2025年物理新高考备考2025年（版）物理《三维设计》一轮总复习（提升版）第2讲　光的干涉、衍射和偏振

第2讲光的干涉、衍射和偏振考点一光的干涉现象1.光的干涉（1）定义：在两列光波叠加的区域，某些区域相互加强，出现亮条纹；某些区域相互减弱，出现暗条纹，且加强区域和减弱区域相互间隔的现象。（2）条件：①两束光的频率相同；②相位差恒定。2.双缝干涉（1）图样特点①单色光照射时形成明暗相间的等间距的干涉条纹；②白光照射时，中央为白色条纹，其余为彩色条纹。（2）条纹间距（Δx）公式：Δx＝ldλ。λ为照射光的波长、d为双缝间距、l3.薄膜干涉利用薄膜（如肥皂液薄膜）前后表面反射的光相遇而形成的。图样中同一条亮（或暗）条纹上所对应薄膜的厚度相同。1.双缝干涉（1）条纹间距公式：Δx＝ldλ，对同一双缝干涉装置，光的波长越长，（2）明暗条纹的判断方法如图所示，相干光源S1、S2发出的光到屏上P'点的路程差为Δr＝r2－r1。当Δr＝nλ（n＝0，1，2，…）时，光屏上P'处出现明条纹。当Δr＝（2n＋1）λ2（n＝0，1，2，…）时，光屏上P'2.薄膜干涉（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）明暗条纹的判断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＝0，1，2，…），薄膜上出现明条纹。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）应用①增透膜：照相机、望远镜的镜头表面常镀一层透光的薄膜，一般增透膜的厚度是光在薄膜介质中传播的波长的14，即d＝λ4。增透膜对绿光的增透效果最好，对红光、紫光的增透效果稍差，仍有部分反射②用干涉法检查平面：如图甲所示，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，用单色光照射时，入射光从空气薄膜的上、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，空气薄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，那里的空气薄膜产生的干涉条纹将发生弯曲，如图乙所示。1.【双缝干涉】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 C.3cf 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＝2.【薄膜干涉】（2023·山东高考5题）如图所示为一种干涉热膨胀仪原理图。G为标准石英环，C为待测柱形样品，C的上表面与上方标准平面石英板之间存在劈形空气层。用单色平行光垂直照射上方石英板，会形成干涉条纹。已知C的膨胀系数小于G的膨胀系数，当温度升高时，下列说法正确的是（）A.劈形空气层的厚度变大，条纹向左移动B.劈形空气层的厚度变小，条纹向左移动C.劈形空气层的厚度变大，条纹向右移动D.劈形空气层的厚度变小，条纹向右移动解析：A当温度升高时，由于C的膨胀系数小于G的膨胀系数，所以标准平面石英板被G顶起，劈形空气层的厚度变大，B、D错误；经待测柱形样品上表面反射后透过石英板的光线与直接经石英板下表面反射的光线的路程差变大，根据条纹位置与干涉光线的路程差相对应，相同路程差的干涉光向劈尖移动，则条纹向劈尖移动，即条纹向左移动，A正确，C错误。3.【增透膜】（2024·湖北襄阳四中校考模拟预测）在户外的时候要注意防止紫外线的过度照射，尤其是眼睛更不能长时间被紫外线照射。有人想利用薄膜干涉的原理设计一种能大大减小紫外线对眼睛伤害的眼镜。如果所要消除的紫外线的频率为9.0×1014Hz，他选用的薄膜材料对紫外线的折射率为53，那么这种“增反膜”的最小厚度为（A.5.0×10－8m B.8.3×10－8mC.1.0×10－7m D.1.7×10－7m解析：C光程差2d＝nλ（n＝1，2，3，…）而波长λ＝cn·1f＝2×10－膜的厚度至少是膜中波长的12，即为1.0×10－7m，故选C考点二光的衍射和偏振现象1.光的衍射发生明显衍射现象的条件：只有当障碍物或狭缝的尺寸足够小的时候，衍射现象才会明显。2.光的偏振（1）自然光：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。