第3講光的干涉、衍射和偏振情境導思科技日報記者2024年9月26日獲悉,我國科研團隊發(fā)布了厚度僅0.55毫米的AR眼鏡,這副眼鏡應用了“極致輕薄無彩虹紋碳化硅AR衍射光波導”科技成果。關于光的干涉與衍射問題,請思考:(1)光發(fā)生干涉和明顯衍射的條件是什么?干涉條紋具有什么特點?干涉現(xiàn)象中明暗條紋如何確定?雙縫干涉實驗中條紋間距大小與什么有關?(2)光的衍射圖樣和干涉圖樣有何區(qū)別?知識構(gòu)建小題試做1.(2024·廣東潮州開學考)下列對光學現(xiàn)象的解釋正確的是(

)[A]全息照相利用了光的衍射原理[B]光的色散現(xiàn)象利用了光的衍射原理[C]光在光纖中傳播利用了光的全反射原理[D]照相機鏡頭表面鍍有增透膜利用了光的偏振原理C小題試做2.下列有關光的干涉現(xiàn)象的描述,正確的是(

)[A]在光的雙縫干涉實驗中,將入射光由綠光改為紫光,則條紋間距變寬[B]白光經(jīng)肥皂膜前后表面反射后,反射光發(fā)生干涉形成彩色條紋[C]在光的雙縫干涉實驗中,若縫S1射入的是綠光,S2射入的是紫光,則干涉條紋是彩色的[D]光的干涉現(xiàn)象不能說明光是一種波B考點一光的干涉現(xiàn)象如圖所示,波長為λ的單色光照射到雙縫上。兩縫中心的距離為d,兩縫S1、S2連線的中垂線與屏的交點為P0,雙縫到屏的距離OP0=l,點P1為屏上的另一個亮點。試推導相鄰兩個亮條紋的中心間距的表達式。1.雙縫干涉(1)條紋間距公式。(2)亮、暗條紋的判斷方法。2.薄膜干涉(1)形成原因。如圖所示,豎直的肥皂薄膜,由于重力的作用,形成上薄下厚的楔形。光照射到薄膜上時,在膜的前表面AA′和后表面BB′分別反射回來,形成兩列頻率相同的光波,并且疊加。(2)明、暗條紋的判斷方法。(3)薄膜干涉的應用——檢查平面的平整度。如圖所示,兩板之間形成一楔形空氣膜,用單色光從上向下照射,如果被檢查平面是平整光滑的,我們會觀察到平行且等間距的明暗相間的條紋;若被檢查平面不平整,則干涉條紋發(fā)生彎曲。[例1]

【明暗條紋的判斷】(2024·江蘇模擬)如圖所示是雙縫干涉實驗裝置,使用波長為400nm的紫色光源照射單縫S,在光屏中央P處觀察到亮條紋,在位于P點上方的P1點出現(xiàn)第5條暗條紋?，F(xiàn)換用波長為600nm的橙色光源照射單縫,則(

)[A]

P1處為亮條紋,P和P1之間有三條暗條紋[B]

P1處為亮條紋,P和P1之間有兩條暗條紋[C]

P1處為暗條紋,P和P1之間有三條暗條紋[D]

P1處為暗條紋,P和P1之間有兩條暗條紋A[例2]

【條紋間距公式的應用】(2024·黑吉遼卷,4)某同學自制雙縫干涉實驗裝置,在紙板上割出一條窄縫,于窄縫中央沿縫方向固定一根拉直的頭發(fā)絲形成雙縫,將該紙板與墻面平行放置,如圖所示。用綠色激光照雙縫,能在墻面上觀察到干涉條紋。下列做法可以使相鄰兩條亮紋中央間距變小的是(

)[A]

換用更粗的頭發(fā)絲[B]

換用紅色激光照雙縫[C]

增大紙板與墻面的距離[D]

減小光源與紙板的距離A[例3]

