第2講光的干涉、衍射和偏振電磁波目標(biāo)要求1.知道什么是光的干涉、衍射和偏振.2.掌握雙縫干涉中出現(xiàn)亮、暗條紋的條件.3.知道發(fā)生明顯衍射的條件.4.理解麥克斯韋電磁場理論，了解電磁波的產(chǎn)生、發(fā)射、傳播和接收過程．考點一光的干涉現(xiàn)象光的干涉(1)定義：在兩列光波疊加的區(qū)域，某些區(qū)域相互加強，出現(xiàn)亮條紋，某些區(qū)域相互減弱，出現(xiàn)暗條紋，且加強區(qū)域和減弱區(qū)域相互間隔的現(xiàn)象．(2)條件：兩束光的頻率相同、相位差恒定．(3)雙縫干涉圖樣特點：單色光照射時，形成明暗相間的等間距的干涉條紋．1．光的顏色由光的頻率決定．(√)2．頻率不同的兩列光波不能發(fā)生干涉．(√)3．在“雙縫干涉”實驗中，雙縫的作用是使白光變成單色光．(×)4．在“雙縫干涉”實驗中，雙縫的作用是用“分光”的方法使兩列光的頻率相同．(√)1．雙縫干涉(1)條紋間距：Δx＝eq\f(l,d)λ，對同一雙縫干涉裝置，光的波長越長，干涉條紋的間距越大．(2)明暗條紋的判斷方法：如圖所示，相干光源S1、S2發(fā)出的光到屏上P′點的路程差為Δr＝r2－r1.當(dāng)Δr＝nλ(n＝0,1,2…)時，光屏上P′處出現(xiàn)明條紋．當(dāng)Δr＝(2n＋1)eq\f(λ,2)(n＝0,1,2…)時，光屏上P′處出現(xiàn)暗條紋．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，從膜的前表面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：兩個表面反射回來的兩列光波的路程差Δr等于薄膜厚度的2倍，光在薄膜中的波長為λ.在P1、P2處，Δr＝nλ(n＝1,2,3…)，薄膜上出現(xiàn)明條紋．在Q處，Δr＝(2n＋1)eq\f(λ,2)(n＝0,1,2,3…)，薄膜上出現(xiàn)暗條紋．(3)應(yīng)用：增透膜、檢查平面的平整度．考向1光的干涉的理解和明暗條紋的判斷例1如圖所示，用頻率為f的單色光(激光)垂直照射雙縫，在光屏的P點出現(xiàn)第3條暗條紋，已知光速為c，則P到雙縫S1、S2的距離之差|r1－r2|應(yīng)為()A.eq\f(c,2f)B.eq\f(3c,2f)C.eq\f(3c,f)D.eq\f(5c,2f)答案D解析出現(xiàn)第3條暗條紋，說明S1、S2到P點距離之差為eq\f(λ,2)(2n－1)＝eq\f(λ,2)(2×3－1)＝eq\f(5,2)λ，而λ＝eq\f(c,f)，所以|r1－r2|＝eq\f(5,2)λ＝eq\f(5c,2f)，故D正確．考向2薄膜干涉例2(多選)(2021·浙江6月選考·16)肥皂膜的干涉條紋如圖所示，條紋間距上面寬、下面窄．下列說法正確的是()A.過肥皂膜最高和最低點的截面一定不是梯形B．肥皂膜上的條紋是前后表面反射光形成的干涉條紋C．肥皂膜從形成到破裂，條紋的寬度和間距不會發(fā)生變化D．將肥皂膜外金屬環(huán)左側(cè)的把柄向上轉(zhuǎn)動90°，條紋也會跟著轉(zhuǎn)動90°答案AB解析肥皂膜因為自重會上面薄而下面厚，因表面張力的原因其截面應(yīng)是一個圓滑的曲面而不是梯形，A正確；薄膜干涉是等厚干涉，干涉條紋是前后表面反射光形成的，B正確；形成條紋的原因是前后表面的反射光疊加出現(xiàn)了振動加強點和振動減弱點，從形成到破裂的過程中上面越來越薄，下面越來越厚，因此會出現(xiàn)加強點和減弱點的位置發(fā)生變化，條紋寬度和間距發(fā)生變化，C錯誤；將肥皂膜外金屬環(huán)左側(cè)的把柄向上轉(zhuǎn)動90°，由于重力、表面張力和粘滯力的作用，肥皂膜的形狀和厚度會重新分布，因此條紋并不會跟著旋轉(zhuǎn)90°，D錯誤．