课时45　光的波动性

考点一　光的干涉　 ►基础梳理◄ 1．双缝干涉 (1)干涉现象：两列光波在空间相遇时发生叠加，在某些区域总加强，在另外一些区域总减弱，从而出现亮暗相间的条纹的现象叫光的干涉现象． (2)产生干涉的条件：两个振动情况总是相同的波源叫相干波源，只有相干波源发出的光互相叠加，才能产生干涉现象，在屏上出现稳定的亮暗相间的条纹．

2．薄膜干涉 (1)薄膜干涉的成因：由薄膜的前、后表面反射的两列光波叠加而成．劈形薄膜干涉可产生平行相间的条纹． (2)薄膜干涉的应用：①增透膜；②检查平整程度．

►疑难详析◄ 1．双缝干涉实验规律 (1)双缝干涉实验中，光屏上某点到相干光源S1、S2的路程之差为光程差，记为Δs，若光程差Δs是波长λ的整数倍，即Δs＝nλ(n＝0,1,2,3,4…)，P点将出现亮条纹；若光程差Δs是半波长的奇数倍Δs＝(2n＋1)λ/2(n＝0,1,2,3，…)，P点将出现暗条纹．

(2)屏上明暗条纹之间的距离总是相等的，其距离大小Δx与双缝之间的距离d，双缝到屏的距离L及光的波长λ有关，即Δx＝Lλ/d (2)屏上明暗条纹之间的距离总是相等的，其距离大小Δx与双缝之间的距离d，双缝到屏的距离L及光的波长λ有关，即Δx＝Lλ/d.在L和d不变的情况下，Δx和波长λ成正比，应用该式可测光波的波长λ.

2．薄膜干涉条纹规律分析 在分析条纹的特点时，应该牢牢把握住两点：一是同一个亮(或暗)条纹所对应的空气膜厚度相同；二是相邻亮(或暗)条纹所对应的空气膜厚度成等差数列．被检测面如果平整光滑，干涉图样应该是宽度、间距都均匀的条纹，条纹走向应该与交轴平行．

►深化拓展◄ 1．若用单色光实验，在屏上得到明暗相间的条纹；若用白光实验，中央是白色条纹，两侧是彩色条纹． 2．用同一实验装置做干涉实验，红光干涉条纹的间距最大，紫光干涉条纹间距最小，故可知红光波长大于紫光，红光频率小于紫光．

考点二　光的衍射　 ►基础梳理◄ 1．光的衍射现象 光在遇到障碍物时，偏离直线传播方向而照射到阴影区域的现象叫做光的衍射． 2．光发生明显衍射现象的条件 当孔或障碍物的尺寸比光波波长小，或者跟波长差不多时，光才能发生明显的衍射现象．

3．各种衍射图样 (1)单缝衍射：中央为亮条纹，两侧有明暗相间的条纹，但间距和亮度不同．白光衍射时，中央仍为白光，最靠近中央的是紫光，最远离中央的是红光． (2)圆孔衍射：明暗相间的不等距圆环． (3)泊松亮斑：光照射到一个半径很小的圆板后，在圆板的阴影中心出现的亮斑，这是光能发生衍射的有力证据之一．

►疑难详析◄ 光的干涉和光的衍射的关系 1．光的干涉和光的衍射都是光波叠加的结果，只是干涉条纹是通过双缝的两束相干光的叠加而形成的，而衍射是通过单缝或三缝及更多缝的光相遇时叠加的结果．干涉中也有衍射． 2．干涉和衍射的图样有相似之处，都是明暗相间的条纹．只是干涉条纹中条纹宽度和亮纹亮度相同，而衍射条纹中条纹宽度和亮纹亮度均不等，中央亮纹最宽最亮．

考点三　光的偏振　 ►基础梳理◄ 1．偏振光：在跟光传播方向垂直的平面内，只沿着某个特定的方向振动，这种光叫偏振光．如自然光经偏振片作用后的光． 2．自然光：在与光波传播方向垂直的平面内有振动(指E的振动)，沿各个方向振动强度都相同，如太阳、电灯等普通光源发出的光．

