第1节
光的干涉
课堂互动
三点剖析
一、光的干涉及其产生条件
光的干涉：在两列光波的叠加区域，某些区域相互加强，出现亮纹，某些区域相互减弱，出现暗纹，且加强和减弱的区域相间，即亮纹和暗纹相间的现象.
1.光的干涉必须具备的条件：频率相同，振动情况总是相同.能发生干涉的两列波称为相干波，两个光源称为相干光源，相干光源可用一束光分成两列而获得.
2.相邻两亮条纹间的间距公式：Δx=λ，其中λ为光波波长，l为缝到屏的距离，d为双缝间距.
【例1】
两个普通白炽灯发出的光相遇时，我们观察不到干涉条纹，这是因为（
)
A.两个灯亮度不同
B.灯光的波长太短
C.两灯光的振动情况不同
D.电灯发出的光不稳定
解析：一般情况下，两个不同的光源发出的光或同一个光源的不同部分发出的光振动情况往往是不同的，由点光源发出的光或同一列光分出的两列光其振动情况是相同的，故选C.
答案：C
二、薄膜干涉
薄膜干涉：光照射在薄膜上，在前表面和后表面两个界面上均会发生反射，由于薄膜的厚度不均匀，不同位置的反射光传播的路程差不同，形成明暗相间的条纹，根据条纹的情况可以判断薄膜的厚度.
增透膜是利用在薄膜两表面的反射光形成干涉相互抵消的特点，在入射光强度一定的情况下，两列反射光叠加形成暗纹，相互抵消使反射光的强度减弱，从而使透射光强度加强.
【例2】
如图5-1-1所示是用干涉法检查某块厚玻璃板的上表面是否平整的装置，所用单色光为普通光加滤光片产生的，检查中所观察到的条纹是由下列哪两个表面反射的光线叠加而成的(
)
图5-1-1
A.a的上表面和b的下表面
B.a的上表面和b的上表面
C.a的下表面和b的上表面D.a的下表面和b的下表面
解析：关键是找到使光线发生干涉的薄膜，本题中a是样本，b是被检查的平面，而形成干涉的两束反射光是a、b间的空气薄层，所以选C.
答案：C
三、测定光的波长
实验原理
1.如果双缝光源的相位相同，双缝到屏上任一点P的路程差Δx=nλ时，加强（亮条纹）；Δx=（2n+1)时，减弱（暗条纹），屏上应出现明暗相间的条纹.
2.光通过双缝干涉仪上的单缝和双缝后，得到振动情况完全相同的光，它们在双缝后面空间互相叠加，会发生干涉现象.若用单色光照射，在屏上会得到明暗相间的条纹；若用白光照射，可观察到屏上出现彩色条纹.
3.由公式λ=__________可计算波长.其中双缝间距离d是已知的，双缝到屏的距离可以用米尺测出，条纹间距Δx用测量头测出.
注意事项：
1.单缝、双缝应相互平行，其中心大致位于遮光筒的轴线上，双缝到单缝距离应相等.
2.测条纹间距Δx时，用测量头测出n条亮（暗）纹间的距离a,求出相邻两条亮（暗）纹间距离Δx=.
【例3】
用单色光做双缝干涉实验，下述说法正确的是（
)
A.相邻干涉条纹之间的距离相等
B.中央明条纹宽度是两边明条纹宽度的2倍
C.屏与双缝之间距离减小，则屏上条纹间的距离增大
D.在实验装置不变的情况下，红光的条纹间距小于蓝光的条纹间距
解析：因为相邻两条亮线（或暗线）间的距离Δx=λ，其中d为两个缝间的距离，L为缝到屏的距离，λ为光波波长，可见相邻干涉条纹之间的距离相等.A正确，B错误，C错误.因为λ红＞λ蓝，所以Δx红＞Δx蓝，故D也错误.
