教科版高中物理选择性必修第一册第四章光及其应用第6节光的衍射与偏振第7节激光课件（47页PPT）

(共47张PPT)
[学习目标]
1.观察光的衍射现象，认识衍射条纹的特点。
2.知道产生明显衍射现象的条件。
3.观察光的偏振现象，知道自然光和线偏振光的区别。
4.了解激光的特点和应用。
1.单缝衍射现象
(1)当单缝____时，光沿着直线方向通过单缝，在光屏上可以看到一条跟单缝宽度相当的亮线或(亮斑)。
(2)把单缝调窄些，可以看到屏上亮线也随之____。
(3)当单缝调到很窄时，光通过单缝后就明显地偏离了________方向，在屏上出现的不再是一条很窄的亮线，而是扩展到了相当宽的地方，并且出现了________的条纹；再调小单缝，条纹也随之变得清晰、细小。
较宽
变细
直线传播
明暗相间
2.光的衍射
按照光沿直线传播的规律应该属于阴影的区域也会出现_______；反之，应该属于亮区的地方也会出_________。这种现象叫作光的衍射。
亮条纹
暗的区域
3.衍射图样
衍射时产生的________的图样叫作衍射图样。三种衍射图样特点如表所示。
明暗相间
单缝衍射图样
(1)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。
(2)入射光波长越大，单缝越窄，中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大
圆孔衍射图样 (1)是大且亮的圆形亮斑，周围分布着明暗相间的同心圆环，且越靠外，圆形亮条纹的亮度越弱，宽度越小。
(2)圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱
圆板衍射图样
(泊松亮斑) (1)在圆板的阴影中心出现亮斑，在阴影外有明暗相间的圆环。
(2)泊松亮斑图样的亮环或暗环的距离随着圆板半径的增大而减小，而且背景是明亮的
[易错辨析]
(1)衍射条纹和干涉条纹都是明暗相间的，所以二者是一样的。( )
(2)白光的单缝衍射图样是黑白相间的直条纹。( )
(3)只有波长长的光才发生衍射现象。( )
(4)只有障碍物或孔的尺寸可以跟光波波长相比，甚至比波长还要小的时候，才能产生明显的衍射现象。( )
(5)用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，会看到彩色的衍射条纹。( )
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√
√
[例1]　甲图是用激光水平照射竖直圆珠笔中的小弹簧得到的衍射图样，它和乙图的DNA双螺旋结构的X射线衍射图样非常相似，我们常用衍射图样来分析事物的形状结构。请根据单缝衍射的实验规律，分析激光通过下列哪个小孔可得到丙图衍射图样(　　)
A
解析　根据单缝衍射的实验规律：当缝调到很窄时，亮条纹的亮度有所降低，宽度反而增大。丙图衍射图样中间的亮斑呈扁平状，可知激光通过的小孔左右较窄，上下较宽，故A正确。
[例2]　(多选)在抽制很细的金属丝的过程中，可以用激光随时监测抽丝的粗细情况。其装置如图甲所示，在抽丝机的细丝出口附近，用一束激光沿与细丝垂直的方向照射细丝，在细丝的另一侧用光屏接收激光。工作人员通过观察光屏上明暗相间亮斑的情况(图乙所示为沿激光传播方向看到的光屏情况)，便可知道抽制出的细丝是否合格。对于这种监控抽丝机的装置，下列说法正确的是(　　)
A.这是利用光的直线传播规律 B.这是利用光的衍射现象
C.如果屏上条纹变宽，表明细丝粗了 D.如果屏上条纹变宽，表明细丝细了
BC
解析　由题意知明暗相间亮斑的形成是单缝衍射现象，故A错误，B正确；缝变窄，则条纹宽度变宽，如果屏上条纹变宽，表明细丝变细，故C错误，D正确。
1.偏振：当狭缝的方向与绳的振动方向____时，绳上横波可以传过去；狭缝的方向与绳的振动方向____时，绳上的横波就不能通过了，这种现象叫作偏振。
2.线偏振光：光__________限在一个平面内的光。
3.自然光：通常光源发出的光(包括太阳光)是由大量的、________不同的________组成，称为自然光。
4.如果在自然光(如灯光、太阳光)传播的方向上放一偏振片，其中只有那些振动方向与偏振片透光方向____的成分可以通过偏振片，于是就得到了________。
5.光的偏振现象证明光是__波。
相同
垂直
振动的方向
振动方向
线偏振光
平行
线偏振光
横
6.自然光和线偏振光的比较
项目 自然光 线偏振光
光的
来源 直接从光源发出的光 自然光通过偏振片后的光
光的振
动方向 在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿所有方向，且沿各个方向振动的光强度都相同 在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿某一特定方向(与偏振片透振方向一致)
