(共50张PPT)
第四章 光
学 习 目 标
1.通过实验,观察光的干涉现象,了解干涉现象产生的条件.通过研究光的干涉现象,拓展对物理世界的认识和理解,培养科学探究能力与模型建构能力.
2.通过实验与理论分析,知道杨氏干涉实验的设计原理,认识干涉图样的特征.理解明暗条纹的成因及出现明暗条纹的条件,会分析并计算与明暗条纹相关的问题,培养解决实际问题的能力.
3.利用生活中的器材设计实验,观察光的薄膜干涉现象,讨论薄膜干涉的原因,感受物理与生活的联系,培养科学探究的精神.
3 光的干涉
知识点一 光的双缝干涉
1.双缝干涉实验.
(1)实验过程:如图所示,让一束平行的 光投射到一个有两条狭缝S1和S2的挡板上,狭缝S1和S2相距很近.狭缝就成了两个波源,它们的频率、相位和振动方向总是 的.这两个波源发出的光在挡板后面的空间互相叠加,发生 现象.
单色
相同
干涉
(2)实验现象:在屏上得到 的条纹.
(3)实验结论:证明了光是一种 .
明暗相间
波
2.决定条纹明暗的条件.
(1)当两个光源与屏上某点的距离之差等于波长λ的 倍时,两列光波在这点相互加强,出现 条纹.
(2)当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的 倍时,两列光波在这点相互削弱,出现 条纹.
整数
亮
奇数
暗
知识点二 干涉条纹和光的波长之间的关系
1.几种单色光的双缝干涉图样如图所示.
双缝宽d=0.36 mm
甲 红光
双缝宽d=0.36 mm
乙 蓝光
双缝宽d=0.18 mm
丙 红光
(1)对比图甲和图乙,思考相邻明(暗)条纹间的距离大小与什么因素有关
答案:相邻明(暗)条纹间的距离大小与光的波长λ有关,λ越大,相邻的明(暗)条纹间距越大.
(2)对比图甲和图丙,思考相邻明(暗)条纹间的距离大小与什么因素有关
答案:相邻明(暗)条纹间的距离大小与双缝之间的距离d有关,d越小,相邻的明(暗)条纹间距越大.
2.相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距Δx=.
3.各种颜色的单色光都会发生干涉,但条纹之间的距离
. .
λ
不一样
知识点三 薄膜干涉
1.在五彩缤纷的大自然中,我们常常会见到一些彩色光的现象.小孩儿吹出的肥皂泡、热菜汤表面的油花、雨后天晴马路上的油膜,我们都会在这些地方看到彩色的条纹.这些彩色条纹是如何形成的呢
答案:由薄膜干涉形成.白光照射在液膜表面,被液膜前、后两个面反射的两列反射波叠加,形成干涉条纹.由于白光中的各色光波长不同,干涉后的条纹间距不同,液膜上就会出现彩色条纹.
2.薄膜干涉:由薄膜两个面的反射光相互叠加而产生的 现象.
干涉
小试身手
判断下列说法的正误并和同学交流(正确的在括号内打“√”,错误的打“×”).
1.直接用强光照射双缝,就能发生干涉.( )
2.只要两列光波的频率相同就能发生干涉.( )
3.若用白光做光源,干涉条纹是明暗相间的条纹.( )
4.若用单色光做光源,干涉条纹是明暗相间的条纹.( )
5.在双缝干涉实验中,双缝的作用是使白光变成单色光.( )
6.薄膜干涉是由光通过两个表面折射产生的.( )
7.水面上漂浮的油膜上出现彩色条纹是薄膜干涉现象.( )
×
×
×
√
×
×
√
探究一 光的双缝干涉
问题情境
1801年,英国物理学家托马斯·杨用图甲所示的装置在实验室里成功观察到光的干涉现象,得到的干涉图样如图乙所示.
甲
乙
1.观察图乙干涉图样有什么特点.做双缝干涉实验时必须具备什么条件才能观察到干涉条纹
答案:干涉图样是明暗相间的等间距的条纹.做双缝干涉实验时,光源必须是相干光源.
2.单缝和双缝的作用是什么
答案:单缝的作用:获得一个线光源,使光源有唯一的频率和振动情况;双缝的作用:一束光被分成两束频率相同和振动情况完全一致的相干光.
3.光的双缝干涉的原理如下图所示,你能总结出如何判断屏上P点出现的是亮条纹还是暗条纹吗
答案:出现亮条纹的条件:P点到两缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍,即
|PS1-PS2|=kλ=2k·(k=0,1,2,3,…),
出现暗条纹的条件:P点到两缝S1和S2的路程差正好是半波长的奇数倍,即|PS1-PS2|=(2k-1)·(k=1,2,3,…).
过程建构
1.物理史实:1801年,英国物理学家托马斯·杨成功地观察到了光的干涉现象,用实验方法证实了光的波动性.
2.光的双缝干涉.
(1)条件:要使两列光波相遇时产生干涉现象,两光源必须具有相同的频率、相位和振动方向.
(2)屏上某处出现亮、暗条纹的条件(S1和S2相当于两个相干光源).
①出现亮条纹的条件:屏上某点P到两缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍,此时两列光波在这点相互加强,出现亮条纹,即|PS1-PS2|=kλ=2k·(k=0,1,2,3,…)
②出现暗条纹的条件:屏上某点P到两缝S1和S2的路程差正好是半波长的奇数倍,此时两列光波在这点相互减弱,出现暗条纹,即|PS1-PS2|=(2k-1)·(k=1,2,3,…)
【典例1】下图为双缝干涉实验装置示意图,当使用波长为 6×10-7 m的橙色光做实验时,光屏P点及上方的P1点形成相邻的亮条纹.若使用波长为4×10-7 m的紫光重复上述实验,在P和P1点形成的亮、暗条纹的情况是( )
A.P和P1都是亮条纹
B.P是亮条纹,P1是暗条纹
C.P是暗条纹,P1是亮条纹
D.P和P1都是暗条纹
解析:==;在P1点,对橙光有Δs=nλ橙,对紫光有Δs=nλ橙=n·λ紫=3n·.因为橙光在P1点与P点形成相邻的亮条纹,所以n=1,紫光在P1点形成暗条纹;在P点,因为Δs=0,所以紫光在P点形成亮条纹.选项B正确.
答案:B
双缝干涉中亮条纹或暗条纹的判断方法
(1)判断屏上某点为亮条纹还是暗条纹,要看该点到两个相干光源(双缝)的路程差与波长的比值.
(2)路程差等于波长的整数倍处出现亮条纹,等于半波长奇数倍处出现暗条纹.
探究二 干涉条纹和光的波长之间的关系
问题情境
如图所示,波长为λ的单色光照射到双缝上.两缝中心之间的距离为d,两缝S1、S2的连线的中垂线与屏的交点为P0,双缝到屏的距离为l.
1.若只更换波长更长的单色光,则相邻的亮条纹间距如何变化
答案:间距变大.
2.若只减小双缝之间的距离d,则相邻的亮条纹间距如何变化
答案:间距变大.
3.若只减小双缝到屏的距离l,则相邻的亮条纹间距如何变化
答案:间距变小.
4.相邻的亮条纹间距与波长λ、双缝之间的距离d和双缝与屏间的距离l有怎样的定量关系
答案:根据推导知相邻亮条纹或暗条纹间的距离Δx=λ.
5.下图是用白光做双缝干涉实验得到的干涉图样,彩色条纹有什么特点
答案:用白光做双缝干涉实验,从红光到紫光其波长由长到短,它们的干涉条纹间距也是从大到小.屏中央各色光都得到加强,混合成白色,但两侧因条纹间距不同而分开成彩色,而且同一级条纹内紫外红.
过程建构
1.单色光的干涉图样.
若用单色光做光源,则干涉条纹是明暗相间的条纹,且条纹间距相等.中央为亮条纹,两相邻亮条纹(或暗条纹)间的距离与光的波长有关,波长越长,条纹间距越大.
2.白光的干涉图样.
若用白光做光源,则干涉条纹是彩色条纹,且中央条纹是白色的.这是因为:
(1)从双缝射出的两列光波中,各种色光都能形成明暗相间的条纹,各种色光都在中央条纹处形成亮条纹,从而复合成白色条纹.
(2)单色光条纹间距与其波长成正比,所以红光的条纹间距最大,紫光的条纹间距最小,即除中央条纹以外的其他条纹不能完全重合,这样便形成了彩色干涉条纹.
3.条纹间距:光的双缝干涉实验中,相邻两条亮纹或暗纹间的距离Δx=λ.
【典例2】双缝干涉实验的装置示意图如图所示,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.增大S1与S2的间距
B.减小双缝到光屏的距离
C.将绿光换为红光
D.将绿光换为紫光
答案: C
解析:光的双缝干涉的条纹间距公式Δx=λ,增大S1与S2的间距就是增大d,条纹间距变小,选项A错误.减小双缝到光屏的距离就是减小l,条纹间距变小,选项B错误.红光波长比绿光波长长,紫光波长比绿光波长短,所以将绿光换为红光,条纹间距增大,选项C正确,选项D错误.
探究三 薄膜干涉
问题情境
如图甲所示,一束白光从右侧射入肥皂薄膜,人从右侧向左看,可以看到彩色条纹(如图乙所示),但是从左侧向右看,却看不到彩色条纹.
甲
乙
1.解释发生上述现象的原因.
答案:如图所示,由于重力的作用,竖直的肥皂薄膜形成上薄下厚的楔形.光照射到薄膜上时,从膜的前表面AA'和后表面BB'分别反射回来,形成两列频率相同的光波,产生干涉现象.因此从右侧向左看,可以看到彩色条纹,但是从左侧向右看,却看不到彩色条纹.
2.请分析:为什么看到的彩色条纹是水平排列的
答案:由于薄膜同一水平线上的厚度相同,所以彩色条纹是水平排列的.
3.生活中你还在哪些地方发现过薄膜干涉的现象
答案:(1)有透明薄膜保护层的激光唱片呈现彩色;
(2)蚌壳内表面透明薄膜上呈现各种色彩;
(3)有些昆虫薄而透明的翅翼上出现彩色光带.
1.注意.
(1)用单色光照射薄膜时,薄膜前后两个表面反射的光是相干的,形成明暗相间的条纹.
(2)用不同的单色光照射时,看到亮纹的位置不同.
(3)用白光照射时,不同颜色的光在不同位置形成不同的条纹,这些条纹相互叠加,看起来就是彩色的.
2.薄膜干涉中明暗条纹的判断方法.
(1)当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=kλ(k=1,2,3,…)时,薄膜上出现亮条纹.
(2)当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=(2k+1)(k=0,1,2,3,…)时,薄膜上出现暗条纹.
过程建构
3.薄膜干涉的应用.
(1)用干涉法检查平面平滑度.