3．光的偏振现象证明光是横波． 4．偏振光的应用：全息照相、立体电影、消除车灯眩光等．

►疑难详析◄ 自然光经两个相互垂直的偏振片后光强为零；经一个偏振片后光强变为原来的一半，只有横波才有偏振现象．

考点四　实验：用双缝干涉测光的波长　 一、实验目的 1．了解光波产生稳定的干涉现象的条件； 2．观察白光及单色光的双缝干涉图样； 3．测定单色光的波长．

二、实验原理 1．光通过双缝干涉仪器上的单缝和双缝后，得到振动情况完全相同的光，它们在双缝后面的空间互相叠加，会发生干涉现象．如果用单色光照射，在屏上会得到明暗相间的条纹；如果用白光照射，可在屏上观察到彩色条纹．

2．本实验要测单色光的波长，单色光通过双缝干涉后产生明暗相间的等间距直条纹，条纹的间距与相干光源的波长有关，设双缝宽d，双缝到屏的距离为l，相干光源的波长为λ，则产生干涉图样中相邻两条亮(或暗)条纹之间的距离Δx＝lλ/d，由此得λ＝Δxd/l，可知只要测得d、l、Δx即可测得波长．相干光源的产生用“一分为二”的方法，用滤光片获取单色光，单色光通过单缝后，相当于线光源，再通过双缝，产生稳定的干涉图样．

三、实验器材 双缝干涉仪：包括光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、光屏、光具座、测量头及刻度尺等．

四、实验步骤 1．将光源、单缝、遮光筒、毛玻璃屏依次安装在光具座上． 2．接好光源，打开开关，使灯丝正常发光． 3．调节各器材的高度，使光源灯丝发出的一束光，能沿轴线到达光屏． 4．安装双缝，使双缝与单缝的缝平行，二者间距约5 cm～10 cm，观察白光的干涉条纹． 5．在单缝和光源间放上滤光片，观察单色光的干涉条纹，安装测量头，调节至可清晰观察到干涉条纹．

6．使分划板中心刻线对齐某亮(或暗)条纹的中央，记下手轮上的读数a1，转动手轮使分划板中心刻线移动，记下移动的条数n和移动后手轮的读数a2，a1与a2的差即为n条亮纹的间距． 7．用刻度尺测量双缝到光屏的距离l(d是已知的)． 8．重复测量、计算，求出波长的平均值． 9．换用不同滤光片，重复实验．

六、注意事项 1．实验时应调节各器件共轴，否则光线无法到达光屏． 2．测量Δx时，分划板的刻线始终以条纹中央为准． 3．双缝与单缝的缝应平行．

题型一　对双缝干涉条件的理解 [例1]　如图1所示，在双缝干涉实验中，S1和S2为双缝，P是光屏上的一点，已知P点与S1、S2距离之差为2.1×10－6 m，分别用A、B两种单色光在空气中做双缝干涉实验，问P点是亮条纹还是暗条纹？ 图1

(1)已知A光在折射率为n＝1.5的介质中波长为4×10－7 m. (2)已知B光在某种介质中波长为3.15×10－7 m，当B光从这种介质射向空气时，临界角为37°.

[答案]　(1)暗条纹　(2)亮条纹

题后反思：(1)这类题目的解题关键是看光的路程差是波长的整数倍还是半波长的奇数倍，从而确定是明条纹还是暗条纹． (2)实验装置放在哪种介质中就要用哪种介质中的波长进行计算，不可张冠李戴．本题中装置是放在空气中的，故要求出在空气中的波长． (3)要明确同种颜色光在不同介质中传播时，频率不变，但波长随波速的变化而变化，要注意n＝ 及v＝λf的综合运用．