例3(多選)圖甲是用光的干涉法來檢查物體平面平整程度的裝置，其中A為標(biāo)準(zhǔn)平板，B為待檢查的物體，C為入射光，圖乙為觀察到的干涉條紋，下列說法正確的是()A．入射光C應(yīng)采用單色光B．圖乙條紋是由A的下表面反射光和B的上表面反射光發(fā)生干涉形成的C．當(dāng)A、B之間某處距離為入射光的半波長奇數(shù)倍時，對應(yīng)條紋是暗條紋D．由圖乙條紋可知，被檢查表面上有洞狀凹陷答案AB考點二光的衍射和偏振現(xiàn)象1．光的衍射發(fā)生明顯衍射的條件：只有當(dāng)障礙物或狹縫的尺寸足夠小的時候，衍射現(xiàn)象才會明顯．2．光的偏振(1)自然光：包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，而且沿著各個方向振動的光波的強度都相同．(2)偏振光：在垂直于光的傳播方向的平面上，只沿著某個特定的方向振動的光．(3)偏振光的形成①讓自然光通過偏振片形成偏振光．②讓自然光在兩種介質(zhì)的界面發(fā)生反射和折射，反射光和折射光可以成為部分偏振光或完全偏振光．(4)偏振光的應(yīng)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．(5)光的偏振現(xiàn)象說明光是一種橫波．1．陽光下茂密的樹林中，地面上的圓形亮斑是光的衍射形成的．(×)2．泊松亮斑是光的衍射形成的．(√)3．光遇到障礙物時都能產(chǎn)生衍射現(xiàn)象．(√)4．自然光是偏振光．(×)1．單縫衍射與雙縫干涉的比較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2．光的干涉和衍射的本質(zhì)從本質(zhì)上看，干涉條紋和衍射條紋的形成有相似的原理，光的干涉和衍射都屬于光波的疊加，干涉是從單縫通過兩列頻率相同的光波在屏上疊加形成的，衍射是由來自單縫上不同位置的光在屏上疊加形成的．考向1單縫衍射與雙縫干涉的比較例4如圖所示的4種明暗相間的條紋分別是紅光、藍光各自通過同一個雙縫干涉儀器形成的干涉圖樣以及黃光、紫光各自通過同一個單縫形成的衍射圖樣(黑色部分表示亮條紋)．在下面的4幅圖中從左往右排列，亮條紋的顏色依次是()A．紅黃藍紫 B．紅紫藍黃C．藍紫紅黃 D．藍黃紅紫答案B解析雙縫干涉條紋是等間距的，而單縫衍射條紋除中央亮條紋最寬、最亮之外，兩側(cè)條紋亮度、寬度都逐漸減小，因此1、3為雙縫干涉條紋，2、4為單縫衍射條紋．相鄰亮條紋間距Δx＝eq\f(l,d)λ，紅光波長比藍光波長長，則紅光干涉條紋間距大于藍光干涉條紋間距，即1、3分別對應(yīng)紅光和藍光．而在單縫衍射中，當(dāng)單縫寬度一定時，波長越長，衍射越明顯，即中央條紋越寬越亮，黃光波長比紫光波長長，即2、4分別對應(yīng)紫光和黃光．綜上所述，1、2、3、4四個圖中亮條紋的顏色依次是：紅、紫、藍、黃，B正確．考向2光的偏振例5奶粉的碳水化合物(糖)的含量是一個重要指標(biāo)，可以用“旋光法”來測量糖溶液的濃度，從而鑒定含糖量．