如图甲所示,两板之间形成一层空气膜,用单色光从上向下照射,入射光从空气膜的上下表面反射出两列光波,形成干涉条纹.如果被检测平面是平滑的,得到的干涉图样必是等间距的.若某处凹下,则对应明条纹(或暗条纹)提前出现,如图乙所示;若某处凸起,则对应条纹延后出现,如图丙所示.
甲
乙
丙
(2)增透膜的应用.
在光学仪器中,为了减少光在光学元件(透镜、棱镜)表面的反射损失,可用薄膜干涉相消来减少反射光,如照相机、测距仪、潜望镜上用的光学元件表面为了减少光的反射损失都镀上了一层介质薄膜.
①增透膜的厚度:增透膜厚度为入射光在薄膜中波长的.
②增透膜增透的原理:因为增透膜的厚度为入射光在薄膜中波长的,从介质膜前后两个面反射的光的路程差为,所以两列光波相互削弱,反射光的强度大大降低,透射光的强度得到加强.
③对“增透”的理解:如果用宏观的思维方式来理解,两束反射光相互抵消,并没有增加透射光的强度,因此,此过程只是“消反”,却不能“增透”.但是,总的能量是守恒的,反射光的能量被削弱了,透射光的能量就必然得到增强.增透膜是通过“消反”来确保“增透”的.
【典例3】(2021·江苏卷)铁丝圈上附有肥皂膜,竖直放置时,肥皂膜上的彩色条纹上疏下密,由此推测肥皂膜前后两个面的侧视形状应当是 ( )
A
B
C
D
解析:当路程差(膜的厚度的两倍)是半波长的偶数倍时,振动加强,为亮条纹;当路程差是半波长的奇数倍时,振动减弱,为暗条纹.若人从同侧可以看到亮条纹,同一高度膜的厚度相同,则彩色条纹水平排列,因竖直放置的肥皂膜受到重力的作用,下面厚上面薄,形状如凹透镜,在肥皂膜不同的地方,来自前后两个面的反射光所走的路程差不同,导致上疏下密,选项C正确.
答案:C
【典例4】市场上有种灯具叫“冷光灯”,用它照射物品时,被照物品处产生的热效应大大降低,因而广泛地应用于博物馆、商店等处.这种灯降低热效应的原因之一是在灯泡后面放置的反光镜(玻璃)表面上镀一层薄膜(例如氟化镁),这种膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的热效应最显著的红外线.用λ表示红外线的波长,则所镀薄膜的最小厚度应为( )
A.λ B.λ C.λ D.λ
解析:在灯泡后面放置的反光镜(玻璃)表面上镀一层薄膜,相当于增透膜.灯泡发出的红外线射到增透膜后,从增透膜的前后表面反射回来的两束红外线发生干涉,相互抵消,反射的红外线强度减弱,达到冷光效果.设膜的厚度为d,则2d=(2k+1)(k=0,1,2,…),当k=0,2d=时,膜的厚度最小,为,选项B正确.
答案:B
课堂评价
1.(2022·浙江卷)关于双缝干涉实验,下列说法正确的是 ( )
A.用复色光投射就看不到条纹
B.明暗相间条纹是两列光在屏上叠加的结果
C.把光屏前移或后移,不能看到明暗相间条纹
D.蓝光干涉条纹的间距比红光的大
解析:复色光投射时也可以发生干涉,在光屏上呈现干涉条纹,选项A错误;明暗相间条纹是两列光在屏上叠加的结果,选项B正确;把光屏前移或后移也能看到明暗相间条纹,选项C错误;根据Δx=λ,因为蓝光的波长小于红光波长,所以蓝光干涉条纹的间距比红光的小,选项D错误.
答案:B
2.下图是双缝干涉的实验装置示意图,在光屏上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
答案:C
解析: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.
3.如图所示,用频率为f的单色光(激光)垂直照射双缝,在光屏的P点出现第3条暗条纹,已知光速为c,则P到双缝S1、S2的距离之差r2-r1应为 ( )
A. B. C. D.
答案:D
解析:P点出现第3条暗条纹,说明S1、S2到P点的距离之差为×(2n-1)=(2×3-1)=λ,而λ=,所以r2-r1=λ=,选项D正确.
4.下图为一显示薄膜干涉现象的实验装置,P是附有肥皂薄膜的铁丝圈,S是一点燃的酒精灯,往火焰上撒些盐后,在肥皂膜上观察到的干涉图样应是图中的( )
A
B
C
D
解析:铁丝圈上的肥皂薄膜在重力作用下上薄下厚,在同一水平线上厚度基本一致,如果某一厚度处前后表面反射的同一列光波叠加得到加强,那么这一水平线上光波会加强,所以干涉条纹应是水平的.
答案:D
5.如图所示,在杨氏双缝干涉实验中,激光的波长为5.30×10-7 m,屏上P点距双缝S1和S2的路程差为7.95×10-7 m,则在这里出现的应是 (选填“亮条纹”或“暗条纹”).现改用波长为6.30×10-7 m的激光进行上述实验,保持其他条件不变,则屏上的条纹间距将 (选填“变宽”“变窄”或“不变”).
解析:由于光的路程差Δs=7.95×10-7 m=1.5λ,P点将出现暗条纹.由Δx=λ可知,波长变大,条纹间距变宽.
答案:
情境 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,否则将会严重地损伤视力.有人想利用薄膜干涉的原理设计一种能大大减小紫外线对眼睛伤害的眼镜.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f=8.1×1014 Hz.
问题 他设计的这种“增反膜”的厚度至少是多少
新高考 新考向
解析:为了减少进入眼睛的紫外线,应使入射光分别从该膜的前后两个表面反射出来的光叠加后相互加强,则路程差(大小等于薄膜厚度d的2倍)应等于光在薄膜中的波长λ'的整数倍,即2d=Nλ'(N=1,2,…),因此,膜的厚度至少是紫外线在膜中波长的.紫外线在真空中的波长是λ=≈3.70×10-7 m,在膜中的波长是λ'=≈2.47×10-7 m,故膜的厚度至少是1.23×10-7 m.
答案:(共22张PPT)
第四章 光
4 实验：用双缝干涉测量光的波长
一、实验思路
要测定一单色光的波长,实验原理是什么 需要测量哪些物理量 选用什么器材
答案:实验原理是Δx=(l表示双缝到屏的距离,d表示双缝间的距离,Δx表示相邻两亮条纹或相邻两暗条纹间的距离),入射光的波长λ=.实验中d是已知的,只要测出l、Δx即可计算出光的波长λ.
实验器材:双缝干涉仪(包括光具座、光源、透镜、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、光屏和测量头,其中测量头又包括分划板、目镜、手轮等)、学生电源、导线、刻度尺等.
二、进行实验
1.安装仪器.
(1)如图所示,先将光源、透镜、遮光筒、毛玻璃依次安装在光具座上.
(2)接好光源,闭合开关,使光源正常发光.
(3)调节各器件的高度,使光源发出的光能沿遮光筒轴线到达光屏.
(4)在遮光筒靠近光源的一端安装单缝和双缝,在遮光筒的另一端装上测量头.在单缝管上装上拨杆,边观察,边左右移动拨杆,以调节单缝与双缝平行,直至看到的干涉条纹最清晰.
2.观察.
(1)观察白光的干涉条纹:中央为一条白色亮条纹(称为零级亮条纹),其余各级亮条纹都是彩色的,彩色的排列以零级亮条纹为中心左右对称,在第一级亮条纹中,红色在最外侧.
(2)观察单色光的干涉条纹:在单缝前面加上红色或绿色滤光片即可看到红黑相间或绿黑相间的干涉条纹,再调节目镜,就能同时清晰地看到分划线和干涉条纹.
3.测量.
(1)用刻度尺测量双缝到光屏的距离l.
(2)相邻两亮条纹间距Δx的测量:先移动测量头上的手轮,使分划板中心刻线对
(3)通过上面的步骤测出多组n条亮条纹间的距离a,并计算出条纹间距Δx.
准第1条亮条纹的中央,如图所示,记下手轮上的读数a1;然后转动手轮,使分划板中心刻线移动至第n条(一般n可取7左右)亮条纹的中央,记下此时手轮上的读数an,则n条亮条纹间的距离a=an-a1,相邻两条亮条纹间距Δx=.
三、数据记录
记录双缝中心距离d,双缝到光屏的距离l,测出的多组n条亮纹间的距离a,数据记录表如下表所示.
实验 次数 读数a1 读数an n条亮条纹间的距离a 亮条纹 条数n 条纹间
距Δx
1
2
3
…
四、数据分析
根据λ=计算待测光波的波长,并求出波长的平均值.
五、注意事项
1.调节双缝干涉仪时,要注意调整光源的高度,使它发出的光束能够沿着遮光筒的轴线把屏照亮.
2.放置单缝和双缝时,缝要相互平行,其中心大致位于遮光筒的轴线上.
3.调节测量头时,应使分划板中心刻线和亮条纹的中心对齐,记清此时手轮上的读数,转动手轮,使分划板中心刻线和另一亮条纹的中心对齐,记下此时手轮上的读数,两次读数之差就表示这两条亮条纹间的距离.
4.不要直接测Δx,要测多条亮条纹的间距再计算得到Δx,这样可以减小误差.
5.白光发生双缝干涉时观察到的是彩色条纹,其中白色条纹在中央,红色条纹在每一级的最外层.
命题角度1 巩固强化——应该怎么做
【典例1】用双缝干涉测光的波长,实验中采用双缝干涉仪,它包括以下元件(其中,双缝和光屏连在遮光筒上):
A.白炽灯 B.单缝 C.光屏 D.双缝 E.滤光片
(1)把以上元件安装在光具座上时,正确的排列顺序是A、 .
(2)正确调节后,在屏上观察到红光干涉条纹,用测量头测出10条红色亮条纹间的距离为a;改用绿色滤光片,其他条件不变,用测量头测出10条绿色亮条纹间的距离为b,则一定有a (选填“>”
“=”或“<”)b.
解析: (1)光源、滤光片、单缝、双缝、光屏在光具座上可从左向右排,也可从右向左排,但任何两个元件的顺序不能颠倒,尤其是滤光片和单缝.故答案是A、E、B、D、C.
(2)由Δx=λ知,波长越长,条纹越宽,间距越大.
答案:(1)E、B、D、C (2)>
【典例2】某同学利用图示装置测量某种单色光的波长.实验时,接通电源使光源正常发光;调整光路,使得从目镜中可以观察到干涉条纹.回答下列问题:
(1)若想增加从目镜中观察到的条纹个数,该同学可 .
A.将单缝向双缝靠近
B.将屏向靠近双缝的方向移动
C.将屏向远离双缝的方向移动
D.使用间距更小的双缝
(2)若双缝的间距为d,屏与双缝间的距离为l,测得第1条暗条纹到第n条暗条纹之间的距离为Δx,则单色光的波长λ= .
(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为 nm(结果保留3位有效数字).