（2）偏振光：在垂直于光的传播方向的平面上，沿着某个特定的方向振动的光。（3）偏振光的形成①让自然光通过偏振片形成偏振光。②让自然光在两种介质的界面发生反射和折射，反射光和折射光可以成为部分偏振光或完全偏振光。（4）偏振光的应用：照相机镜头前的偏振滤光片、液晶显示器、立体电影、车灯眩光消除等。（5）光的偏振现象说明光是一种横波。▢判断小题1.阳光下茂密的树林中，地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的。（×）2.泊松亮斑是光的衍射形成的。 （√）3.光遇到障碍物时都能产生衍射现象。 （√）4.自然光是偏振光。 （×）1.单缝衍射与双缝干涉的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亮条纹间距不等各相邻亮（暗）条纹等间距亮度情况中央条纹最亮，两边变暗条纹清晰，亮度基本相同相同点干涉、衍射都是波特有的现象，都属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹2.光的干涉和衍射的本质从本质上看，干涉条纹和衍射条纹的形成有相似的原理，光的干涉和衍射都属于光波的叠加，干涉是从单缝通过两列频率相同的光在屏上叠加形成的，衍射是由来自单缝上不同位置的光在屏上叠加形成的。1.【双缝干涉与单缝衍射的比较】（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，所以题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，题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，题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点一定是暗条纹，2.【偏振现象】（多选）利用旋光仪这种仪器可以用来测量糖溶液的浓度，从而测定含糖量。其原理是：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线，旋转一个角度θ，这一角度称为“旋光角”，θ的值与糖溶液的浓度有关。将θ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，A、B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A、B之间，则下列说法中正确的是 （）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，使得O处光的强度最大，偏振片B转过的角度等于θD.将偏振片A转动一个角度，使得O处光的强度最大，偏振片A转过的角度等于θ解析：ACD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线，旋转一个角度θ，所以到达O处光的强度会明显减弱，故A正确，B错误；将偏振片A或B转动一个角度，使得O处光的强度最大，偏振片A或B转过的角度等于θ，故C、D正确。考点三光的波动性与几何光学的综合【例1】（2024·湖北武汉高三统考）一包含有两种频率光的激光束，从真空中垂直射入截面为直角三角形的玻璃棱镜，光路如图所示。激光从棱镜的斜边面出射时被分为a、b两束光。已知，截面顶角为θ，棱镜对这两种频率光的折射率分别为n1＝54和n2＝2。下列说法正确的是 （A.a光的频率大于b光的频率B.a光与b光在三棱镜中的传播速度之比是5∶42C.用同一装置做单缝衍射实验，b光的中央亮条纹比a光的宽D.为使这两种频率的光都能从棱镜斜边射出，θ角的取值范围是0＜θ＜45°答案：D解析：由题图可知，a光的折射率小于b光的折射率，因此可知a光的频率小于b光的频率，故A错误；根据n＝cv，可得va＝cn1，vb＝cn2，则可得vavb＝n2n1＝425，故B错误；由于a光的频率小于b光的频率，则可知a光的波长大于b光的波长，当用同一装置做单缝衍射实验，波长越大，中央亮条纹越宽，由此可知a光的中央亮条纹比b光的宽，故C错误；根据临界角与折射率的关系sinC＝1n，可知a光与b光临界角的正弦值分别为sinCa＝1n1＝45，sinCb＝1n2＝22，所对应的临界角分别为Ca＝53°，Cb＝45°，【例2】（2024·广东深圳校考模拟预测）彩虹的形成是雨后太阳光射入空气中的水滴先折射，然后在水滴的背面发生反射，最后离开水滴时再次折射形成。