偏振光通過糖的水溶液后，偏振方向會相對于傳播方向向左或向右旋轉(zhuǎn)一個角度α，這一角度α稱為“旋光度”，α的值只與糖溶液的濃度有關(guān)，將α的測量值與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，就能確定被測樣品的含糖量了．如圖所示，S是自然光源，A、B是偏振片，轉(zhuǎn)動B，使到達O處的光最強，然后將被測樣品P置于A、B之間．(1)偏振片A的作用是_______________________________________．(2)偏振現(xiàn)象證明了光是一種________．(3)以下說法中正確的是________．A．到達O處光的強度會減弱B．到達O處光的強度不會減弱C．將偏振片B轉(zhuǎn)動一個角度，使得O處光強度最強，偏振片B轉(zhuǎn)過的角度等于αD．將偏振片A轉(zhuǎn)動一個角度，使得O處光強度最強，偏振片A轉(zhuǎn)過的角度等于α答案(1)把自然光變成偏振光(2)橫波(3)ACD解析(1)自然光通過偏振片后變?yōu)槠窆猓?2)偏振現(xiàn)象證明光是一種橫波．(3)偏振片只能讓一定偏振方向的光通過，沒有樣品時，要使到達O處的光最強，偏振片A、B的透光方向應(yīng)相同；當(dāng)放入樣品時，由于樣品的“旋光度”是α，即偏振方向不再與B的透光方向平行，到達O處光的強度會減弱，A正確，B錯誤；偏振片B轉(zhuǎn)過的角度等于α，并與偏振光的方向平行時，光到達O處的強度將再次最大，C正確；同理，D正確．考點三電磁振蕩電磁波1．電磁振蕩(以LC振蕩電路為例)(1)產(chǎn)生：在LC振蕩電路中，電容器不斷地充電和放電，就會使電容器極板上的電荷量q、電路中的電流i、電容器內(nèi)的電場強度E、線圈內(nèi)的磁感應(yīng)強度B發(fā)生周期性的變化，這種現(xiàn)象就是電磁振蕩．(2)周期和頻率周期：T＝2πeq\r(LC)頻率：f＝eq\f(1,2π\(zhòng)r(LC))(其中L指自感系數(shù)，C指電容)．2．電磁波(1)麥克斯韋電磁場理論變化的磁場能夠在周圍空間產(chǎn)生電場，變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場．(2)電磁波①電磁場在空間由近及遠地向周圍傳播，形成電磁波．②電磁波的傳播不需要介質(zhì)，可在真空中傳播，在真空中不同頻率的電磁波傳播速度相同(都等于光速)．③不同頻率的電磁波，在同一介質(zhì)中傳播，其速度是不同的，頻率越高，波速越?。躹＝λf，f是電磁波的頻率．(3)電磁波的發(fā)射與接收①發(fā)射電磁波需要開放的高頻振蕩電路，并對電磁波根據(jù)信號的強弱進行調(diào)制(兩種方式：調(diào)幅、調(diào)頻)．②接收電磁波需要能夠產(chǎn)生電諧振的調(diào)諧電路，再把信號從高頻電流中解調(diào)出來，調(diào)幅波的解調(diào)也叫檢波．(4)電磁波譜按照電磁波的頻率或波長的大小順序把它們排列成譜．按波長由長到短排列的電磁波譜為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線．1．LC振蕩電路中，電容器放電完畢時，回路中電流最?。?×)2．電場周圍一定存在磁場，磁場周圍一定存在電場．(×)3．電磁波既可以傳遞能量，也可以用來傳遞信息．(√)1．對麥克斯韋電磁場理論的理解2．