举例 太阳、电灯、蜡烛火焰等直接发出的光 自然光在介质表面反射和折射形成的光
[易错辨析]
(1)自然光是偏振光。( )
(2)反射可以引起自然光的偏振。( )
(3)如果偏振片的透振方向与偏振光的振动方向垂直，偏振光不能透过偏振片。( )
(4)光的偏振表明光是一种横波。( )
(5)自然光是在垂直于传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动的光。( )
(6)立体电影利用了光的偏振原理。( )
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√
√
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√
[例3]　(2024·江苏卷)用立体影院的特殊眼镜去观看手机液晶屏幕，左镜片明亮，右镜片暗，现在将手机屏幕旋转90度，会观察到(　　)
A.两镜片都变亮 B.两镜片都变暗
C.两镜片没有任何变化 D.左镜片变暗，右镜片变亮
C
解析　立体影院的特殊眼镜是利用了光的偏振，其镜片为偏振片，立体影院的特殊眼镜去观看手机液晶屏幕，左镜片明亮，右镜片暗，说明手机液晶屏幕发出的光是偏振光，手机液晶屏幕发出光的偏振方向与左镜片的偏振方向相同；将手机屏幕旋转90度后，手机液晶屏幕发出光的偏振方向与右镜片的偏振方向相同，则左镜片变暗，右镜片变亮，故D正确。
[例4]　(多选)关于立体电影，以下说法正确的是(　　)
A.观众戴上特制眼镜是为了防止伤害眼睛
B.这副眼镜其实就是一对透振方向互相垂直的偏振片
C.戴上特制眼镜的观众若只用一只眼睛看，则银幕上只是一片光亮而无图像
D.产生立体视觉是因为人的两只眼睛同时观察物体时，在视网膜上形成的像并不完全相同
BD
解析　放立体电影时有左、右两架放映机同时工作，在每架放映机前有一块偏振片，两偏振片的透振方向互相垂直，因此从放映机前偏振片射出的两束线偏振光的偏振方向互相垂直，这两束线偏振光经屏幕反射后其偏振方向不改变，观众所戴的偏光眼镜的两只镜片透振方向互相垂直，且左眼镜片跟左边放映机前偏振片的透振方向一致，右眼镜片跟右边放映机前面偏振片的透振方向一致，这样，左眼只能看到左边放映机映出的画面，右眼只能看到右边放映机映出的画面，两眼看到的画面略有差别，因而产生立体感，因此B、D选项正确。
1.激光的特性及应用
特性 应用
强度大、亮度高、方向性好、单色性好 激光加工、激光医学
相干性好、覆盖波段宽而且可调谐 激光检测、激光全息照相、光纤通信、激光照排
2.激光的产生：激光是从物质的原子中发射出来的。原子获得能量后处于不稳定状态，它以光子的形式把能量发射出去。
[易错辨析]
(1)用激光做双缝干涉实验时应用了激光平行度好的特点。( )
(2)利用激光的亮度高的特点，可以利用激光进行距离测量。( )
(3)激光可用做“光刀”来切开皮肤是利用激光的相干性好的特点。( )
(4)全息照相技术利用激光平行度好的特点。( )
(5)激光不能像无线电波那样用来传播信息。( )
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[例5]　2023年诺贝尔物理学奖授予了三位杰出的科学家，以表彰他们在阿秒激光技术领域的卓越贡献。下列关于激光的说法正确的是(　　)
A.激光具有良好的单色性，光纤通信是激光和光导纤维相结合的产物
B.激光是由自然界中某种物质直接发光产生的
C.激光束很容易给坚硬的材料打孔，是因为激光的平行度好
D.激光能够比较精确地测量地球与月球之间的距离，是因为激光的亮度高
A
解析　激光具有良好的单色性，光纤通信是激光和光导纤维相结合的产物，故A正确；激光是人造光，自然界中无法直接产生，故B错误；激光束很容易给坚硬的材料打孔，是因为激光的亮度高、强度大、能量集中，故C错误；激光能够比较精确地测量地球与月球之间的距离，是因为激光的平行度好，故D错误。
[例6]　关于激光的应用，下列说法中正确的是(　　)
A.激光通信是应用激光平行度非常好的特点，使其在光导纤维中传递信息的
B.计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光相干性强的特点
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激光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”利用了激光的亮度高的特点，C正确；激光测距利用的是激光的平行度好的特点，D错误。
1.(光的衍射)(多选)在单缝衍射实验中，下列说法正确的是(　　)
