专题74光的干涉衍射和偏振

2024年高考物理一轮大单元综合复习导学练专题74光的干涉、衍射和偏振导练目标导练内容目标1光的干涉目标2光的衍射目标3光的偏振【知识导学与典例导练】光的干涉1．产生干涉的条件两列光的频率相同，振动方向相同，且具有恒定的相位差，才能产生稳定的干涉图样。2．杨氏双缝干涉(1)原理如图所示。(2)形成亮、暗条纹的条件①单色光：形成明暗相间的条纹，中央为亮条纹。光的路程差r2－r1＝kλ(k＝0，1，2，…)，光屏上出现亮条纹。光的路程差r2－r1＝(2k＋1)eq\f(λ,2)(k＝0，1，2，…)，光屏上出现暗条纹。②白光：光屏上出现彩色条纹，且中央亮条纹是白色(填写颜色)。③条纹间距公式：Δx＝eq\f(l,d)λ。3．薄膜干涉的理解和应用(1)形成：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①在P1、P2处，两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr等于波长的整数倍，即Δr＝nλ(n＝1,2,3，…)，薄膜上出现亮条纹。②在Q处，两列反射回来的光波的路程差Δr等于半波长的奇数倍，即Δr＝(2n＋1)eq\f(λ,2)(n＝0,1,2,3，…)，薄膜上出现暗条纹。(3)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，如果被检查平面是平整光滑的，我们会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹；若被检查平面不平整，则干涉条纹发生弯曲。【例1】如图所示，某同学用三根黑色的细塑料条制成一个如图甲所示的简易的双缝，用激光笔射出的激光穿过双缝到达平整的墙面，在墙面上呈现出如图乙所示的明暗相间的条纹，下列相关说法正确的是（）A．仅增大墙面与双缝的距离，条纹间距变小B．仅增大激光笔与双缝的距离，条纹间距变大C．仅减小双缝间距，条纹间距变大D．条纹间距与所使用的激光颜色无关【答案】C【详解】根据条纹间距表达式可知A．仅增大墙面与双缝的距离l，条纹间距变大，选项A错误；B．仅增大激光笔与双缝的距离，条纹间距不变，选项B错误；C．仅减小双缝间距d，条纹间距变大，选项C正确；D．条纹间距与所使用的激光的波长有关，即与激光的颜色有关，选项D错误。故选C。【例2】如图，将水平面上一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，使在两玻璃表面之间形成一个倾角很小的劈形空气薄膜，光从上方入射后，从上往下看到的干涉条纹有如下特点：（1）任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；（2）任意相邻明条纹中心位置或暗条纹中心位置所对应的薄膜厚度差恒定。由此可以判定在垂直水平面的入射光不变的情况下，相邻明条纹或暗条纹的间距与倾角（单位为rad）的关系图像可能正确的是（）A． B． C． D．【答案】D【详解】设任意相邻明条纹或暗条纹中心位置所对应的薄膜厚度差为，根据几何关系可得由于任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定，又倾角很小，则有可得故选D。