1、第4讲 光的干涉、衍射和偏振现象 梳理基础强化训练 基础知识清单一、光的干涉1杨氏双缝干涉实验(1)实验装置及各部分的作用：实验装置如图所示其中三屏的作用：缝屏 S 是单缝(作用获得点光源)双缝屏：S1、S2是双缝(靠得很近 0.1 mm)，且 S1、S2 到 S的距离相等，S1、S2的作用是获得相干光源，此法巧妙地解决了相干光源的问题像屏：承接获得干涉图样【学法指导】为了获得单色光，可以加滤光片，加红色的滤光片可获得红色光相干光源的获得是比较困难的，不是说只要频率相同即可比如两个日光灯，发出光的频率相同，但我们并没看到干涉图样杨氏双缝干涉实验巧妙地解决了相干光源巧妙之处就是“一分为二”，即保
2、证了两列波的频率相同，相差恒定、振动情况完全相同(2)实验得到的干涉条纹：在两列光波的叠加区域，某些区域的光被加强，出现亮纹，某些区域的光被减弱，出现暗纹，且加强区域和减弱区域互相间隔的现象叫做光的干涉现象条纹特点：明暗相间，间隔均匀的条纹如图所示【名师点拨】干涉条纹要与衍射条纹区别开来衍射条纹是中央极亮、极大，向两侧条纹间距逐渐变窄变暗2干涉条件频率相同、相差恒定、振动方向相同的两个相干光源发出的光相遇，才能产生稳定的干涉现象二、薄膜干涉及其图样特点1薄膜干涉：利用薄膜(如肥皂膜)前后两表面的反射光波相遇而形成的干涉2图样特点：同一条亮(或暗)条纹对应薄膜厚度相等，单色光在肥皂膜上(上薄下厚
3、)形成水平状的明暗相间的条纹，白光入射时形成彩色条纹三、光的衍射1光的衍射光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象2光发生明显衍射的条件在障碍物或小孔的尺寸比光的波长小，或差不多的情况下，会出现明显的衍射现象3典型衍射图样(1)单缝衍射：单色光通过单缝在屏上形成明暗相间的条纹，中央条纹又宽又亮，两边条纹变窄变暗白光通过单缝，在屏上的图样：中间宽且亮的白条纹，两侧彩色条纹，渐窄且暗的(2)小孔衍射：明暗相间的圆环，中间很亮(3)泊松亮斑：当光照到不透明的小圆板上，在圆板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)4光的衍射的实质在光的衍射
4、现象中，衍射图样的出现，即明暗相间条纹的产生，是光波互相叠加后的结果其中明条纹是光波叠加后的加强区，暗条纹是光波叠加后的减弱区四、光的偏振1自然光：在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，且沿着各个方向振动的光波的强度都相同如由太阳、电灯等普通光源发出的光2偏振光：在垂直于传播方向的平面上，只沿着某一个特定的方向振动的光如自然光经偏振片作用后的光3偏振光的产生方式(1)偏振片只让某一方向振动的光通过，其他振动方向的光被吸收(2)通过两个共轴的偏振片观察自然光，第一个偏振片的作用是把自然光变成偏振光，叫起偏器，第二个偏振片的作用是检验光是否为偏振光，叫检偏器(3)自然光射到两种介质的界面上，如果光
5、入射的方向合适，使反射光和折射光之间的夹角恰好是 90时，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直除了直接从光源发出的光外，日常生活中遇到的光大都是偏振光4偏振光的理论意义及应用(1)理论意义：光的干涉和衍射现象充分说明了光是波，但不能确定光波是横波还是纵波光的偏振现象说明光波是横波(2)应用：照相机镜头、立体电影、消除车灯眩光等五、激光组成物质的原子中，有不同数量的粒子(电子)分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到(跃迁)到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象这就叫做“受激辐射的光放大”，简