答案：A
各个击破
类题演练1
用包括有红光、绿光、紫光三种色光的复合光做光的干涉实验，所产生的干涉条纹中，离中央亮纹最近的干涉条纹是（
)
A.紫色条纹
B.绿色条纹
C.红色条纹
D.都一样近
解析：本题考查干涉条纹与入射光波长之间的关系，由相邻两亮条纹间的间距Δx=λ可知：条纹间的间距与波长成正比，故A项正确.
答案：A
变式提升1
以下关于光的干涉的叙述中，错误的是（
)
A.在光屏上波峰与波峰相遇处出现亮纹，波谷与波谷相遇处出现暗纹
B.在光屏上距离两个狭缝的路程差是波长的整数倍处出现亮纹
C.在皂液干涉中，在火焰对侧看到亮暗相间的条纹
D.在皂液干涉中，若亮暗相间的条纹互相平行，则此皂液的厚度均匀
解析：光的波峰与波峰相遇处是亮纹，波谷与波谷相遇处也是亮纹，A错.在皂液干涉中，在反射面一侧看到干涉条纹，C错.皂液膜的厚度若是均匀的，不会产生干涉，D错.
答案：ACD
类题演练2
市场上有一种灯具俗称“冷光灯”，用它照射物体时能使被照物体处产生的热效应大大降低，从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），这种膜能消除玻璃表面反射回来的热效应最显著的红外线，以λ表示此红外线在薄膜中的波长，则所镀薄膜的厚度最小应为（
)
A.λ/8
B.λ/4
C.λ/2
D.λ
解析：要消除红外线的反射，必须使红外线在薄膜的两个面上反射光的路程差正好等于红外线半个波长λ/2的奇数倍，即Δs=（2k+1)λ/2，其中Δs为光在薄膜两个面上反射的路程差，即Δs=2d,Δs的最小值为λ/2,所以2d=λ/2，即薄膜的最小厚度d为λ/4，选项B是正确的.
答案：B
变式提升2
汽车在行驶时常会滴下一些油滴，滴下的油滴在带水的路面上会形成一层薄油膜，并呈现出彩色，这是由于（
)
A.光的反射
B.空气的折射
C.光的干涉
D.光的衍射
答案:C
类题演练3
某次实验中，测得第一级明条纹和第三级明条纹相距4.0×10-2m，若双缝片间距为0.1
mm,缝到屏的距离为L=4.0
m,则光波的波长为（
)
A.8.0×10-8m
B.5.0×10-7m
C.1.5×10-8m
D.1.6×10-8m
解析：Δx=m=2×10-2m
λ==5.0×10-7m.
答案：B
变式提升3
在双缝干涉测光的波长的实验中，所用双缝间距d=2
mm，双缝到屏的间距L=86.4
cm，手轮的初始读数为a1=2.12
mm，转动手轮，分划板中心刻线移动到第13条线时手轮读数a2=5.54
mm，求通过滤光片后的波长.
解析：相邻亮条纹间的距离Δx为：
Δx==0.285
mm
由Δx=λ可知：
λ=m=6.6×10-7m.
答案：6.6×10-7m第3节
光的偏振
课堂互动
三点剖析
一、偏振现象
纵波的振动方向与传播方向始终在同一条直线上.
不同的横波振动方向可以不同,但对于一个确定的横波而言,它的振动方向是确定的,并且与传播方向垂直,我们利用横波与纵波的区别可以判断某种波是横波,还是纵波.
横波的振动方向和传播方向构成一个平面（振动面），如果横波只沿着某一个特定的方向振动，在物理学上就叫做波的偏振，只有横波才有这种特性.
【例1】纵波不可能产生的现象是（
）
A.偏振现象
B.反射现象
C.折射现象
D.衍射现象
解析：反射、折射、干涉、衍射是波的共性，而偏振现象只有横波能产生，纵波不可能产生.
答案：A
二、光的偏振
光属于电磁波，是横波，具有偏振性.从普通光源直接发出的光（自然光），包含在垂直于光的传播方向上一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波是均匀的，不显示偏振性；自然光通过偏振片后，只有振动方向跟透振方向一致的光才能通过，这时的光只沿着一个特定的方向振动，显示偏振性.