【薄膜干涉】(2023·山東卷,5)如圖所示為一種干涉熱膨脹儀原理圖。G為標準石英環(huán),C為待測柱形樣品,C的上表面與上方標準平面石英板之間存在劈形空氣層。用單色平行光垂直照射上方石英板,會形成干涉條紋。已知C的膨脹系數(shù)小于G的膨脹系數(shù),當溫度升高時,下列說法正確的是(

)[A]

劈形空氣層的厚度變大,條紋向左移動[B]

劈形空氣層的厚度變小,條紋向左移動[C]

劈形空氣層的厚度變大,條紋向右移動[D]

劈形空氣層的厚度變小,條紋向右移動A【解析】

由題知,C的膨脹系數(shù)小于G的膨脹系數(shù),當溫度升高時,G增長的高度大于C增長的高度,則劈形空氣層的厚度變大,且同一厚度的空氣層向劈尖移動,則條紋向左移動。方法點撥判斷薄膜干涉條紋移動的方法盯住一個條紋,觀察該條紋移動的方向。例如,盯住路程差Δr=5λ的條紋(假設這個條紋存在),當路程差發(fā)生變化時,這個條紋將朝著路程差依然滿足Δr=5λ的位置移動。在空氣劈尖薄膜干涉中,當楔角減小時,原干涉條紋所在處相干光的路程差減小了,所以該條紋就向著路程差增加的方向移動,如圖,條紋將朝著背離楔角的方向移動。考點二光的衍射和偏振現(xiàn)象1.對光的衍射的理解(1)波長越長,衍射現(xiàn)象越明顯。在任何情況下都可以發(fā)生衍射現(xiàn)象,只是明顯與不明顯的差別。(2)衍射現(xiàn)象說明“光沿直線傳播”只是一種特殊情況,只有在光的波長比障礙物小得多時,光才可以看作是沿直線傳播的。2.單縫衍射與雙縫干涉的比較項目單縫衍射雙縫干涉不同點條紋寬度條紋寬度不等,中央最寬條紋寬度相等條紋間距各相鄰條紋間距不等各相鄰條紋等間距亮度情況中央條紋最亮,兩邊變暗條紋清晰,亮度基本相同相同點干涉、衍射都是波特有的現(xiàn)象,屬于波的疊加;干涉、衍射都有明暗相間的條紋3.光的干涉和衍射的本質(zhì)光的干涉和衍射都屬于波的疊加,從本質(zhì)上看,干涉條紋和衍射條紋的形成有相似的原理,都可認為是從單縫通過兩列或多列頻率相同的光波,在屏上疊加形成的。4.光的偏振(1)自然光與偏振光的比較。類別自然光(非偏振光)偏振光光的來源從普通光源發(fā)出的光自然光通過起偏器后的光光的振動方向在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi),光沿任意方向振動,且沿各個方向振動的光的強度相同在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi),光沿特定方向振動(2)偏振光的應用:加偏振濾光片的照相機鏡頭、液晶顯示器、立體電影、消除車燈眩光等。[例4]

【單縫衍射】(2024·江蘇揚州模擬)用一束紅色激光照射單縫,光屏上出現(xiàn)的現(xiàn)象如圖所示,下列操作可使中央亮條紋變寬的是(

)[A]

增大激光束的寬度

[B]

減小單縫的寬度[C]

減小屏到單縫的距離

[D]

改用綠色激光照射B【解析】

單縫衍射中央亮條紋的寬度和亮度與單縫的寬度有關,單縫寬度越窄,亮度越弱,衍射現(xiàn)象越明顯,則中央亮條紋的寬度越寬,但與激光束的寬度無關,故A錯誤,B正確;減小屏到單縫的距離,中央亮條紋變窄,故C錯誤;改用綠色激光照射,因波長變短,衍射現(xiàn)象變得不明顯,則中央亮條紋變窄,故D錯誤。[例5]

【單縫衍射與雙縫干涉的比較】(2022·山東卷,10)(多選)某同學采用圖甲所示的實驗裝置研究光的干涉與衍射現(xiàn)象,狹縫S1、S2的寬度可調(diào),狹縫到屏的距離為L。同一單色光垂直照射狹縫,實驗中分別在屏上得到了圖乙、圖丙所示圖樣。下列描述正確的是(

