3×10－3×1.60×10－4,0.7)m＝6.86×10－7m。对点训练2．(2020·湖北省部分重点中学高二下学期期中联考)“利用双缝干涉测定光的波长”实验中，双缝间距d＝0.4mm，双缝到光屏的距离L＝0.5m，用某种单色光照射双缝得到干涉条纹如图所示，分划板在图中A、B位置时游标卡尺读数也如图中所示，则：(1)分划板在图中A、B位置时游标卡尺读数xA＝11.1mm，xB＝__15.6__mm，相邻两条纹间距Δx＝__0.75__mm；(2)波长的表达式λ＝__eq\f(d,L)Δx__(用Δx、L、d表示)，该单色光的波长λ＝__6.0×10－7__m；(3)若改用频率较高的单色光照射，得到的干涉条纹间距将__变小__(填“变大”“不变”或“变小”)。解析：(1)由游标卡尺读数规则读出xB＝15.6mm，相邻两条纹间距Δx＝eq\f(xB－xA,6)＝0.75mm(2)波长表达式λ＝eq\f(d,L)Δx，将数据代入得λ＝6×10－7m(3)频率变大则波长变小，所以Δx将变小。4.5光的衍射【学习目标】1．知道光的衍射现象和产生明显衍射的条件。2．了解如何通过实验观察光的衍射现象，并可以区分几种不同的衍射图样。3．能解释日常生活中的衍射并初步了解衍射光栅。【思维脉络】eq\x(光的衍射)—eq\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(→\x(衍射现象)→\x(图样特点)—\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(→\x(单缝衍射),→\x(小孔衍射),→\x(\a\al(障碍物的衍射,泊松亮斑)))),→\x(产生明显衍射现象的条件),→\x(衍射光栅)))课前预习反馈知识点1光的衍射1．衍射现象光通过很窄的缝和很小的孔时，光没有沿__直线__传播，它绕过了缝或孔的边缘，传播到了障碍物__后面__的地方。2．产生明显衍射现象的条件障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长__相当__，甚至比光的波长__还小__。知识点2衍射图样1．单缝衍射的条纹特点(1)中央条纹为__亮条纹__，离中心条纹越远，亮条纹的宽度__变窄__，亮度__变暗__。(2)狭缝越窄，中央亮条纹__越暗__。2．圆盘衍射(泊松亮斑)(1)现象用平行光照射一个不透光的小圆盘时，在圆盘阴影中心出现一个__亮斑__。(2)衍射图样的特点圆形阴影中心有一__亮斑__，与小孔衍射图样有明显区别。知识点3衍射光栅1．结构有许多等宽的狭缝__等距离__排列起来形成的光学元件。狭缝的个数越多，衍射条纹的宽度越__窄__，亮度越__亮__。2．衍射图样的特点与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变__窄__，亮度__增加__。3．衍射光栅的种类__反射__光栅和__透射__光栅。思考辨析『判一判』(1)光的衍射说明光不能沿直线传播。(×)(2)阳光下茂密的树荫中地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的。(×)(3)隔着帐幔看远处的灯，见到灯周围辐射彩色的光芒，是光的干涉现象。(×)(4)白光通过盛水的玻璃杯，在适当的角度，可看到彩色光，是光的衍射现象。(×)(5)衍射现象中也有干涉的成分。(√)『选一选』(多选)在城市交通中，用红灯表示禁止通行，其原理是(CD)A．红光容易产生干涉B．红光照射的距离大C．红光容易引起人们的视觉反应D．红光容易产生衍射解析：红光在可见光中的波长最长，容易发生衍射，在雾天、雨天、沙尘暴等恶劣天气里，使司机和行人都能看到红灯，避免交通事故的发生；同时红光也容易引起人们的视觉反应。『想一想』光遇到小孔、单缝或障碍物时，衍射现象可能发生，也可能不发生，这种说法对吗？解析：不对。