解析: (1)若想增加从目镜中观察到的条纹个数,需要减小条纹间距,由公式Δx=λ可知,需要减小双缝到屏的距离l或增大双缝间的距离d,选项B正确,选项A、C、D错误.
(2)由题意可知,=λ,则λ=.
(3)将已知条件代入公式解得λ=630 nm.
答案:(1)B (2) (3)630
【典例3】在用双缝干涉测光的波长的实验中,实验装置如图所示.
(1)某同学以线状白炽灯为光源,对实验装置进行调节并观察了实验现象后,总结出以下几点,正确的是( )
A.灯丝、单缝和双缝必须平行放置
B.干涉条纹与双缝垂直
C.干涉条纹的疏密程度与单缝宽度有关
D.干涉条纹的间距与光的波长有关
(2)当测量头中的分划板中心刻线对齐某条亮条纹的中心时,手轮上的示数如图甲所示,该读数为 mm.
(3)如果测量头中的分划板中心刻线与干涉条纹不在同一方向上,如图乙所示,那么在这种情况下测量干涉条纹的间距Δx时,测量值 (选填“大于”“小于”或“等于”)实际值.
甲
乙
解析:(1)为了获得清晰的干涉条纹,灯丝、单缝和双缝必须平行放置,选项A正确.干涉条纹与双缝平行,选项B错误.干涉条纹的间距Δx=λ,与单缝宽度无关,选项C错误,选项D正确.
(2)手轮上的读数为0.5 mm+20.0×0.01 mm=0.700 mm.
(3)干涉条纹与分划板中心刻线不平行时,实际值Δx实=Δx测cos θ,
θ为干涉条纹与分划板中心刻线间的夹角,故Δx实<Δx测.
答案:(1)AD (2)0.700 (3)大于
【典例4】用某种单色光做双缝干涉实验时,已知双缝间的距离d的大小恰好是图甲中游标卡尺的读数;双缝到毛玻璃屏的距离的大小由毫米刻度尺读出,如图乙所示;实验时先转动测量头上的手轮(如图丙所示),把分划板中心刻线对准最左边的一条亮条纹(如图丁所示),并记下手轮上的读数x1(如图戊所示),然后转动手轮,把分划板中心刻线向右移动,直到对准第7条亮条纹并记下手轮上的读数x2(如图己所示).
丁
戊
己
由以上测量数据求该单色光的波长(结果保留两位有效数字).
甲
乙
丙
解析:根据条纹间距公式Δx=λ可知,波长λ=Δx,代入题目
提供的数据就可求解.由题图甲可直接读出d=0.05mm×5=
0.25 mm=0.000 25 m,双缝到屏的距离由题图乙读出,l=74.90 cm=0.749 0 m.由题图丁、戊、己可知,两条相邻亮条纹间的距离Δx= mm=2.4 mm=0.002 4 m,将以上数据代入得λ== m≈8.0×10-7 m.
答案:8.0×10-7 m
命题角度2 拓展迁移——还能怎么做
【典例5】1801年,托马斯·杨用双缝干涉实验研究了光波的性质.1834年,洛埃利用平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为平面镜,试用平面镜成像作图画出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,写出相邻两条亮条纹(或暗条纹)间距离Δx的表达式.
解析:(1)根据平面镜成像、光的反射定律作出光路图即可.
(2)已知Δx=λ,因为d=2a,所以Δx=λ.
答案:(1)如图所示. (2)λ(共35张PPT)
第四章 光
学 习 目 标
1.通过实验,了解光发生明显衍射的条件;了解衍射光栅的特点;能区分双缝干涉与单缝衍射的图样.培养科学探究能力和模型建构能力.
2.观察光的衍射现象,了解几种衍射图样,认识衍射条纹的特点,并能解释生活中的衍射现象.培养知识建构能力和解决实际问题的能力.
3.利用生活中的器材设计实验,观察光的衍射现象.通过研究光的衍射等现象,对光的直线传播提出疑问,会从不同角度思考物理问题,培养科学态度与科学精神.
5 光的衍射
知识点一 光的衍射
答案:光通过狭缝发生了衍射,看到的彩色条纹是光的衍射条纹.
1.将两支圆柱形铅笔并在一起,形成一个狭缝,使狭缝平行于日光灯,眼睛紧贴狭缝会看到彩色的条纹.思考发生这一现象的原因是什么
2.光的衍射:光在传播过程中遇到 或狭缝时,绕过障碍物或通过狭缝传播到阴影区域的现象.
障碍物
3.发生明显衍射现象的条件:当障碍物或狭缝的尺寸 .的时候,会发生明显的衍射现象.
足够小
4.在单色光的传播路径上放一个较小的圆形障碍物,发现在阴影中心有一个亮斑,如图所示,这个亮斑是 .
泊松亮斑
5.我们知道,波能够绕过障碍物发生衍射,既然光也是一种波,为什么在日常生活中我们观察不到光的衍射,而且常常说“光沿直线传播”呢
答案:因为光的波长很短,生活中障碍物的尺寸大都比光的波长大得多,所以衍射现象不明显,认为光是沿直线传播的.
6.光遇到小孔、单缝或障碍物时,可能发生衍射现象,也可能不发生,这种说法正确吗
答案:不正确.光遇到小孔、单缝或障碍物时都会发生衍射,只是衍射现象有时明显,有时不明显.
知识点二 衍射光栅
1.衍射光栅:由许多 的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件.
2.透射光栅:在一块很平的玻璃上刻出一系列等距的平行刻痕,刻痕产生 而不太透光,未刻的部分相当于 的狭缝,这样就做成了透射光栅.
3.反射光栅:如果在 的金属上刻痕,就可以做成反射光栅.
漫反射
透光
高反射率
等宽
小试身手
判断下列说法的正误并和同学交流(正确的在括号内打“√”,错误的打“×”).
1.白光通过盛水的玻璃杯,在适当的角度,可看到彩色光,这是光的衍射现象.( )
2.光的衍射现象完全否定了光的直线传播结论.( )
3.阳光下茂密的树荫中地面上的圆形亮斑是光的衍射现象.( )
4.光照到不透明小圆盘上,在其后方的阴影中心出现泊松亮斑,说明发生了衍射.( )
5.当障碍物的尺寸很大时,能发生明显的衍射现象.( )
6.泊松亮斑支持了光的波动说.( )
×
×
×
√
×
√
探究一 光的衍射
问题情境
将一束红光分别照到宽度为0.4 mm和0.8 mm的单缝上,在单缝后面的光屏出现了如下图所示的条纹.
红光 单缝宽0.4 mm
红光 单缝宽0.8 mm
1.除了中间的亮条纹,两边还有多条亮条纹,原因是什么 该图样有什么特点 该图样和单色光的双缝干涉图样有何异同点
答案:光没有沿直线传播,它绕过了缝的边缘,传播到了相当宽的地方,这是光的衍射现象.衍射图样的特点是中央条纹最亮,越向两边越暗,条纹间距不等,越靠外,条纹间距越小.衍射条纹和干涉条纹都是明暗相间的,但衍射条纹是中间最宽、最亮,从中央向两侧逐渐变窄、变暗;干涉条纹是等间距的条纹,宽度和亮度相同.
2.对比两幅图样,思考衍射现象明显与否与缝的宽度的关系.
答案:波长一定时,单缝越窄,中央条纹越宽,各条纹间距越大,即当缝的尺寸越小时,衍射现象越明显.
3.下图是蓝光的单缝衍射图样,对比单缝宽相同的红光的衍射图样,思考衍射现象明显与否与入射光波长的关系.
答案:单缝宽度不变时,入射光波长越大,中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大,衍射现象就越明显.
蓝光 单缝宽 0.4 mm
4.让烛光照射到一块遮光板上,板上有一个可以改变大小的三角形孔,当此三角形孔缓慢地由大变小直到闭合时,试分析在孔后的屏上将先后出现的现象(遮住侧面光).
答案:当三角形孔较大时,屏上出现一个三角形光斑,随着三角形缓慢地变小,光斑逐渐变小;当三角形孔小到一定程度时,屏上会出现倒立的烛焰的像;继续使三角形孔缓慢变小,可以观察到小孔衍射图样;当孔闭合时,屏上就会一片黑暗.
5.通过以上分析,尝试总结产生明显衍射现象的条件.
答案:只有当障碍物或狭缝的尺寸足够小时,衍射现象才明显.
6.下图为白光的单缝衍射条纹.该条纹有什么特点 白光经单缝衍射和双缝干涉产生的条纹有什么相同点
答案:用白光做单缝衍射时,中央亮条纹是白色的,仍然最宽最亮.两边是彩色条纹,越向两边越暗,条纹间距不等,越靠外,条纹间距越小.白光经单缝衍射和双缝干涉产生的条纹都是中央为白色条纹,两侧为彩色条纹.
过程建构
1.发生明显衍射现象的条件.
只有当障碍物或狭缝的尺寸足够小时,衍射现象才明显.
2.对光的衍射的理解.
(1)衍射是波的特征,波长越长,衍射现象越明显.任何情况下都可以发生衍射现象,衍射现象有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,在障碍物或狭缝的尺寸很大时,可以认为光是沿直线传播的.
3.三种衍射图样的特点.
(1)单缝衍射.
单色光通过单缝时,在屏幕上出现明暗相间的条纹,中央为亮条纹,中央条纹最宽、最亮,两侧的亮条纹逐渐变窄变暗;白光通过单缝时,在屏上出现彩色条纹,中央为白色条纹.波长一定时,单缝窄的中央条纹宽,各条纹间距大;单缝一定时,光波波长大的中央条纹宽,条纹间距大.
(2)圆孔衍射:光通过小孔(孔很小)时,在光屏上出现明暗相间的圆环,如图所示.
(3)圆盘衍射(泊松亮斑).
①若在单色光(如激光)传播路径上放一个较小的圆形障碍物,会发现在影的中心有一个亮斑,这就是著名的泊松亮斑,衍射图样如图所示.
②中央是亮斑,圆盘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.
4.双缝干涉和单缝衍射的比较.
比较项 双缝干涉 单缝衍射
现象 光在重叠区域出现加强或减弱的现象 光绕过障碍物偏离直线传播的现象
产生条件 两束光频率相同、相位差恒定 障碍物或狭缝的尺寸足够小
典型实验 杨氏双缝干涉实验 单缝衍射、圆孔衍射和不透明圆盘衍射
图样不同点(单色光) 条纹宽度 条纹宽度相等 条纹宽度不等,中央最宽
条纹间距 相邻两条纹间距相等 相邻两条纹间距不等
亮度情况 条纹清晰,亮度基本相同 中央条纹最亮,两边变暗
相同点 干涉、衍射都是波特有的现象;干涉、衍射都有明暗相间的条纹 【典例1】下图是通过游标卡尺两测量脚间的狭缝观察白炽灯线光源时所拍下的四张照片.
甲
乙
丙
丁
(1)试通过图样分析四张照片对应的两测量脚间的狭缝宽度大小关系.