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单缝衍射圆孔衍射单色光中央为亮且宽的条纹，两侧为明暗相间的条纹，且越靠近两侧，亮条纹的亮度越弱，宽度越小①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，且越靠外，圆形亮条纹的亮度越弱，宽度越小②亮环或暗环间的距离随圆孔半径的增加而减小白光中央为亮且宽的白色条纹，两侧为亮度逐渐变暗、宽度逐渐变窄的彩色条纹，其中最靠近中央的色光是紫光、离中央最远的是红光中央是大且亮的白色亮斑，周围是不等间距的彩色的同心圆环(2)泊松亮斑(圆盘衍射)当光照射到不透明的半径很小的圆盘上时，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)。【例3】如图所示为一束红光经过狭缝装置得到的图样，下列说法正确的是（）A．图为干涉图样B．图为衍射图样C．只减小狭缝宽度，中央亮纹宽度会变窄D．当狭缝宽度调到很窄时，中央亮条纹亮度升高【答案】B【详解】AB．该图样中间亮条纹较宽，两侧亮条纹较窄，是衍射图样，A错误，B正确；C．只减小狭缝宽度，衍射现象更明显，中央亮纹宽度会变宽，C错误；D．当狭缝宽度调到很窄时，能穿过的光线很少，能量很少，故中央亮条纹亮度降低，D错误。故选B。光的偏振1．偏振：光波只沿某一特定的方向振动。2．自然光：太阳以及日光灯、发光二极管等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫作自然光。3．偏振光：在垂直于传播方向的平面上，只沿某个特定方向振动的光。光的偏振证明光是横波。自然光通过偏振片后，就得到了偏振光。4．偏振光的应用：应用于照相机镜头、立体电影、消除车灯眩光等。【例4】透过偏振片观察屏幕上的字。随着偏振片的转动，画面出现明、暗交替的变化，则（）A．从屏幕出来的光是偏振光，光的振动方向与传播方向垂直B．从屏幕出来的光是偏振光，光的振动方向与传播方向平行C．从屏幕出来的光是自然光，光的振动方向与传播方向垂直D．从屏幕出来的光是自然光，光的振动方向与传播方向平行【答案】A【详解】随着偏振片的转动，画面出现明、暗交替的变化，说明从屏幕出来的光是偏振光，偏振光的振动方向与传播方向垂直，故A正确，BCD错误。故选A。【综合提升专练】1．利用薄膜干涉可以测量圆柱形金属丝的直径。已知待测金属丝与标准圆柱形金属丝的直径相差很小（约为微米量级），实验装置如图甲所示，和是具有标准平面的玻璃平晶，为标准金属丝，直径为；A为待测金属丝，直径为；两者中心间距为。实验中用波长为λ的单色光垂直照射平晶表面，观察到的干涉条纹如图乙所示，测得相邻明条纹的间距为。则以下说法正确的是（）A． B．C． D．【答案】D【详解】设标准平面的玻璃晶之间的夹角为θ，由空气薄膜的干涉条件可知由题设条件，则有联立解得故选D。2．利用薄膜干涉可检查工件表面的平整度，如图（a）所示，现使透明标准板M和待检工件N间形成一楔形空气薄层，并用单色光照射，可观察到如图（b）所示的干涉条纹，条纹的弯曲处P和Q对应于A和B处，C、D两点表示亮条纹的正中间，下列判断中正确的是（）A．N的上表面A处向上凸起B．N的上表面B处向下凹陷C．C、D两点对应MN板所形成的空气薄膜厚度差D．C、D两点对应MN板所形成的空气薄膜厚度差【答案】D【详解】AB．薄膜干涉是等厚干涉，即明条纹处空气膜的厚度相同，条纹的cd点在直条纹处，故cd点对应处的薄膜厚度相同，从弯曲的条纹可知，A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，知A处凹陷，B处检查平面右边处的空气膜厚度与后面的空气膜厚度相同，知B处凸起，AB错误；CD．由图可知，C、D两点对应MN板所形成的空气薄膜厚度差为，C错误，D正确。故选D。3．如图所示，小朱同学让激光束通过自制双缝，观察在光屏上形成的双缝干涉条纹。关于小朱同学的实验操作过程及对应看到的现象，下面几种叙述正确的是（）A．