A.将入射光由黄光换成绿光，衍射条纹间距变窄
B.使单缝宽度变小，衍射条纹间距变窄
C.换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽
D.增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距变宽
ACD
解析　当单缝宽度一定时，波长越长，衍射现象越明显，即光偏离直线传播的路径越远，条纹间距也越大，A、C正确；当光的波长一定时，单缝宽度越小，衍射现象越明显，条纹间距越大，B错误；光的波长一定、单缝宽度也一定时，增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距也会变宽，D正确。
2.(光的衍射)某研究性学习小组用激光束照射圆孔和不透明圆板后，分别得到如图所示的衍射图样。据此可以判断出(　　)
A
A.甲是光线射到圆孔后的衍射图样，乙是光线射到圆板后的衍射图样
B.乙是光线射到圆孔后的衍射图样，甲是光线射到圆板后的衍射图样
C.甲、乙都是光线射到圆孔后的衍射图样，甲孔的直径较大
D.甲、乙都是光线射到圆板后的衍射图样，乙板的直径较大
解析　圆孔衍射图样是中央为大亮斑，而在圆板衍射图样中，中央为大阴影，只是在大阴影背景下中心处有一个小亮斑，即为泊松亮斑。所以，图甲为圆孔衍射，图乙为圆板衍射，故A正确。
3.(光的偏振)(多选)如图所示，P是一偏振片，P的透振方向为竖直方向。下列四种入射光束照射P时能在P的另一侧观察到透射光的是(　　)
ABD
A.太阳光
B.沿竖直方向振动的光
C.沿水平方向振动的光
D.沿与竖直方向成45°角振动的光
解析　根据光的偏振知识，只要光的振动方向不与偏振片的透振方向垂直，光就能通过偏振片。当光的振动方向与偏振片的透振方向相同时，透射光最强，当二者垂直时，光完全不能透过。当二者间的夹角在0～90°逐渐增加时，透射光逐渐减弱。太阳光、沿竖直方向振动的光、沿与竖直方向成45°角振动的光均能通过偏振片，故A、B、D正确。
4.(激光)激光被誉为“神奇的光”，关于激光的应用，下列说法不正确的是(　　)
A.激光用来控制核聚变，是因为它的方向性好，光源的能量能集中在很小一点上，可以在空间某个小区域内产生极高的温度
B.由于激光是相干光，所以它能像无线电波那样被调制，用来传递信息
C.用激光拦截导弹，摧毁卫星，是因为激光在大气中传播不受大气的影响
D.能利用激光测量地面到月球表面的距离，是因为激光平行度好、方向性好
C
解析　激光的方向性好，光源的能量能集中在很小一点上，可以在空间某个小区域内产生极高的温度，所以可以用来控制核聚变，故A正确；激光是一种人工产生的相干光，具有高度的相干性，所以它能像无线电波那样被调制，用来传递信息，故B正确；用激光拦截导弹，摧毁卫星，是因为激光方向性好、能量高，故C错误，符合题意；能利用激光测量地面到月球表面的距离，是因为激光平行度好、方向性好，在传播很远距离后还可以保持一定的强度，故D正确。
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[基础巩固练]
B
1.激光火箭的体积小，却可以装载更大、更重的卫星或飞船，激光由地面激光站或空间激光动力卫星提供，通过一套装置，像手电筒一样，让激光束射入火箭发动机的燃烧室，使推进剂受热而急剧膨胀，于是形成一股高温高压的燃气流，以极高的速度喷出，产生巨大的推力，把卫星或飞船送入太空。激光火箭利用了激光的(　　)
①单色性好　②平行度好　③高能量　④相干性好
A.①② B.②③ C.①③ D.②④
解析　由于激光站与火箭相距较远，必须要求激光具有很好的平行度，同时利用激光的高能量特点，故B正确。
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2.如图所示，甲、乙、丙、丁四幅图是不同的单色光通过同一双缝或单缝形成的双缝干涉或单缝衍射图样，分析各图样的特点可以得出的正确结论是(　　)
B
A.甲、乙是光的衍射图样
B.丙、丁是光的衍射图样
C.形成甲图样的光的波长比形成乙图样的光的波长短
D.形成丙图样的光的波长比形成丁图样的光的波长短
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3.一束红光射向一块有双缝的不透光的薄板，在薄板后的光屏上呈现明暗相间的干涉条纹，现将其中一条窄缝挡住，让这束红光只通过一条窄缝，则在光屏上可以看到(　　)
A.与原来相同的明暗相间条纹，只是亮条纹比原来暗些
B.与原来不相同的明暗相间条纹，而中央亮条纹变宽些
C.只有一条与缝宽对应的亮条纹
D.无条纹，只存在一片红光
B
