第十四章　光学第72课时　光的干涉、衍射和偏振　双基落实课教师用

第72课时光的干涉、衍射和偏振[双基落实课]以下四图均来自人教版选择性必修第一册：图甲（P95）、图乙（P100）、图丙（P106）、图丁（P108）。判断下列说法的正误：（1）图甲中的肥皂膜呈现彩色条纹是光的干涉现象。（√）（2）图乙中用透明的标准样板和单色光检查平面的平整度利用了薄膜干涉现象。（√）（3）图丙中泊松亮斑是光的偏振现象。（×）（4）图丁中的立体电影利用了光的衍射现象。（×）考点一光的干涉现象[多维探究类]考向一条纹间距公式Δx＝ldλ【典例1】（2023·江苏高考6题）用某种单色光进行双缝干涉实验，在屏上观察到的干涉条纹如图甲所示，改变双缝间的距离后，干涉条纹如图乙所示，图中虚线是亮纹中心的位置。则双缝间的距离变为原来的（）A.13倍 B.1C.2倍 D.3倍答案：B解析：光的双缝干涉条纹中，相邻亮（暗）条纹之间的距离为Δx＝Ldλ，式中L为双缝到光屏的距离，d为双缝的间距，λ为光的波长；根据题图可知2Δx甲＝Δx乙，L与λ相同，则d乙＝12d甲，B正确，A、C、考向二双缝干涉中明暗条纹的判断【典例2】如图所示，用频率为f的单色光（激光）垂直照射双缝，在光屏的P点出现第3条暗条纹，已知光速为c，则P到双缝S1、S2的距离之差｜r1－r2｜应为（）A.c2f B.3c2f答案：D解析：出现第3条暗条纹，说明S1、S2到P点距离之差为λ2（2n－1）＝λ2（2×3－1）＝52λ，而λ＝cf，所以｜r1－r2｜＝52λ＝【解题技法】亮、暗条纹的判断方法对于两个振动步调一致的光源，如图所示，光源S1、S2发出的光到屏上某点的路程差：（1）r2－r1＝kλ（k＝0，1，2，…）时，光屏上出现亮条纹；（2）r2－r1＝（2k＋1）λ2（k＝0，1，2，…）时，注意：对于两个振动步调反相的光源，产生亮、暗条纹的条件与上面的正好相反。考向三薄膜干涉【典例3】（2021·山东高考7题）用平行单色光垂直照射一层透明薄膜，观察到如图所示明暗相间的干涉条纹。下列关于该区域薄膜厚度d随坐标x的变化图像，可能正确的是（）答案：D解析：从薄膜的上、下表面分别反射的两列光是相干光，其光程差为Δx＝2d，即光程差为薄膜厚度的2倍，当光程差Δx＝nλ（n＝0，1，2，…）时此处表现为亮条纹，故相邻亮条纹之间的薄膜的厚度差为12λ，若薄膜厚度均匀变化，则干涉条纹是等间距的，但图中条纹间距逐渐变大，说明薄膜厚度变化的越来越慢，故选项D【解题技法】对薄膜干涉的理解（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）λ2（n＝0，1，2，3，…），考向四应用薄膜干涉检查平面【典例4】（多选）利用光的干涉规律可以检测工件表面的平整度与设计要求之间的微小差异。现将精度很高的标准玻璃板（样板），放在被检查工件上面，如图甲所示，在样板的左端垫薄片，使标准玻璃板与被检查平面之间形成一楔形空气膜。用平行单色光向下照射，检查不同平面时可观察到图乙或图丙的干涉条纹。下列说法正确的是（）A.干涉条纹是样板的上下两个表面的反射光干涉形成的B.当稍向右移动图甲中的薄片时，条纹间距会变小C.当换用频率更高的单色光照射时，条纹间距不变D.图丙条纹弯曲处对应着被检查平面处是凹陷的答案：BD解析：干涉条纹是样板的下表面和被检查工件的上表面的反射光干涉形成的，A错误；如图（a）所示，当稍向右移动图甲中的薄片时，A、B两点之间的距离增大，根据Δx＝Ldλ，相当于双缝之间的距离d增大，条纹间距Δx变小，B正确；根据Δx＝Ldλ，当换用频率更高的单色光照射时，波长λ变短，条纹间距Δx变小，C如图（b）所示，在A、B两点的光程差相等，经过A点的两列相干光产生的亮条纹与经过B点的两列相干光产生的亮条纹是同一条亮条纹，所以图丙条纹弯曲处对应着被检查平面处是凹陷的，D正确。