(2)试说明照片丁中中央条纹的颜色及成因.
答案: (1)从四张照片的单缝衍射图样可以看出,由题图甲到题图丁,衍射现象越来越明显,说明两测量脚间的狭缝宽度越来越小.
(2)照片丁中中央条纹的颜色为白色,因为各种色光在屏中央均形成亮条纹,各种色光叠加后,中央条纹为白色.
【典例2】如图所示的四种明暗相间的条纹,分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器或同一单缝衍射仪器形成的图样(黑色部分表示亮条纹).各图样均是什么图样 并说明理由.
甲
乙
丙
丁
答案:从左至右依次是红光双缝干涉图样、蓝光单缝衍射图样、蓝光双缝干涉图样和红光单缝衍射图样.
双缝干涉图样是明暗相间的条纹,所有亮条纹宽度相同且等间距,根据双缝干涉条纹间距Δx=λ可知,波长λ越大,Δx越大,故甲是红光干涉图样,丙是蓝光干涉图样.单缝衍射的中央条纹明亮且宽大,越向两侧宽度越小越暗,而波长越大,中央亮条纹越宽,故乙是蓝光单缝衍射图样,丁是红光单缝衍射图样.
探究二 衍射光栅
问题情境
1.单缝衍射在实际应用中存在的困难是什么
答案:单缝衍射的条纹比较宽,而且距离中央亮条纹较远的条纹,亮度也很低.因此,无论从测量的精确度,还是从可分辨的程度上说,单缝衍射都不能达到实用要求.
2.透射光栅有怎样的优点
答案: 透射光栅衍射图样是单缝衍射和多缝干涉的共同结果.多缝干涉使光栅衍射的亮条纹的宽度比单缝衍射时窄得多,明条纹又细又亮.从测量的精确度和可分辨的程度上说在实际应用中更为方便.
过程建构
衍射光栅.
(1)通常是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝(刻线)的平面玻璃或金属片.
(2)光栅的狭缝数量很大,一般每毫米几十至几千条.单色平行光通过光栅每个狭缝发生衍射和各狭缝间发生干涉,形成暗条纹宽、明条纹细的图样,这些锐细而明亮的条纹称作谱线.
(3)谱线的位置随波长而异,复色光通过光栅后,不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱.光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果.
【典例3】(多选)关于衍射光栅,下列说法正确的是( )
A.衍射光栅是由许多等宽度的狭缝组成的
B.衍射光栅分为透射光栅和反射光栅两类
C.透射光栅中刻痕的部分相当于透光的狭缝
D.透射光栅中未刻痕的部分相当于透光的狭缝
答案: ABD
解析:衍射光栅是由许多等宽度的狭缝等距离排列组成的,分为透射光栅和反射光栅两类.对于透射光栅来说,当光照到刻痕上时,由于光发生漫反射而不太透光,未刻痕的部分相当于透光的狭缝.选项A、B、D正确,选项C错误.
课堂评价
1.某同学使用激光器做光源,在不透光的挡板上开一条宽为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图样是( )
激光器
挡板
光屏
A
B
C
D
解析:单缝衍射条纹中间宽,两侧越来越窄,由于单缝是水平的,衍射条纹也是水平的,故选项B正确.
答案:B
2.用单色光分别通过小圆盘和小圆孔做衍射实验时,在光屏上得到衍射图样,它们的特点是( )
A.用前者做实验时中央是暗的,用后者做实验时中央是亮的
B.用前者做实验时中央是亮的,用后者做实验时中央是暗的
C.中央均为亮点的同心圆形条纹
D.中央均为暗点的同心圆形条纹
答案:C
解析:障碍物小圆盘的衍射,障碍物后的阴影中央是一个亮斑,这就是著名的泊松亮斑,是光绕过盘的边缘后在中央叠加形成的,在亮斑的周围有一个大的影区,在影区的边沿有明暗相间的圆环.圆孔衍射,圆孔衍射形成的图样也是明暗相间的同心圆环,中央是明亮的.
3.(2022·上海模拟)下列现象中属于光的衍射现象的是 ( )
A.在阳光照射下,充满雾气的瀑布上方常常会出现美丽的彩虹
B.太阳光通过透明的装满水的金鱼缸后在地面上出现彩色光带
C.通过遮光板上的小孔观察远处明亮的电灯,看到电灯周围有一圈彩色光环
D.观察紧叠在一起的两块平板玻璃,若板间存在薄空气层,从平板玻璃的上表面常会看到彩色条纹
答案:C
解析:彩虹是光的折射现象,选项A错误;太阳光通过透明的装满水的金鱼缸后在地面上出现彩色光带属于色散现象,选项B错误;通过小孔看到电灯周围有一圈彩色光环,是光通过小孔发生了衍射现象,选项C正确;紧叠在一起的两块玻璃板,从上表面看到彩色条纹,这是光分别从空气层的上、下表面反射从而发生干涉的现象,选项D错误.
4.(多选)抽制高强度纤维细丝时可用激光监控其粗细,如图所示,激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板上同样宽度的窄缝时产生的条纹分布规律相同.观察光束经过细丝后在光屏上所产生的条纹即可判断细丝粗细的变化.下列叙述正确的是( )
A.这里应用的是光的衍射现象
B.这里应用的是光的干涉现象
C.屏上条纹变宽,表明抽制的丝变粗
D.屏上条纹变宽,表明抽制的丝变细
解析:激光束越过细丝即绕过障碍物,这是光的衍射现象.当抽制的丝变细,即障碍物的尺寸变小的时候,条纹变宽.选项 A、D正确.
答案:AD
5.如图所示,甲、乙两图是由单色光分别入射到不同圆孔而形成的图像,其中甲图是光的 (选填“干涉”或“衍射”)图像.由此可以判断出甲图所对应的圆孔的孔径 (选填“大于”或“小于”)乙图所对应的圆孔的孔径.
甲
乙
解析:根据题图甲中图像的特点可知图甲为单孔衍射的图像.题图乙中只有一个圆形亮斑,周围没有衍射条纹说明图乙所对应的情形中没有发生明显衍射,说明孔的尺寸比波长大得多.
答案:(共53张PPT)
第四章 光
学 习 目 标
1.通过观察绳波的传播特点,了解偏振现象,知道偏振是横波特有的性质,培养科学探究的精神.
2.观察光的偏振现象,了解自然光与偏振光的区别;收集光的偏振现象应用的实例,了解立体电影的原理.培养科学思维能力和解决实际问题能力.
3.了解激光的特性,能举例说明激光技术在生产生活中的应用.
6 光的偏振 激光
知识点一 偏振
1.机械横波与纵波有何区别 什么是偏振现象 什么是偏振方向
答案:横波的振动方向总是垂直于波的传播方向,但不同的横波,振动方向可以不同;纵波的振动方向总是跟波的传播方向在同一直线上.不同的横波,即使传播方向相同,振动方向也可能是不同的.这个现象称为“偏振现象”.横波的振动方向称为“偏振方向”.
2.空气中的声波是否有偏振现象
答案:空气中的声波是纵波,而纵波没有偏振现象,所以声波不会发生偏振现象.
3.不同的横波,即使传播方向相同,振动方向也可能是 .这个现象称为“偏振现象”.
不同的
知识点二 光的偏振
1.偏振片:由特定的材料制成,每个偏振片都有一个 的方向,沿着这个方向振动的光波能顺利通过偏振片,这个方向叫作“ 方向”.偏振片对光波的作用就像狭缝对于机械(横)波的作用一样.
2.自然光:太阳以及日光灯、发光二极管等普通光源发出的光,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
振动的光波的强度都 .这种光是“自然光”.
各个方向
相同
特定
透振
3.偏振光:通过偏振片的光波,在垂直于传播方向的平面上,沿着某个 的方向振动,这种光叫作偏振光.
4.阅读教材第,了解自然光除了通过偏振片变为偏振光,还可以用什么方式产生偏振光
答案:自然光并不是只有通过偏振片后才会变为偏振光,生活中除太阳、白炽灯等光源直接发出的光外,我们看到的绝大部分光都是不同程度的偏振光.自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时,反射光和折射光都是偏振光.如自然光射到水面时的反射光和折射光,尤其是二者相互垂直时,就是典型的偏振光,并且是完全偏振光,振动方向相互垂直.
特定
知识点三 偏振现象的应用
根据光的偏振现象,查阅资料,了解其在生活中有哪些应用
答案:拍摄玻璃橱窗内的物品时,可在镜头前加一个偏振片来减弱橱窗玻璃表面的反射光.液晶显示器是应用光的偏振制成的.立体电影也利用了光的偏振原理.
知识点四 激光的特点及其应用
1.1960年,美国物理学家 率先在实验室中制造出了激光.激光是原子受激辐射产生的光,激光光束中所有光子都是相互关联的,它们的频率一致、相位一致、 一致、传播方向一致.
2.激光的特性体现在以下几个方面: 好、方向性好、亮度高、覆盖波段宽而且可调制.
答案:光纤通信、激光测距、激光医学、激光加工等.
梅曼
偏振方向
相干性
3.激光有哪些应用
小试身手
判断下列说法的正误并和同学交流(正确的在括号内打“√”,错误的打“×”).
1.凡是波都有偏振现象.( )
2.自然光通过偏振片后成为偏振光.( )
3.自然光只有透过偏振片才能变成偏振光.( )
4.反射可以引起自然光的偏振.( )
5.拍摄水中游鱼时,在镜前装一偏振片是利用光的偏振现象.( )
6.激光可以进行光纤通信,这利用了其相干性好的特点.( )
7.激光可做“光刀”来切开皮肤利用的是激光的相干性好.( )
×
√
×
√
√
√
×
探究一 偏振
问题情境
取一根软绳,一端固定在墙上,手持另一端上下抖动,软绳上形成一列横波.现在,让软绳穿过一块带有狭缝的木板.
1.若狭缝与波的振动方向平行,如图所示,则振动能否通过狭缝传到木板的另一侧
答案:若狭缝与波的振动方向平行,则振动能通过狭缝传到木板的另一侧.
2.如果狭缝与波的振动方向垂直,如图所示,则振动能否通过狭缝传到木板的另一侧
答案:若狭缝与波的振动方向垂直,则振动不能通过狭缝传到木板的另一侧.
3.若将这根绳换成细软的弹簧,前后推动弹簧形成纵波,两狭缝分别竖直、水平放置,如图所示,则振动能否通过狭缝传到木板的另一侧
答案: 无论狭缝怎样放置,弹簧上的纵波都可以通过狭缝传到木板的另一侧.
4.只有什么波才能发生偏振现象 受上面实验的启发,我们可以利用类似的实验来判断什么
答案:偏振现象是横波所特有的.可以利用偏振现象来判断一列波是横波还是纵波.
过程建构
1.偏振现象中不同的横波,即使传播方向相同,振动方向也可能是不同的.
2.只有横波才存在偏振现象,纵波不存在偏振现象.
