(共14张PPT)
第4章 光的波动性
发生明显衍射现象的条件
单缝行射
光的衍射三种衍射图样圆孔衍射
光的波动性
圆板衍射
现象及应用
光是横波
光的偏振
应用
折射定律
比的折射折射率
实验
干涉图样
薄膜干涉
现象及应用
光的干涉
条件
明、暗条纹的判断
双缝干涉千涉图样
条纹间距
实验
知识体系·网络构建
宏观把握·理清脉络
发生明显衍射现象的条件
单缝行射
光的衍射三种衍射图样圆孔衍射
光的波动性
圆板衍射
现象及应用
光是横波
光的偏振
应用
折射定律
比的折射折射率
实验
全反射条件
光的全反射
临界角
原理
光导纤维
应用
激光的特性
激光
应用
》专题归纳,整合提升
归纳整合·深度升华本章优化总结
光的干涉和衍射
1.由于不同的光源甚至同一光源的不同部分发出的光，一般不满足相干条件，所以要利用分光的方法获得相干光源.如双缝干涉是光源发出的光先经单缝（相当于光源），再经过双缝（相当于相干光源）后叠加产生的.薄膜干涉是照到薄膜上的光经前后表面反射后叠加产生的.
2.双缝干涉条纹的宽度与相邻的亮条纹（或暗条纹）之间距离Δx相等，与单色光的波长成正比.
3.薄膜干涉图样的特点：同一条亮（或暗）条纹上所对应薄膜厚度相同，单色光照射在薄膜上形成明暗相间的条纹，白光照射在薄膜上形成彩色条纹.
4.光的颜色由频率决定，决定于光源，按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫光的频率变大.
5.对干涉条件的把握及干涉条件和衍射条件的区别，色散、衍射、干涉现象中都可有彩色条纹出现.在色散现象中的彩色条纹是因为光的折射形成的；衍射现象中的彩色条纹是白色光源经单缝或小孔后形成的；而干涉现象的产生必须有两个相干的光源.
6.双缝干涉条纹和单缝衍射条纹的区别
条纹宽度不同：双缝干涉条纹是等宽的，条纹间的距离是相等的，而单缝衍射的亮条纹是不等间隔的，中间亮纹最宽.
条纹亮度不同：双缝干涉条纹亮度相同，单缝衍射条纹的光强分布主要集中在中间的亮纹上，其他条纹较暗.
（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，图像更清晰.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.下列说法正确的是（ ）
A.当做单缝实验时，光强分布图如乙所示
B.当做单缝实验时，光强分布图如丙所示
C.当做双缝实验时，光强分布图如乙所示
D.当做双缝实验时，光强分布图如丙所示
[解析] 当做单缝实验时，中间是亮条纹，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乙所示，A项正确，B项错误；当做双缝实验时，在屏上呈现的是宽度相等的亮条纹，所以其光强分布图如丙所示，C项错误，D项正确.
[答案] AD
光的折射和全反射现象的分析与计算
1.光路分析与计算
(1)确定光是由光密介质进入光疏介质，还是由光疏介质进入光密介质，并根据sin C＝确定临界角，判断是否发生全反射.
(2)画出光线发生折射、反射的光路图（全反射问题中关键要画出入射角等于临界角的“临界光路”）.
(3)结合光的反射定律、折射定律及全反射理论、几何关系进行分析与计算.
2.光的折射与光速、频率、波长关系的综合分析
先由折射定律判断光的折射率大小关系，进而得出光的频率关系，然后再根据n＝和λ＝判断出光速和波长的关系.
如图所示，一棱镜的截面为直角三角形ABC，∠A＝30°，斜边AB＝a.棱镜材料的折射率为n＝.在此截面所在的平面内，一条光线以45°的入射角从AC边的中点M射入棱镜.画出光路图，并求光线从棱镜射出的点的位置（不考虑光线沿原来光路返回的情况）.