光遇到小孔、单缝或障碍物时，衍射现象都会发生，只有明显与不明显的差别。课内互动探究对光的衍射现象的理解情境导入这是用光射到一个不透光的小圆形障碍物上形成的影，影的中心有一个圆形的亮斑，你知道这是怎样形成的吗？提示：光的衍射要点提炼1．光的衍射(1)产生明显衍射现象的条件障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多。(2)光是一种波光的干涉现象已经表明光是一种波，由于衍射也是波的特点，则光能够衍射，因此，光能够绕过障碍物或通过小孔进入阴影区而传播，即发生衍射现象。(3)可见光的波长范围10－6m～10－72．三种不同的衍射现象(1)单缝衍射单缝衍射图样的特点①单色光的单缝衍射图样是明暗相间、亮度越来越暗且不等距的条纹，中央是亮纹，亮度大，宽度也大；波长越长，条纹间距越大，中央亮纹越宽；②白光的单缝衍射图样中央是白色亮纹，两边是彩色条纹，其中最靠近中央亮纹的色光是紫光，最远离中央的是红光。(2)圆孔衍射①单色光的圆孔衍射图样中央亮纹的亮度大，外面是明暗相间的不等距的圆环，越向外，亮环亮度越低；②白光的圆孔衍射图样中央亮纹为白色，周围是彩色圆环。(3)泊松亮斑——障碍物的衍射现象各种不同形状的障碍物也能使光发生衍射，使影的轮廓模糊不清。若在单色光传播途中，放一个较小的圆形障碍物，会发现在阴影中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑。特别提醒只有圆孔足够小时，才能得到明显的衍射图样。在圆孔由较大直径逐渐减小的过程中，光屏依次得到几种不同现象——圆形亮斑(光的直线传播)、光源的像(小孔成像)、明暗相间的圆环(衍射图样)、完全黑暗。典例剖析典例1(多选)抽制细丝时可用激光监控其粗细，如图所示，激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板上的一条同样宽度的窄缝规律相同，则下列描述正确的是(BD)A．这是利用光的干涉现象B．这是利用光的衍射现象C．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗了D．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细了思路引导：解此类题时要注意题目所给的信息，如此题中的“激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板上的一条同样宽度的窄缝规律相同”，可立即判断此为衍射现象，再从衍射角度上推断出其他选项的正确性。解析：上述现象符合光的衍射产生的条件，故B正确；由衍射产生的条件可知：丝越细衍射现象越明显，故D也正确。对点训练1．(多选)对于光的衍射现象的定性分析，下列说法正确的是(ABD)A．只有障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长相比甚至比波长还要小的时候，才能产生明显的衍射现象B．光的衍射现象是光波相互叠加的结果C．光的衍射现象否定了光的直线传播的结论D．光的衍射现象说明了光具有波动性解析：光的衍射现象说明了光具有波动性，而小孔成像说明了光沿直线传播，要出现小孔成像，孔不能太小，光的直线传播规律只是近似的(只有在光的波长比障碍物小的情况下，光才可以看成是沿直线传播的)，所以光的衍射现象和直线传播是不矛盾的，它们是在不同条件下出现的两种现象，故选项C错误。选项A、B、D正确。单缝衍射与双缝干涉的比较情境导入在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的亮暗相间的图样，下列四幅图片中，哪些属于光的单缝衍射图样？哪些属于光的干涉图样？提示：单缝衍射条纹的特点是中央亮条纹最宽、最亮，双缝干涉条纹是等间距的条纹，所以a是干涉条纹，b、d是单缝衍射条纹，c是水波的衍射图样。要点提炼单缝衍射与双缝干涉的比较