3.只有当振动方向与狭缝平行时,横波才能通过狭缝传到另一侧.而无论狭缝怎样放置,纵波都可以通过狭缝传到另一侧.
【典例1】关于偏振现象,下列说法正确的是( )
A.只要是机械波就能发生偏振现象
B.只有横波才能发生偏振现象,纵波不能发生偏振现象
C.只要机械波遇到狭缝,就一定无法传到另一侧
D.在某机械波的传播方向上垂直放一狭缝,若波能通过狭缝传到另一侧,则说明该波为纵波
解析:只有横波才存在偏振现象,选项A错误,选项B正确.若狭缝与横波的振动方向平行,则振动能通过狭缝传到另一侧,选项C、D错误.
答案:B
探究二 光的偏振
问题情境
(1)让一束自然光照射到一块偏振片上,如图甲所示,后面的屏是明亮的,以光的传播方向为轴旋转偏振片,偏振光的振动方向随之变化,但屏的亮度不变.
甲
(2)让一束自然光先后照射到两块偏振片上,如图乙所示,当两块偏振片的透振方向平行时,屏是亮的,但是比光只通过一块偏振片时要稍暗一些.
乙
(3)当两块偏振片的透振方向垂直时,如图丙所示,屏是暗的.
丙
(4)若两偏振片的透振方向既不平行也不垂直,屏的亮度介于乙、丙二者之间,随着振动方向与透振方向的夹角变大,亮度逐渐变暗.
1.如果光波是纵波,上面演示的现象是否会发生 光的偏振现象说明自然光是什么样的波
答案:如果光波是纵波,则(3)(4)所对应的现象不会发生.光的偏振现象说明自然光是横波.
2.自然光通过一个偏振片后的光和之前比有什么变化
答案:自然光通过偏振片时,只有振动方向和偏振片的透振方向一致的那些光波才能完全通过,而振动方向和偏振片的透振方向垂直的光波就完全不能通过.所以通过偏振片后,自然光就变成了偏振光,转动偏振片,偏振光的亮度不变,但透过的光的偏振方向不同.
3.如何解释现象(3)
答案:如果两个偏振片的透振方向垂直,那么自然光经过第一个偏振片后变为偏振光,偏振光的振动方向跟第二个偏振片的透振方向垂直,偏振光不能通过第二个偏振片,透射光的强度为0,所以屏是暗的.
4.自然光和偏振光有什么不同
答案:在垂直于传播方向的平面内,自然光包含着沿所有方向振动的光,且沿着各个方向振动的光波的强度都相同.而偏振光只在垂直于传播方向的平面上沿着某个特定的方向振动.
过程建构
1.起偏器和检偏器.
(1)起偏器:用于获得偏振光的偏振片.
(2)检偏器:为了检查通过起偏器的光是不是偏振光,在起偏器后面再放置一个偏振片.
2.偏振光的两种产生方式.
(1)让自然光通过偏振片.
(2)自然光经过反射或折射后会变成偏振光.如自然光射到两种介质的交界面上,反射光和折射光之间的夹角恰好是90°,反射光和折射光都是偏振光,且偏振方向相互垂直.
3.对光的偏振的理解.
(1)偏振片上的“狭缝”表示透振方向,而不是真实的狭缝.
(2)只要光的振动方向不与透振方向垂直,都可以不同程度地通过偏振片,不过强度要比振动方向与透振方向平行的光弱一些.
(3)光的偏振现象证明光是横波.
【典例2】(多选)在垂直于太阳光的传播方向前后放置两个偏振片P和Q,在Q的后边放上光屏,如图所示,则下列说法正确的是( )
A.Q不动,旋转偏振片P,屏上光的亮度不变
B.Q不动,旋转偏振片P,屏上光的亮度时强时弱
C.P不动,旋转偏振片Q,屏上光的亮度不变
D.P不动,旋转偏振片Q,屏上光的亮度时强时弱
答案:BD
解析: P是起偏器,它的作用是把太阳光(自然光)转变为偏振光,该偏振光的振动方向与P的透振方向一致,所以当Q与P的透振方向平行时,通过Q的光强最大;当Q与P的透振方向垂直时通过Q的光强最小.无论旋转P还是Q,屏上的光强都是时强时弱的.
【变式】若A点位于偏振片P、Q之间,B点位于Q右侧.旋转偏振片P,A、B两点光的强度有变化吗
解析:自然光包含各个方向的光,且各个方向的光强度相等,所以旋转偏振片P时各方向透射光强度相同,故A点光的强度不变;自然光经偏振片P后变为偏振光,此时只有偏振片Q与P的透振方向一致时偏振光才能全部透过Q,因此在旋转P时B点光的强度有变化.
答案:A点光的强度不变;B点光的强度有变化.
偏振光强度变化的特点
(1)自然光通过一个偏振片成为偏振光,透射光的偏振方向与偏振片的放置有关,但光的强度与偏振片的透振方向无关.
(2)偏振光通过偏振片时,透射光的强度与偏振方向和透振方向的夹角大小有关.
探究三 偏振现象的应用
问题情境
观察下面的两幅照片.
不加偏振滤光
片拍摄的照片
加偏振滤光片
拍摄的照片
1.为什么要在照相机镜头前装一片偏振滤光片
答案:摄影师拍摄时,由于水面的反射光的干扰,景像不清楚.因为反射光是偏振光,照相机镜头前装一片偏振滤光片后,让它的透振方向与反射光的振动方向垂直,就可以减弱反射光而使景像清晰.
2.在夜间行车时,迎面开来的车灯眩光容易使司机看不清路面,发生事故.思考:在汽车上如何利用偏振片来减少夜间迎面开来的汽车车灯的眩光
答案:如果在车灯玻璃上和司机座席前面的挡风玻璃上各安装一块偏振片,并使它们的透振方向跟水平方向成45°角,就可以解决这一问题.从对面车灯射来的偏振光,由于振动方向跟司机座前挡风玻璃偏振片的透振方向垂直,所以不会射进司机眼里.而从自己的车灯射出去的偏振光,由于振动方向跟自己的挡风玻璃上的偏振片的透振方向相同,所以司机仍能看清自己的灯照亮的路面和物体.
偏振现象的应用.
(1)在摄影中的应用:在镜头前安装一片偏振滤光片,可以阻挡反射光进入镜头.
(2)电子表的液晶显示屏:在两块透振方向垂直的偏振片当中插进一个液晶盒,可以控制光显示数字.
(3)夜晚行车时,车灯眩光的消除用的就是光的偏振原理.
(4)立体电影也利用了光的偏振原理.放立体电影时,有左右两架放映机同时工作,在每架放映机前装有一块偏振镜片,其透振方向互相垂直,因此从放映机前的偏振镜射出的两束偏振光的偏振方向
过程建构
互相垂直,这两束偏振光经屏幕反射其偏振方向不改变,观众所戴的偏振眼镜的两片镜片透振方向互相垂直,且左眼镜片的透振方向跟左边放映机前的偏振镜的透振方向一致,右眼镜片的透振方向跟右边放映机前的偏振镜的透振方向一致.这样,左眼只看到左边的放映机映出的画面,右眼只看到右边的放映机映出的画面,两眼看到的画面略有差别,从而产生立体感.
【典例3】奶粉中碳水化合物(糖)的含量是一个重要指标,可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度,从而鉴定含糖量.偏振光通过糖的水溶液后,偏振方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度α,这一角度α称为“旋光度”,α的值只与糖溶液的浓度有关,将α的测量值与标准值相比较,就能确定被测样品的含糖量了.如图所示,S是自然光源,A、B是偏振片,转动B,使到达O处的光最强,然后将被测样品P置于A、B之间.
(1)偏振片A的作用是 .
(2)偏振现象证明了光是一种 .
(3)下列说法正确的是 .
A.到达O处光的强度会明显减弱
B.到达O处光的强度不会明显减弱
C.将偏振片B转动一个角度,使得O处光强度最强,偏振片B转过的角度等于α
D.将偏振片A转动一个角度,使得O处光强度最强,偏振片A转过的角度等于α
解析:(1)自然光源发出的光不是偏振光,但自然光经过偏振片后就变成了偏振光,因此偏振片A的作用是把自然光变成偏振光.
(2)偏振现象证明了光是一种横波.
(3)因为A、B的透振方向一致,所以A、B间不放糖溶液时,自然光通过偏振片A后变成偏振光,通过B后到O.当在A、B间加上糖溶液时,由于糖溶液的旋光作用,通过A的偏振光的振动方向转动了一定角度,再通过B到达O的光的强度不是最大,但当B转过一个角度,恰好使其透振方向与经过糖溶液后的偏振光的振动方向一致时,O处光强又为最强,故B的旋转角度即为糖溶液
的旋光度.若偏振片B不动而将A旋转一个角度,再经糖溶液旋光后光的振动方向恰与B的透振方向一致,则A转过的角度也为α.选项A、C、D正确.
答案:(1)把自然光变成偏振光 (2)横波 (3)ACD
探究四 激光的特点及其应用
问题情境
激光具有以下特性:强度大、方向性好、平行度高、相干性好、覆盖波段宽而且可调制.
1.激光的单色性很好.激光频率范围极窄,颜色几乎是完全一致的.我们可以在什么实验中用激光代替单色光呢
答案:在做双缝干涉实验时,可以用激光代替单色光做光源.并且,实验时无需在双缝前放一个单缝,而是用激光直接照射双缝,就能得到既明亮又清晰的干涉条纹.
2.激光具有很好的相干性.相干性好是指容易产生干涉现象.激光干涉易于调制,传输信息,所能传递的信息密度极高,所以激光可以应用于哪方面呢
答案:光纤通信、全息照相、干涉与衍射的光源等.
3.激光的方向性好、平行度高.激光与普通光相比,传播相同距离的激光束的扩散程度小,光仍能保持很大的强度,保持高能量,这一点可以应用于哪方面呢
答案:精确测距.现在利用激光测量地球到月球距离的精确度已达到厘米级别.
4.激光的强度大、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.如果把强大的激光束会聚起来,可使物体被照部分在不到千分之一秒的时间内产生几千万摄氏度的高温.所以,我们平时在使用激光时需要注意什么
答案:不能直接照射眼睛,否则会伤害眼睛.
过程建构
1.激光及其特性.
激光是原子受激辐射产生的光,激光光束中所有光子都是相互关联的,它们的频率一致、相位一致、偏振方向一致、传播方向一致,所以激光具有单色性好、方向性强、亮度高等特点.
2.激光的特性与对应的应用.
