物理总复习：光的波动性
编稿：李传安审稿：
【考纲要求】
1、知道光的干涉条件及现象；
2、知道薄膜干涉的相关应用；
3、知道光的衍射及偏振现象，了解其相关应用；
4、知道光的干涉和衍射的区别与联系；
5、能利用光的干涉实验测定光的波长。
【知识络】
【考点梳理】
考点一、光的干涉
要点诠释：
1、1801年，英国物理学家托马斯·杨通过双缝实验成功地观察到了光的干涉现象，证明了光的确是一种波。
2、光的干涉现象
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。
3、干涉条件
光的干涉的条件是有两个振动情况总是相同的波源，即相干波源。（相干波源的频率必须相同）。
形成相干波源的方法有两种：①利用激光（因为激光发出的是单色性极好的光）。②设法将同一束光分为两束（这样两束光都来源于同一个光源，因此频率必然相等）。
下面四个图分别是利用双缝、利用楔形薄膜、利用空气膜、利用平面镜形成相干光源的示意图。
4、干涉区域内产生的亮、暗纹
亮纹：屏上某点到双缝的光程差等于波长的整数倍，
即n???（n=0，1，2，3，……）
暗纹：屏上某点到双缝的光程差等于半波长的奇数倍，
即(21)2n????（n=0，1，2，3，……）
相邻亮纹（暗纹）间的距离Lxd???，x???。用此公式可以测定单色光的波长。用白光作双缝干涉实验时，由于白光内各种色光的波长不同，干涉条纹间距不同，所以
屏的中央是白色亮纹，两边出现彩色条纹。
5、薄膜干涉
当光照射到薄膜上时，可以看到在薄膜上出现明暗相间的条纹。当入射光是白光时，得到彩色条纹，当入射光是单色光时，得到单色条纹。
参与薄膜干涉的两列光是分别从薄膜的前表面和后表面反射出来的两列光。用薄膜干涉可以检查工件表面是否平整，在透镜表面涂上增透膜以增大透射光。
薄膜干涉中的色散：
（1）成因：由膜的前后表面反射回来的光叠加的结果，所以观察时只能在光源的同侧才能看到。
（2）形状：明暗相间的条纹。纹的亮暗与膜的厚度有关。
考点二、光的衍射
要点诠释：
1、光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象叫光的衍射。
2、产生明显衍射现象的条件
障碍物（或孔）的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比波长还小。
关于衍射的表述一定要准确（区分能否发生衍射和能否发生明显衍射）。各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射。
3、泊松亮斑
当光照到不透光的小圆板上时，在圆板的阴影中心出现的亮斑（在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环）。
4、衍射与干涉的比较
干涉和衍射是波的特征，光的干涉和衍射现象证明了光具有波动性，波长越大，干涉和衍射现象就越明显，也越容易观察到干涉和衍射现象。
考点三、光的偏振激光
要点诠释：
（一）光的偏振
1、光的偏振
自然光是指在垂直于光的传播方向上，各个方向强度相同。偏振光是指在垂直于光的传播方向的平面上，只沿某个特定方向振动。
光的偏振现象说明光波是横波。
2、偏振光的产生方式
偏振光的产生方式是通过两个共轴的偏振片观察自然光，第一个偏振片的作用是获得偏振光，叫起偏器，第二个偏振片的作用是检验光是否为偏振光，叫检偏器．
光的偏振理解：
（1）光波的感光作用和生理作用主要是由电场强度E引起的，因此将E的振动称为光振动。
（2）自然光：太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫自然光。
（3）偏振光：自然光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，叫偏振光。自然光射到两种介质的界面上，如果光的入射方向合适，使反射和折射光之间的夹角恰好是90°，这时，反射光和折射光就都是偏振光，且它们的偏振方向互相垂直。我们通常看到的绝大多数光都是偏振光（如图）。