)[A]

圖乙是光的雙縫干涉圖樣,當光通過狹縫時,也發(fā)生了衍射[B]

遮住一條狹縫,另一狹縫寬度增大,其他條件不變,圖丙中亮條紋寬度增大[C]

照射兩條狹縫時,增加L,其他條件不變,圖乙中相鄰暗條紋的中心間距增大[D]

照射兩條狹縫時,若光從狹縫S1、S2到屏上P點的路程差為半波長的奇數(shù)倍,P點處一定是暗條紋ACD[例6]

【光的偏振】(2024·陜西西安期末)用圖示實驗裝置演示光的偏振現(xiàn)象,光源白熾燈O發(fā)出的光通過兩個透振方向平行的偏振片P、Q照到光屏上,通過偏振片前后的光束分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示,下列說法正確的是(

)[A]

光源發(fā)出的光是縱波[B]

偏振片Q起到檢偏的作用[C]

光束Ⅱ中光振動方向與透振方向垂直[D]

將偏振片P以光傳播方向為軸轉(zhuǎn)過45°,光束Ⅲ將消失B【解析】

白熾燈發(fā)出的光為自然光,光是橫波,故A錯誤。通過偏振片的光波,在垂直于傳播方向的平面上,沿著某個特定的方向振動,這種光叫偏振光,因此偏振片P有起偏的作用;旋轉(zhuǎn)偏振片Q,能根據(jù)偏振片Q后的光束Ⅲ強度的變化判斷光束Ⅱ是不是偏振光,所以偏振片Q起到檢偏的作用,故B正確。通過偏振片的光波,在垂直于傳播方向的平面上,沿著與透振方向平行的方向振動,故C錯誤。白熾燈發(fā)出的光沿軸線通過偏振片P后變成偏振光,將偏振片P由圖示位置旋轉(zhuǎn)90°的過程中,光屏上光的亮度逐漸變暗,當偏振片P與偏振片Q垂直時,光屏沒有亮度,則將偏振片P以光傳播方向為軸轉(zhuǎn)過45°,光束Ⅲ沒有消失,故D錯誤。(滿分:60分)課時作業(yè)對點1.光的干涉現(xiàn)象1.(4分)(2024·黑龍江哈爾濱一模)某同學用單色光進行雙縫干涉實驗,在屏上觀察到如圖甲所示的條紋,僅改變一個實驗條件后,觀察到的條紋如圖乙所示。他改變的實驗條件可能是(

)[A]

換用了波長更短的單色光[B]

適當減小了雙縫到光屏之間的距離[C]

適當增大了雙縫之間的距離[D]

換用了頻率更低的單色光基礎對點練D2.(4分)(2025·內(nèi)蒙古高考適應性考試)增透膜被廣泛應用于各種光學透鏡。如圖,入射光1以接近法線方向入射鍍膜鏡片,反射光2和3在P處相干減弱,則2和3在P處的光振動圖像可能為(

)C[A]

[B][C]

[D]【解析】

由題圖可知,2和3兩束光傳播方向相同,在P處相干減弱,所以兩束光在P處振動方向相反,并且兩列波的相位差恒定,可知C正確。3.(6分)(2024·山東臨沂階段練習)(多選)光的干涉現(xiàn)象在技術中有許多應用。如圖甲所示是利用光的干涉檢查某精密光學平面的平整度,下列說法正確的是(

)[A]

圖甲中上板是待檢查的光學元件,下板是標準樣板[B]

若換用頻率更大的單色光,其他條件不變,則圖乙中的干涉條紋變窄[C]

若出現(xiàn)圖丙中彎曲的干涉條紋,說明被檢查的平面在此處出現(xiàn)了凹陷[D]

用單色光垂直照射圖丁中的玻璃上表面,得到的條紋是等間距的同心圓環(huán)BC4.(6分)(多選)如圖,用頻率為f的單色光垂直照射雙縫,光屏上O處為中央亮條紋,P點是O上方第三條亮條紋中心,已知雙縫間距為d,雙縫到光屏的距離為L,真空中的光速為c,下列說法正確的是(