【解题技法】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；若被检查平面是不平整的，则干涉条纹发生弯曲。考向五牛顿环问题【典例5】如图甲所示，牛顿环的上表面是半径很大的玻璃球冠的平面，下表面是球冠的凸面，其工作原理为“薄膜干涉”。可以用来判断透镜表面曲率半径和液体折射率等。把牛顿环与玻璃面接触，在日光下或用白光照射时，可以看到明暗相间的彩色圆环；若用单色光照射，则会出现一些明暗相间的单色圆环，如图乙所示。它们是由球面和被检测面上反射的光相互干涉而形成的条纹，这些圆环的分布情况与球冠半径及被测物品的表面情况有关。以下分析正确的是（）A.圆环的间距大小与球冠半径大小无关B.球冠的半径越大，圆环的间距越小C.若观察到的是规则圆环，则被检测的面是均匀、对称的D.被检测的面必须是平的答案：C解析：若将玻璃球冠的半径增大一些，则玻璃球冠与被检测的平面的夹角将减小，它们之间的空气膜的厚度的变化减缓，所以形成的同心圆环的间距增大，球冠的半径越大，圆环的间距越大，选项A、B错误；牛顿环实验不仅可以测平面还可以测球面，若观察到的是规则圆环，则被检测的面是均匀、对称的，选项C正确，D错误。考点二光的衍射现象[素养自修类]1.【单缝衍射与双缝干涉的比较】（多选）（2022·山东高考10题）某同学采用图甲所示的实验装置研究光的干涉与衍射现象，狭缝S1、S2的宽度可调，狭缝到屏的距离为L。同一单色光垂直照射狭缝，实验中分别在屏上得到了图乙、图丙所示图样。下列描述正确的是（）A.图乙是光的双缝干涉图样，当光通过狭缝时，也发生了衍射B.遮住一条狭缝，另一狭缝宽度增大，其他条件不变，图丙中亮条纹宽度增大C.照射两条狭缝时，增加L，其他条件不变，图乙中相邻暗条纹的中心间距增大D.照射两条狭缝时，若光从狭缝S1、S2到屏上P点的路程差为半波长的奇数倍，P点处一定是暗条纹解析：ACD双缝干涉条纹是均匀的，所以图乙是双缝干涉条纹，但也发生了衍射现象，A正确；遮住一条狭缝，就只能观察到单缝衍射现象，狭缝宽度增大时，衍射现象减弱，图丙中亮条纹宽度减小，B错误；照射两狭缝时，发生双缝干涉，根据Δx＝Lλd可知，当增加L时，图乙中相邻暗条纹的中心间距增大，C正确；通过双缝的两束光的相位相同，根据相干条件可知，｜S2P－S1P｜＝（2n＋1）λ2（n＝0，1，2，…）时，P点处一定是暗条纹，2.【圆孔衍射】单色光分别入射到直径为dA和dB的圆孔，形成如图所示的图A和图B，由图可知（）A.A图是衍射图像，dA＜dBB.A图是干涉图像，dA＞dBC.B图是衍射图像，dA＜dBD.B图是干涉图像，dA＞dB解析：A图A中出现的是明暗相间的圆环，是明显的衍射现象，孔的直径较小；图B出现圆形亮斑，没有明显的衍射现象是因为孔的直径较大，光沿直线传播，所以图A所对应的圆孔的直径小于图B所对应的圆孔的直径，即dA＜dB，故A正确，B、C、D错误。3.【小圆板衍射】一束激光照在很小的圆盘上，在屏上观察到如图所示的图样，在阴影中心有一个亮斑，这就是著名的“泊松亮斑”。下列说法正确的是（）A.圆盘中心有个小孔，这是光的衍射现象B.圆盘中心有个小孔，这是光的干涉现象C.圆盘中心是不透光的，这是光的衍射现象D.圆盘中心是不透光的，这是光的干涉现象解析：C当用激光照射直径接近或小于激光的波长的不透明圆盘时，在圆盘后屏上的阴影中心出现了一个亮斑，亮斑的周围是明暗相间的环状条纹，这就是泊松亮斑，说明光线偏离原来的直线方向传播，是激光绕过不透光的圆盘发生衍射现象形成的，泊松最初做本实验的目的是推翻光的波动性，而实验结果却证明了光的波动性，故A、B、D错误，C正确。1.