（二）激光
1、产生机理
处于激发态的原子，如果在入射光子的电磁场的影响下，引起高能态向低能态跃迁，同时在两个状态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去，这种辐射叫做受激辐射。原子发生受激辐射时，发出光子的频率、发射方向等，都跟入射光子完全一样，这样使光得到加强，这就是激光产生的机理。
2、激光器：主要由工作物质、激励源和谐振腔组成。
3、激光的主要特点及应用
（1）平行度好（方向性好）
精确测距：激光雷达；
刻制光盘
（2）相干性好（频率单一）
做相干光：干涉、衍射
传递信息：光纤通信
记录信息：全息照相
（3）亮度高（强度大）
机械加工：打孔、焊接、切割
医学上：光刀
军事上：激光武器（“死光”武器）
科研上：引发核聚变
考点四、实验：用双缝干涉测量光的波长
实验目的
1、了解光波产生稳定的干涉现象的条件
2、观察双缝干涉图样
3、测定单色光的波长
实验器材
光具座、光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头、另外还有学生电源、导线、刻度尺
实验原理
双缝干涉中两个相邻明（暗）条纹之间的距离x?与波长?、双缝间距离d及双缝到屏的距离L满足Lxd???。
两条相邻明（暗）条纹之间的距离x?用测量头测出。测量头由分划板、目镜、手轮
等构成，如图（1）所示。转动手轮，分划板会左、右移动。测量时，应使分划板中心刻线对齐条纹的中心，如图（2）所示。记下此时手轮上的读数1a，转动手轮，使分划板向一侧移动，当分划板中心刻线对齐另一条相邻的明条纹中心时，记下手轮上的刻度
数2a，两次读数之差就是相邻两条明纹间的距离。即12xaa???。
实验步骤
1、观察双缝干涉图样
（1）将光源、单缝、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，使单缝与双缝的缝平行，二者间距约5～10cm。
（5）放上单缝，观察白光的干涉条纹。
（6）在单缝和光源间放上滤光片，观察单色光的干涉条纹。
2、测定单色光的波长
（1）安装测量头，调节至可清晰观察到干涉条纹。
（2）使分划板中心刻线对齐某条亮条纹的中央，记下手轮上的刻度数1a，转动手轮，使分划板中心刻线移动；记下移动的条纹数n和移动后手轮的读数2a，1a与2a之差即为n条亮纹的间距。
（3）用刻度尺测量双缝到光屏间距离L（d是已知的）。
（4）重复测量、计算，求出波长的平均值。
（5）换用不同的滤光片，重复实验测量其他单色光的波长。
当分划板中心刻线对齐另一条相邻的明条纹中心时，记下手轮上的刻度数两次读数之差就是相邻两条明纹间的距离。即12xaa???。
数据处理
为了得到准确的某种单色光双缝干涉的条纹间距，实验中通常用常用的重复测量、计算求波长的平均值的方法。还可以换用不同的滤光片，重复实验测量其他单色光的波长。
误差分析
x?很小，直接测量时相对误差较大，通常测出n条明条纹间的距离a，再推算相邻两
条明（暗）条纹间的距离，1axn???。
注意事项
1、双缝干涉仪是比较精密的仪器，应轻拿轻放，不要随便拆解遮光筒、测量头等元件。
2、滤光片、单缝、双缝、目镜等如有灰尘，应用擦镜纸或干净软片轻轻擦去。
3、安装时，注意调节光源、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的中心轴线上，并使单缝、双缝平移且竖直。
4、光源灯丝最好为线状灯丝，并与单缝平行且靠近。
5、调节的基本依据是：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是单缝与双缝不平行。
【典型例题】
类型一、关于干涉条纹的理解及计算
例1、(2015 新课标Ⅰ卷)在双缝干涉实验中，分布用红色和绿色的激光照射同一双缝，在双缝后的屏幕上，红光的干涉条纹间距Δx1与绿光的干涉条纹间距Δx2相比Δ
x1______Δx2 （填“＞”“＜”或“＝”）。若实验中红光的波长为630nm，双缝到屏幕的距离为1m，测得第一条到第6条亮条纹中心间的距离为10.5nm，则双缝之间的距离为 mm。