電磁波與機械波的比較名稱項目電磁波機械波產(chǎn)生由周期性變化的電場、磁場產(chǎn)生由質(zhì)點(波源)的振動產(chǎn)生傳播介質(zhì)不需要介質(zhì)(在真空中仍可傳播)必須有介質(zhì)(真空中不能傳播)波的種類橫波既有橫波也有縱波速度特點由介質(zhì)和頻率決定，在真空中等于光速(c＝3×108m/s)僅由介質(zhì)決定能量都能攜帶能量并傳播能量速度公式v＝λf遵循規(guī)律都能發(fā)生反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象例6(2020·浙江1月選考·8)如圖所示，單刀雙擲開關(guān)S先打到a端讓電容器充滿電．t＝0時開關(guān)S打到b端，t＝0.02s時LC回路中電容器下極板帶正電荷且電荷量第一次達到最大值．則()A．LC回路的周期為0.02sB．LC回路的電流最大時電容器中電場能最大C．t＝1.01s時線圈中磁場能最大D．t＝1.01s時回路中電流沿順時針方向答案C例7(多選)關(guān)于電磁波和電磁振蕩，下列說法正確的有()A．在LC振蕩電路中，電流最大時，線圈L中的磁通量最大B．產(chǎn)生電磁波的條件是只要空間某個區(qū)域有變化的電場或磁場C．雷達是利用波長較短的微波來測定物體位置的無線電裝置D．電磁波從發(fā)射電路向空間傳播時電磁振蕩一停止，產(chǎn)生的電磁波立即消失E．常用的電視遙控器是利用發(fā)出紅外線來變換頻道的答案ACE解析在LC振蕩電路中，電流最大時，電容器放電完畢，電場能轉(zhuǎn)化為磁場能，磁通量最大，故A正確；均勻變化的電場周圍產(chǎn)生恒定的磁場，恒定磁場的周圍不會產(chǎn)生電場，不能產(chǎn)生電磁波，故B錯誤；雷達是利用波長較短的微波來測定物體位置的無線電裝置，故C正確；電磁波從發(fā)射電路向空間傳播時電磁振蕩停止，產(chǎn)生的電磁波不會立即消失，故D錯誤；常用的電視遙控器是利用發(fā)出的波長較長的紅外線來變換頻道的，故E正確．例8(多選)關(guān)于物理知識在生活中的應(yīng)用，下列說法正確的是()A．機場、車站所用的測量人體溫度的測溫儀應(yīng)用的是紫外線B．雷達是利用無線電波中的微波來測定物體位置的無線電設(shè)備C．γ射線可以用來治療某些癌癥D．醫(yī)院給病人做的腦部CT應(yīng)用的是X射線的穿透本領(lǐng)較強答案BCD解析一切物體均發(fā)出紅外線，溫度不同，輻射強度不同，測量人體溫度的測溫儀應(yīng)用的是紅外線，A錯誤；雷達是利用無線電波中的微波來測定物體位置的，B正確；γ射線可以摧毀病變的細胞，用來治療某些癌癥，C正確；給病人做的腦部CT應(yīng)用的是X射線的穿透本領(lǐng)較強，D正確．課時精練1．(2020·北京卷·1)以下現(xiàn)象不屬于干涉的是()A．白光經(jīng)過楊氏雙縫得到彩色圖樣B．白光照射肥皂膜呈現(xiàn)彩色圖樣C．白光經(jīng)過三棱鏡得到彩色圖樣D．白光照射水面油膜呈現(xiàn)彩色圖樣答案C解析選項A是雙縫干涉，選項B是薄膜干涉，選項C是光的色散，選項D是薄膜干涉．故選C.2．(多選)(2020·江蘇卷·13B(1))電磁波廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代醫(yī)療中．下列屬于電磁波應(yīng)用的醫(yī)用器械有()A．殺菌用的紫外燈B．拍胸片的X光機C．治療咽喉炎的超聲波霧化器D．檢查血流情況的“彩超”機答案AB3．(多選)以下說法正確的是()A．真空中藍光的波長比紅光的波長長B．分別用藍光和紅光在同一裝置上做雙縫干涉實驗，用紅光時得到的條紋間距更寬C．光纖通信利用了光的全反射原理D．太陽光中的可見光和醫(yī)院“B超”中的超聲波傳播速度相同E．