6、称激光六、电磁波谱在电磁波谱中，相邻两波段的电磁波的波长并没有很明显的界线，如紫外线和 X 射线、X 射线和 射线都有重叠，但它们产生的机理不同波谱折射率 n(小大)波长(大小)频率 f(小大)无线电波红外线可见光紫外线X 射线 射线发现者赫谢耳(英)里特(德)伦琴(德)产生机理振荡电路中自由电子的周期性运动原子的外层电子受激发原子的内层电子受激发原 子 核 受激发产生装置振荡电路一切物体都向外辐射各 种 光源一切高温物体都向外辐射紫外线高速电子流射到任何固体上都产生X 射线原 子 核 的衰变特性波动性强热效应引起视觉化学作用，荧光效应、杀菌贯 穿 作 用强贯穿本领最强应用无线电技术加热遥感照
7、明摄影感 光 技 术 医用消毒检查探测、医用透视工业探伤医用治疗七、相对论1伽利略相对性原理在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动；任何惯性参考系都是平权的2光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的3相对论的几个结论(1)时间的相对性：在一个惯性系中“同时”发生的两个事件，在另一个惯性系中可能是不同时的，即同时是相对的(2)长度的相对性(尺缩效应)：通过严格的数学推导可以得到，如果与杆相对静止的人认为杆长是 l0，沿杆方向以高速 v 相对运动的人认为杆长是 l，那么l0 和 l 之间的关系为 ll01（vc）2，这种情景常称
8、为“尺缩效应”；严格的数学推导还表明，在垂直于运动方向上，杆的长度不变(3)钟慢效应：在相对地面以高速 v匀速运动的火车内的观察者测得两个事件先后发生的时间间隔为 ，则在地面上的观察者测得的时间间隔为 t，则 和 t 之间的关系为 t 1（vc）2，这种情景常称为“钟慢效应”(4)相对速度：设对地面以高速 v 运动的火车，车上的人以速度 u沿着火车前进的方向相对火车运动，那么他相对地面的速度 uuv1uvc2.(5)相对质量：物体以高速 v 运动时的质量 m 与静止时的质量 m0之间的关系是 mm01（vc）2.4广义相对论(1)广义相对性原理表明：在任何参考系中，物理规律都是相同的(2)等效
9、原理是指：一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价(3)相对论的时空观：经典物理学认为空间和时间是脱离物质而存在的，是绝对的，空间和时间也是没有联系的；相对论则认为空间和时间与物质的运动状态有关；这两种观点在低速运动条件下是统一的八、爱因斯坦的质能方程式爱因斯坦的质能方程式是 Emc2.从另一方面考虑，质量亏损 m 与对应的能量变化 E 之间的关系式是 E mc2，质能关系式从理论上预言了核能释放及原子能利用和原子弹研制的可能性，因此该式被称为改变世界的方程 基础随堂训练1在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏上观察到了彩色干涉条纹若在双缝中的一缝前放一红色滤光片(只能透过红光)，另一缝前
10、放一绿色滤光片(只能透过绿光)，这时()A只有红色和绿色的双缝干涉条纹、其他颜色的双缝干涉条纹消失B红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其他颜色的双缝干涉条纹依然存在C任何颜色的双缝干涉条纹都不存在、但屏上仍有光亮D屏上无任何光亮解析 本题考查干涉条件，在双缝干涉实验的装置中，缝的宽度跟光的波长相差不多在双缝分别放上红色和绿色滤光片之后，由于红光和绿光的频率不相等，在光屏上不可能再出现干涉条纹了，但由于满足产生明显衍射现象的条件，所以在屏上将同时出现红光和绿光的衍射条纹，故选项为 C.答案 C2能产生干涉现象的两束光是()A频率相同、振幅相同的两束光B频率相同、相位差恒定的两束光C两只完全相同的灯泡