特点 性质 应用
强度大, 亮度高 可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量 激光加工、激光医学
方向性好, 平行度高 激光的平行度非常好,能传播很远的距离而不发散,能保持其高能量 激光测距、激光检测
单色性好 激光的频率范围较窄、颜色几乎是相同的 激光照排
相干性好 激光具有频率相同、相位差恒定、偏振方向相同的特点 干涉、衍射光源,激光全息照相
覆盖波段宽 且可调制 用不同的激光器可获得从X射线到远红外波段的激光,且像无线电波一样可以进行调制 光纤通信
【典例4】(多选)准分子激光器利用氩气和氟气的混合物产生激光刀,可用于进行近视眼的治疗.用这样的激光刀对近视眼进行手术,手术时间短、效果好、无痛苦.关于这个治疗,下列说法正确的是( )
A.近视眼是物体成像在视网膜的前面,使人不能看清远处的物体
B.激光具有很好的方向性,用激光刀可以在非常小的面积上对眼睛进行手术
C.激光治疗近视眼手术是对视网膜进行修复
D.激光治疗近视眼手术是利用激光的相干性好
解析:人的眼睛是一个光学成像系统,角膜和晶状体的共同作用相当于一个凸透镜,物体通过凸透镜成像在视网膜上,人就能看清楚物体.当角膜和晶状体组成的这个凸透镜的焦距比较小,远处的物体成像在视网膜的前面时,人就不能看清远处的物体,这就是近视眼,选项A正确.激光具有很好的方向性,用激光刀可以在非常小的面积上对眼睛进行手术,选项B正确,选项D错误.激光手术不是修复视网膜,而是对角膜进行切削,改变角膜的形状,使眼球中“凸透镜”的焦距适当变大,物体经过角膜和晶状体后成像在视网膜上,选项C错误.
答案:AB
课堂评价
1.(多选)关于自然光和偏振光,下列说法正确的是( )
A.自然光包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光,但是沿各个方向振动的光波的强度可以不同
B.偏振光是垂直于传播方向上,只沿着某一特定方向振动的光
C.自然光透过一个偏振片后就成为偏振光,偏振光经过一个偏振片后又还原为自然光
D.太阳、电灯等普通光源发出的光都是自然光
解析:自然光沿各振动方向的光波的强度相同,选项A错误.偏振光在垂直于传播方向上,只沿某一特定方向振动,选项B正确.自然光透过偏振片后成为偏振光,偏振光透过偏振片后不能还原为自然光,选项C错误.太阳、电灯等普通光源发出的光都是自然光,选项D正确.
答案:BD
2.(多选)如图所示,A、B为两偏振片,一束自然光沿OO'方向射向A,此时在光屏C上透射光的强度最大,则下列说法正确的是
( )
A.此时A、B的透振方向平行
B.只有将B绕OO'轴顺时针旋转90°时,屏上透射光的强度最弱,几乎为0
C.只将A或B中的一个绕OO'轴旋转90°时,屏上透射光的强度最弱,几乎为0
D.将A沿顺时针方向旋转180°时,屏上透射光的强度最弱,几乎为0
答案:AC
解析:当两偏振片的透振方向平行时,透射光强度最强,当两偏振片的透振方向垂直时,透射光强度最弱,几乎为0,故选项A、C正确.
3.(2021·广东深圳实验学校阶段检测)光在日常生活中有着广泛的应用,下列说法正确的是( )
A.观看立体电影时所戴的眼镜利用了光线衍射的原理
B.摄像机镜头采用镀膜技术增加了透射光,这是利用了光的衍射
C.拍摄玻璃橱窗中的物品时,在镜头前加偏振片是利用了光的干涉
D.显微镜、近视眼镜、远视眼镜等是利用光的折射制成的
答案:D
解析:观看立体电影时所戴的眼镜利用了光的偏振原理,选项A错误;摄像机镜头采用镀膜技术增加了透射光,利用的是光的干涉现象,选项B错误;反射光是偏振光,拍摄玻璃橱窗内的物品时,在镜头前加一个偏振片可以过滤橱窗玻璃的反射光,选项C错误;显微镜、近视眼镜、远视眼镜等是利用光的折射制成的,选项D正确.
4.(多选)下列说法正确的是( )
A.激光可用于测距
B.激光能量十分集中,只可用于加工金属材料
C.外科研制的“激光刀”可以有效地减少细菌的感染
D.激光可用于全息照相,有独特的特点
解析:激光平行度好,即使在传播了很远的距离之后,它仍保持一定的强度,此特点可用于激光测距,选项A正确.激光的亮度高,能量十分集中,可用于金属加工、激光医疗、激光美容等,选项B错误.激光亮度高、能量大,在切割皮肤的同时,避免了皮肤与器械的接触,有效地减少了术后细菌的感染,而且它也能杀灭细菌,选项C正确.激光具有很高的相干性,可用于全息照相,因为它记录了光的相位信息,所以看起来跟真的一样,立体感较强,选项D正确.
答案:ACD(共30张PPT)
第四章 光及其应用
学 习 目 标 物 理 与 STSE
1．知道什么是光疏介质和光密介质，理解它们具有相对性． 2．理解全反射现象，掌握临界角的概念和全反射的条件． 3．利用全反射条件，应用临界角公式解答相关问题． 4．了解光导纤维的工作原理和应用
海市蜃楼是由于 玻璃中的气泡看
光的折射和部分 起来比较亮，是
全反射形成的 光在玻璃的表面
发生全反射形成的
知识点一 光的全反射现象
1．光疏介质和光密介质．
(1)光疏介质：折射率较小(选填“大”或“小”)的介质．
(2)光密介质：折射率较大(选填“大”或“小”)的介质．
(3)光疏介质与光密介质是相对(选填“相对”或“绝对”)的．
2．全反射现象．
(1)全反射：光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角且随入射角增大而增大．当入射角增大到一定角度，折射角将变成90°，继续增大入射角，折射角将大于90°，此时入射光线全部被反射回折射率较大的介质中，这种现象称为光的全反射．
(2)临界角：刚好发生全反射，即折射角等于90°时的入射角．
3．全反射发生的条件．
(1)光从光密介质射入光疏介质．
(2)入射角等于或大于临界角．
知识点二 光导纤维的工作原理和应用
1．原理：利用了光的全反射．
2．构造：简称光纤．由纤芯和包层组成．包层的折射率比纤芯的小，光传播时在纤芯与包层的界面上发生全反射．
3．光纤通信的优点是容量大、衰减小、抗干扰性强等．
核心素养
物理观念 光疏介质、光密介质、全反射现象和光导纤维
科学思维 利用全反射条件，应用临界角公式解答相关问题，以及解释自然界中的一些全反射现象
科学探究 采用实验观察、猜想、验证、归纳的方法得出全反射现象的发生条件、临界角概念等
科学态度与责任 体验从实验、观察、分析、比较等获取知识的成功喜悦，从而培养学生热爱实验、勤于思考、乐于探究的科学品质
2．光导纤维的结构如图所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播，以下关于光导纤维的说法正确的是( )
A．内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射
B．内芯的折射率比外套的小，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射
C．内芯的折射率比外套的小，光传播时在内芯与外套的界面上发生折射
D．内芯的折射率与外套的相同，外套的材料有韧性，可以起保护作用
解析：光导纤维内芯的折射率大于外套的折射率，光由内芯射向外套时，在其界面处发生全反射，从而使光在内芯中传播，A正确．
答案：A
探究一 全 反 射
1．全反射现象．
(1)全反射的条件：
①光由光密介质射入光疏介质．
②入射角大于或等于临界角．
(3)从能量角度来理解全反射：当光从光密介质射入光疏介质时，随着入射角增大，折射角也增大．同时折射光线强度减弱，能量减小，反射光线强度增强，能量增加，当入射角达到临界角时，折射光线强度减弱到零，反射光线的能量等于入射光线的能量．
2．不同色光的临界角：由于不同颜色(频率不同)的光在同一介质中的折射率不同．频率越大的光，折射率也越大，所以不同颜色的光由同一介质射向空气或真空时，频率越大的光的临界角越小，越易发生全反射．
【典例1】 如图，一半径为R的玻璃半球，O点是半
球的球心，虚线OO′表示光轴(过球心O与半球底面垂
直的直线)．已知玻璃的折射率为1.5.现有一束平行光
垂直入射到半球的底面上，有些光线能从球面射出(不考虑被半球的内表面反射后的光线)．求：
(1)从球面射出的光线对应的入射光线到光轴距离的最大值；
解答全反射类问题的技巧
(1)光必须从光密介质射入光疏介质．
(2)入射角大于或等于临界角．
(3)利用好光路图中的临界光线，准确地判断出恰好发生全反射的光路图是解题的关键，且在作光路图时比例与实际相符，这样更有利于问题的分析．
1．用激光笔照射光具盘上的半圆形玻璃砖，观察到的现象如图所示．以下说法正确的是( )
2．(2022·辽宁卷)完全失重时，液滴呈球形，气泡在液体中将不会上浮.2021年12月，在中国空间站“天宫课堂”的水球光学实验中，航天员向水球中注入空气形成了一个内含气泡的水球．如图所示，若气泡与水球同心，在过球心O的平面内，用单色平行光照射这一水球．下列说法正确的是( )
A．此单色光从空气进入水球，频率一定变大
B．此单色光从空气进入水球，频率一定变小
C．若光线1在M处发生全反射，光线2在N处一定发生全反射
D．若光线2在N处发生全反射，光线1在M处一定发生全反射
3.由物镜、转像系统和目镜等组成的光学潜望镜
最早应用于潜艇，直角三棱镜是转像系统的重
要部件．如图所示，ABC是等腰直角三棱镜，
一束单色光沿平行于其底边BC的方向射向直角边AB，光束进入棱镜后直接射到另一直角边AC时，刚好能发生全反射．已知光在真空中的传播速度为c.求：
(1)该三棱镜对此单色光的折射率n；
(2)此单色光在该三棱镜中的传播速度v.