紅外體溫計是依據(jù)人體溫度越高，輻射的紅外線強度越大來測體溫的答案BCE解析從電磁波譜中可以知道，藍光的頻率比紅光大，藍光的波長比紅光短，故A錯誤；雙縫干涉實驗中，條紋間距的表達式Δx＝eq\f(L,d)λ，其他條件不變的前提下，條紋間距與入射光的波長成正比，紅光的波長長，用紅光得到的條紋間距更寬，故B正確；一般所說的光纖是由纖芯和包層組成，相對來講，包層是光疏介質(zhì)，纖芯是光密介質(zhì)，當(dāng)光以一定角度從纖芯射向包層的分界面時，會發(fā)生全反射，這就可以將光信號封閉在纖芯中傳輸，故C正確；可見光是電磁波，在真空中的傳播速度是3×108m/s，超聲波是一種機械波，在空氣中20℃時速度大約340m/s，故D錯誤；人體的紅外熱輻射聚焦到檢測器上，檢測器將輻射功率轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號在被補償環(huán)境溫度之后可以以攝氏度(或華氏度)為單位顯示．人體溫度越高，輻射紅外線的功率越大．故E正確．4．(多選)下列說法正確的是()A．光可以像無線電波那樣，作為載體來傳遞信息，從而實現(xiàn)光纖通信B．兩束光振動方向相同，即使頻率不同也可以發(fā)生明顯干涉現(xiàn)象C．?dāng)z影師為更加清晰地拍攝玻璃櫥窗里的陳列物，需在照相機鏡頭前裝一特殊鏡片，這是利用了光的偏振現(xiàn)象D．觀看立體電影(3D電影)時，觀眾需戴上一副特殊的眼鏡，這是利用了光的干涉現(xiàn)象E．激光精準(zhǔn)測距，是利用了激光的平行度較高，且在傳播很遠的距離后仍能保持一定的強度的特點答案ACE解析光可以像無線電波那樣，作為載體來傳遞信息，從而實現(xiàn)光纖通信，所以A正確；兩束光振動方向相同，頻率不同則不可以發(fā)生明顯干涉現(xiàn)象，所以B錯誤；攝影師為更加清晰地拍攝玻璃櫥窗里的陳列物，需在照相機鏡頭前裝一特殊鏡片，這是利用了光的偏振現(xiàn)象，所以C正確；觀看立體電影(3D電影)時，觀眾需戴上一副特殊的眼鏡，這是利用了光的偏振現(xiàn)象，所以D錯誤；激光精準(zhǔn)測距，是利用了激光的平行度較高，且在傳播很遠的距離后仍能保持一定的強度的特點，所以E正確．5．(多選)如圖，光源S從水下向空氣中射出一束由紅光、黃光和藍光組成的復(fù)色光，在水面上的P點分裂成a、b、c三束單色光，下列說法正確的是()A．c光為紅色光B．在水中傳播時a光速度最大，c光波長最小C．逐漸增大入射角，a光最先發(fā)生全反射D．b光比c光更容易發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象E．a(chǎn)、b、c三種色光分別用同一雙縫干涉實驗裝置發(fā)生干涉，a光相鄰亮條紋間距最大答案BDE解析由光路圖可知，c光的偏折程度最大，折射率最大，故c光為藍光，a光的偏折程度最小，折射率最小，a光為紅光，則b光為黃光，A錯誤；由v＝eq\f(c,n)可知，a光的折射率最小，在水中傳播的光速最大，由λ＝eq\f(v,f)可知，c光的頻率最高，光速最小，故波長最小，B正確；由sinC＝eq\f(1,n)可知，c光的臨界角最小，逐漸增大入射角，c光最先發(fā)生全反射，C錯誤；b光的波長比c光的波長大，故b光比c光更容易發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，D正確；由Δx＝eq\f(L,d)λ，可知a、b、c三種色光分別用同一雙縫干涉實驗裝置發(fā)生干涉，a光波長最大，相鄰亮條紋間距最大，E正確．