解析　挡住一缝后，在屏上得到的是单缝衍射图样。衍射图样和干涉图样的异同点：中央都出现亮条纹，两侧都出现明暗相间的条纹，干涉图样为等间距的明暗相间的条纹，而衍射图样两侧为不等间距的明暗相间的条纹且亮条纹的亮度减弱，且衍射图样中央亮条纹较宽，故B正确。
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4.(2023·天津卷)能说明光是横波的是(　　)
C
解析　根据光的全反射现象，说明光由光密介质进入光疏介质和由光疏介质进入光密介质会有不同的现象，不能因此确定是横波还是纵波，故A错误；干涉和衍射是所有波的特性，不能因此确定是横波还是纵波；根据光能发生干涉和衍射现象，说明光是一种波，具有波动性，故B、D错误；光的偏振现象说明振动方向与光的传播方向垂直，即说明光是横波，故C正确。
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5.(多选)光的偏振现象说明光是横波。下列现象能反映光的偏振特性及其应用的是(　　)
A.一束自然光相继通过两个偏振片，以光束为轴旋转其中一个偏振片，透射光的强度发生变化
B.一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是90°时，反射光是偏振光
C.日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使图像更清晰
D.通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹
ABC
解析　在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定方向振动的光是偏振光，选项A、B反映了光的偏振特性；选项C是偏振现象的应用；选项D是光的衍射现象。
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6.用如图所示装置研究偏振现象，P1、P2是两块完全相同的圆形偏振片，A、B为观测点，A、B和两块偏振片的中心共线，且偏振片与AB连线垂直，两偏振片可绕AB连线转动，下列说法正确的是(　　)
C
A.固定P1，转动P2，则A、B处光强均发生变化
B.固定P2，转动P1，则A、B处光强均不发生变化
C.同时转动P1和P2，A处光强不变，B处光强可能变化
D.同时转动P1和P2，A、B处光强均发生变化
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解析　自然光沿着各个方向振动的光波强度均相同，故无论是否转动P1，A处光强不变，故A、D错误；若转动P1，固定P2，当两偏振片的狭缝平行时，B处光强最大，当狭缝垂直时，B处光强最小，故B处光强可能变化，故B错误；同时转动P1和P2，同理当两偏振片的狭缝平行时，B处光强最大，当狭缝垂直时，B处光强最小，故B处光强可能变化，故C正确。
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[能力提升练]
AC
7.(多选)如图所示，一束宽度为d的平行光沿水平方向传播，经过不透光的挡板后照射到竖直墙面上，过挡板上边缘的水平延长线与竖直墙面相交于O点，下列说法正确的是(　　)
A.由于光的衍射，可能会进入到O点下方的墙上
B.光只会沿直线前进，一定不会进入到O点下方的墙上
C.光的波长越长，光线进入到O点下方墙上的区域越大
D.光的能量越大，光线进入到O点下方墙上的区域越大
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解析　由于光的衍射，可能会进入到O点下方的墙上，选项A正确，B错误；光的波长越长，则衍射现象越明显，则光线进入到O点下方墙上的区域越大，选项C正确；光的能量越大，则光子的频率越大，波长越小，则衍射现象越不明显，则光线进入到O点下方墙上的区域越小，选项D错误。
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8.可见光在空气中波长范围是4 400 A到7 700 A，即4.4×10-4 mm到7.7×10-4 mm，下面关于光衍射条件的说法正确的是(　　)
A.卡尺两脚间的狭缝的宽度小到万分之几毫米以下时，才能观察到明显的衍射现象
B.卡尺两脚间的狭缝在小到0.2 mm以下时，通过它观察各种光源，都能看到明显的衍射现象
C.卡尺两脚间的狭缝在小到0.4 mm以下时，通过它观察到线状白炽灯丝，有明显的衍射现象
D.光的衍射条件“跟光的波长可以相比”是非常严格的，即只有孔或障碍物的尺寸跟波长差不多时才能观察到光的衍射
C
解析　障碍物与波长相比相差不多或比波长更小时，才能发生明显的衍射，但光并没有机械波那么苛刻，缝的宽度太小时，透过的光太弱，不容易观察到衍射现象，通常情况下，缝的宽度在0.4 mm左右时，光的衍射现象比较明显，C正确。