单缝衍射与双缝干涉的特点比较单缝衍射双缝干涉不同点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各相邻条纹等间距亮度情况中央条纹最亮，两边变暗条纹清晰，亮度基本相等单缝衍射双缝干涉相同点干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹2.光的干涉和衍射的本质光的干涉和衍射都属于光的叠加，从本质上看，干涉条纹和衍射条纹的形成有相似的原理，都可认为是从单缝通过两列或多列频率相同的光波，在屏上叠加形成的。考点三光的偏振现象[素养自修类]1.【光的偏振现象的理解】（多选）如图所示，电灯S发射的光先后经过偏振片A和B，人眼在P处迎着入射光方向，看不到光亮，则（）A.图中a光为偏振光B.图中b光为偏振光C.以SP为轴将B转过180°后，在P处将看到光亮D.以SP为轴将B转过90°后，在P处将看到光亮解析：BD电灯直接发出的光为自然光，A错误；它通过A偏振片后，即变为偏振光，B正确；设通过A的光沿竖直方向振动，若B偏振片只能通过沿水平方向振动的光，则P点无光亮，将B转过90°时，偏振光的振动方向与B偏振片的透振方向平行，偏振光就能通过偏振片，在P处就可看到光亮，C错误，D正确。2.【光的偏振现象的应用】（多选）光的偏振现象说明光是横波。下列现象能反映光的偏振特性及其应用的是（）A.一束自然光相继通过两个偏振片，以光束为轴旋转其中一个偏振片，透射光的强度发生变化B.一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是90°时，反射光是偏振光C.日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使图像更清晰D.通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹解析：ABC在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定方向振动的光是偏振光，选项A、B反映了光的偏振特性；选项C是偏振现象的应用；选项D是光的衍射现象，故选A、B、C。1.自然光与偏振光的比较类别自然光（非偏振光）偏振光光的来源从普通光源发出的光自然光通过起偏器后的光光的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内，沿各个方向振动的光的强度相同在垂直于光的传播方向的平面内，光沿特定方向振动2.偏振光的应用：加偏振滤光片的照相机镜头、液晶显示器、立体电影、消除车灯眩光等。考点一光的干涉现象1.（2022·浙江6月选考4题）关于双缝干涉实验，下列说法正确的是（）A.用复色光投射就看不到条纹B.明暗相间条纹是两列光在屏上叠加的结果C.把光屏前移或后移，不能看到明暗相间条纹D.蓝光干涉条纹的间距比红光的大解析：B用复色光投射双缝干涉实验装置时，屏上的条纹为彩色条纹，选项A错误；两列相干光在屏上叠加形成干涉条纹，选项B正确；根据干涉条纹间距公式Δx＝Ldλ可知，改变L，依然可以看到明暗相间的条纹，选项C错误；对于同一双缝干涉实验装置，由于蓝光波长小于红光波长，故蓝光干涉条纹的间距比红光的小，选项D2.在图示的双缝干涉实验中，光源S到缝S1、S2距离相等，P0为S1、S2连线的中垂线与光屏的交点。用波长为400nm的光实验时，光屏中央P0处呈现中央亮条纹（记为第0条亮条纹），P处呈现第3条亮条纹。当改用波长为600nm的光实验时，P处将呈现（）A.第2条亮条纹 B.第3条亮条纹C.第2条暗条纹 D.第3条暗条纹解析：A由公式Δx＝ldλ可知PP03＝ldλ1，当改用波长为600nm的光实验时，则有PP0n＝ldλ2，即n3＝λ1λ2＝4006003.（多选）光的干涉现象在技术中有许多应用。如图甲所示是利用光的干涉检查某精密光学平面的平整度，下列说法正确的是（）A.图甲中上板是标准样板，下板是待检查的光学元件B.