仅将光屏移近缝，光屏上干涉条纹间距变窄B．仅将激光器移近缝，光屏上干涉条纹间距变宽C．仅换一个两缝之间距离较大的双缝，光屏上干涉条纹间距变窄D．仅将红色光源的激光器换成蓝色光源的激光器，光屏上干涉条纹间距变宽【答案】AC【详解】A．根据条纹间距表达式可知，仅将光屏移近缝，则l减小，光屏上干涉条纹间距变窄，故A正确；B．仅将激光器移近缝，光屏上干涉条纹间距不变，故B错误；C．根据条纹间距表达式可知，仅换一个两缝之间距离较大的双缝，d变大，则光屏上干涉条纹间距变窄，故C正确；D．根据条纹间距表达式可知，仅将红色光源的激光器换成蓝色光源的激光器，则波长变小，光屏上干涉条纹间距变窄，故D错误。故选AC。4．某次双缝干涉实验中双缝上、下放置，用同一单色光垂直照射狭缝。现仅把下缝封住，同时把一平面反射镜M镜面向上平放在图中虚线位置，平面镜M所在平面是、的中垂面，此时在屏上（）A．没有干涉条纹B．干涉条纹的区域只在屏中心以上的部分C．光通过狭缝发生干涉的同时也发生衍射D．干涉条纹的间距与仅用双缝、做干涉实验时产生的条纹间距相同【答案】BCD【详解】光路图如下图所示和关于平面镜M的像（位于）成为相干光源。只是干涉条纹的区域只在屏中心以上的部分，干涉条纹的间距不变，光通过狭缝发生干涉的同时也发生衍射。故选BCD。5．某一质检部门为检测一批矿泉水的质量，利用干涉原理测定矿泉水的折射率。方法是将待测矿泉水填充到特制容器中，放置在双缝与荧光屏之间（之前为空气），如图所示，特制容器未画出，通过比对填充后的干涉条纹间距x2和填充前的干涉条纹间距x1就可以计算出该矿泉水的折射率。单缝、双缝中点O、屏上的点均位于双缝和的中垂线上，屏上P点处是上方的第3条亮条纹（不包括点处的亮条纹）的中心。已知入射光在真空中的波长为，真空中的光速为c，双缝与之间距离为d，双缝到屏的距离为L，则下列说法正确的是（）A．来自双缝和的光传播到P点处的时间差为B．x2>x1C．该矿泉水的折射率为D．仅将单缝向左（保持在双缝的中垂线上）移动的过程中，P点处能观察到暗条纹【答案】AC【详解】A．设入射光在矿泉水在的波长为λ′，矿泉水的折射率为n，则有由第三条亮条纹对应路程差s=3λ′，但光在介质中的传播速度，时间差为故A正确；B．由公式，可知，光在水中的波长小于空气中的波长，所以在水中的干涉条纹间距x2，小于填充前的干涉条纹间距x1，故B错误；C．由公式，可知，得故C正确；D．由公式可知，移动S0对观察结果没有影响，故D错误。故选AC。6．光的干涉现象在工业技术中有重要应用，例如检查平面的平整程度。如图甲所示，把一透明板压在另一透明板上，一端用薄片垫起，构成空气劈尖，让红光和蓝光分别从上方射入，得到明暗相间的条纹如图乙所示。下列说法正确的是（

）A．a图是红光，b图是蓝光B．将两种颜色的光分别通过狭窄的单缝，也能得到如图所示的条纹C．条纹间距之比等于波长之比D．若将薄片的厚度增加，则条纹间距减小【答案】CD【详解】ACD．根据可得条纹间距之比为若将薄片的厚度d增加，则条纹间距减小，由图可知a图的条纹间距小于b图的条纹间距，所以a的波长小于b的波长，而红光的波长大于蓝光的波长，故A错误，CD正确；B．此图的干涉现象，若将两种颜色的光分别通过狭窄的单缝，产生的是衍射现象，故不能得到如图所示的条纹，故B错误。故选CD。7．将一顶角极大的圆锥形玻璃体，倒立在表面平整的标准板上，其截面如图所示。一束单色光从上方垂直玻璃上表面射向玻璃体。则下列说法正确的是（）A．观察者应从玻璃体右侧观察干涉图样B．产生的干涉条纹是以顶点为圆心的同心圆，且疏密均匀C．产生干涉的两束光是来自玻璃体下表面和标准板上表面的反射光D．