人教版高考物理一轮总复习第11章第2讲光的干涉、衍射、光的偏振、激光课时学案

这是一份人教版高考物理一轮总复习第11章第2讲光的干涉、衍射、光的偏振、激光课时学案，共11页。学案主要包含了光的干涉，光的衍射，光的偏振　激光等内容，欢迎下载使用。

一、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：两束光的频率相同、相位差恒定。
3．双缝干涉图样的特点
(1)单色光照射时形成明暗相间的等间距的干涉条纹；白光照射时，中央为白色亮条纹，其余为彩色条纹。
(2)通过亮条纹中心的位置x＝±k eq \f(l,d)λ(k＝0，1，2，…)，得相邻亮条纹(或暗条纹)之间的距离Δx与波长 λ、双缝间距d及屏到双缝间距离l的关系为Δx＝ eq \f(l,d)λ。
4．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)条纹上所对应的薄膜厚度相同。
思考辨析
1．用单色光作光源，干涉条纹是明暗相间的条纹。(√)
2．若用白光作光源，干涉条纹是明暗相间的条纹。(×)
3．水面上的油膜呈现彩色条纹，是油膜表面反射光与入射光叠加的结果。(×)
4．为什么一般情况下很难观察到光的干涉现象？
提示：由于不同光源发出的光的频率一般不同，即使是同一光源，它的不同部位发出的光也不一定有相同的频率和恒定的相位差。而且在一般情况下，也很难找到那么小的缝和那些特殊的装置。
二、光的衍射
1．发生明显衍射现象的条件：只有当障碍物的尺寸与光的波长相差不多，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象才会明显。
2．几种常见的衍射图样
3．双缝干涉与单缝衍射图样对比
单色光的双缝干涉条纹是等间距的，而单缝衍射条纹宽度不均匀，中央条纹最宽最亮，两边依次变窄变暗。
思考辨析
1．衍射和干涉条纹都是明暗相间的，所以二者是一样的。(×)
2．只有波长长的光才能发生明显的衍射现象。(×)
3．在用单色平行光照射单缝观察衍射现象的实验中，缝越宽，衍射现象越显著。(×)
4．衍射现象明显就是衍射条纹更亮吗？
提示：不是，衍射现象明显是指光绕到阴影区域的范围更大，随着孔的减小，条纹亮度减弱。
三、光的偏振 激光
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，只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．激光的特点及应用
思考辨析
1．横波和纵波都能产生偏振现象。(×)
2．自然光通过偏振片可以获得偏振光。(√)
3．激光可用做“光刀”来切开皮肤是利用激光的相干性好。(×)
4．激光作为一种人造光源，在科研、通信、工业生产、军事科技等领域都有着广泛应用，如激光干涉仪、激光测距、激光炮(如图所示)等。激光的应用如此广泛，激光到底具有哪些特性？
提示：相干性强、平行度好、亮度高。
考点1 光的干涉(能力考点)
考向1 双缝干涉
eq \a\vs4\al(典例)(多选)a、b两光分别经过同一双缝干涉装置后，在屏上形成的干涉图样如图所示，则( )
A. 在同种均匀介质中，a光的传播速度比b光的大
B. 在真空中a、b两光的传播速度相同
C. 从同种介质射入真空发生反射时，a光的全反射临界角小
D. 在相同的条件下，b光比a光更容易产生明显的衍射现象
解决本题的关键是根据图像比较干涉条纹间距大小从而得频率大小，知道全反射临界角的表达式。
【自主解答】
BCD 解析：根据公式Δx＝ eq \f(l,d)λ和题图可知，b光的波长长，根据c＝λf，可知b光的频率小，b光的折射率小，根据n＝ eq \f(c,v)，可知在同种介质中，b光的传播速度大，A错误；真空中光的传播速度相同，B正确；a光的折射率大，根据sin C＝ eq \f(1,n)，可知a光发生全发射的临界角小，C正确；因为b光的波长长，所以b光比a光更容易产生明显的衍射现象，D正确。
【核心归纳】
双缝干涉
(1)相邻两条亮(暗)条纹间的距离公式：Δx＝ eq \f(l,d)λ，对同一双缝干涉装置，光的波长越长，干涉条纹的间距越大。
(2)亮暗条纹的判断方法
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＝kλ(k＝0，1，2，…)时，光屏上的P′点处出现亮条纹。
当Δr＝(2k＋1) eq \f(λ,2)(k＝0，1，2，…)时，光屏上的P′点处出现暗条纹。
考向2 薄膜干涉
eq \a\vs4\al(典例) 劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图甲所示，将一平板玻璃放置在另一平板玻璃上，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任意相邻亮条纹和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的劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹将( )