如图所示，一束太阳光从左侧射入球形水滴，a、b是其中的两条出射光线，一条是红光，另一条是紫光。关于a光和b光的说法中，正确的是（）A.a光是红光B.a光的波长更长C.b光更容易发生衍射D.在真空中传播时，b光的速度更大解析：Ca、b两条出射光线均在水滴表面发生折射现象，入射角相同，a光的折射角小于b光的折射角，根据折射定律n＝sinisinr，可知na＞nb，折射率大则光的频率大，因此a光是紫光，b光是红光，故A错误；由于光的频率越大，波长越短，因此λa＜λb，故B错误；根据光的衍射现象，遇到相同的障碍物，波长越长的光越容易发生明显衍射，因此b光更容易发生明显衍射，故C正确；在真空中传播时，a、b光的速度一样大，跟踪训练·巩固提升1.（2023·北京高考2题）阳光下的肥皂膜呈现彩色条纹，这种现象属于光的 （）A.偏振现象 B.衍射现象C.干涉现象 D.全反射现象解析：C阳光下的肥皂膜呈现彩色条纹，这种现象属于光的薄膜干涉现象，故选C。2.（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倍解析：B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成正比，则d乙＝12d甲，B正确，A、C、3.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。在双缝干涉中，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，即中央条纹越宽越亮，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、4四幅题图中亮条纹的颜色依次是：红、紫、蓝、黄，B4.夜晚，汽车前灯发出的强光能将迎面驶来的汽车的司机照射得睁不开眼睛，影响行车安全。若将汽车前灯玻璃和汽车前窗玻璃都改用偏振玻璃，使双方司机都看不见对方耀眼的灯光，但能看清自己车灯发出的光所照亮的物体，则所有的汽车前窗玻璃、前灯玻璃的透振方向应该是 （）A.前窗玻璃的透振方向是竖直的，前灯玻璃的透振方向是水平的B.前窗玻璃的透振方向是竖直的，前灯玻璃的透振方向也是竖直的C.前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，前灯玻璃的透振方向是斜向左上45°D.前窗玻璃的透振方向和前灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°解析：D如果每辆汽车的前灯玻璃和前窗玻璃都改为偏振玻璃，并使它们的透振方向都跟水平方向成45°，就可以解决这个问题。这时，从对面车灯射来的偏振光，由于振动方向跟前窗玻璃的透振方向垂直，所以不会射进司机眼里；而从自己车灯射出去的偏振光，由于振动方向跟自己窗玻璃上的透振方向相同，所以司机仍能看清自己车灯照亮的路面和物体。5.（多选）下列关于光的性质说法正确的是 （）A.托马斯·杨通过光的单缝衍射实验，证明了光是一种波B.日落时分，在岸上拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振片可以使影像更清晰C.马路积水上的油膜呈现彩色图样是光的干涉现象D.照相机镜头表面涂上增透膜，以增强透射光的强度，是应用了光的全反射现象解析：BC托马斯·杨通过光的双缝干涉实验，证明了光是一种波，A错误；在照相机镜头前装上偏振片可以滤掉反射光，使影像更清晰，B正确；马路积水上的油膜呈现彩色图样是光的薄膜干涉现象，C正确；照相机镜头表面涂上增透膜，以增强透射光的强度，是应用了光的干涉现象，D错误。6.（多选）（2024·广东揭阳高三期末）某研究性学习小组用激光束照射圆孔和不透明圆板后，分别得到如图甲、乙所示的图样，则下列说法正确的是 （）A.甲图属于圆孔衍射B.乙图的亮斑是“泊松亮斑”，最早由泊松先推算出这个亮斑，后来泊松发现圆板中心的确有这个亮斑C.不管是圆孔衍射还是圆盘衍射，影像的边缘轮廓都是模糊不清的D.发生圆孔衍射时，圆形光环的图样半径远大于圆孔的半径，即光绕到障碍物的影子里解析：ACD根据衍射条纹的特点可知题图甲属于圆孔衍射，故A正确；题图乙的亮斑是“泊松亮斑”，最早由泊松先推算出这个亮斑，但泊松认为这是非常荒谬的，后来阿拉果发现圆板中心有这个亮斑，故B错误；不管是圆孔衍射还是圆盘衍射，影像的边缘轮廓都是模糊不清的，故C正确；发生圆孔衍射时，圆形光环的图样半径远大于圆孔的半径，即光绕到障碍物的影子里，故D正确。