学业分层测评
第4章 4.2 光的衍射
(建议用时：45分钟)
[学业达标]
1.对衍射现象的定性分析，正确的是( )
A.光的衍射是光在传播过程中绕过障碍物发生传播的现象
B.衍射条纹图样是光波相互叠加的结果
C.光的衍射现象为光的波动说提供了有力的证据
D.光的衍射现象完全否定了光的直线传播结论
E.衍射现象说明光是一种横波
【解析】 衍射现象是波绕过障碍物发生传播的现象，衍射条纹是波的叠加的结果，干涉、衍射是一切波所具有的特性，所以选项A、B、C正确；光的直线传播只是近似的，只有在光的波长比障碍物尺寸小得多的情况下，光才被看作是沿直线传播的，所以光的衍射现象和直线传播是不矛盾的，所以选项D错误.一切波都可以发生衍射现象，选项E错误.
【答案】 ABC
2.关于自然光和偏振光，以下说法正确的是( )
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
E.只有横波才会发生偏振现象
【解析】 自然光沿各振动方向的光波的强度相同，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，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，C错误；太阳、电灯等普通光源发出的是自然光，D正确；由偏振原理知，E正确.
【答案】 BDE
3.下列情况中能产生明显衍射现象的是( )
A.光的波长比孔或障碍物的尺寸大得多
B.光的波长与孔或障碍物的尺寸可相比
C.光的波长等于孔或障碍物的尺寸大小
D.光的波长比孔或障碍物的尺寸小得多
E.用红光做实验时未观察到明显的衍射现象，现用绿光替代红光做实验
【解析】 发生明显衍射的条件是障碍物、缝、孔的尺寸与光的波长差不多或更小.
【答案】 ABC
4.如图4-3-5所示，电灯S发出的光先后经过偏振片A和B，人眼在P处迎着入射光方向，看不到光亮，则( )
图4-3-5
A.图中a光为偏振光
B.图中b光为偏振光
C.以SP为轴将B转过180°后，在P处将看到光亮
D.以SP为轴将B转过90°后，在P处将看到光亮
E.以SP为轴将A转过90°后，在P处将看到光亮
【解析】 该题考查了对自然光、偏振光的特点的认识.自然光沿各个方向的振动是均匀分布的，通过偏振片后，透射光是只沿着某一特定方向振动的光.从电灯直接发出的光为自然光，则A错.自然光通过偏振片A后，变为偏振光，则B对.设通过A的光沿竖直方向振动，当偏振片B只能通过沿水平方向振动的偏振光时，则P点无光亮.将B转过180°后，P处仍无光亮，即C错.若将B转过90°，则该偏振片将变为能通过竖直方向上振动的光的偏振片，则偏振光能通过B，即在P处有光亮，D对.同理可知E对.
【答案】 BDE
5.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睛，严重影响行车安全.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，如下措施中不可行的是( )
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°
E.前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是斜向左上45°
【解析】 若前窗玻璃的透振方向竖直、车灯玻璃的透振方向水平，从车灯发出的照射到物体上反射的光将不能透过前窗玻璃，司机面前将是一片漆黑，所以A错；若前窗玻璃与车灯玻璃的透振方向均竖直，则对面车灯的光仍能照得司机睁不开眼睛，B错；若前窗玻璃的透振方向斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向斜向左上45°，则车灯发出的光经物体反射后无法透振进本车车窗内，却可以透振进对面车窗内，C错.D、E是可行的.
【答案】 ABC
6.关于波动，下列说法正确的是( )
A.各种波均会发生偏振现象
B.用白光做单缝衍射与双缝干涉实验，均可看到彩色条纹
C.声波传播过程中，介质中质点的运动速度等于声波的传播速度
D.已知地震波的纵波波速大于横波波速，此性质可用于横波的预警
E.各种波均会发生干涉和衍射现象
【解析】 只有横波才有偏振现象，A错；白光是复色光，其中各单色光的波长不同，导致条纹间距不同，B正确；波的传播过程中，介质中质点的运动速度是变化的，而波的传播速度在同一均匀介质中是匀速的，且波的传播是指振动形式的传播，C错；因为地震波的纵波波速大于横波波速，所以两波传到同一地点有时间差，可用于横波的预警，D正确；干涉和衍射都是波特有的现象，E对.
【答案】 BDE
7.点光源照在一个剃须刀片上，在屏上形成了它的影子，其边缘较为模糊，原因是光的________.
【解析】 在刀片边缘有部分光绕过障碍物进入到阴影中去，从而看到影子的边缘模糊，光绕过障碍物偏离直线传播是光的衍射.