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9.夜晚，汽车前灯发出的强光将迎面驶来的汽车司机照得睁不开眼，严重影响行车安全(如图)。若考虑将汽车前灯玻璃改用偏振玻璃，使射出的灯光变为偏振光；同时汽车前窗玻璃也采用偏振玻璃，其透振方向正好与灯光的振动方向垂直，但还要能看清自己车灯发出的光所照亮的物体。假设所有的汽车前窗玻璃和前灯玻璃均按同一要求设置，则下列措施可行的是(　　)
D
A.前窗玻璃的透振方向是竖直的，车灯玻璃的透振方向是水平的
B.前窗玻璃的透振方向是竖直的，车灯玻璃的透振方向是竖直的
C.前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向是斜向左上45°
D.前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°
解析　根据题意，要求自己车灯发出的光经对面车窗反射后仍能进入自己眼中，而对面车灯发出的光不能进入自己的眼中。若前窗的透振方向竖直、车灯玻璃的透振方向水平，从车灯发出的光照射到物体上反射回的光线将不能透过窗玻璃，司机面前将是一片漆黑，A错误；若前窗玻璃与车灯玻璃透振方向均竖直，则对面车灯的光仍能照射得司机睁不开眼，B错误；若前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向是斜向左上45°，则车灯发出的光经物体反射后无法透射进本车窗内，却可以透射进对面车内，C错误，D正确。
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10.科学家早在1966年就研究发现蓝光可引起视网膜细胞的损伤，其中波长400～450纳米的蓝光对视网膜危害程度最大，生活中的电视、电脑、手机等各类LED发光屏为了画面靓丽却往往会提升蓝光强度。如图所示，人们可用防蓝光眼镜减小蓝光对眼睛的损害，关于防蓝光镜片制作的原理可能正确的是(　　)
C
A.用偏振片作为镜片，利用光的偏振将蓝光过滤
B.把镜片制作得很薄，利用光的衍射将蓝光过滤
C.在镜片上涂一层膜，利用光的干涉将蓝光过滤
D.用折射率较大的材料做镜片，利用光的全反射将蓝光过滤
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解析　从电视、电脑、手机等各类LED中发出的光是自然光，包含着垂直于传播方向上沿一切方向的振动的光，无法通过偏振片只滤过蓝光，故A错误；把镜片制作得很薄，蓝光也可以从镜片中透射，且镜片尺寸远大于蓝光波长，几乎不会发生衍射现象，故B错误；在镜片上涂一层特定厚度的膜，使蓝光在膜的前表面和镜片前表面的反射光发生干涉增强，使蓝光的反射增强，透射减弱，即可以过滤蓝光，故C正确；用折射率较大的材料做镜片，蓝光在从镜片内射入空气时不可能满足在各点的入射角都大于临界角，无法利用光的全反射将蓝光过滤，故D错误。
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[拓展培优练]
C
11.如图甲所示，每年夏季，我国多地会出现日晕现象，日晕是日光通过卷层云时，受到冰晶的折射或反射形成的。如图乙所示为一束太阳光射到六角形冰晶上时的光路图，a、b为其折射出的光线中的两种单色光，下列说法正确的是(　　)
A.在冰晶中，b光的传播速度较大
B.用同一装置做单缝衍射实验，b光中央亮条纹更宽
C.通过同一装置发生双缝干涉，a光的相邻条纹间距较大
D.从同种玻璃中射入空气发生全反射时，a光的临界角较小
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12.(多选)用激光做单缝衍射实验和双缝干涉实验，比普通光源效果更好，图样更清晰。如果将感光元件置于光屏上，则不仅能在光屏上看到彩色条纹，还能通过感光元件中的信号转换，在电脑上看到光强的分布情况(如图所示)。下列说法正确的是(　　)
AC
A.光通过的是缝板上的单缝
B.a光的波长比b光的波长长
C.a光在玻璃中的传播速度小于b光在玻璃中的传播速度
D.a光比b光更容易发生明显的衍射现象
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解析　当做单缝实验时，中央是亮条纹，往两侧条纹亮度逐渐降低，且亮条纹的宽度不等，所以其光强分布图如题图乙所示，A项正确；入射光波长越长，中央亮条纹越宽，故b光的波长比a光的波长长，b光更容易发生明显的衍射现象，B、D项错误；a光的频率大于b光的频率，则玻璃对a光的折射率大于对b光的折射率，所以a光在玻璃中的传播速度小于b光在玻璃中的传播速度，C项正确。