[解析] 设入射角为i，折射角为r，由折射定律得＝n ①
由已知条件及①式得
r＝30° ②
如果入射光线在法线的右侧，光路图如图所示.设出射点为F，由几何关系可得
AF＝a ③
即出射点在AB边上离A点a的位置.
如果入射光线在法线的左侧，光路图如图所示.设折射光线与AB的交点为D.由几何关系可知，在D点的入射角
θ＝60° ④
设全反射的临界角为C，则
sin C＝ ⑤
由⑤和已知条件得
C＝45° ⑥
因此，光在D点发生全反射.
设此光线的出射点为E，
由几何关系得
∠DEB＝90°
BD＝a－2AF ⑦
BE＝DBsin 30° ⑧
联立③⑦⑧式得BE＝a
即出射点在BC边上离B点a的位置.
[答案] 见解析
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3章末过关检测（四）
（时间：60分钟，满分：100分）
一、单项选择题（本题共6小题，每小题6分，共36分.在每小题给出的四个选项中，只有一个选项正确，选对的得6分，选错或不答的得0分）
1.在用两面平行的玻璃砖测定玻璃折射率的实验中，其实验光路如图所示，对实验中的一些具体问题，下列意见正确的是（ ）
A.为了减少作图误差，P3和P4的距离应适当取大些
B.为减少测量误差，P1、P2的连线与玻璃砖界面的夹角应取大些
C.若P1、P2的距离较大时，通过玻璃砖会看不到P1、P2的像
D.若P1、P2连线与法线NN′夹角较大时，有可能在bb′面发生全反射，所以在bb′一侧就看不到P1、P2的像
解析：选A.P3和P4的距离应适当取大些，是为了画直线OB时更接近原光线，能减少误差，选项A正确.在玻璃中的光线OO′的入射角达不到临界角，不会发生全反射.
2.太阳光照射下肥皂膜呈现的彩色，瀑布在阳光下呈现的彩虹以及通过狭缝观察发光的日光灯时看到的彩色条纹，这些现象分别属于（ ）
A.光的干涉、色散和衍射现象
B.光的干涉、衍射和色散现象
C.光的衍射、色散和干涉现象
D.光的衍射、干涉和色散现象
解析：选A.在太阳光照射下肥皂膜呈现彩色，是薄膜干涉现象；瀑布溅起的小水滴相当于棱镜，在阳光下呈现的彩虹是光的色散现象；通过狭缝观察发光的日光灯时看到的彩色条纹是光的衍射现象.
3.虹和霓是太阳光在水珠内分别经过一次和两次反射后出射形成的，可利用白光照射玻璃球来说明.两束平行白光照射到透明玻璃球后，在水平的白色桌面上会形成MN和PQ两条彩色光带，光路如图所示.M、N、P、Q点的颜色分别为（ ）
A.紫、红、红、紫 B.红、紫、红、紫
C.红、紫、紫、红 D.紫、红、紫、红
解析：选A.七色光中红光的折射率最小，紫光的折射率最大，故经玻璃球折射后红光的折射角较大，由玻璃球出来后将形成光带，而两端分别是红光和紫光，根据光路图可知M、Q点为紫光，N、P点为红光，故选A.
4.在研究材料A的热膨胀特性时，可采用如图所示的干涉实验法.A的上表面是一光滑平面，在A的上方放一个透明的平行板B，B与A的上表面平行，在它们之间形成一个厚度均匀的空气膜.现在用波长为λ的单色光垂直照射，同时对A缓慢加热，在B上方观察到B板的亮度发生周期性的变化.当温度为t1时最亮，然后亮度逐渐减弱至最暗；当温度升到t2时，亮度再一次回到最亮.则（ ）
A.出现最亮时，B上表面反射光与A上表面反射光叠加后加强
B.出现最亮时，B下表面反射光与A上表面反射光叠加后相抵消
C.温度从t1升至t2的过程中，A的高度增加
D.温度从t1升至t2的过程中，A的高度增加
解析：选D.A和B之间形成一个厚度均匀的空气膜，则光在空气膜的前表面即B的下表面和后表面即A的上表面产生干涉，形成干涉条纹.当温度为t1时最亮，说明形成亮条纹，然后亮度逐渐减弱至最暗；当温度升到t2时，亮度再一次回到最亮，又一次形成亮条纹，由干涉的原理知，温度为t1和t2时，路程差均为波长的整数倍，由于材料A具有热膨胀特性，所以温度为t2时比t1时高度增加，使路程差减小一个波长，则A的高度增加，故选项D正确.