名称项目单缝衍射双缝干涉不同点产生条件障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多频率、振动方向相同，相位差恒定的两列光波相遇叠加条纹宽度条纹宽度不等，中央最宽条纹宽度相等条纹间距各相邻条纹间距不等，越靠外条纹间距越小各相邻条纹等间距亮度中间条纹最亮，两边变暗清晰条纹，亮度基本相等相同点成因干涉、衍射都有明暗相间的条纹，条纹都是光波叠加时加强或者削弱的结果意义干涉、衍射都是波特有的现象，表明光是一种波特别提醒(1)单缝衍射可以理解为若干个光源的干涉，从而理解条纹相间排列。(2)光波的波长增大，衍射条纹、干涉条纹的宽度都变大。(3)复色光的衍射或干涉图样，可认为各单色光单独衍射或干涉所成图样的叠加。典例剖析典例2(2020·北京市昌平区高二下学期期末)一束红光射向一块有双缝的不透光的薄板，在薄板后的光屏上呈现明暗相间的干涉条纹。现将其中一条窄缝挡住，让这束红光只通过一条窄缝，则在光屏上可以看到(B)A．与原来相同的明暗相间的条纹，只是明条纹比原来暗些B．与原来不相同的明暗相间的条纹，而中央明条纹变宽些C．只有一条与缝宽对应的明条纹D．无条纹，只存在一片红光思路引导：本题一开始告诉我们产生了干涉现象，说明两缝都很窄，能够满足使红光发生明显衍射的条件，挡住一缝后，在屏上得到的是单缝衍射图样。解析：衍射图样和干涉图样的异同点：中央都出现明条纹，但衍射图样的中央明条纹较宽，两侧都出现明暗相间的条纹；干涉图样为等间隔的明暗相间的条纹，而衍射图样两侧为不等间隔的明暗相间的条纹且亮度迅速减弱。所以本题正确选项为B。对点训练2．(2020·浙江省嘉兴一中、湖州中学高二下学期期中)如图所示的4幅明暗相间的条纹，分别是红光经过间距不同的双缝及宽度不同的单缝所形成的。则在下面的四幅图中(甲、乙、丙、丁)依次对应的是(A)A．双缝宽间距，双缝窄间距，宽单缝，窄单缝B．双缝窄间距，双缝宽间距，窄单缝，宽单缝C．宽单缝，窄单缝，双缝宽间距，双缝窄间距D．窄单缝，宽单缝，双缝窄间距，双缝宽间距解析：双缝干涉的图样是明暗相间的干涉条纹，所有条纹宽度相同且等间距，故甲、乙两个是双缝干涉图样，根据双缝干涉条纹间距Δx＝eq\f(L,d)λ可知双缝间距越窄，Δx越大，故甲是双缝宽间距，乙是双缝窄间距；单缝衍射条纹是中间明亮且宽大，越向两侧宽度越小越暗，而单缝越窄，中央亮条纹越宽，故丙是宽单缝，丁是窄单缝；故选A。核心素养提升易错点：混淆了圆板和圆孔衍射图样而出错案例如图中单色光照射的不是一个狭缝，并且观察到如图所示的清晰的明暗相间的图样(黑线为暗纹)，那么障碍物是(D)A．很小的不透明的圆板B．很大的中间有大圆孔的不透明的圆板C．很大的不透明圆板D．很大的中间有小圆孔的不透明的圆板易错分析：没有分清圆板衍射和圆孔衍射的图样的差别，而错选A。要注意很小的不透明的圆板产生的图样中心也是亮点，但其周围有一个大的阴影区，在影区的边沿有明暗相间的圆环，它与圆孔衍射的图样是不同的。正确解答：圆板衍射和圆孔衍射的图样对比如下表所示：种类异同点圆板衍射圆孔衍射不同点中心亮斑较小较大亮暗环间距随环的半径增大而减小随环的半径增大而增大背景明亮黑暗相同点均为明暗相间圆环，中心均有亮斑由题图可知中央是大且亮的圆形亮斑，周围分布着明暗相间的同心圆环，且越向外，圆形条纹宽度越小，可判断此图样为圆孔衍射图样，故D项正确。4.6光的偏振激光【学习目标】1．观察光的偏振现象，知道光是横波。2．知道自然光和偏振光的区别，知道偏振现象的一些应用。3．了解激光的特征和应用。