【答案】 衍射
8.在学习了光的衍射现象后，徐飞回家后自己设置了一个小实验.在—个发光的小电珠和光屏之间放一个圆孔大小可以调节的圆形孔屏，在圆孔从较大调至完全闭合的过程中，他在屏上看到什么现象？
【解析】 在圆孔由大到小调节过程中，当孔较大时，光沿直线传播，在屏上得到圆形亮斑；当孔的直径减小到与光波的波长相近时，产生明显的衍射现象，屏上将出现明暗相间的亮环，当孔继续减小到完全闭合时，没有光到达屏上，屏上完全黑暗.
【答案】 先是圆形亮区，再是明暗相间的圆形亮环，最后完全黑暗
[能力提升]
9.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
E.波长越小，衍射条纹间距越大
【解析】 若狭缝与线状白炽灯平行，衍射条纹与狭缝平行则现象明显；衍射条纹的疏密程度与缝宽有关，缝宽越小，条纹越疏；条纹间距与波长有关，波长越长，间距越大.
【答案】 ACD
10.奶粉的碳水化合物(糖)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，就能确定被测样品中的含糖量.如图4-3-6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，则下列说法中正确的是( )
图4-3-6
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.到达O处光的强度会明显增强
D.将偏振片B转动一个角度，使得O处光强度最大，偏振片B转过的最小角度等于α
E.将偏振片A转动一个角度，使得O处光强度最大，偏振片A转过的最小角度等于α
【解析】 自然光通过偏振片后得到垂直于光的传播方向与偏振片的透振方向平行的偏振光，该偏振光经被测样品后，其偏振方向发生了偏转，即相对于光的传播方向向左或向右旋转一个角度α，到达B的光的偏振方向与B的透振方向不完全一致，故O处光的强度会明显减弱，故A正确，B、C错误；若将A或B转动一个最小角度，使得O处光的强度仍为最大，说明它们转过的角度等于α，故D、E都正确.
【答案】 ADE
11.分析以下现象产生的原因：
(1)隔着帐幔看远处的灯，见到灯周围有彩色的光芒.
(2)光线照在花布上，可以看见花布上的图样.
【解析】 (1)远处灯发出的光经过帐幔的缝隙，发生衍射现象，因此可见到灯周围有彩色的光芒. (2)光线照在花布上看见花布的图样，是由于光的反射与吸收的结果.花布是由各种颜色的花纹组成的，当白光照在花布上时，红色花纹反射红色光，吸收其他颜色的光，这样我们在该位置只看到红色，同理可以看到各种花纹反射的各种颜色的光，这样就可以看到花布的图样.
【答案】 见解析
12.如图4-3-7所示，杨氏双缝实验中，下述情况能否看到干涉条纹？简单说明理由.
图4-3-7
(1)在单色自然光源S后加一偏振片P.
(2)在(1)情况下，再加P1、P2，P1与P2透振方向垂直.
【解析】 (1)能.到达S1、S2的光是从同一偏振光分解出来的，它们满足相干条件，能看到干涉条纹，且由于偏振片很薄，对路程差的影响可忽略，干涉条纹的位置与间距和没有P时基本一致，只是强度由于偏振片的吸收作用而减弱.(2)不能.由于从P1、P2射出的光振动方向相互垂直，不满足干涉条件，故光屏E被均匀照亮，但无干涉现象.
【答案】 见解析
4.2 光的衍射
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.观察光的衍射现象，认识衍射条纹的特点.(重点)
2.知道产生明显衍射现象的条件.(重点)
3.观察光的偏振现象，知道光是横波.
4.知道自然光和偏振光的区别，知道偏振现象的应用.
5.掌握干涉条纹和衍射条纹的区别.(难点)
研 究 光 的 衍 射 现 象
1.衍射现象和衍射条纹
(1)衍射现象：光在传播过程中遇到障碍物时，绕过障碍物偏离直线传播的现象.
(2)衍射条纹：衍射条纹是一些明暗相间的条纹，中央最宽、最亮，离中央条纹越远，亮条纹的宽度越小，亮度越低.
2.光产生明显衍射现象的条件
障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多.
3.衍射光栅
(1)结构：有许多等宽的狭缝等距离地排列的光学元件，狭缝的个数越多，衍射条纹的宽度越窄，亮度越亮.
(2)光栅衍射的特点：图样是许多平行的明暗相间的条纹，减小缝间距离，则条纹间距增大；增多缝数，明暗条纹变得更为清晰.
1.衍射和干涉条纹都是明暗相间的，所以二者是一样的.(×)
2.所有光都能发生衍射现象.(√)
3.红光比紫光更容易发生明显衍射现象.(√)
单缝的宽度会对衍射现象产生怎样的影响？
【提示】 单缝宽度越小，衍射现象越明显，但衍射条纹的亮度越小.