5.如图，一束光经玻璃三棱镜折射后分为两束单色光a、b，波长分别为λa、λb，该玻璃对单色光a、b的折射率分别为na、nb，则（ ）
A.λa<λb，na>nb B.λa>λb，naC.λa<λb，naλb，na>nb
解析：选B.一束光经过三棱镜折射后，折射率小的光偏折较小，而折射率小的光波长较长.所以λa>λb，na6.如图是一个圆柱体棱镜的截面图，图中E、F、G、H将半径OM分成5等份，虚线EE1、FF1、GG1、HH1平行于半径ON，ON边可吸收到达其上的所有光线.已知该棱镜的折射率n＝，若平行光束垂直入射并覆盖OM，则光线（ ）
A.不能从圆弧射出
B.只能从圆弧射出
C.能从圆弧射出
D.能从圆弧射出
解析：选B.由折射率n＝知该棱镜的全反射临界角为C＝37°（sin C＝），从G点入射的光线垂直进入棱镜后，在G1点恰好发生全反射，则圆弧上所有入射的光线均发生全反射，不会从棱镜中射出，只有圆弧上入射的光线折射后射出棱镜.所以只有B正确，A、C、D错误.
二、多项选择题（本题共4小题，每小题6分，共24分.在每小题给出的四个选项中，有多个选项正确，全部选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错或不答的得0分）
7.许多光学现象在科学技术上得到了应用，以下对一些应用的解释，正确的是（ ）
A.光导纤维利用的是光的全反射现象
B.X光透视利用的是光的衍射现象
C.分光镜利用的是光的色散现象
D.红外遥感技术利用的是一切物体都不停地辐射红外线的现象
解析：选ACD.光导纤维是利用了光的全反射；X光的透视是利用了X光的强穿透能力；分光镜利用了光的色散；红外遥感技术是利用了一切物体不停地向外辐射红外线的现象.故A、C、D正确.
8.光纤通信是一种现代通信手段，它可以提供大容量、高速度、高质量的通信服务.目前，我国正在大力建设高质量的宽带光纤通信网络.下列说法正确的是（ ）
A.光纤通信利用光作为载体来传递信息
B.光导纤维传递光信号是利用光的衍射原理
C.光导纤维传递光信号是利用光的色散原理
D.目前广泛应用的光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝
解析：选AD.光导纤维传递光信号是利用光的全反射原理，故B、C选项错误.
9.频率不同的两束单色光1和2以相同的入射角从同一点射入一厚玻璃板后，其光路如图所示，下列说法正确的是（ ）
A.单色光1的波长小于单色光2的波长
B.在玻璃中单色光1的传播速度大于单色光2的传播速度
C.单色光1通过玻璃板所需的时间小于单色光2通过玻璃板所需的时间
D.单色光1从玻璃到空气的全反射临界角小于单色光2从玻璃到空气的全反射临界角
解析：选AD.由折射定律n＝，知n1>n2，λ1<λ2，由v＝知v1t2，故选项C错误.由sin C＝知，C110.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相同
B.偏振光是在垂直于传播方向上，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，偏振光经过另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：选BD.本题可由自然光和偏振光的定义解决.光源发出的光，沿着各个方向振动的光的强度都相同，叫做自然光.振动方向一定的光叫做偏振光.
三、非选择题（本题共3小题，共40分.解答时应写出必要的文字说明、方程式和重要演算步骤，只写出最后答案的不能得分.有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位）
11.（10分）某同学设计了一个测定激光的波长的实验装置如图（a）所示，激光器发出一束直径很小的红色激光进入一个一端装有双缝、另一端装有感光片的遮光筒，感光片上出现一排等距的亮点，图（b）中的黑点代表亮点的中心位置.