A. 变疏 B. 变密 C. 不变 D. 消失
【自主解答】
A 解析：如图所示，若抽去一张纸片，则三角截面空气层的倾角变小，d变小，由Δx＝ eq \f(l,d)λ，可知Δx变大，即干涉条纹将变疏，A正确。
【核心归纳】
薄膜干涉的理解和应用
(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) eq \f(λ,2)(n＝0，1，2，3，…)，薄膜上出现暗条纹。
(3)应用：干涉法检查平面的平整度，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；若被检查平面不平整，则干涉条纹发生弯曲。
1．(2020·北京高考)以下现象不属于干涉的是( )
A. 白光经过杨氏双缝得到彩色图样
B. 白光照射肥皂膜呈现彩色图样
C. 白光经过三棱镜得到彩色图样
D. 白光照射水面油膜呈现彩色图样
C 解析：根据光的干涉定义可知白光经过杨氏双缝得到的彩色图样是杨氏双缝干涉，故A不符合题意；由于重力的作用，肥皂膜形成了上薄下厚的薄膜，光线通过薄膜时频率不变，条纹的产生是由于光线在薄膜前后两表面反射形成的两列光波的叠加，白光照射肥皂膜呈现彩色图样属于干涉现象，故B不符合题意；白光经过三棱镜得到彩色图样是光在折射时产生的色散现象，故C符合题意；水面上的油膜呈现彩色图样是光的干涉现象，属于薄膜干涉，故D不符合题意。
2.一个半径较大的透明玻璃球体，截取其下面的一部分，然后将这一部分放到标准的水平面上，现让单色光垂直射向截面，如图所示，在反射光中看到的是( )
A. 平行的亮暗相间的直干涉条纹
B. 环形的亮暗相间的干涉条纹
C. 只能看到同颜色的平行反射光
D. 一片黑暗
B 解析：玻璃球体的下表面和水平面的反射光是两束相干光，频率相同，发生干涉现象，干涉条纹是亮暗相间的同心圆环，所以B正确。
3．在双缝干涉实验中，双缝到光屏上P点的距离之差为0.6 μm，若分别用频率为f1＝5.0×1014 Hz和f2＝7.5×1014 Hz的单色光垂直照射双缝，则P点出现亮、暗条纹的情况是( )
A. 单色光f1和f2分别照射时，均出现亮条纹
B. 单色光f1和f2分别照射时，均出现暗条纹
C. 单色光f1照射时出现亮条纹，单色光f2照射时出现暗条纹
D. 单色光f1照射时出现暗条纹，单色光f2照射时出现亮条纹
C 解析：如图所示，双缝S1、S2到光屏上点P的距离之差d等于单色光波长的整数倍时，由S1和S2发出的光在P点互相加强，P点出现亮条纹；当d等于单色光半波长的奇数倍时，由S1和S2发出的光在P点互相抵消，出现暗条纹。单色光f1的波长λ1＝ eq \f(c,f1)＝ eq \f(3×108,5.0×1014) m＝0.6×10－6 m＝0.6 μm，单色光f2的波长λ2＝ eq \f(c,f2)＝ eq \f(3×108,7.5×1014) m＝0.4×10－6 m＝0.4 μm，可见d＝λ1＝ eq \f(3,2)λ2，故正确的选项应为C。
考点2 光的衍射(基础考点)
1．(2019·北京高考)利用如图所示的装置，观察光的干涉、衍射现象，在光屏上得到图甲和乙两种图样。下列关于P处放置的光学元件说法正确的是( )
甲 乙
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 解析：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，题图甲是单缝衍射的图样，题图乙是双缝干涉的图样，A选项正确。
2．(2019·江苏高考)将两支铅笔并排放在一起，中间留一条狭缝，通过这条狭缝去看与其平行的日光灯，能观察到彩色条纹，这是由于光的________(选填“折射”“干涉”或“衍射”)。当缝的宽度________(选填“远大于”或“接近”)光波的波长时，这种现象十分明显。
解析：光能绕过障碍物或小孔的现象叫作衍射；产生明显衍射现象的条件：障碍物或孔的尺寸与光的波长差不多或比光的波长小。
答案：衍射 接近
1．对光的衍射的理解
(1)波长越长，衍射现象越明显。在任何情况下都可以发生衍射现象，只是明显与不明显的差别。
(2)衍射现象说明“光沿直线传播”只是一种特殊情况，只有在光的波长比障碍物的尺寸小得多时，光才可以看成是沿直线传播。
2．单缝衍射与双缝干涉的比较
3．光的干涉和衍射的本质
光的干涉和衍射都属于波的叠加，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3 光的偏振、激光(基础考点)
1．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，偏振片P的右侧再放一光屏Q，现使偏振片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上的亮度变化情况，下列说法正确的是( )
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 解析：因为太阳光是自然光，自然光沿各个方向振动的光的强度都相同，经过偏振片P后变为偏振光，随着偏振片P的转动，该偏振光强度不变，故光屏Q上的亮度不变，故选C。