1.产生明显衍射的条件
(1)发生明显的衍射现象的条件是障碍物或孔的尺寸比光波波长小或相差不多.
(2)衍射是波特有的现象，光在任何条件下都能发生衍射现象，但只有满足上述条件时才能发生明显的衍射现象.
2.衍射图样的特点
(1)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缝变窄通过的光变少，而光分布的范围更宽，所以亮纹的亮度降低.
③中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单缝宽度有关.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.
④用白光做单缝衍射时，中央亮条纹是白色的，两边是彩色条纹，中央亮条纹仍然最宽最亮.
(2)圆孔衍射图样
①中央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.如图4-3-1所示.
图4-3-1
②圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱.
③用不同色光照射圆孔时，得到的衍射图样的大小和位置不同，波长越大，中央圆形亮斑的直径越大.
④白光的圆孔衍射图样中，中央是大且亮的白色光斑，周围是彩色同心圆环.
3.不透明的小圆板衍射图样
(1)泊松亮斑图样中的亮环或暗环间距随半径增大而减小.
(2)与圆孔衍射图样比较
①均是明暗相间的圆形条纹，中心均有亮斑.
②圆孔衍射图样中心亮斑较大，而泊松亮斑较小.
③圆孔衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而增大，圆板衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而减小.
④圆孔衍射图样的外侧是黑暗的，而小圆板衍射图样的外侧是明亮的.
4.单缝衍射与双缝干涉的比较
名称
单缝衍射
双缝干涉
不同点
产生条件
只要狭缝足够小，任何光都能发生
频率相同的两列光波相遇叠加
条纹宽度
条纹宽度不等，中央最宽
条纹宽度相等
条纹间距
各相邻条纹间距不等
各相邻条纹等间距
亮度
中央条纹最亮，两边变暗
条纹清晰，亮度基本相等
相同点
成因
都有明暗相间的条纹，条纹都是光波叠加时加强或削弱的结果
意义
都是波特有的现象，表明光是一种波
1.关于衍射，下列说法正确的是( )
A.衍射现象中条纹的出现是光叠加后产生的结果
B.双缝干涉中也存在衍射现象
C.一切波都很容易发生明显的衍射现象
D.影的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实
E.入射波的波长越大，越容易观察到明显的衍射现象
【解析】 衍射图样是复杂的光波的叠加现象，双缝干涉中光通过三个狭缝时均发生衍射现象，一般现象中既有干涉又有衍射.一切波都能发生衍射，但要发生明显的衍射，需要满足障碍物的尺寸小于或相当于波长的条件，故A、B、E正确，C、D错误.
【答案】 ABE
2.如图4-3-2所示，甲、乙、丙、丁四个图是不同的单色光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( )
图4-3-2
A.甲、乙是光的干涉图样
B.丙、丁是光的干涉图样
C.形成甲图样光的波长比形成乙图样光的波长长
D.形成丙图样光的波长比形成丁图样光的波长长
E.甲和丙都是光的衍射图样
【解析】 由图样可得甲和乙是等间距的，丙和丁是不等间距的且中间最宽，所以甲和乙是干涉条纹，丙和丁是衍射条纹，A正确，B、E错误；其中甲比乙的条纹间距大，故形成甲图样光的波长比形成乙图样光的波长长，C项正确；丙比丁的条纹间距大，形成丙图样光的波长比形成丁图样光的波长长，D项正确.
【答案】 ACD
3.在观察光的衍射实验中，分别观察到如图4-3-3甲、乙所示的清晰的明暗相间的图样，图中黑线为暗纹.那么障碍物应是
甲 乙
图4-3-3
甲图对应的障碍物应是________________________________，
乙图对应的障碍物应是___________________________________.
【解析】 比较两图，它们的背景明显不同，甲图的背景为黑色阴影，说明障碍物应是很大的不透明挡板，中间有透光并且带有衍射图样的花纹，说明挡板的中间有小圆孔；乙图的背景为白色，说明周围没有障碍物，中间有不透光圆形阴影，并且带有衍射图样的花纹，说明中间存在很小的不透明圆板，乙图正中央的小亮点是泊松亮斑.
【答案】 较大的中间有小圆孔的不透明圆板 很小的不透明圆板
区分圆孔衍射和不透光圆盘衍射的图样
1.观察中心圆心和中心圆环：中心圆心处为小亮斑且中心圆环为较宽的暗环时为圆盘衍射；若中心为大且亮的圆形亮斑，中心圆环为细而窄的暗纹时为圆孔衍射.
2.观察中心圆环外第一暗纹与周边暗纹：第一暗纹宽于周边暗纹的为圆盘衍射，第一暗纹细且暗的为圆孔衍射.
光 的 偏 振
1.偏振现象
(1)偏振现象：当狭缝的方向与绳的振动方向相同时，绳上横波可以传过去；当狭缝的方向与绳的振动方向垂直时，绳上横波不能通过.