（1）这个现象说明激光具有 性.
（2）通过量出相邻光点的距离可算出激光的波长，据资料介绍：如果双缝的缝间距离为a，双缝到感光片的距离为L，感光片上相邻两光点间的距离为b，则光的波长λ＝.该同学测得L＝1.000 0 m，缝间距a＝0.22 mm，用带十分度的游标卡尺测感光片的点间距离时，尺与点的中心位置如图（b）所示.图（b）中第1个到第4个光点的距离是 mm.实验中激光的波长λ＝ m.（保留两位有效数字）
（3）如果实验时将红激光换成蓝激光，屏上相邻两光点间的距离将 .
解析：（1）激光的感光照片出现等间距的亮点，说明激光具有波动性.
（2）由题图（b）知游标卡尺的读数为8.5 mm，
根据公式λ＝知λ＝ m≈6.2×10－7 m.
（3）由λ＝知b＝，当红激光换成蓝激光时λ变小，故b变小.
答案：（1）波动 （2）8.5 6.2×10－7 （3）变小
12.（14分）如图所示，在双缝干涉实验中，S1和S2为双缝，P是光屏上的一点，已知P点与S1和S2距离之差为2.1×10－6 m，现分别用A、B两种单色光在空气中做双缝干涉实验，问P点是亮条纹还是暗条纹？
（1）已知A光在折射率为n＝1.5的介质中波长为4×10－7 m；
（2）已知B光在某种介质中波长为3.15×10－7 m，当B光从这种介质射向空气时，临界角为37°.
解析：已知P点与S1和S2的距离之差，由出现亮暗条纹的条件可判断是亮条纹或暗条纹.
（1）设A光在空气中波长为λ1，在介质中波长为λ2，由n＝，得λ1＝nλ2＝1.5×4×10－7 m＝6×10－7 m.
根据路程差δ＝2.1×10－6 m，
所以N1＝＝＝3.5.
由此可知，从S1和S2到P点的路程差δ是波长λ1的3.5倍，所以P点为暗条纹.
（2）根据临界角与折射率的关系sin C＝，
得n＝＝.
由此可知，B光在空气中波长λ2′为：
λ2′＝nλ介＝×3.15×10－7 m＝5.25×10－7 m.
则路程差δ和波长λ2′的关系：
N2＝＝＝4.
可见，用B光做光源，P点为亮条纹.
答案：（1）暗条纹 （2）亮条纹
13.（16分）如图所示，玻璃棱镜ABCD可以看成是由ADE、ABE、BCD三个直角三棱镜组成，一束频率为5.3×1014 Hz的单色细光束从AD面入射，在棱镜中的折射光线如图中ab所示，ab与AD面的夹角α＝60°.已知光在真空中的速度c＝3×108 m/s，玻璃的折射率n＝1.5，求：
（1）这束入射光线的入射角多大？
（2）光在棱镜中的波长是多大？（结果保留三位有效数字）
（3）该束光线第一次从CD面出射时的折射角.（结果可用反三角函数表示）
解析：（1）设光在AD面的入射角、折射角分别为i、r，则由几何知识得：r＝30°，
据n＝得：
sin i＝nsin r＝1.5sin 30°＝0.75
则i＝arcsin 0.75.
（2）根据n＝得：
v＝＝ m/s＝2×108 m/s
根据v＝λf，得：
λ＝＝ m≈3.77×10－7 m.
（3）光路如图所示，由几何知识得ab光线在AB面的入射角为45°.
设玻璃的临界角为C，
因为sin C＝＝≈0.67
因为sin 45°＞0.67，所以C＜45°.
因此光线ab在AB面会发生全反射.
光线在CD面的入射角r′＝r＝30°，根据n＝，得光线在CD面的出射光线与法线的夹角i′＝i＝arcsin 0.75.
答案：（1）arcsin 0.75 （2）3.77×10－7 m
（3）arcsin 0.75
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