鲁科版高中物理选择性必修第一册第5章光的干涉衍射和偏振章末测评含答案

光的干涉、衍射和偏振

(分值：100分)

1．(3分)某同学使用激光器作光源，在不透光的挡板上开一条缝宽为0.05 mm的窄缝，进行光的衍射实验，如图所示，则他在光屏上看到的条纹是(　　)

B　[单缝衍射条纹中间宽，两侧越来越窄，又由于单缝是水平的，衍射条纹也是水平的，故B对．]

2．(3分)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

C　[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．]

3．(3分)如图所示是双缝干涉的实验装置，其光屏上P处发现明条纹，则双缝到光屏上P点的距离之差为(　　)

A．光波的半波长的奇数倍

B．光波的波长的奇数倍

C．光波的半波长的偶数倍

D．光波的波长的偶数倍

C　[在双缝干涉实验中，光屏上某点到双缝的路程差为半波长的偶数倍时，该点为加强点，出现亮条纹；光屏上某点到双缝的路程差为半波长的奇数倍时，该点为减弱点，出现暗条纹．]

4．(3分)某次实验中测得第一级明条纹和第三级明条纹相距4.0×10－2 m，若双缝间距为0.1 mm，双缝到屏的距离为l＝4.0 m，则光波的波长为(　　)

A．8.0×10－8 m B．5.0×10－7 m

C．1.5×10－8 m D．1.6×10－8 m

B　[条纹间距Δx＝＝ m＝2.0×10－2 m，由Δx＝λ，可得λ＝＝5.0×10－7 m．]

5．(3分)如图所示，把酒精灯放在肥皂液薄膜前，从薄膜上可看到明暗相间的条纹，能解释这一现象产生原因的示意图是(图中实线、虚线为光照射到薄膜上时，从膜的前后表面分别反射形成的两列波)(　　)

A　　　　　B　　　　　C　　　　　D

C　[看到的明暗条纹是从膜前后表面分别反射形成的两列相干波发生干涉形成的，而肥皂膜中的液体在重力作用下导致从上至下的薄膜厚度不同，反射回来的两列波的同步性不同，明条纹是相干加强形成的，暗条纹是相干减弱形成的，故C项正确．]

6．(3分)1966年华裔科学家高锟博士提出一个理论：直径仅几微米的玻璃纤维就可以用来做为光的波导来传输大量信息，43年后高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖，他被誉为“光纤通讯之父”．以下哪个实验或现象的原理和光导纤维是相同的(　　)

甲　　　　乙　　　　丙　　　　丁

A．图甲中，弯曲的水流可以导光

B．图乙中，用偏振眼镜看3D电影，感受到立体的影像

C．图丙中，阳光下的肥皂薄膜呈现彩色

D．图丁中，白光通过三棱镜，出现色散现象

A　[图甲中，弯曲的水流可以导光是因为光在水和空气界面上发生了全反射现象，故与光导纤维原理相同，A正确；图乙中，用偏振眼镜看3D电影，感受到立体的影像是因为光的偏振现象，B错误；图丙中，阳光下的肥皂薄膜呈现彩色是因为光的干涉现象，C错误；图丁中，白光通过三棱镜，出现色散现象是因为光发生了折射现象，D错误．]

7．(3分)在太阳光照射下，肥皂泡的表面会出现彩色条纹；通过两支并在一起的铅笔狭缝去观察发光的日光灯，也会看到彩色条纹，这两种现象(　　)

A．都是光的衍射现象

B．都是光的干涉现象

C．前者是光的干涉现象，后者是光的衍射现象

D．前者是光的衍射现象，后者是光的干涉现象

C　[在太阳光照射下，肥皂泡的表面会出现彩色条纹，这是薄膜干涉现象；通过两支并在一起的铅笔狭缝去观察发光的日光灯，也会看到彩色条纹，这是单缝衍射现象．选项C正确．]

8．(3分)利用图1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2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