7.（多选）（2024·浙江绍兴模拟）如图所示，一束宽度为d的平行光沿水平方向传播，经过不透光的挡板后照射到竖直墙面上，过挡板上边缘的水平延长线与竖直墙面相交于O点，下列说法正确的是（）A.由于光的衍射，光可能会进入到O点下方的墙上B.光只会沿直线前进，一定不会进入到O点下方的墙上C.光的波长越长，光线进入到O点下方墙上的区域越大D.光的能量越大，光线进入到O点下方墙上的区域越大解析：AC根据光的明显衍射的条件，可知光可能会进入到O点下方的墙上，故A正确，B错误；光的波长越长，则衍射现象越明显，光线进入到O点下方墙上的区域越大，故C正确；根据公式E＝hν，光的能量越大，则光子的频率越大，根据公式ν＝cλ，可知波长越小，则衍射现象越不明显，则光线进入到O点下方墙上的区域越小，故D8.（多选）（2024·江苏省昆山中学仿真训练）在薄膜干涉实验中，铁丝圈上附有肥皂膜，竖直放置，形成如图所示的肥皂膜侧视图，用黄色光从左侧照射薄膜，会观察到明暗相间的干涉条纹，则下列结论正确的是（）A.实验者应该从薄膜右侧观察干涉图样B.干涉条纹的分布上疏下密C.任意两相邻亮条纹处对应的薄膜厚度之差不变D.若换用红光照射，则条纹间距将变大解析：BCD薄膜干涉是前后两个面的反射光叠加产生的，应该从入射光的同侧观察，故A错误；由于薄膜不是均匀增厚的，从上到下薄膜增厚得越来越快，所以明暗相间的条纹是不等间距的，而是上疏下密，故B正确；任意相邻亮条纹处对应的薄膜厚度之差是12λ，不变，故C正确；光波的干涉条纹间距公式为Δx＝ldλ，如果换成红光照射，则波长变长，相邻条纹间距变大，故9.（2024·红桥区校级模拟）光的干涉现象在技术中有许多应用。例如利用光的干涉检查某精密光学平面的平整度，如图甲所示。下列说法正确的是（）A.图甲中上板是待检查的光学元件，下板是标准样板B.若换用波长更短的单色光，其他条件不变，则图乙中的干涉条纹变密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有向上的凸起D.用单色光垂直照射图丁中的牛顿环，可以得到间距相等的明暗相间的同心圆环解析：B题图甲中上板是标准样板，下板是待检测的光学元件，故A错误；图乙中相邻亮条纹之间，空气膜的厚度差等于半个波长，若换用波长更小的单色光，其他条件不变，则题图中的干涉条纹变密，故B正确；图丙中弯曲的条纹对应的被检查平面右边的空气膜厚度与弯处平面的空气膜厚度相同，可知对应的位置是凹陷的，故C错误；图丁中空气膜的上下两个表面反射的两列光波发生干涉，光程差是光的半个波长的偶数倍即为亮条纹，光程差是光的半个波长的奇数倍即为暗条纹，因凸透镜压在平面玻璃上，空气薄膜不等间距，空气薄膜薄的地方形成的条纹疏，空气薄膜厚的地方形成的条纹密，所以可以看到内疏外密的明暗相间的圆环状条纹，故D错误。10.如图甲所示为双缝干涉实验的原理图，屏上的P0点位于双缝S1和S2的中垂线上，在双缝与屏之间充满折射率为n的均匀介质。用一单色光垂直照射双缝，在屏上会产生干涉条纹，如图乙所示，屏上P1点是一条暗条纹的中心，P1点到P0点的距离为x。已知该单色光在真空中的波长为λ，双缝与屏之间的距离为L，则双缝S1和S2间的距离为 （）A.3Lλ2nxC.Lλx D.解析：AP1点到P0点的距离为x，根据题图乙有x＝32Δx，双缝与屏之间充满折射率为n的均匀介质，则有n＝λλ1，根据干涉规律有Δx＝Ldλ1，解得d＝311.（2024·河北沧州模拟预测）如图甲所示，将一块平板玻璃放置在另一块平板玻璃上，在一端加入四张纸片，形成一个空气薄膜。当红光从上方玻璃垂直射入后，从上往下看到的条纹如图乙所示。下列说法正确的是 （）A.图乙是光的衍射形成的图案B.任意相邻两条亮条纹中心所对应的薄膜厚度差等于入射光的波长C.若仅将红光换为紫光，则相邻两条亮条纹的中心间距变大D.若抽出两张纸片，则相邻两条亮条纹的中心间距变大解析：D题图乙为明暗相间、等间距的干涉条纹，故A错误；设空气膜的厚度为d，则空气膜上下表面分别反射的两列光的光程差为2d＝nλ，该处表现为亮条纹，所以相邻两条亮条纹中心所对应的薄膜厚度差为Δd＝λ2，故B错误；设相邻两条亮条纹的中心间距为Δx，则Δxsinθ＝λ2，解得Δx＝λ2sinθ，抽出两张纸片后，θ变小，Δx增大，故D