解析：(1)作出光路图如图所示．
探究二 光导纤维
1．构造及传播原理．
(1)构造：光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有几微米到一百微米，如图所示，它是由内芯和外套两层组成的，内芯的折射率大于外套的折射率．
(2)传播原理：光由一端进入，在两层的界面上经过多次全反射，从另一端射出．光导纤维可以远距离传播光信号，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像．
【典例2】 如图所示是一段光导纤维的简化图，光纤总长为L，已知光从左端射入光纤，在光纤的侧面上恰好能发生全反射．若已知该光纤的折射率为n，光在真空中传播速度为c，求：(共34张PPT)
第四章 光及其应用
学 习 目 标 物 理 与 STSE
1．知道光的干涉现象和产生干涉现象的条件，知道光是一种波． 2．理解明暗条纹的成因及出现明暗条纹的条件． 3．能说明薄膜干涉条纹的特点，能解释薄膜干涉的成因
雨后积水上面漂浮 灯光下的肥皂膜
的油膜显现出彩色 显现出彩色条纹
条纹
知识点一 光的双缝干涉现象
1．1801年，英国物理学家托马斯·杨成功地观察到了光的干涉现象，直接证明了光的波动特征．
2．现象：让一支激光笔发出的光照射在双缝上，双缝平行于屏，在屏上观察到了明暗相间的条纹；而两支同样的激光笔射向屏上的同一个地方，则观察不到明暗相间的条纹．光波和机械波一样具有干涉现象．
知识点二 光产生干涉的条件
1．干涉条件：两列光波的频率相同、相位差恒定和振动方向相同．
知识点三 薄膜干涉
1．薄膜干涉：薄膜前、后表面反射回来的两组光波相遇后发生干涉，也称薄膜干涉．
2．薄膜干涉的原理：光照在厚度不同的薄膜上时，在薄膜的不同位置，前、后两个面的反射光具有稳定的光程差，是相干光．若是太阳光照射，在膜不同的地方，其内、外表面反射光的光程差不同，故总有一些地方的光程差满足明、暗条纹条件，会出现彩色条纹．
核心素养
物理观念 双缝干涉 薄膜干涉
科学思维 掌握在双缝干涉实验中产生亮条纹和暗条纹的原因及条件，并了解其有关计算
科学探究 学生通过自主学习掌握光的干涉条件，以及在双缝干涉实验中产生亮条纹和暗条纹的原因及条件
科学态度与责任 培养学生的合作精神、团队意识和集体观念，培养学生循着科学家足迹自主探究科学知识的能力
小试身手
1．用两个红灯泡照射白墙，在墙上看到的是( )
A．明暗相间的条纹 B．彩色条纹
C．一片红光 D．晃动的条纹
解析：两灯泡不是相干光源，故C正确．
答案：C
2．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．若仅将入射光由红光改为紫光，则条纹间距一定变大
D．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
解析：用白光做杨氏双缝干涉实验，屏上将呈现彩色条纹，A错误；用红光作为光源，屏上将呈现红色亮条纹与暗条纹(即黑条纹)相间，B正确；若仅将入射光由红光改为紫光，波长变小，条纹间距变小，C错误；红光和紫光频率不同，不能产生干涉条纹，D错误．
答案：B
3.用如图所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象．图(a)是
点燃的酒精灯(在灯芯上撒些盐)，图(b)是竖立的附着一层
肥皂液薄膜的金属线圈．将金属线圈在其所在的竖直平
面内缓慢旋转，观察到的现象是( )
A．当金属线圈旋转30°时，干涉条纹同方向旋转30°
B．当金属线圈旋转45°时，干涉条纹同方向旋转90°
C．当金属线圈旋转60°时，干涉条纹同方向旋转30°
D．干涉条纹保持不变
解析：在本实验中肥皂液薄膜之所以产生干涉条纹，是因为在重力作用下肥皂液薄膜的竖截面是梯形，前后两面的反射光叠加而形成的，金属线圈在其所在平面内缓慢旋转并不能影响肥皂液薄膜的竖截面，故金属线圈在其所在平面内旋转时干涉条纹保持不变．
答案：D
探究一 双缝干涉原理
1．两相邻亮条纹(或暗条纹)间距离与光的波长有关，波长越大，条纹间距越大．
白光的干涉条纹的中央是白色的，两侧是彩色的，这是因为：各种色光都能形成明暗相间的条纹，都在中央条纹处形成亮条纹，从而复合成白色条纹．两侧条纹间距与各色光的波长成正比，条纹不能完全重合，这样便形成了彩色干涉条纹．
【典例1】 如图所示，在用单色光做双缝干涉实验时，
若单缝S从双缝S1、S2的中央对称轴位置处稍微向上移动，
则( )
A．不再产生干涉条纹
B．仍可产生干涉条纹，且中央亮纹P的位置不变
C．仍可产生干涉条纹，且中央亮纹P的位置略向上移
D．仍可产生干涉条纹，且中央亮纹P的位置略向下移
[核心点拨] (1)中央对称轴移动不会改变传到双缝的光的频率，由S1、S2射出的仍是相干光．
(2)中央对称轴向上稍微移动，光程差为零的点变为P的下方．
解析：本实验中单缝S的作用是形成频率一定的线光源，双缝S1、S2的作用是形成相干光源，稍微移动S后，没有改变传到双缝的光的频率，由S1、S2射出的仍是相干光．S为实际光源，因此根据出现中央亮条纹的条件，必有SS1＋S1P＝SS2＋S2P.若单缝S稍微向上移动，则单缝S发出的光到达屏上光程差为零的点在P的下方，故中央亮纹下移．
答案：D
如何判断屏上某点为亮条纹还是暗条纹
(1)判断屏上某点为亮条纹还是暗条纹，要看该点到两个光源(双缝)的路程差(光程差)与波长的比值．
(2)要记住：路程差等于波长整数倍处出现亮条纹；等于半波长奇数倍处为暗条纹．
(3)上述结论成立的条件是：两个光源情况完全相同．
1．某同学利用如图所示实验观察光的干涉现象，其中
A为单缝屏，B为双缝屏，C为光屏．当让一束阳光照
射A屏时，C屏上并没有出现干涉条纹，移走B后，C
上出现一窄亮斑．分析实验失败的原因可能是( )
A．单缝S太窄
B．单缝S太宽
C．S到S1和S2距离不相等
D．阳光不能作为光源
解析：双缝干涉实验中单缝的作用是获得线光源，而线光源可以看成是由许多个点光源沿一条线排列组成的，单缝的宽度应比较小，由题意知，这里观察不到光的干涉现象是由于单缝太宽，得不到线光源．故选B.
答案：B
2．如图所示，在双缝干涉实验中，用波长λ＝600 nm的橙色光实验时，P为中心点P0上方第一条亮纹，现改用波长为400 nm的紫光进行实验，则( )
A．P0处和P处都是亮条纹
B．P0处是亮条纹，P处是暗条纹
C．P0处是暗条纹，P处是亮条纹
D．P0处和P处都是暗条纹
解析：缝S1、S2到光屏中央P0点的距离相等，无论什么色光，其相干光的路程差均为0，故P0处都是亮条纹．对于波长为600 nm的橙色光，S1、S2到P点的路程差恰好为橙色光的1个波长，则换用波长为400 nm的紫色光时，S1、S2到P点的路程差恰好为橙色光的1.5个波长，因此紫色光照射时在P处是暗条纹．故B正确，A、C、D错误．故选B.
答案：B
探究二 双缝干涉条纹间距的决定因素
1．决定双缝干涉条纹间距的关系式推导．
3.在双缝干涉实验中，图甲是用绿光进行实验时屏上
观察到的条纹情况，a处为中央亮条纹；图乙是用同
一实验装置、换用另一种颜色的单色光进行实验时
屏上观察到的条纹情况，a处仍为中央亮条纹．则以下说法中正确的是( )
A．图乙可能是用红光实验产生的条纹，表明红光波长较长
B．图乙可能是用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较长
C．图乙可能是用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较短
D．图乙可能是用红光实验产生的条纹，表明红光波长较短
4．(多选)某同学采用图甲所示的实验装置研究光的干涉与衍射现象，狭缝S1、S2的宽度可调，狭缝到屏的距离为L.同一单色光垂直照射狭缝，实验中分别在屏上得到了图乙、图丙所示图样．下列描述正确的是( )
A．图乙是光的双缝干涉图样，当光通过狭缝时，也发生了衍射
B．遮住一条狭缝，另一狭缝宽度增大，其他条件不变，图丙中亮条纹宽度增大
C．照射两条狭缝时，增加L，其他条件不变，图乙中相邻暗条纹的中心间距增大
D．照射两条狭缝时，若光从狭缝S1、S2到屏上P点的路程差为半波长的奇数倍，P点处一定是暗条纹
探究三 薄膜干涉中的色散
1．薄膜干涉中相干光的获得．
光照射到薄膜上，在薄膜的前、后两个面反射的光是由同一个实际的光源分解而成的，它们具有相同的频率、恒定的相位差．
2．薄膜干涉的原理．
光照在厚度不同的薄膜上时，前、后两个面的反射光的路程差等于相应位置膜厚度的2倍．
在某些位置，两列波叠加后相互加强，于是出现亮条纹；在另一些位置，叠加后相互削弱，于是出现暗条纹．
4．薄膜干涉的应用．
(1)检查平面平整度的原理．
光线经空气薄膜的上、下两面的反射，得到两束相干光，如果被检测平面是光滑的，得到的干涉条纹是等间距的．如果被检测平面某处凹下，则对应条纹提前出现，如果某处凸起，则对应条纹延后出现．
(2)增透膜的原理．
在增透膜的前、后表面反射的两列光波形成相干波，当路程差为半波长的奇数倍时，两光波相互削弱，反射光的能量几乎等于零．
【典例3】 (多选)如图甲所示，用单色光照射透明标准板M来检查平面N的上表面的平滑情况，观察到如图乙所示条纹中的P和Q情况，这说明( )
A．N的上表面A处向上凸起
B．N的上表面B处向上凸起
C．N的上表面A处向下凹陷
D．N的上表面B处向下凹陷
解析：空气薄膜厚度从左向右依次增大，又因为同一条亮(暗)条纹上各处空气薄膜厚度相同，因此可知被检查平面发生弯曲的P处的空气厚度本应该比同一条纹上其他位置的空气厚度小，而实际上厚度一样，故A处存在凹陷，同理可知B处存在凸起．
答案：BC
“矮人行走法”判断被测面的凹凸
判断被测平面凹下或凸起可以用“矮人行走法”，即把干涉条纹看成“矮人”的行走轨迹．让一个小矮人在两板间沿着一条条纹直立行走，始终保持脚踏被检板，头顶样板，在行走过程中：
(1)若某处有一凹下，他要想过去必须从薄膜的尖端绕过去，方可按上述要求过去，即条纹某处弯向薄膜尖端，该处为一凹下．如图甲所示．
(2)若某处有一凸起，他要想过去，必从薄膜底部去绕，即条纹某处弯向薄膜底部方向时，该处必为一凸起．如图乙所示.
5．如图所示，把酒精灯放在肥皂液膜前，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、虚线为光照射到液膜上时，从膜的前后表面分别反射形成的两列波)( )
解析：肥皂液膜上薄下厚，波峰与波峰、波谷与波谷叠加处出现明条纹，波峰与波谷叠加处出现暗条纹，故C正确．
答案：C
6．(多选)把一平行玻璃板压在另一个平行玻璃板上，一端用薄片垫起，构成空气劈尖，让单色光从上方射入，如图所示，这时可以看到明暗相间的条纹，下面关于条纹的说法中正确的是( )
A．干涉条纹的产生是由于光在空气劈尖膜的上、下两表面反射形成的两列光波叠加的结果
B．干涉条纹中的暗条纹是由于上述两列反射光的波谷与波谷叠加的结果
C．将上玻璃板平行上移，条纹向着劈尖移动
D．观察薄膜干涉条纹时，应在入射光的另一侧
解析：根据薄膜干涉的产生原理，上述现象是由空气膜上、下两表面反射的两列光叠加而成的，当波峰与波峰、波谷与波谷相遇叠加时，振动加强，形成亮条纹，所以A项正确，B项错误；因相干光是反射光，故观察薄膜干涉时，应在入射光的同一侧，故D项错误；根据条纹的位置与空气膜的厚度是对应的，当上玻璃板平行上移时，同一厚度的空气膜向劈尖移动，故条纹向着劈尖移动，故C项正确．
答案：AC(共15张PPT)
第四章 光及其应用
一、实验步骤
1．将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上，如图所示．
2．接好光源，打开开关，使灯丝正常发光．
3．调节各器件的高度，使光源灯丝发出的光能沿轴线到达光屏．
4．安装双缝和单缝，中心大致位于遮光筒的轴线上，使双缝与单缝的缝平行，两者间距5～10 cm，这时可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．
三、注意事项
1．放置单缝和双缝时，必须使缝平行，间距大约为5～10 cm.