【例2】
两个偏振片紧靠在一起,将它们放在一盏灯的前面以致没有光通过,如果将其中的一片旋转180°,在旋转过程中,将会产生下述的哪一种现象（
)
A.透过偏振片的光强先增强,然后又减少到零
B.透过偏振片的光强先增强，然后减少到非零的最小值
C.透过偏振片的光强在整个过程中都增强
D.透过偏振片的光强先增强,再减弱,然后又增强
解析：起偏器和检偏器的偏振方向垂直时,没有光通过;偏振方向平行时,光强度达到最大,当其中一个偏振片转动180°的过程中,两偏振片的方向由垂直到平行再到垂直,所以通过的光先增强,又减小到零,所以答案为A.
答案：A
各个击破
类题演练1
下列哪些波能发生偏振现象（
）
A.声波
B.电磁波
C.横波
D.纵波
解析：能发生偏振的是横波，题中声波是纵波，电磁波是横波.
答案：BC
变式提升1
关于自然光和偏振光，下列观点正确的是（
）
A.自然光能产生干涉和衍射现象，而偏振光却不能
B.只有自然光透过偏振片才能获得偏振光
C.自然光只能是白色光，而偏振光不能是白色光
D.自然光和偏振光都能使感光底片感光
解析：光振动沿各个方向均匀分布的光就是自然光，而振动沿着特定方向的光就是偏振光，但自然光和偏振光都能发生干涉、衍射，所以A错.光的偏振现象并不罕见，除了从光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光，都是偏振光，所以B错.光的颜色由光的频率决定，与光的振动方向无关，所以C错.自然光和偏振光都具有能量，都能使感光底片感光.
答案：D
类题演练2
通过一块偏振片去观察电灯、蜡烛、月亮、反光的黑板，当以入射光线为轴转动偏振片时，看到的现象有何不同？
解答：通过一块偏振片去观察电灯、蜡烛时，透射光的强度不随偏振片的旋转而变化.因为灯光、烛光都是自然光，沿各个方向振动的光的强度相同，因此，当偏振片旋转时，透射出来的光波的振动方向虽然改变了（肉眼对此不能感觉到），但光的强弱没有改变，月亮、黑板反射的光已经是偏振光，它们通过偏振片透射过来的光线的强弱会随偏振片的旋转发生周期性的变化.
变式提升2
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，以下说法正确的是（
）
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
解析：P是起偏器，它的作用是把太阳光（自然光）转为偏振光，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，即无论旋转P或Q，屏上的光强都是时强时弱的.
答案：BD第4节
激光与全息照相
课堂互动
三点剖析
一、激光及其特性
1.相干性好.所谓相干性好，是指容易产生干涉现象，普通光源发出的光（即使是所谓的单色光）频率是不一样的，而激光器发出的激光的频率几乎是单一的，并且满足其他的相干条件.
2.平行度非常好，与普通光相比，传播相同的距离激光束的扩散程度小，光线仍能保持很大的强度，保持它的高能量，利用这一点可以精确测距，现在利用激光测量地月距离精确度已达到1米.
3.激光的亮度非常高.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千分之一秒的时间内产生几千万度的高温.不能直接照射眼睛，否则会伤害眼睛.
4.激光单色性很好，激光的频率范围极窄，颜色几乎是完全一致的.
【例1】
在演示双缝干涉的实验时，常用激光作光源，这主要是应用激光的什么特性（
)
A.亮度高
B.平行性好
C.单色性好
D.波动性好
解析：频率相同的两束光相遇才能发生干涉，激光的单色性好，频率单一，通过双缝时能够得到两束相干光.故本题的答案是C.
答案：C
二、激光与全息照相
全息照相是应用光的干涉来实现的.作为光源的激光被分成两部分：一部分通过凹透镜发散后射到照相胶片上；另一部分射向一个平面镜，经反射后通过另一凹透镜射向被拍照的物体.该物体把光线反射到照相胶片上，并与第一束光发生干涉，两束光干涉的结果就在照相胶片上记录了被拍摄物体的三维图像信息，这就是全息照片.