【思维脉络】eq\x(光的偏振)—eq\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(→\x(光的分类)—\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(→\x(自然光),→\x(偏振光))),→\x(光的偏振说明光是横波),→\x(偏振的应用)))eq\x(激光)—eq\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(→\x(特点)—\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(→\x(相干性好),→\x(平行度和方向性好),→\x(强度、亮度大))),→\x(应用)))课前预习反馈知识点1偏振现象不同的横波，即使传播方向相同，振动方向__也可能是不同的__。这个现象称为“偏振现象”。知识点2自然光与偏振光1．光是一种横波光的干涉和__衍射__现象说明光具有波动性，光的__偏振__现象说明光是一种横波。2．自然光太阳、日光灯等普通光源发生的光，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__。这种光是自然光。3．偏振光光在垂直于传播方向的平面上，只沿着某个特定的__方向振动__。这种光叫作偏振光。知识点3偏振光的应用在拍摄水中的游鱼、玻璃橱窗的陈列物时，由于水或玻璃表面的反射光的干扰，常使景象不清楚，如果在照相机镜头前装一片__偏振滤光片__，让它的透振方向与反射光的偏振方向垂直，就可以__减弱__反射光而使景象清晰。知识点4激光的特点及应用特点性质应用相干性激光具有频率__相同__、相位差__恒定__、偏振方向__相同__的特点，是人工产生的相干光，具有高度的相干性光纤通信平行度激光的__平行度__非常好，传播__很远__的距离仍能保持一定的强度精确的__测距__；读取光盘上记录的__信息__等高亮度它可以在很小的__空间__和很短的__时间__内集中很大的__能量__用激光束__切割__、焊接、医学上可以用激光做“__光刀__”；激发核反应等思考辨析『判一判』(1)自然光是偏振光。(×)(2)立体电影利用了光的偏振原理。(√)(3)自然光是在垂直于传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动的光。(×)(4)光的偏振表明光是一种横波。(√)(5)自然光与偏振光之间可以相互转化。(×)(6)全息照相技术利用激光平行度好的特点。(×)(7)激光不能像无线电波那样用来传播信息。(×)『选一选』(多选)关于激光，下列说法正确的是(BD)A．激光可从自然界中直接获取B．用激光读出光盘上的信息是利用了激光的平行度好C．医学上用激光做“光刀”来切开皮肤是利用了激光的平行度好D．激光雷达测量目标的运动速度是利用了多普勒效应解析：激光是原子受激辐射产生的，不能从自然界直接获取，A错；用激光做“光刀”是利用了激光的亮度高，C错；根据激光的特性可知B、D选项正确。『想一想』(现象分析题)通过一块偏振片去观察电灯、蜡烛、月亮、反光的黑板，当以入射光线为轴转动偏振片时，看到的现象有何不同？解析：通过一块偏振片去观察电灯、蜡烛时，透射光的强弱不随偏振片的旋转而变化。因为灯光、烛光都是自然光，沿各个方向振动的光的强度相同，因此当偏振片旋转时，透射出来的光波的振动方向虽然改变了(肉眼对此不能感觉)，但光的强弱没有改变。月亮和黑板反射的光已经是偏振光，它们通过偏振片透射过来的光线的强弱会随偏振片的旋转发生周期性的变化。课内互动探究对光的偏振现象的理解情境导入在观看立体电影时，观众要戴上特制的眼镜，这副眼镜就是一对透振方向相互垂直的偏振片，如果不戴这副眼镜，银幕上的图像就模糊不清了。这是为什么？提示：立体电影的光是偏振光。只有与偏振片透振方向一致的光才能通过。要点提炼1．偏振现象波的偏振①狭缝对横波、纵波的影响如果在波的传播方向上放一带狭缝的木板，不管狭缝方向如何，纵波都能自由通过狭缝；对横波，只有狭缝的方向与横波质点的振动方向相同时，横波才能毫无阻碍地通过狭缝；当狭缝的方向与质点的振动方向垂直时，横波就不能通过狭缝，这种现象叫作偏振。如图所示。②横波独有的特征偏振现象是横波所特有的，故利用偏振现象可判断一列波是横波还是纵波。2