若换用频率更大的单色光照射，条纹间距将变大【答案】BC【详解】AC．薄膜干涉是由前后两个面的反射光叠加产生，应从入射光的同侧位置观察，故A错误，C正确；B．由于以顶点为圆心的各点空气薄膜间距相等且随半径的方向均匀变化，因此可以看到条纹是以顶点为圆心的同心圆，且疏密均匀，故B正确；D．频率大的光，则波长小，由干涉条纹间距公式可知，条纹间距将变小，故D错误。故选BC。8．如图所示，在利用双缝干涉测量光的波长的实验中，单缝S0、双缝中点O、屏上的P0点位于双缝S1和S2的中垂线上，屏上P点处在P0上方的第3条亮条纹（不包括P0点处的亮条纹）的中心。已知入射光在真空中的波长为λ，真空中的光速为c，双缝S1与S2之间距离为d，双缝到屏的距离为l，若整个装置处于真空中，则下列说法正确的是（）A．P点到双缝S1和S2的路程差为3λB．来自双缝S1和S2的光传播到P点处的时间差为C．屏上P点和P0点之间仅能观察到两条暗条纹D．仅将单缝S0向左（保持S0在双缝的中垂线上）移动的过程中，P点处能观察到暗条纹E．仅将屏向右（保持P0在双缝的中垂线上）移动的过程中，P点处能观察到暗条纹【答案】ABE【详解】A．由题意可知，来自双缝和的光传播到P点处的路程差为3λ，选项A正确；B．来自双缝和的光传播到P点处的路程差为3λ，则时间差为，选项B正确；C．由题意可知，屏上P点和点之间仅能观察到三条暗条纹，选项C错误；D．根据可知，仅将单缝向左（保持在双缝的中垂线上）移动的过程中，条纹间距不变，则P点处仍是亮条纹，选项D错误；E．根据可知，仅将屏向右（保持在双缝的中垂线上）移动的过程中，l变大，则条纹间距变大，则P点处能观察到暗条纹，选项E正确。故选ABE。9．图中给出了“用双缝干涉测量光的波长”实验示意图，双缝和间距为0.80mm，双缝到屏的距离为0.80m，波长为500nm的单色平行光垂直入射到双缝和上，在屏上形成干涉条纹。中心轴线上方第一条亮纹中心位置在处，第三条亮纹中心位置在处，现有两只虫子分别从和同时出发以相同速率用最快路线飞到屏幕上某条纹上。下列说法正确的是（）A．若二者都飞到，它们所花时间一样B．若二者都飞到，它们所花时间一样C．若二者都飞到，它们所花时间相差1.5msD．与相距1mm【答案】ACD【详解】A．两只虫子分别从和到，距离相同，速率相同，所用的时间也相同，A正确；B．1号虫子从到的路程与2号虫子从到的路程不同，速率相同，所用的时间不同，B错误；C．1号虫子从到的路程与2号虫子从到的路程之差为，C正确；D．根据双缝干涉条纹间距公式得出相邻条纹间距为0.5，则得出在屏幕上的坐标分别为0.5、1.5，与相距1mm，D正确。故选ACD。10．如图，一束白光垂直直角边射向直角三棱镜，从其斜边射出后，在屏幕上形成一条彩带，其中两种单色光X和Y的分布如图所示。已知该屏幕恰好在三棱镜的顶点P处且与三棱镜的另一直角边垂直。下列说法正确的是（）A．单色光X的频率小于Y的频率B．单色光X与Y在三棱镜中传播的速度相同C．通过同一个小孔，单色光X比Y的衍射现象更明显D．用同一个双缝进行干涉实验，单色光X干涉条纹间的距离比Y的大E．在两种介质的分界面上发生全反射时，单色光X与Y的临界角相同【答案】ACD【详解】A．由图可知，单色光X的偏折角小于单色光Y，则单色光X的折射率小于单色光Y，即因此单色光X的频率小于单色光Y的频率，故A正确；B．由可知，单色光X与Y在三棱镜中的传播速度故B错误；C．由于单色光X的频率小于Y的频率，根据光的频率与波长的关系可知，单色光X的波长大于单色光Y的波长，因此通过同一个小孔，单色光X比Y的衍射现象更明显，故C正确；D．由于，根据可知，用同一个双缝进行干涉实验，单色光X干涉条纹间的距离比Y的大，故D正确；E．