光的波动性

光的波动性 一周强化 一、一周内容概述 本周我们学习了光的波动性，知道光是电磁波，知道光与所有的波一样可以发生干涉和衍射，从光的偏振还知道光是横波。重点要掌握双缝干涉、薄膜干涉原理及亮、暗条纹的分布规律，了解光的衍射条纹的分布情况及成因，知道电磁波谱中各种电磁波的特点及应用。了解偏振光和激光的特点及应用。 二、重点知识归纳与讲解 1、干涉现象产生的条件 光的干涉现象发生的条件要求发生干涉的两束光，振动情况完全相同，共中振动情况包括光波的频率，相位差，几方面都必须保持稳定。而由于光产生的原因是大量原子跃迁的结果，所以发光的情况较为复杂，光的频率、相位差很难保持稳定相同，一直得不到两束相干光源，观察不到干涉现象，这是阻碍光的波动说发展的主要原因。托马斯·杨的功绩在于巧妙地解决了相干光源的问题，成功地观察到干涉现象，并用波动理论解释了干涉现象。 2、干涉的实验装置 如下图所示，为托马斯·杨的双缝干涉实验装置的示意图。

单缝：起的作用是限制光源的振动情况，由于缝很窄，通过它的光的频率和相位变得单一，为下一步获得两束相干光作好准备。现在的实验条件下，单缝取消改为直接用激光照射。（利用激光的单色性好） 双缝：起的作用是获得两束相干光，要求两条缝到单缝的距离完全相同，并且两缝的距离也要求很近，保证从双缝出来的光相位差恒定，即振动情况完全相同。 3、干涉条纹分布规律 如图所示：

当时，出现亮条纹。 当时，出现暗条纹。 在明条纹位置上的点，到达两条缝的距离差一定等于整数位的波长（半波长的偶数倍）所以恰好是波峰与波峰、波谷与波谷相遇，振动加强。 在暗条纹位置上的点，到达两条缝的距离差一定等于半波长的奇数倍，所以恰好是波峰与波谷相遇，振动减弱。 4、薄膜干涉 光射到薄膜上，被膜的前后表面分别反射的两列光波，这两列光波都和入射光相同，因此这两列反射回光波为两列相干光波。在薄膜上某厚度处，两列光波叠加后加强，该处出现亮纹，在另一厚度处，两列光波叠加后互相削弱，于是出现暗纹。 5、光的衍射 光离开直线传播的路径绕到障碍物背后的现象叫光的衍射，例单缝衍射，圆孔衍射。光的衍射有力地说明了光是一种波。光在任何情况下，都会发生衍射现象，但在障碍物或孔与光的波长差不多，或者比光的波长小时，才会发生明显的衍射现象。 6、单缝衍射条纹的特征 （1）各级亮纹的宽度不同。中央条纹最宽，两侧条纹越来越窄。 （2）2各级亮纹的亮度不同。中央亮纹最亮，向两侧依次亮度减小。 （3）白光的单缝衍射条纹中央白色亮纹，两侧为彩色亮纹（原因是白光中的各种色光均在中央形成亮纹，复合后为白光，同时白光中各种色光通过单缝衍射程度不同，致使其余亮纹依次错开，结果形成彩色衍射条纹）。 7、光波与电磁波 麦克斯韦由光波的波速与电磁波的波速在实验中得到的数值相同，以及赫兹所做的有关电磁波的反射、折射、偏振、干涉、衍射的实验结果，预言了光波的物理本质与电磁波相同。 8、电磁波谱 电磁波按波长从大到小的顺序排列为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。 9、各波段电磁波的产生 无线电波是自由电子做周期性振荡产生的；红外线，可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；X射线是原子的内层电子受到激发后产生的；γ射线是原子核受激发后产生的。 10、几种电磁波的特点 （1）红外线：由英国物理学家赫歇尔在1800年发现。显著特征是热效应。利用热效应可以对物体加热，而且是从内部直接加热，效率高。利用红外线的频率低，波长较长，衍射现象显著，容易穿云透雾的特点，进行远距离的拍照。 （2）紫外线：德国物理学家里特在1801年发现的。显著特征是化学作用。可以应用于照相、杀菌、激发物质发出荧光等方面。 （3）伦琴射线：德国物理学家伦琴在1895年发现的，一种波长很短的电磁波。显著特征是较强的穿透作用。利用这一特征，可以透视人体，检查金属部件的质量。 11、自然光与偏振光 太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方面振动的强度都相同。这种光叫做自然光。 自然光通过偏振片时，只有振动方向跟偏振片的透振方向一致的光波才能通过；也就是说，通过偏振片的光波，在垂直于传播方向的平面上，只沿着一个特定的方向振动。这种光叫做偏振光。 12、激光的特点 激光具有以下三个方面的特点： （1）相干性好。激光是一种人工产生的相干光。 （2）平行度好。激光是至今为止最好的平行光。 （3）亮度高。激光在很短时间内在很小空间集中很大的能量。 13、激光的作用 （1）利用激光的相干性进行信息的传递。例如激光纤通信。 （2）利用激光的平行度好进行精确测量和数据采集。 （3）利用激光的亮度高进行激光切割和焊接。 三、难点剖析 1、为什么干涉现象中明暗条纹是等距的？