若换用频率更大的单色光，其他条件不变，则图乙中的干涉条纹变宽C.若出现图丙中弯曲的干涉条纹，说明被检查的平面在此处出现了凹陷D.用单色光垂直照射图丁中的牛顿环，得到的条纹是随离圆心的距离增加而逐渐变宽的同心圆环解析：AC上板是标准样板，下板是待检测板，故A正确；设空气膜厚度为d，则出现亮条纹时需满足2d＝nλ，换用频率更大的单色光，则单色光波长变短，亮条纹左移，条纹变窄，故B错误；题图丙条纹向左弯曲，说明亮条纹提前出现，说明被检查的平面在此处出现了凹陷，故C正确；牛顿环中的空气厚度不是均匀变化的，空气膜厚度增加的越来越快，则亮条纹提前出现，得到的条纹是随离圆心的距离增加而逐渐变窄的，同心圆环间距不相等，故D错误。考点二光的衍射现象4.如图所示的4种明暗相间的条纹分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样（黑色部分表示亮条纹）。在下面的4幅图中从左往右排列，亮条纹的颜色依次是（）A.红黄蓝紫 B.红紫蓝黄C.蓝紫红黄 D.蓝黄红紫解析：B双缝干涉条纹是等间距的，而单缝衍射条纹除中央亮条纹最宽、最亮之外，两侧条纹亮度、宽度都逐渐减小，因此1、3为双缝干涉条纹，2、4为单缝衍射条纹。相邻亮条纹间距Δx＝ldλ，红光波长比蓝光波长长，则红光干涉条纹间距大于蓝光干涉条纹间距，即1、3分别对应红光和蓝光。而在单缝衍射中，当单缝宽度一定时，波长越长，衍射越明显，中央条纹越宽越亮，黄光波长比紫光波长长，即2、4分别对应紫光和黄光。综上所述，1、2、3、4四幅图中亮条纹的颜色依次是：红、紫、蓝、黄。B5.利用图所示的装置（示意图），观察光的干涉、衍射现象，在光屏上得到如图中甲和乙两种图样。下列关于P处放置的光学元件说法正确的是（）A.甲对应单缝，乙对应双缝B.甲对应双缝，乙对应单缝C.都是单缝，甲对应的缝宽较大D.都是双缝，甲对应的双缝间距较大解析：A单缝衍射图样的中央条纹亮且宽，相邻条纹间距不等；双缝干涉图样中相邻条纹间距相等。根据题目中给出的甲、乙两种图样可知，甲是单缝衍射的图样，乙是双缝干涉的图样，选项A正确。6.（多选）抽制高强度纤维细丝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的同样宽度的窄缝规律相同。观察光束经过细丝后在光屏上所产生的条纹即可判断细丝粗细的变化，下列叙述中正确的是（）A.这里应用的是光的衍射现象B.这里应用的是光的干涉现象C.如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗D.如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细解析：AD由于是激光束越过细丝即绕过障碍物，所以是光的衍射现象，当抽制的丝变细的时候，丝的直径较接近激光的波长，条纹间距变宽，A、D正确。考点三光的偏振现象7.关于自然光和偏振光，以下说法正确的是（）A.自然光包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，但是沿各个方向振动的光波的强度可以不同B.自然光透过一个偏振片后就成为偏振光，偏振光经过一个偏振片后又还原为自然光C.垂直于传播方向上，只沿着某一特定方向振动的光是偏振光D.太阳、电灯等普通光源发出的光都是偏振光解析：C自然光沿各振动方向的光波的强度相同，故A错误；自然光透过偏振片后成为偏振光，偏振光透过偏振片后不能还原为自然光，故B错误；根据偏振光的特点可知，偏振光在垂直于传播方向上，只沿某一特定方向振动，故C正确；太阳、电灯等普通光源发出的是非偏振光，故D错误。8.（多选）可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度，从而鉴定含糖量。