【答案】（1） > (2分) 0.300 (3分)
【解析】光的双缝干涉条纹间距Lxd??? (λ为光的波长，L为屏与双缝之间距离，d 为双缝之间距离)，红光波长长λ红＞λ绿，所以红光的双缝干涉条纹间距较大，即Δx1＞Δx2, 条纹间距根据数据可得210.5mm2.1mm=2.110m5x?????，根据Lxd???可得Ldx???,代入数值得：d = 3.00×10-4m = 0.300mm . 【考
点】实验三：用双缝干涉测光的波长
举一反三
【变式1】（2016 天津卷）如图是a、b两光分别经过同一双缝干涉装置后在屏上形
成的干涉图样，则（）
A．在同种均匀介质中，a光的传播速度比b光的大
B．从同种介质射入真空发生全反射时a光临界角大
C．照射在同一金属板上发生光电效应时，a光的饱和电流大
D．若两光均由氢原子能级跃迁产生，产生a光的能级能量差大
【答案】D
【解析】从图中可以看出，a光干涉条纹的间距比b光干涉条纹的间距要小，由于是在同一双缝干涉装置上形成的干涉图样，因此a光的波长小于b光的波长，a光的频率大于b光的频率，a光的折射率大于b光的折射率，所以在同种均匀介质中传播时，a光的速度小于b光的速度，A错误；从同种介质射入真空发生全反射时，a光的临界角小于b光的临界角，B错误；发生光电效应的光电流大小与光子的能量和光强有关，故无法判断饱和电流的大小，选项C错误；a光的频率高，光子的能量大，故由氢原子能级跃迁产生这两种光时，产生a光的能级能量差大，D正确．
故选D。
【变式2】用氦氖激光器进行双缝干涉实验，已知使用的双缝间距离d=0.1mm，双缝到屏的距离L=6.0m，测得屏上干涉条纹中亮纹的间距是3.8cm，氦氖激光器发出的红
光的波长?是多少？假如把整个装置放入折射率是4/3的水中，这时屏上的条纹间距是多少？
【答案】6.30×710?m；22.810m??。
【解析】由条纹间距x?、双缝间距d、双缝到屏的距离L及波长?的关系，可测光波的
波长；同理知道水的折射率，可知该波在水中的波长，然后由x?、d、L、?的关系，可计算条纹间距。
由Lxd???可以得出，
红光的波长3270.1103.8106.3106.0dxmmL????????????
激光器发出的红光的波长是6.30×710?m。
如果整个装置放入水中，激光器发出的红光在水中的波长为
776.31034.7104mmn???????????
这时屏上条纹的间距是22.810Lxmd???????。
【变式3】在双缝干涉实验中，某同学用黄光作为入射光，为了增大干涉条纹的间距，该同学可以采用的方法有（）
A.改用红光作为入射光
B.改用蓝光作为入射光
C.增大双缝到屏的距离
D.增大双缝之间的距离
【答案】AC
【解析】光的干涉现象中，条件间距公式Lxd???，即干涉条纹间距与入射光的波长成正比，与双缝到屏的距离成正比，与双缝间距离成反比。红光波长大于黄光波长，选项A正确；蓝光波长小于黄光波长，选项B错；增大双缝到屏的距离，选项C正确；增大双缝之间的距离，选项D错。故选AC。
类型二、关于薄膜干涉的理解
薄膜干涉的种类有：劈尖干涉、增透膜、肥皂泡、牛顿环等。
【高清课堂：光学2 例1】
例2、劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图1所示。将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜。当光垂直入射后，从上往下看到的干涉条纹如图所示。干涉条纹有如下特点：（1）任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；（2）任意相邻明条纹
或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定。现若在图1装置中抽去
一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往
下观察到的干涉条纹间距（）
A.变大
B.变小
C.不变
D.消失