11、发出的光D同一光源的两个发光部分发出的光解析 由产生干涉条件可知 A、C 项错误，B 项正确；即使是同一光源的两个部分发出的光，由于相位差随时间不同而改变，所以也不会发生干涉(激光光源除外)通常把一束光一分为二来获得相干光源，故 D 项错误；对于 D 选项，也可以以日光灯为例来说明，日光灯下没有干涉现象的出现，说明不符合干涉条件这样解释，学生比较容易接受 答案 B3劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图甲所示，将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜当光垂直入射后，从上往下看到的干涉条纹如图乙所示干涉条纹有如下特点：任意一条明条纹或暗条纹所
12、在位置下面的薄膜厚度相等；任意相邻明条纹和暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定现若在图中装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹()A变疏 B变密C不变D消失解析 撤去一张纸片后，劈形空气薄膜在相同的水平距离上厚度减小，干涉时光程差变小，条纹变宽，数量变少(变疏)，故A 项正确；也可从xld解释，光屏到双缝的距离可看作不变，入射光的波长不变，薄膜的前后两表面相当于双缝，厚度减小，相当于双缝间的距离 d 减小，导致x 增大，条纹变宽，数量变少(变疏)，故 A 项正确 答案 A4如图所示，当用激光照射直径小于激光束的不透明圆盘时，在圆盘后屏上的阴影中心出现了一个亮斑
13、这是光的_(填“干涉”“衍射”或“直线传播”)现象，这一实验支持了光的_(填“波动说”“微粒说”或“光子说”)解析 当用激光照射直径小于激光束的不透明圆盘时，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衍射条纹这就是泊松亮斑，是激光绕过不透光的圆盘发生衍射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 答案 衍射 波动说5如图所示，让太阳光通过 M 上的小孔 S 后照射到 M 右方的一偏振片 P 上，P 的右侧再放一光屏 Q，现使 P 绕着平行于光传播方向的轴匀速转动一周，则关于光屏 Q 上光的亮度变化情况，下列说法中正确的是()A只有当偏振片转
14、到某一适当位置时光屏被照亮，其他位置时光屏上无亮光B光屏上亮、暗交替变化C光屏上亮度不变D光屏上只有一条亮线随偏振片转动而转动解析 旋转 P，自然光通过偏振片 P 后，在垂直于传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动，太阳光是自然光，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所以光屏上，总是有沿着某个特定的方向振动的偏振光，光屏上亮度不变 答案 C规律方法技巧 高考调研一 双缝干涉一、亮、暗条纹产生条件1亮条纹：k(k0、1、2)2暗条纹：(2k1)2(k0、1、2)为空间在真空中某点到两相干光源的光程差【考题随练 1】如图所示为双缝干涉实验装置，当使
15、用波长 6107 m 的橙色光做实验时，光屏 P 点及其上方的 P1点形成两条相邻的亮条纹若使用波长为 4107 m 的紫光重复上述实验，在 P 和 P1 点形成的亮、暗条纹的情况是()AP 和 P1都是亮条纹BP 是亮条纹，P1是暗条纹CP 是暗条纹，P1是亮条纹DP 和 P1都是暗条纹【解析】根据形成亮、暗条纹的条件可知：无论换用哪种波长的色光，PS1PS20，故 P 点总是亮条纹橙色光在P1点形成第一级亮条纹，应有 P1S2P1S1k 橙16107 m6107 m对紫光来说 P1S2P1S11.5 紫，故 P1为暗条纹【答案】B【考题随练 2】在双缝干涉实验中，双缝到光屏上某 P 点的距