【例2】
关于激光所具有的特点，下列说法中正确的是（
）
A.激光相干性好
B.激光平行度好
C.激光亮度高
D.激光易色散
解析：由于激光可以看作是频率稳定的光，频率决定颜色，即激光可看作是单色，不能发生色散，故D错.而A、B、C选项均为激光的特点.
答案：ABC
各个击破
类题演练1
一台激光器，它的功率为P，如果它发射出的单色光在空气中的波长为λ，则这束单色光的频率是__________，它在时间t内辐射的光能为__________，如果已知这束单色光在某介质中的传播速度为v，那么这束单色光从该介质射向真空发生全反射的临界角为_____________.
解析：根据v=λf可得这束单色光的频率f=c/λ；激光器在时间t内所做的功W=Pt转化为光能；这束单色光对该介质的折射率n=c/v，设它从该介质射向真空发生全反射的临界角为C，则sinC=1/n=v/c,所以C=arcsin（v/c).
答案：c/λ
Pt
arcsin（v/c)
变式提升1
1969年7月，美国“阿波罗号”宇宙飞船的登月舱在登上月球的科学考察活动中，在月球上安放了一台激光反射器，成功地解决了用激光测量月地间距离问题.据你所知，用激光测量月地距离的原理是什么？
解答：激光反射器由三块相互垂直的平面镜组成，能把射来的激光按原方向反射回去.由于激光的方向性好，因而可从地球上向月球上的激光反射器发射激光脉冲，只需测量发射脉冲和收到回波的时间间隔Δt，则测量月地距离为.
类题演练2
以下说法正确的是（
）
A.光纤通信利用了激光相干性好的特点
B.激光武器利用了激光亮度高的特点
C.激光写、读利用了激光亮度高的特点
D.激光加工、激光手术和激光武器都利用了激光亮度高的特点
解析：利用激光的相干性进行信息的传递.例如利用激光相干性好进行光纤通信；利用激光的平行度好进行精确测量和数据采集；利用激光的高亮度进行激光切割和焊接.
答案：ABD
变式提升2
2001年国家最高科学技术奖授予中科院院士王选，表彰他在激光排版上的重大科技贡献.激光是一种电磁波，某种排版系统中激光频率为4×1014
Hz，则该激光的波长为（
）
A.0.25
μm
B.0.50
μm
C.0.75
μm
D.1.33×106
m
解析:根据公式v=λf可以有
λ=m=0.75×10-6m=0.75
μm
.
答案：C第2节
光的衍射
课堂互动
三点剖析
一、光的衍射现象
衍射现象：光绕过障碍物或通过小孔进入几何阴影区的现象.
发生明显的衍射现象的条件：障碍物或小孔的尺寸与波长相比差不多或比光波的波长小.
说明：光的干涉现象表明光是一种波,由于衍射是波的特点,则光能够发生衍射,因此光能够绕过障碍物或通过小孔进入几何阴影区而传播,即发生衍射现象.但由于可见光的波长较短,由发生明显的衍射现象的条件可知,光的衍射现象不易观察.
【例1】
对于单缝衍射现象,以下说法正确的是（
)
A.缝的宽度d越小,衍射条纹越亮
B.缝的宽度d越小,衍射现象越明显
C.缝的宽度d越小,光的传播路线越接近直线
D.入射光的波长越短,衍射现象越明显
解析：产生明显的衍射现象的条件是：障碍物或孔的尺寸跟波长差不多,或者比波长小,由于光波波长都很短,所以在单缝衍射现象中,缝的宽度d越小,衍射现象越明显.所以B是正确的.缝的宽度d越小,透过缝的光的能量越小,亮度也越小,即A错误.缝的宽度d越小,越容易发生衍射,即容易偏离直线路径绕到障碍物阴影中去，故C错.在缝的宽度d不变的情况下,入射光波长越短,越不容易发生明显的衍射现象,故D错误,所以选B.