)AB對點2.光的衍射和偏振現(xiàn)象5.(4分)(2024·江蘇卷,2)用立體影院的特殊眼鏡去觀看手機液晶屏幕,左鏡片明亮,右鏡片暗,現(xiàn)在將手機屏幕旋轉(zhuǎn)90度,會觀察到(

)[A]

兩鏡片都變亮[B]

兩鏡片都變暗[C]

兩鏡片沒有任何變化[D]

左鏡片變暗,右鏡片變亮D【解析】

立體影院的特殊眼鏡利用了光的偏振原理,其鏡片為偏振片。用立體影院的特殊眼鏡去觀看手機液晶屏幕,左鏡片明亮,右鏡片暗,則此時手機液晶屏幕發(fā)出的光線的振動方向與左鏡片的透振方向一致,與右鏡片的透振方向垂直,故將手機屏幕旋轉(zhuǎn)90度后,左鏡片變暗,右鏡片變亮,故選D。6.(4分)(2024·江蘇南通一模)如圖所示,擋板上安裝有寬度可調(diào)的一條狹縫,縫后放一個光屏。用單色平行光照射狹縫,狹縫寬度從0.8mm調(diào)整為0.4mm,光屏上可能呈現(xiàn)(

)[A]

圖樣①變化為圖樣②[B]

圖樣②變化為圖樣①[C]

圖樣③變化為圖樣④[D]

圖樣④變化為圖樣③D【解析】

①和②為雙縫干涉實驗的圖樣,故A、B錯誤;用單色平行光照射狹縫,當縫調(diào)到很窄時,盡管亮條紋的亮度有所降低,但是寬度反而增大了,故可能呈現(xiàn)圖樣④變化為圖樣③,故C錯誤,D正確。7.(6分)(2024·福建福州期末)(多選)某實驗小組在光的傳播方向上分別放置單縫、雙縫、小圓孔和小圓板后,得到如下四幅圖樣,下列有關說法正確的是(

)[A]

甲是單縫衍射圖樣[B]

乙是雙縫干涉圖樣[C]

丙是小圓孔衍射圖樣[D]

丁是小圓板“泊松亮斑”衍射圖樣CD【解析】

單縫衍射與雙縫干涉圖樣的區(qū)別是:前者是中間亮條紋明且寬大,越向兩側(cè)寬度越小,后者明暗條紋相間且寬度相等,則題圖甲是雙縫干涉圖樣,題圖乙是單縫衍射圖樣,故A、B錯誤。單色光照射小圓孔做衍射實驗時,中央較大的區(qū)域內(nèi)是亮的,周圍是明暗相間的圓環(huán),條紋間距也不等,亮度向外逐漸變暗;而“泊松亮斑”的中間是一個比較小的亮點,亮度向外逐漸變亮,可知題圖丙是小圓孔衍射圖樣,題圖丁是小圓板“泊松亮斑”衍射圖樣,故C、D正確。8.(4分)(2024·山東卷,4)檢測球形滾珠直徑是否合格的裝置如圖甲所示,將標準滾珠a與待測滾珠b、c放置在兩塊平板玻璃之間,用單色平行光垂直照射平板玻璃,形成如圖乙所示的干涉條紋。若待測滾珠與標準滾珠的直徑相等為合格,下列說法正確的是(

)[A]

滾珠b、c均合格[B]

滾珠b、c均不合格[C]

滾珠b合格,滾珠c不合格[D]

滾珠b不合格,滾珠c合格C綜合提升練【解析】

若a、b、c直徑相等,則兩玻璃板之間的空氣層厚度相等,觀察不到干涉條紋;若b、c中有一個或兩個與a直徑不相等,則兩玻璃板之間的空氣層厚度不一樣,形成劈尖干涉,根據(jù)光的干涉知識可知,同一條干涉條紋位置處光的路程差相等,即滾珠a的直徑與滾珠b的直徑相等,即滾珠b合格,不同的干涉條紋位置處光的路程差不同,則滾珠a的直徑與滾珠c的直徑不