16、离之差 x0.6 m，若用频率为 5.01014 Hz 的单色光垂直照射双缝，则 P 点将出现_条纹(填“亮”或“暗”)【解析】由 c，得 c 3.01085.01014 m0.6 m，因x，则 P 点出现亮条纹【答案】亮二、纹间距xld相邻明条纹(或暗条纹)的间距相等，且 xld，其中 为波长，d 为双缝间距，l 为缝到屏的距离【考题随练 3】(2015新课标全国)在双缝干涉实验中，分别用红色和绿色的激光照射同一双缝，在双缝后的屏幕上，红光的干涉条纹间距 x1 与绿光的干涉条纹间距 x2 相比x1_ x2(填“”“”或“”)若实验中红光的波长为 630 nm，双缝到屏幕的距离为 1 m，测得
17、第一条到第 6 条亮条纹中心间的距离为 10.5 mm，则双缝之间的距离为_ mm.【解析】光的双缝干涉条纹间距xLd(为光的波长，L 为屏与双缝之间距离，d 为双缝之间距离)，红光波长 红绿，所以红光的双缝干涉条纹间距较大，即x1x2，条纹间距根据数据可得x10.5 mm52.1 mm2.1103 m，根据xLd 可得 d Lx，代入数值得 d3.00104 m0.300 mm.【答案】0.300【设置目的】用双缝干涉测光的波长【考题随练 4】(2014大纲全国)在双缝干涉实验中，一钠灯发出的波长为 589 nm 的光，在距双缝 1.00 m 的屏上形成干涉图样图样上相邻两明纹中心间距为 0
18、.350 cm，则双缝的间距为()A2.06107 m B2.06104 mC1.68104 m D1.68103 m【解析】根据双缝干涉实验条纹间距离xLd，代入数据，得 d Lx158910935104 m1.68104 m，C 选项正确【答案】C【考题随练 5】在双缝干涉实验中，某同学用黄光作为入射光为了增大干涉条纹的间距，该同学可以采用的方法有()A改用红光作为入射光 B改用蓝光作为入射光C增大双缝到屏的距离 D增大双缝之间的距离【解析】根据xld可知，红光波长大于黄光波长，则条纹间距增大，故 A 项正确；蓝光波长小于黄光波长，则条纹间距减小，故 B 项错误；增大双缝到屏的距离，条纹间
19、距增大，故C 项正确；增大双缝之间的距离，条纹间距减小，故 D 项错误【答案】AC高考调研二 麦克斯韦理论1基本观点麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在，赫兹用实验成功地证实了电磁波的存在(1)变化的磁场产生电场(2)变化的电场产生磁场2对电磁场理论的进一步认识(1)恒定的磁场周围没有电场产生，同理，恒定的电场周围也没有磁场产生；(2)变化的磁场产生电场若磁场均匀变化，则产生恒定的电场若磁场不均匀变化，则产生变化的电场在振荡电路中，周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场(3)变化的电场产生磁场：若电场均匀变化，则产生恒定的磁场若电场不均匀变化，则产生变化的磁场在振荡电路中，周期性变化的电场
20、产生同频率的周期性变化的磁场【考题随练】(2013四川)下列关于电磁波的说法，正确的是()A电磁波只能在真空中传播B电场随时间变化时一定产生电磁波C做变速运动的电荷会在空间产生电磁波D麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在【解析】电磁波在介质中也能传播，故 A 项错误；均匀变化的电场产生稳定的磁场，不能再产生电场，从而不能产生电磁波，故 B 项错误；做变速运动的电荷会在空间产生变化的电磁场，形成电磁波，故 C 项正确；麦克斯韦预言了电磁波的存在，是赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，故 D 项错误【答案】C【学法指导】注意对教科书中概念的理解，同时注意物理学史的记忆高考调研三 对相对论的理解一