偏振光通过糖水溶液后，偏振方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度α，角度α为锐角，α的值只与糖溶液的浓度有关，将α的测量值与标度值相比较，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，最后将被测样品P置于A、B之间，则下列说法正确的是（）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，转动角度为锐角，使得O处光强度最大，偏振片B转过的角度等于αD.将偏振片A转动一个角度，转动角度为锐角，使得O处光强度最大，偏振片A转过的角度等于α解析：ACD当在偏振片A、B间放糖溶液时，由于糖溶液的旋光作用，使通过偏振片A的偏振光振动方向转动了一定角度，到达O处的光强会明显减弱，故A正确，B错误；但当将偏振片B转过一个角度，恰好使透振方向与经过糖溶液后的偏振光振动方向一致时，O处光强又为最强，故偏振片B的旋转角度等于α，同理转动偏振片A也可以达到相同的效果，故C、D正确。9.增透膜是一种表面镀层，它利用光的干涉原理减少反射光来增加光在表面的透过率。某同学的眼镜片镀有一层材料为氟化镁的增透膜，反射光呈现蓝紫色，已知绿光的频率为5.45×1014Hz，在真空中的波速为3×108m/s，氟化镁对绿光的折射率为1.38，为增加绿光的透过率，该增透膜的最小厚度约为（）A.100nm B.200nmC.300nm D.400nm解析：A由于人眼对绿光最敏感，所以通常所用的光学仪器其镜头表面所涂的增透膜的厚度只使反射的绿光干涉相消，薄膜的厚度不宜过大，只需使其厚度为绿光在膜中波长的14，使绿光在增透膜的前、后两个表面上的反射光互相抵消。光从真空进入某种介质后，其波长会发生变化，若绿光在真空中波长为λ0，在增透膜中的波长为λ，由n＝cv＝λ0fλf，得λ＝λ0n，解得增透膜厚度d＝14λ＝λ04n＝110.如图所示，一束含有两种频率的复色光斜射向一块厚玻璃砖，玻璃砖的另一面涂有水银，光线经折射、反射、再折射后从玻璃砖入射面一侧射出，分成了两束单色光a和b，则下列说法正确的是（）A.a、b两束出射光不会是平行的B.用同一双缝干涉仪做光的双缝干涉实验，a光条纹间距小于b光条纹间距C.在玻璃砖中a光的速度比b光的速度小D.若将该复色光从玻璃砖斜射向空气中，逐渐增大光在玻璃中的入射角，则在空气中的折射光，b光最先消失解析：D作出光路图如图所示。因为a、b两光在刚开始射入左边表面的折射角与反射后在左边表面的入射角均相等，可知出射光束一定相互平行，A错误；根据频率越大，折射率越大以及c＝λf，因为b光偏折大，因此b光的频率大，即b光的波长小于a光的波长，结合Δx＝ldλ可知用同一双缝干涉实验装置进行干涉实验，b光干涉条纹间距小于a光干涉条纹间距，B错误；根据公式n＝cv可知，折射率越大，速度越小，而由B项可知，b光的频率大，故b光的速度小，C错误；由B项可知，b光的频率大，则b光的折射率大，由sinC＝1n可得，从玻璃射向空气中，b光发生全反射的临界角小，故b光最先消失11.单缝衍射实验中所产生图样的中央亮条纹宽度的一半与单缝宽度、光的波长、缝屏距离的关系，和双缝干涉实验中所产生图样的相邻两亮条纹间距与双缝间距、光的波长、缝屏距离的关系相同。利用单缝衍射实验可以测量金属的线膨胀系数，线膨胀系数是表征物体受热时长度增加程度的物理量。如图是实验的示意图，挡光片A固定，挡光片B放置在待测金属棒上端，A、B间形成平直的狭缝，激光通过狭缝，在光屏上形成衍射图样。温度升高，金属棒膨胀使得狭缝宽度发生变化，衍射图样也随之发生变化。在激光波长已知的情况下，通过测量缝屏距离和中央亮条纹宽度，可算出狭缝宽度及变化，进而计算出金属的线膨胀系数。下列说法正确的是（）A.使用激光波长越短，其他实验条件