答案：B
二、光的干涉与衍射的比较
双缝干涉和单缝衍射都是波叠加的结果，只是干涉条纹是有限的几束光的叠加，而衍射条纹可认为是极多且复杂的相干光的叠加.
单缝衍射时，照射光的波长越长，中央亮纹越宽，衍射和干涉都能使白光分色，且中央白光的边缘均呈红色.
干涉和衍射的图样有相似之处，都是明暗相间的条纹.只是干涉条纹中各条纹宽度和亮度基本相同，衍射条纹中各条纹宽度和亮度均不等，中央亮纹最宽、最亮.
【例2】
关于光的干涉、衍射及其应用，下列说法中正确的是（
）
A.在光的干涉和衍射现象中，都出现亮暗相间的条纹或彩色条纹，因此干涉现象和衍射现象是相同的
B.水面上的油层在阳光的照射下出现彩色条纹是干涉现象，泊松亮斑是衍射现象
C.增透膜增加透射光，减少反射光是利用了光的干涉
D.激光防伪商标，看起来是彩色的，这是光的干涉现象
解析：光的干涉和衍射虽然有很多共性，但属于不同的光现象，A错误.油膜的彩色条纹是薄膜干涉产生的，泊松亮班是很小的圆斑，是光衍射产生的，B正确.增透膜的作用是增加透射光的强度，减小反射光的损失，厚度应等于光波在膜中波长的，其原理利用了光的干涉，C正确.激光防伪商标的彩色条纹是薄膜干涉引起的，D正确.
答案：BCD
各个击破
类题演练1
下列哪些属于光的衍射现象（
)
A.雨后美丽的彩虹
B.对着日光灯从两铅笔的缝中看到的彩色条纹
C.阳光下肥皂膜上的彩色条纹
D.光通过三棱境产生的彩色条纹
解析：雨后的彩虹和光通过三棱镜产生的彩色条纹都是光的折射现象,阳光下肥皂膜上的彩色条纹是光的薄膜干涉现象,对着日光灯从两铅笔的缝中看到的彩色条纹是单缝衍射现象.故本题正确选项为B项.
答案：B
变式提升1
某同学以线状白炽灯为光源，利用游标卡尺两脚间形成的狭缝观察光的衍射现象后，总结出以下几点，你认为正确的是（
）
A.若狭缝与灯泡平行，衍射条纹与狭缝平行
B.若狭缝与灯泡垂直，衍射条纹与狭缝垂直
C.衍射条纹的疏密程度与狭缝的宽度有关
D.衍射条纹的间距与光的波长有关
解析：若狭缝与线状灯平行，衍射条纹与狭缝平行且现象明显，故A项对.若狭缝与线状灯垂直，衍射现象不明显，故B项错.狭缝越窄，条纹越疏，故C项对.波长越长，条纹间距越大，故D项对.
答案：ACD
类题演练2
下列说法中正确的是（
）
A.光的干涉和衍射现象说明光具有波动性
B.光的频率越大，波长越长
C.光的波长越长，光子的能量越大
D.光在真空中的传播速度为3.00×108
m/s
解析：干涉和衍射现象是波特有的现象.光既然也会发生干涉和衍射，则可推断光具有波动性，故A正确.光波的波长λ决定于频率f和波速v，即λ=，故B错.光子的能量决定于频率，并不取决于波长，故C错.由实验可知光在真空中的传播速度为3.00×108
m/s，故选项A、D正确.
答案：AD
变式提升2
如图5-2-1所示,甲、乙为单色光通过窄缝后形成的明暗相间的两种条纹图样（图中阴影部分表示亮条纹）,下列判断正确的是(
)
图5-2-1
A.甲为单缝衍射的图样
B.乙为双缝干涉的图样
C.甲为双缝干涉的图样
D.乙为单缝衍射的图样
解析：干涉条纹为等间距的，衍射条纹为非等间距的，中央宽两边窄.
答案：AB