A　[根据单缝衍射图样和双缝干涉图样特点判断．

单缝衍射图样为中央亮条纹最宽最亮，往两边变窄，双缝干涉图样是明暗相间的条纹，条纹间距相等，条纹宽度相等，结合图甲、乙可知，甲对应单缝，乙对应双缝，故A正确，B、C、D错误．]

9．(6分)如图所示，在“用双缝干涉测光的波长”实验中，光具座上放置的光学元件依次为：①光源、②、③、④、⑤遮光筒、⑥毛玻璃．

(1)②、③、④三个光学元件依次为________(填正确答案的标号)；

A．滤光片、单缝、双缝 

B．单缝、滤光片、双缝

C．单缝、双缝、滤光片 

D．滤光片、双缝、单缝

(2)如果实验时将红光滤光片换为绿光滤光片，则相邻亮纹(暗纹)间的距离________；(选填“变大”或“变小”)

(3)某次测量时，选用的双缝的间距为0.300 mm，测得屏与双缝间的距离为1.20 m，第1条暗条纹到第4条暗条纹之间的距离为7.56 mm，则所测单色光的波长λ为________nm(结果保留3位有效数字)．

[解析]　(1)为获取单色线光源，白色光源后面要有滤光片、单缝、双缝，故A正确．

(2)根据Δx＝λ知增大光屏到双缝的距离L或者减小双缝间距d，可以使条纹间距增大；当将红光滤光片换为绿光滤光片，即波长减小，则相邻亮纹(暗纹)间的距离变小．

(3)根据：Δx＝λ得：λ＝＝＝0.63×10－6 m＝630 nm．

[答案]　(1)A　(2)变小　(3)630

10．(7分)应用激光平行性好的特性，可以精确地测量距离．对准目标发射一个极短的激光脉冲，测量发射脉冲与收到反射脉冲的时间间隔，就可以求出激光器到目标的距离．若在地球上向月球发射一个激光脉冲，测得从发射到收到反射脉冲所用的时间为2.56 s，求月球到地球的距离大约是多少？

[解析]　真空中的光速c＝3.0×108 m/s，

从发射脉冲到收到反射脉冲所用时间t＝2.56 s，月球与地球距离为：

l＝ct＝×3.0×108×2.56 m＝3.84×105 km．

[答案]　3.84×105 km

11．(4分)(多选)有关光的应用，下列说法正确的是(　　)

A．拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加一个偏振片以增加透射光的强度

B．光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象

C．用三棱镜观察白光看到的彩色图样是光的折射形成的色散现象

D．在光导纤维束内传送图像是利用光的全反射原理

BCD　[拍摄玻璃橱窗内的物品时，在镜头前加一个偏振片减弱反射光的强度，故A错误；增透膜是利用薄膜干涉，故B正确；用三棱镜观察白光，由于三棱镜对不同色光的折射率不同，进出三棱镜的偏折角度不同，出现了不同色光的色散，故C正确；光导纤维束内传送图像是利用光的全反射原理，故D正确．]

12．(4分)(多选)关于杨氏实验，下列说法中正确的是(　　)

A．两波源只要具有相同的频率和振动方向，两列波相遇时就能产生干涉现象

B．单色光通过单缝后射向两个靠得很近的狭缝可作为振动情况总是相同的波源

C．两波源发出的光波在波谷与波谷叠加的地方，光相互抵消或者削弱，屏上出现暗条纹

D．两个波源发出的光波在波峰与波峰叠加的地方，光相互加强，屏上出现亮条纹

BD　[在杨氏实验中，两个狭缝的光源来自同一光源，具有相同的频率、相位和振动方向，具备干涉条件，所以通过两个狭缝的光在屏上叠加，波峰和波峰叠加的地方，波谷和波谷叠加的地方，光相互加强，屏上出现亮条纹，波峰和波谷叠加的地方，光相互抵消或削弱，形成暗条纹，所以，选项B、D正确，A、C错误．]