2．要保持光源、滤光片、单缝、双缝和光屏的中心在同一条轴线上．
3．测量头的中心刻线要对应着亮(或暗)条纹的中心．
4．要多测几个亮纹(或暗纹)中心间的距离，再求Δx.
5．调节的基本依据：照在像屏上的光很弱，主要原因是灯丝与单缝、双缝、测量头与遮光筒不共轴所致，干涉条纹不清晰一般主要原因是单缝与双缝不平行所致．
四、误差分析
1．(1)测双缝到屏的距离l带来的误差，可通过选用mm刻度尺，进行多次测量求平均值的办法减小误差．
(2)通过测量多条亮条纹间的距离来减小测量误差．
2．测条纹间距Δx带来的误差．
(1)干涉条纹没有调到最清晰的程度．
(2)分划板刻线与干涉条纹不平行，中心刻线没有恰好位于条纹中心．
(3)测量多条亮条纹间距离时读数不准确．
类型一 实验原理及操作
【典例1】 在“用双缝干涉测量光的波长”实验中，实验装置如图甲所示．
(1)(多选)以线状白炽灯为光源，对实验装置进行了调节并观察实验现象后，总结出以下几点：
A．灯丝和单缝及双缝必须平行放置
B．干涉条纹与双缝垂直
C．干涉条纹疏密程度与双缝宽度有关
D．干涉条纹间距与光的波长有关
以上几点中你认为正确的是________．
(2)当测量头中的分划板中心刻线对齐某条刻度线时，手轮上的示数如图乙所示，该读数为________mm.
(3)如果测量头中的分划板中心刻线与干涉条纹不在同一方向上，如图丙所示．则在这种情况下测量干涉条纹的间距Δx时，测量值________(选填“大于”“小于”或“等于”)实际值．
类型二 实验数据处理和误差分析
【典例2】 (2019·全国卷Ⅱ)某同学利用图示装置测量某种单色光的波长．实验时，接通电源使光源正常发光；调整光路，使得从目镜中可以观察到干涉条纹．回答下列问题：
(1)若想增加从目镜中观察到的条纹数，该同学可________．
A．将单缝向双缝靠近
B．将屏向靠近双缝的方向移动
C．将屏向远离双缝的方向移动
D．使用间距更小的双缝
(2)若双缝的间距为d，屏与双缝间的距离为l，测得第1条暗条纹到第n条暗条纹之间的距离为Δx，则单色光的波长λ＝________．
(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为________nm(结果保留三位有效数字)．
类型三 实验创新应用
【典例3】 某同学用如图甲所示的装置测量激光的波长．将一束激光照在双缝上，在光屏上观察到如图乙所示平行且等宽的明暗相间的条纹．该同学测得双缝间距为d(每个缝的宽度很窄可忽略)，光屏到双缝的距离为L，经测量得出5条亮条纹中心之间的距离为a，图乙中的条纹是因为激光发生了______(填“干涉”或“衍射”)现象而产生的，经计算该激光的波长为______．(共29张PPT)
第四章 光及其应用
学 习 目 标 物 理 与 STSE
1．理解光的折射定律，并能用来解释和计算有关的问题． 2．理解折射率的物理意义，知道折射率与光速的关系． 3．会依据光的折射定律作出光路图，知道光路是可逆的
自然界的“枪手” 有经验的渔民用鱼叉
射水鱼，能准确地 捕鱼时不是正对着看
看到小昆虫的位置 到的鱼叉，而是对着
所看到的鱼的下方叉
知识点一 光的折射定律
1．科学家：惠更斯发表了完整的折射定律的内容．
2．内容：当光线从空气射入介质时，发生折射．折射光线、入射光线和法线在同一平面内，折射光线和入射光线分别位于法线的两侧；入射角i的正弦值跟折射角γ的正弦值成正比．
4．当光从玻璃片入射到空气时，折射角大于入射角，即折射光线偏离法线传播．
核心素养
物理观念 折射定律 理解折射率
科学思维 能应用折射定律来解释和计算有关问题
科学探究 通过实验、讨论及教师的引导，理解折射定律，知道折射光路是可逆的，并能解释光现象和计算有关的问题
科学态度与责任 通过生活中大量的折射现象的分析，激发学生学习物理知识的热情，并正确认识生活中的自然现象，树立正确的世界观
小试身手
1.如图所示是一束光从空气射向某介质在界面上发生反射和
折射现象的光路图，下列判断中正确的是( )
A．AO是入射光线，OB为反射光线，OC为折射光线
B．BO是入射光线，OC为反射光线，OA为折射光线
C．CO是入射光线，OB为反射光线，OA为折射光线
D．条件不足，无法确定
解析：法线与界面垂直，根据反射角等于入射角，折射光线和入射光线位于法线两侧，可知CO为入射光线，OB为反射光线，OA为折射光线．
答案：C
2．一束单色光由空气进入水中，则该光在空气和水中传播时( )
A．速度相同，波长相同
B．速度不同，波长相同
C．速度相同，频率相同
D．速度不同，频率相同
探究一 折射定律的理解和应用
1．光的方向．
光从一种介质进入另一种介质时，传播方向一般要发生变化(斜射)，并非一定变化，当光垂直界面入射时，传播方向就不发生变化．
2．光的传播速度．
光从一种介质进入另一种介质时，传播速度一定发生变化，当光垂直界面入射时，光的传播方向虽然不变，但也属于折射，光传播的速度发生变化．
3．入射角与折射角的大小关系．
光从一种介质进入另一种介质时，折射角与入射角的大小关系不要一概而论，要视两种介质的折射率大小而定．当光从真空斜射入介质时，入射角大于折射角；当光从介质斜射入真空时，入射角小于折射角．
【典例1】 一直桶状容器的高为2l，底面是边长为l的正方形；容器内装满某种透明液体，过容器中心轴DD′、垂直于左右两侧面的剖面图如图所示．容器右侧内壁涂有反光材料，其他内壁涂有吸光材料．在剖面的左下角处有一点光源，已知由液体上表面的D点射出的两束光线相互垂直，求该液体的折射率．
[核心点拨] (1)根据题意画出光路图，先画从点光源直接到D点的光路图，要满足“D点射出的两束光线相互垂直”，另一条光线必经反光壁反射再从D点出射．
(2)根据几何关系可找出入射角和折射角的关系，进一步利用折射定律求解．
解析：设从点光源发出的光直接射到D点的光线的入射角为i1，折射角为r1，在剖面内作点光源相对于反光壁的对称点C，
连接CD，交反光壁于E点，由点光源射向E点的光线
在E点反射后由ED射向D点，设在D点的入射角为i2，
折射角为r2，如图所示．
设液体的折射率为n，由折射定律可得
解决光的折射问题的思路
(1)根据题意正确画出光路图．
(2)利用几何关系确定光路中的边、角关系，注意入射角、反射角、折射角的确定．
(3)利用反射定律、折射定律求解．
(4)注意光路的可逆性的利用．
2．一束光线从空气射向玻璃，入射角为α.下列四幅光路图中正确的是( )
探究二 对折射率的理解
1．关于正弦值．
当光由真空中射入某种介质中，入射角、折射角以及它们的正弦值是可以改变的，但正弦值之比是一个常数．
2．关于常数n.
入射角的正弦值跟折射角的正弦值之比是一个常数，但不同介质具有不同的常数，说明常数反映着该介质的光学特性．
4．决定因素．
介质的折射率是反映介质的光学性质的物理量，它的大小只能由介质本身及光的性质共同决定，不随入射角、折射角的变化而变化．
5．如图为宽度L＝6 m、高度H＝7 m的水池，装有
深度为h＝4 m的透明液体，在水池边右侧l＝2 m处
有一照明电灯，电灯距池高度h0＝1.5 m，电灯发
光时恰好照射到池底部左侧拐角P点．已知sin 37°
＝0.6，cos 37°＝0.8.
(1)求该透明液体的折射率；
(2)若池内装满该液体，求电灯发光照射到水池底部区域的左右宽度．
解析：(1)电灯发光恰好照射到水池底部左侧拐角
P点的光路图如图所示．(共10张PPT)
第四章 光及其应用
章末复习提升
【知识体系】
统揽考情
纵观近几年高考，本章已成为每年必考的内容，一般为计算题，选择题和实验题个别年份也有出现．本章主要考查光的折射和全反射，光的干涉和实验也是本章的重点．
真题例析
(2022·广东卷)一个水平放置的圆柱形罐体内装了一半的透明液体，液体上方是空气，其截面如图所示．一激光器从罐体底部P点沿着罐体的内壁向上移动，它所发出的光束始终指向圆心O点．当光束与竖直方向成45°角时，恰好观察不到从液体表面射向空气的折射光束．已知光在空气中的传播速度为c，求液体的折射率n和激光在液体中的传播速度v.
解析：当池中注水深度h为1.2 m时，光路图如图所示．
形
入射角01，折射角0，
折射定律折射定律：=①
光的折射
折射率与速度的关系：n=②
光路可逆
实验：测定玻璃的折射率
条件：③
④
全反射
临界角C的计算公式：sinC=⑤
条件：两列率⑥
、相位差⑦
、振动情况⑧
的光
实验装置：双缝干涉仪
干涉图样：单色光是⑨
0
的条纹
缝
亮条纹：△=①
光的干涉
明暗条纹的产生条件
光
暗条纹：△=②
条纹间距：△x=③
实验：用双缝干涉测量光的波长
薄膜干涉及应用
发生明显衍射的条件：孔或障碍物的尺寸④
光的
衍射图样：单色光是明暗⑤
、间隔⑥
的条纹（与干涉图样进行区分）
衍射
实例：⑦
⑧
、
偏振光与自然光的区别
光的
偏振光的获得方法：(1)用偏振片：(2)使反射光与折射光垂直，则它们都成为偏振光
偏振
偏振现象说明光是②①
特点：①
②2
3
24
光
应用：光纤通信、激光测距、激光雷达、医疗“光刀”、读盘、切割金属、激光育种、激光武器等
空气
激光器
45
液体
P
m
←-1.6m→
1.6
m
盲区
1.2
←1.6m→
1.6
m
盲区