由于，根据临界角公式可知，在两种介质的分界面上发生全反射时，单色光X的临界角大于单色光Y的临界角，故E错误。故选ACD。11．如图甲所示，在一块平板玻璃上放置一平薄凸透镜，在两者之间形成厚度不均匀的空气膜，让一束单一波长的光垂直入射到该装置上，结果在上方观察到如图乙所示的同心内疏外密的圆环状干涉条纹，称为牛顿环，以下说法正确的是（）A．干涉条纹是由于凸透镜下表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的B．干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度不是均匀变化的C．若平薄凸透镜的圆弧面半径增大，圆环状干涉条纹的间距将变小D．红光的圆环状干涉条纹的间距大于绿光的圆环状干涉条纹间距【答案】ABD【详解】A．凸透镜下表面与玻璃上表面形成的空气膜，干涉条纹是由凸透镜下表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的，故A正确；B．干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度不是均匀变化的，故B正确；C．若平薄凸透镜的圆弧面半径增大，凸透镜下表面反射光和玻璃上表面反射光的光程变化将会缓慢，因此条纹间距会变大，故C错误；D．红光的波长大于绿光的波长，故红光的圆环状干涉条纹的间距大于绿光的圆环状干涉条纹间距，故D正确。故选ABD。12．如图所示，在观察薄膜干涉现象时，把铁丝圈P在肥皂水中蘸一下，让它挂上一层薄薄的液膜，在酒精灯火焰上撒食盐，用肥皂液膜观察灯焰S的像，下列说法正确的是（）A．在酒精灯上撒一些食盐目的是灯焰能发出的光更亮B．实验时应观察液膜反射酒精灯的光，使我们看到灯焰的像C．实验时应在另一侧透过液膜观察火焰，来观察薄膜干涉现象D．用不同波长的光做这个实验，条纹的间距是不一样的E．波长越长的光，条纹越宽【答案】BDE【详解】A．在酒精灯的灯芯上撒一些食盐，灯焰就能发出明亮的黄光，所以目的是灯焰能发出明亮的黄光，故A错误；B．用酒精灯的黄光照射竖直放置的液膜，液膜反射的光使我们看到灯焰的像，故B正确；C．当黄色的光线照射到肥皂膜上时从肥皂膜的前后两个表面分别反射两列光，这两列光的频率相同，产生干涉现象，所以实验时应在酒精灯一侧来观察薄膜干涉现象，故C错误；D．发生薄膜干涉时，相邻两条亮条纹（或暗条纹）的间距与入射光在膜中的波长有关，所以用不同波长的光做这个实验，条纹的间距是不一样的，故D正确；E．波长越长，条纹间距越大，条纹越宽，故E正确。故选BDE。13．鉴别奶粉的质量，奶粉的碳水化合物（糖）的含量是一个重要指标，可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度，从而鉴定含糖量。偏振光通过糖的水溶液后，偏振方向会相对于传播方向顺时针或逆时针旋转一个角度，这一角度称为“旋光度”，的值只与糖溶液的浓度有关。将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，是偏振片，转动B，使到达O处的光最强，然后将被测样品P置于之间，则下列说法中正确的是（）A．刚放入样品时，到达O处光的强度会减弱B．将偏振片B转动一个角度，使得O处光的强度仍为最大，偏振片B转过的角度等于C．将偏振片A转动一个角度，使得O处光的强度仍为最大，偏振片A转过的角度等于D．偏振光不能产生干涉和衍射现象【答案】ABC【详解】A．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