13．(4分)(多选)小明同学在假期旅游期间学习摄影，他发现照相机镜头呈现淡紫色．如图所示是他拍摄的两张照片：甲图的湖泊远景照中，能看到远处山峰的清晰倒影，看不到水面下景物：乙图的湖水近景照中，能清楚看到鱼、石头等水下景物，则(　　)

甲　　　　　乙

A．镜头呈现淡紫色是镜头表面所镀膜使光发生干涉的结果

B．甲图山峰倒影非常清晰是因为来自山峰的光在水面发生了全反射

C．乙图水下景物的光射到水面时因入射角较小致反射光强而折射光弱

D．拍摄乙图时若安装透振方向与水面反射光偏振方向垂直的偏振片将更清淅

AD　[照相机镜头镀了多层的增透膜，增强了可见光的透过性，由于高频的蓝光和紫光等并不能完全地干涉抵消，因此镜头呈现淡紫色，故A正确；甲图中的倒影是因为来自山峰的光通过水面反射进入镜头而引起的，而全反射在光线由光密介质射入光疏介质才会发生，故B错误；当光从光密介质入射到光疏介质时，只有当入射角增大才会使反射光增强而折射光减弱，故C错误；拍摄乙图时，来自于水下鱼的光通过水面的折射再进入镜头，为了使照片更清晰，可以利用偏振片来减少在水面发生反射而进入镜头的光，故D正确．]

14．(4分)(多选)如图所示的双缝干涉实验，用绿光照射单缝S时，在光屏P上观察到干涉条纹．要得到相邻条纹间距更大的干涉图样，可以(　　)

A．减小S1与S2的间距

B．减小双缝屏到光屏的距离

C．将绿光换为红光

D．将整个装置放在水中

AC　[根据双缝干涉条纹的间距公式Δx＝λ知，减小双缝间的距离，即d变小，则干涉条纹间距减大，故A正确；根据双缝干涉条纹的间距公式Δx＝λ知，减小双缝到屏的距离，即l减小，干涉条纹间距减小，故B错误；根据双缝干涉条纹的间距公式Δx＝λ知，将绿光换为红光，波长变长，则干涉条纹间距变大，故C正确；因为v＝，λ＝，则光进入水中的波长λ′＝＝＝．光进入水中波长变短，根据双缝干涉条纹的间距公式Δx＝λ知，波长变短，则干涉条纹间距变小，故D错误．]

15．(8分)(1)某同学用图甲所示的装置做“用双缝干涉测量光的波长”的实验，他采用了蓝色灯作为光源，在测量头目镜中观察到如图乙所示的蓝色条纹．在不改变其他实验条件的情况下，观察到目镜中的条纹如图丙所示，则可能的原因是________．

A．单缝宽度变小了

B．双缝间距变小了

C．光源与单缝间的距离变大了

D．光源的发光强度变大了

(2)干涉条纹除了可以通过双缝干涉观察到外，把一个凸透镜压在一块平面玻璃上(图甲)，让单色光从上方射入(示意图如图乙，其中R为凸透镜的半径)，从上往下看凸透镜，也可以观察到由干涉造成图丙所示的环状条纹，这些条纹叫作牛顿环．如果改用波长更长的单色光照射，观察到的圆环半径将________(选填“变大”“变小”或“不变”)；如果换一个半径更大的凸透镜，观察到的圆环半径将________(选填“变大”“变小”或“不变”)．

甲　　　　　　乙　　　　　　丙

(3)采用波长为690 nm的红色激光作为单色入射光，牛顿环的两条相邻亮条纹位置所对应的空气膜的厚度差约为________．

A．345 nm B．690 nm

C．几微米 D．几毫米

[解析]　 (1)根据条纹间距公式Δx＝λ可知，当双缝间距d减小时，条纹间距增大，故选项B正确，A、C、D错误．

(2)当光程差为波长的整数倍时是亮条纹，当光程差为半个波长的奇数倍时是暗条纹；用波长变长的光照射，则出现亮条纹的这一厚度远离中心，则圆环的半径变大；换一个表面曲率半径更大的凸透镜，出现亮条纹的这一厚度偏移中心，知圆环的半径变大．