2．关于激光的应用问题，下列说法正确的是( )
A. 光纤通信是应用激光平行度非常好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中进行传递信息的
B. 计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用了激光有相干性的特点来进行的
C. 医学中用激光做“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点
D. “激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点
C 解析：由激光的特点及应用可知，光纤通信主要利用了激光的相干性强，A错误；计算机内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的平行度好，B错误；医疗中的激光“光刀”利用了激光亮度高的特点，C正确；激光测距利用的是激光的平行度好，D错误。
1．对偏振光的理解要点
(1)当偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向平行时，透射的光最强；当偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向垂直时，光不能穿过偏振片。
(2)当偏振光的偏振方向与偏振片的透振方向既不平行也不垂直时，仍会有部分光透过偏振片，只是透过的光的强度介于平行和垂直两种情况之间。
2．激光的特点及应用
(1)相干性好。由于激光是相干光，所以它具有易于调制的特点，可用来传递信息。光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物。
(2)平行度非常好。可以精确测距，现在利用激光测量地月距离的精确度已达到1 m。激光还被用来读取DVD、CD光盘等记录的信息。
(3)亮度非常高。可以利用激光束来切割、焊接以及在很硬的材料上打孔。医学上用激光做“光刀”，也可焊接脱落的视网膜。另外还可以利用激光产生的高压引起核聚变等。
eq \a\vs4\al(典例)在一次观察光的衍射的实验中，观察到如图所示的清晰的明暗相间的图样(黑线为暗条纹)，那么障碍物应是( )
A. 很小的不透明圆板
B. 很大的中间有大圆孔的不透明圆板
C. 很大的不透明圆板
D. 很大的中间有小圆孔的不透明圆板
【自主解答】
D 解析：由题图可知中央是大且亮的圆形亮斑，周围分布着明暗相间的同心圆环，且越向外，圆形条纹宽度越小，可判断此图样为圆孔衍射图样，故D选项正确；有的同学误选A，要注意很小的不透明圆板产生的图样中心也是亮点，但其周围有一个大的阴影区，在阴影区的边缘有明暗相间的圆环，它与圆孔衍射的图样是不同的。
【核心归纳】
1．现象：各种不同形状的障碍物也能使光发生衍射，使影的轮廓模糊不清。若在单色光传播途中，放一个较小的不透明的圆形障碍物，会发现在阴影中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑，如图所示。
2．小障碍物的衍射图样的特点：圆形阴影中心有一亮斑，圆板阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。与小孔衍射图样有明显区别。
eq \a\vs4\al(变式1)如图所示的四个图形中，属于著名泊松亮斑的衍射图样的是( )
A B C D
B 解析：泊松亮斑衍射图样的特点为中心是一个亮点，亮点周围有一个大的阴影区，然后才是明暗相间的条纹，故B正确。
eq \a\vs4\al(变式2)在学习了光的衍射现象后，徐飞回家后自己设计了一个小实验。在一个发光的小电珠和光屏之间放一个大小可以调节的圆形孔屏，在圆孔从较大调至完全闭合的过程中，他在屏上看到的现象是( )
A. 先是圆形亮区，最后完全黑暗
B. 先是圆形亮区，再是圆形亮环，最后完全黑暗
C. 先是圆形亮环，最后完全黑暗
D. 先是圆形亮环，然后圆形亮区，最后完全黑暗
B 解析：在圆孔由大到小调节的过程中，当孔较大时，光沿直线传播，在屏上得到圆形亮区；当孔的直径减小到与光波的波长相近时，产生光的衍射现象，屏上将出现明、暗相间的亮环；当孔继续减小到完全闭合，没有光到达屏上时，屏上完全黑暗。故B项正确。
特点
应用
相干性强：激光具有频率相同、相位差恒定、偏振方向一致的特点，是人工产生的相干光，具有高度的相干性
光纤通信
平行度好：激光的平行度非常好，传播很远的距离后仍能保持一定的强度
激光测距，提供目标指引
亮度高：它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量
用激光束切割、焊接，医学上可以用激光做“光刀”等
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，亮度基本相同
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