如图2所示为双缝干涉实验装置．当使用波长为6×10－7 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纹．若使用波长为4×10－7 m的紫光重复上述实验，在P点和P1点形成的明、暗纹情况是 (　　) A．P和P1都是明纹 B．P是明纹，P1是暗纹 C．P是暗纹，P1是明纹 D．P和P1都是暗纹 图2

解析：根据形成明暗条纹条件可知：无论换用哪种波长的色光，δ＝PS1－PS2，故P点总是明纹．橙色光在P1点形成第一条明条纹，有δ＝P1S2－P1S1＝nλ＝1×6×10－7 m＝6×10－7 m，这对紫光来说：P1S2－P1S1＝1.5λ紫，故P1为暗纹，正确选项为B. 答案：B

题型二　对薄膜干涉的理解 [例2]　劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图3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3乙所示，干涉条纹有如下特点：(1)任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；(2)任意相邻明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将如何变化？

图3

图4

[答案]　变疏 题后反思：在薄膜干涉中，膜厚度相同的位置在同一条条纹上，当薄膜厚度为光在膜中波长的nλ＋ (n＝0,1,2，…)时，此处为亮条纹，当薄膜厚度为光在膜中波长的nλ＋ (n＝0,1,2，…)时，此处为暗条纹．可以根据上述结论分析薄膜干涉中条纹的变化．

登山运动员在登雪山时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，否则将会严重地损害视力．有人想利用薄膜干涉的原理设计一种能大大减小对眼睛伤害的眼镜．他选用的薄膜材料的折射率为n＝1.5，所要消除的紫外线的频率为8.1×1014 Hz.那么他设计的这种“增反膜”的厚度至少是多少？

答案：1.23×10－7 m

题型三　用双缝干涉测光的波长 [例3]　某同学设计了一个测定激光的波长的实验装置如图5(a)所示，激光器发出的一束直径很小的红色激光进入一个一端装有双缝、另一端装有感光片的遮光筒，感光片的位置上出现一排等距的亮点，图5(b)中的黑点代表亮点的中心位置．

图5

(1)这个现象说明激光具有________________性． (2)通过测量相邻光点的距离可算出激光的波长，据资料介绍，如果双缝的缝间距离为a，双缝到感光片的距离为L，感光片上相邻两光点间的距离为b，则激光的波长λ＝ . 该同学测得L＝1.0000 m、缝间距a＝0.220 mm，用带十分度游标的卡尺测感光片上的点的距离时，尺与点的中心位置如图5(b)所示．

图5(b)图中第1到第4个光点的距离是____________ mm.实验中激光的波长λ＝________ m．(保留两位有效数字) (3)如果实验时将红激光换成蓝激光，屏上相邻两光点间的距离将________．

[答案]　(1)波动 (2)8.5　6.2×10－7　(3)变小． 题后反思：双缝干涉是光具有波动性的有力的实验证据．通过对干涉图样的观察、测量与有关计算分析，让学生建立牢固的波的形象的概念．

(2009·北京高考)在《用双缝干涉测光的波长》实验中，将双缝干涉实验仪按要求安装在光具座上(如图6)，并选用缝间距d＝0 (2009·北京高考)在《用双缝干涉测光的波长》实验中，将双缝干涉实验仪按要求安装在光具座上(如图6)，并选用缝间距d＝0.20 mm的双缝屏．从仪器注明的规格可知，像屏与双缝屏间的距离L＝700 mm.然后，接通电源使光源正常工作．

图6 图7 图8

①已知测量头主尺的最小刻度是毫米，副尺上有50分度．某同学调整手轮后，从测量头的目镜看去，第一次映入眼帘的干涉条纹如图7(a)所示，图7(a)中的数字是该同学给各暗纹的编号，此时图7(b)中游标尺上的读数x1＝1.16 mm；接着再转动手轮，映入眼帘的干涉条纹如图8(a)所示，此时图8(b)中游标尺上的读数x2＝________mm； ②利用上述测量结果，经计算可得两个相邻明纹(或暗纹)间的距离Δx＝________mm；这种色光的波长λ＝________nm.