(3)由题意知相邻亮条纹对应的空气层的厚度差为半个波长，故为345 nm，故选项A正确，B、C、D错误．

[答案]　(1)B　(2)变大　变大　(3)A

16．(9分)一种红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道闪光，每道闪光为一个(列)光脉冲，若这种激光器光脉冲的持续时间为1.0×10－11 s，波长为694.3 nm，发射功率为1.0×1010 W，求：

(1)每列光脉冲的长度是多少？

(2)用这种红宝石激光器照射皮肤上的色斑，每平方厘米色斑吸收能量达到60 J以后，色斑便逐渐消失，一块色斑的面积为50 mm2，则它要吸收多少个(列)红宝石激光脉冲才能逐渐消失？

[解析]　(1)光脉冲持续时间即为发射一个光脉冲所需的时间，所以一个光脉冲长度Δl＝c·Δt＝3×108×1.0×10－11 m＝3.0×10－3 m．

(2)面积为1 cm2的色斑吸收的能量E＝60 J，色斑便逐渐消失．而1个光脉冲的能量为

ΔE＝P·Δt＝1.0×1010×1.0×10－11 J＝0.1 J

消除50 mm2的色斑需要光脉冲数为

n＝＝＝300(个)．

[答案]　(1)3.0×10－3 m　(2)300 个

17．(14分)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：

(1)任意一条亮条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；

(2)任意相邻亮条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定．

现若在图甲装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹会发生怎样变化？

甲　　　　　　　　乙

[解析]　光线在空气膜的上、下表面发生反射，并发生干涉，从而形成干涉条纹．设空气膜顶角为θ，d1、d2处为两相邻亮条纹，如图所示，则此两处的光程分别为δ1＝2d1，δ2＝2d2．

因为光程差δ2－δ1＝λ，所以d2－d1＝λ．

设此两相邻亮纹中心的距离为Δl，则由几何关系得＝tan θ，即Δl＝，当抽去一张纸片θ减小，Δl增大，条纹变疏．

[答案]　干涉条纹会变疏

18．(16分)1801年，托马斯·杨用双缝干涉实验研究了光波的性质．1834年，洛埃利用单面镜同样得到了杨氏干涉的结果(称洛埃镜实验)．

(1)洛埃镜实验的基本装置如图所示，S为单色光源，M为一平面镜． 试用平面镜成像作图法画出S经平面镜反射后的光与直接发出的光在光屏上相交的区域．

(2)设光源S到平面镜的垂直距离和到光屏的垂直距离分别为a和L，光的波长为λ，在光屏上形成干涉条纹．写出相邻两条亮纹(或暗纹)间距离Δx的表达式．

[解析]　(1)①根据对称性作出光源S在平面镜中所成的像S′．②连接平面镜的最左端和光源，即为最左端的入射光线，连接平面镜的最左端和像点S′，并延长交光屏于一点，该点即为反射光线到达的光屏的最上端；同理连接平面镜的最右端和像点S′，即可找到反射光线所能到达的平面镜的最下端．故经平面镜反射后的光与直接发出的光在光屏上相交的区域如图所示．

(2)从光源直接发出的光和被平面镜反射的光实际上是同一列光，故是相干光，该干涉现象可以看作双缝干涉，所以SS′之间的距离为d，而光源S到光屏的距离可以看作双孔屏到像屏距离L，根据双缝干涉的相邻条纹之间的距离公式Δx＝λ，因为d＝2a，所以相邻两条亮纹(或暗纹)间距离Δx＝λ．

[答案]　(1)见解析图　(2)Δx＝