6．用如圖甲所示裝置做圓孔衍射實驗，在屏上得到的衍射圖樣如圖乙所示，實驗發(fā)現(xiàn)，光繞過孔的邊緣，傳播到了相當(dāng)大的范圍．下列說法正確的是()A．此實驗說明了光沿直線傳播B．圓孔變小，衍射圖樣的范圍反而變大C．圓孔變小，中央亮斑和亮紋的亮度反而變大D．用不同波長的光做實驗，衍射圖樣完全相同答案B解析此實驗說明了光的衍射現(xiàn)象，故A錯誤；圓孔變小，衍射現(xiàn)象更明顯，透光強度變小，中央亮斑和亮紋的亮度變?nèi)酰苌鋱D樣的范圍反而變大，故B正確，C錯誤；用不同波長的光做實驗，衍射圖樣并不相同，因為波長越長，對同一圓孔而言，衍射現(xiàn)象越明顯，故D錯誤．7．雪深雷達是2020珠峰高程測量主力設(shè)備之一，該系統(tǒng)主要利用天線發(fā)射和接收高頻電磁波來探測珠峰峰頂冰雪層厚度，如圖所示．下列說法正確的是()A．雷達利用電磁波的干涉特性工作B．電磁波發(fā)射時需要進行調(diào)諧和解調(diào)C．電磁波從空氣進入雪地，頻率減小，波長增大D．在電磁波中，電場和磁場隨時間和空間做周期性變化答案D解析電磁波同聲波一樣，遇到障礙物反射，雷達利用電磁波的反射特性工作，故A錯誤；電磁波發(fā)射時需要調(diào)制，接收時需要調(diào)諧和解調(diào)，故B錯誤；電磁波的頻率由波源決定，與介質(zhì)無關(guān)，故C錯誤；電磁波電場和磁場隨時間和空間做周期性變化，故D正確．8．(2019·北京卷·14)利用圖示的裝置(示意圖)，觀察光的干涉、衍射現(xiàn)象，在光屏上得到如圖中甲和乙兩種圖樣．下列關(guān)于P處放置的光學(xué)元件說法正確的是()A．甲對應(yīng)單縫，乙對應(yīng)雙縫B．甲對應(yīng)雙縫，乙對應(yīng)單縫C．都是單縫，甲對應(yīng)的縫寬較大D．都是雙縫，甲對應(yīng)的雙縫間距較大答案A解析由題圖中給出的甲、乙兩種圖樣可知，甲是單縫衍射的圖樣，乙是雙縫干涉的圖樣，A項正確，B、C、D項錯誤．9．(2021·山東卷·7)用平行單色光垂直照射一層透明薄膜，觀察到如圖所示明暗相間的干涉條紋．下列關(guān)于該區(qū)域薄膜厚度d隨坐標(biāo)x的變化圖象，可能正確的是()答案D解析從薄膜的上下表面分別反射的兩列光是相干光，其光程差為Δx＝2d，即光程差為薄膜厚度的2倍，當(dāng)光程差Δx＝nλ時此處為亮條紋，故相鄰亮條紋之間的薄膜的厚度差為eq\f(1,2)λ，在題圖中相鄰亮條紋(或暗條紋)之間的距離變大，則薄膜的厚度逐漸變小，因條紋寬度逐漸變寬，則厚度不是均勻變小，故選D.10．(多選)LC振蕩電路中，某時刻的磁場方向如圖所示，則下列有關(guān)結(jié)論正確的是()A．若磁場正在減弱，則電容器上極板帶正電B．若電容器正在充電，則電容器下極板帶正電C．若電容器上極板帶正電，則線圈中電流正在增大D．若電容器正在放電，則自感電動勢正在阻礙電流增大E．若電容器正在放電，則線圈中電流正在減小答案BCD解析若該時刻電容器上極板帶正電，則可知電容器處于放電階段，電流增大，則C正確，A錯誤；若該時刻電容器下極板帶正電，可知電容器處于充電狀態(tài)，電流在減小，故B正確；若電容器正在放電，則線圈中電流增大，由楞次定律可判定自感電動勢正在阻礙電流增大，故D正確，E錯誤．11．將一矩形玻璃板水平固定，另一矩形玻璃板一端放在水平玻璃板M端上，另一端與水平玻璃板N端之間插入兩張紙片，側(cè)視如圖所示．用單色平行光a從上方豎直射入，從上方可以觀察到明