21、、“同时”的相对性【考题随练 1】如右图所示，沿铁道排列的两电杆正中央安装一闪光装置，光信号到达一电杆称为事件 1，到达另一电杆称事件2.从地面上的观察者看来，光源在两根电杆的正中央，光信号向两电杆传播的速度相同，因此，光信号同时到达两电杆在地面观察者看来，事件 1、2 同时发生那么在高速运动车厢中的观察者看到哪个事件先发生？【解析】从运动车厢中的观察者看来，运动车厢是个惯性系，地面和电杆都在向左运动(见图)，光信号向左右两侧传播速度相同(光速不变原理)在光信号向两侧传播的过程中，地面及两个电杆都向左运动了一段距离，所以光信号先到达电杆 2，后到达电杆 1.【答案】从车厢中观察者看来，事件 2
22、 比事件 1 先发生二、尺缩效应【考题随练 2】在某惯性参考系中有一米尺，一观察者乘坐宇航器沿米尺长度方向运动如果宇航器相对该惯性参考系的速度为 32 c(c 为光速)，则在观察者看来米尺的长度应为多少米？【解析】由 ll01（vc）211（32 cc）2 m0.5 m【答案】0.5 m【学法指导】要理解长度收缩公式的物理意义，l0 是“静止参考系”中的观察者测量的长度，l 是在相对于“静止参考系”为 v 的“运动参考系”中测量的长度也可简单地表述为“动尺缩短”，是沿运动方向上的长度比与其相对静止时测量的要短一些这种长度收缩并非幻觉，当运动的杆或尺子从观察者身边经过时，任何精确的测量都表明其长
23、度要比静止时短并非看上去短了，它的确变短了这是根据同时的相对性带来的一个普遍的时空属性，它与物体的具体组成和结构无关，当物体运动速度越接近光速，这种收缩效应就变得越显著在具体计算中要明确：长度收缩指的是只在物体运动方向上的长度收缩严格的数学推导表明，在垂直于运动方向的长度是一样的，没有变化三、钟慢效应【考题随练 3】在实验室中测得以速度 0.8c 运动的 介子的平均寿命为 4108秒，问静止 介子的平均寿命是多少？【解析】相对于介子运动的实验室中测得介子的平均寿命为t，则相对于介子静止的参考系测得介子的平均寿命为t1（vc）2，则t1（vc）2 41081（0.8cc）2 s2.4108 s【
24、学法指导】明确时间间隔的相对性公式中各量的含义，t是在“静止的参考系”(通常将观察者所在的参考系看成静止的)中测得的时间差，是在相对于“静止参考系”为 v 的“运动参考系”中测量的时间差 “钟慢效应”或“动钟变慢”是两个不同惯性系进行时间比较的一种效应，不要认为是时钟的结构或精度因运动而发生了变化运动时钟变慢完全是相对的，由于两个惯性参考系是平权的，在它们上面的观测者都将发现对方的钟变慢了 “双子佯谬“问题的条件探讨：在地球上出生的孪生兄弟，出生后哥哥乘坐高速的宇宙飞船出发，经过几十年后回来将会发现，哥哥比弟弟年轻那么，如果站在哥哥的角度，是不是可以认为弟弟做高速运动而变得比哥哥年轻了呢？在我
25、们站在弟弟的角度分析的时候，是选取了地球作参考系，在这个问题里，可以认为地球是惯性参考系，所以关于哥哥变年轻的结论是可以相 信而当我们站在哥哥的角度分析的时候，则选取了一个有加速度的参考系宇宙飞船所以，这时的推论则没有确实的依据，不能说弟弟比哥哥年轻狭义相对论虽然指出各个惯性系是平权的，但是同时也指出非惯性系和惯性系是绝对不同的所以当他们再次相遇时候，哥哥比弟弟年轻的结果是一个确定的事情四、相对论质量及质能方程【考题随练 4】设宇宙射线粒子的能量是其静止能量的 k倍则粒子运动时的质量等于其静止质量的_倍，粒子运动速度是光速的_倍【解析】粒子以速度 vnc 运动时的能量 Emc2，静止时的能量为 E0m0c2，依题意 EkE0，故 mkm0；由 mkm0，m0m m0m01（ncc）21k，解得 n k21k.【答案】k k21k请做：题组层级快练（四十七）