(2)偏振片
用特定材料制成，它有一个特殊的方向叫透光方向，只有光振动方向与透光方向平行的光波才能通过偏振片.
(3)光的分类
①偏振光
理论证明电磁波是横波，光是电磁波，光振动的方向与传播方向垂直，只有沿特定方向振动的光叫做偏振光.
②自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向沿一切方向上振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同.
2.偏振光的特点
(1)只有横波(选填“横波”或“纵波”)才具有偏振现象.
(2)当偏振光的振动方向跟偏振片的透振方向垂直(选填“相同”“相反”或“垂直”)时，偏振光就不能通过了.
3.偏振现象在生产生活中的应用
(1)立体电影：立体眼镜是由一对透振方向互相垂直的偏振片组成的，观众通过这个特制的眼镜观看立体电影时，就像直接观察物体一样产生立体感.
(2)液晶显示屏：在两块透振方向互相垂直的偏振片当中插进一个液晶盒，液晶具有各向异性的属性，当在两个电极板加上电压时，液晶的性质就变了，从而显示出信息.
1.凡是波都有偏振现象.(×)
2.反射可以引起自然光的偏振.(√)
3.拍摄水中游鱼时，在镜前装一偏振片是利用光的偏振现象.(√)
1.自然光和偏振光的主要区别是什么？
【提示】 在垂直于传播方向的平面内，自然光沿所有方向振动，偏振光沿某一特定方向振动.
2.自然光经水面反射的光一定是偏振光吗？
【提示】 经水面反射和折射的光都是偏振光.
1.横波、纵波的判断方法
直接看质点的振动方向与传播方向的关系.若互相垂直为横波；若在同一直线上为纵波.这种方法适用于看得见质点振动方向的机械波.
2.偏振片
偏振片由特定的材料制成，每个偏振片都有一个特定的方向，只有沿着这个方向振动的光波才能通过偏振片，这个方向叫做透振方向.偏振片对光波的作用就像狭缝对机械波的作用一样.
3.自然光和偏振光的比较
自然光
偏振光
成因
从光源(如太阳、电灯等)直接发出的光
自然光通过偏振片后就变成了偏振光，反射光、折射光均为偏振光
振动方向
在垂直于传播方向的平面内，沿着各个方向振动
在垂直于传播方向的平面内，并且只有一个振动方向
经偏振
片后现
象比较
如上图所示，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，但偏振方向随之变化
如上图所示，偏振光经偏振片后，若偏振方向与透振方向平行，屏亮；若垂直，则屏暗；若介于两者之间，则屏上亮度介于两者之间并随偏振方向与透振方向夹角的增大而变暗.
4.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4-3-4所示，则下列说法正确的是( )
图4-3-4
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
E.偏振现象表明光是横波
【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的光强最强；当Q与P的透振方向垂直时，通过Q的光强最弱.即无论旋转P或Q，屏上的光强都是时强时弱.故正确答案为B、D、E.
【答案】 BDE
5.电子表的显示屏利用了液晶的旋光性，当液晶上不加电压时，偏振光通过液晶时偏振方向会旋转90°，这就是液晶的旋光性；如果在液晶上加上电压，则旋光性消失.有一种电子表的显示屏是透明的，而在显示数字的笔画处不透光，则上下两个偏振片的透振方向相互________；笔画处为________电极，因此加上电压时变为________的.
【解析】 假设光从下向上传播，光线通过下偏振片时成为偏振光，如果不加电压，偏振光通过液晶时偏振方向旋转90°，此时光线能透过上偏振片，可知上偏振片的透振方向应与此时偏振光的偏振方向相同，即与下偏振片的透振方向垂直；组成数字的笔画处有时透明，有时不透明，可知笔画处为透明电极，当加上电压时液晶旋光性消失，光线不能透过.
【答案】 垂直 透明 不透明
6.在拍摄日落时水面下的景物时，应在照相机镜头前装一个偏振片，其目的是什么？
【解析】 由于反射光的干扰，景物的像常常比较模糊，装上偏振片的目的是减弱反射光，且透振方向与反射光的振动方向垂直，但不能增强透射光.
【答案】 减弱反射光，从而使景物的像清晰.
1.偏振片是由特定的材料制成的，每个偏振片都有一个特定的方向，这个方向叫做“透振方向”，只有沿透振方向振动的光才能通过偏振片.
2.偏振片上的“狭缝”表示透振方向，而不是真实狭缝.
3.光的偏振现象说明光是一种横波.
4.自然光透过偏振片可以变成偏振光.
5.当偏振片的偏振方向与光的偏振方向夹角不同时，透过偏振片的光的强度不同.