答案：①15.02　②2.31　6.6×102

1．(2008·上海高考)在杨氏双缝干涉实验中，如果 (　　) A．用白光作为光源，屏上将呈现黑白相间的条纹 B．用红光作为光源，屏上将呈现红黑相间的条纹 C．用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上将呈现彩色条纹 D．用紫光作为光源，遮住其中一条狭缝，屏上将呈现间距不等的条纹

解析：白光作为光源，屏上将呈现彩色条纹，A错；B为红光的双缝干涉，图样为红黑相间，故B正确；红光和紫光频率不同，不能产生干涉图样，C错；遮住一条狭缝时，紫光将发生单缝衍射，形成衍射图样，D正确． 答案：BD

2．(2008·上海高考)用如图9所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象．图(a)是点燃酒精灯(在灯芯上洒些盐)，图(b)是竖立的附着一层肥皂液薄膜的金属丝圈．将金属丝圈在其所在的竖直平面内缓慢放置，观察到的现象是 (　　) 图9

A．当金属丝圈旋转30°时干涉条纹同方向旋转30° B．当金属丝圈旋转45°时干涉条纹同方向旋转90° C．当金属丝圈旋转60°时干涉条纹同方向旋转30° D．干涉条纹保持原来状态不变 解析：金属丝圈在竖直平面内缓慢旋转时，楔形薄膜形状各处厚度形状几乎不变．因此，形成的干涉条纹保持原状态不变，D正确，ABC错误． 答案：D

3．(2008·北京高考)下列说法正确的是 (　　) A．用分光镜观测光谱是利用光折射时的色散现象 B．用X光机透视人体是利用光电效应 C．光导纤维传输信号是利用光的干涉现象 D．门镜可以扩大视野是利用光的衍射现象 解析：B是利用X射线的穿透性，C是全反射现象，D是利用光的折射现象，B、C、D均错误，只有A原理叙述正确． 答案：A

4．(2008·天津高考)下列有关光现象的说法正确的是 (　　) A．在光的双缝干涉实验中，若仅将入射光由紫光改为红光，则条纹间距一定变大 B．以相同入射角从水中射向空气，紫光能发生全反射，红光也一定能发生全反射 C．紫光照射某金属时有电子向外发射，红光照射该金属时也一定有电子向外发射 D．拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加装一个偏振片以增加透射光的强度

解析：在双缝干涉实验中，条纹间距d与入射光波长成正比，所以入射光由紫光改为红光时波长增长，条纹间距d变大，A项正确．全反射中的临界角为C，由sinC＝ 可知，折射率越大，临界角越小，即紫光的临界角小于红光的临界角，所以紫光能发生全反射时，红光不一定能发生全反射，则B错误．金属的逸出功一定，由hν＝W＋Ek，紫光能使金属发生光电效应，而红光频率低不一定能使金属发生光电效应，所以C错误．在镜头前加装偏振片是为减弱玻璃反射的光对拍摄的负面影响，所以D错误． 答案：A

5．(2009·福建高考)光在科学技术、生产和生活中有着广泛的应用，下列说法正确的是 (　　) A．用透明的标准平面样板检查光学平面的平整程度是利用光的偏振现象 B．用三棱镜观察白光看到的彩色图样是利用光的衍射现象 C．在光导纤维束内传送图像是利用光的色散现象 D．光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象

解析：本题考查反映光的波动性特征的光学现象及其在科学技术、生产和生活中的应用；意在考查考生对基本知识的识记和应用．A项是利用薄膜干涉的原理，错误；B项，用三棱镜观察白光看到的彩色图样，是由于三棱镜对不同频率的光折射率不同而形成的色散现象，错误；C项，在光导纤维束内传送图象是利用光的全反射原理，错误；D项，光学镜头上的增透膜是利用了薄膜干涉的原理，正确。 答案：D