如图所示，设，由于L>>d，所以 α≈θ，D=d tanθ=dx/L。

当D=dx/L=±kλ，即当x=±kλL/d(k=0,1,2,3……)时，P处出现亮条纹。 当x=±(2k＋1)λL/2d(k=0,1,2,3……)时，P处出现暗条纹。 相邻两条亮纹或暗纹之间的距离 △x=λL/d 可见，当双缝间距d一定、缝到光屏的距离L一定时，条纹间距与波长成正比，对同一种色光，条纹间距相等。 2、白光的双缝干涉条纹为什么是彩色的？ 对白光形成的双缝干涉现象，应明确以下几点： （1）白光是由不同频率的单色光组成的。不同频率的单色光之间不能发生干涉现象，但从两双缝射出的白光中，相同频率的单色光之间能够发生干涉现象。 （2）由于各种单色光的波长不同，因而各种单色光的干涉条纹的间距不同，叠加后各种单色光的明暗条纹不能完全重合，所以出现了彩色条纹。至于干涉图样的中央，对各种色光都呈现亮条纹，故在这里产生了白色条纹。 （3）色光的颜色由色光的频率决定，色光的频率由光源决定，与传播介质无关。

由于在介质中的光速为，可见光速、波长均与介质的种类有关。 四、例题讲解 例1、下列现象中，属于光的干涉的是（ ） A．雨过天晴，天空中形成的彩虹 B．阳光下，肥皂泡呈现彩色 C．一截插入水中的筷子，看上去变弯了 D．一束单色光照到玻璃上的小墨点，在其阴影中心出现一个小亮点 提示： 天空中形成的彩虹是由于空气对不同颜色光的折射率不同，从而使白光中不同颜色光分开而形成的； 阳光下，肥皂泡呈现彩色是由于光线在肥皂泡的前后两个表面反射后叠加形成的干涉现象；插入水中的筷子，看上去变弯了，是由于光的折射而形成的；单色光照到玻璃上的小墨点，在其阴影中心出现一个小亮点，是由于光的衍射而形成的。 参考答案：选项B正确 说明： 知道各种物理量的本质，是学习物理的重要目的之一，能熟练分析各种光学现象的本质，是解决本题的关键。 另外，抓住各种物理现象的本质特征也极其重要。例如，对于光的干涉现象需要两列相干波叠加才能 产生，而对于光的衍射现象，单列波通过一个小孔或绕过小障碍物时才能产生。 例2、在双缝干涉实验中，若照射光的波长是600nm，从双缝S1和S2照射到屏上的P点和Q点的路程差分别为D=1200nm和D′=1500nm，如图所示，则屏上P点是________条纹，Q点是_________条纹。

解答： 两列振动情况完全相同的光波发生干涉现象时，产生亮条纹和暗条纹的条件分别是

D=nλ和。因波长λ=600nm，D=1200nm=2λ，故P点是明条纹；因，故Q点是暗条纹。 例3、如图所示，是用干涉法检查某块厚玻璃板的上表面是否平的装置，所用单色光为用普通光加滤片产生的，检查中所观察到的干涉条纹是由下列哪两个表面反射的光线叠加而成的（ ）

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 解答： 关键是找到使光线发生干涉的薄膜，薄膜干涉要求膜的厚度与波长相类似，光在满足条件的膜的上下界的反射光叠加就可以形成薄膜干涉。而上下的玻璃板厚度较大不能形成薄膜干涉。所以该题目中的薄膜应为两玻璃板之间的空气薄膜，是空气薄膜的上下表面反射光线相干而成，即a的下表面和b的上表面反射的光线叠加而成的，故C正确。 答案：C 例4、在竖直的肥皂液薄膜上产生干涉现象，下列说法中正确的是 ( ) A．干涉条纹的产生是由于光在薄膜前后两表面反射，形成的两列光波叠加的结果 B．若出现明暗相间条纹相互平行，说明肥皂膜的厚度是均匀的 C．用绿色光照射薄膜产生的干涉条纹间距比黄光照射时间距小 D．薄膜上的干涉条纹基本上是竖直的 提示： 要想产生干涉现象，必须有两列相干光源。在皂膜干涉中，薄膜前后两表面反射的光正好是两个相干光源，它们相互叠加形成干涉条纹，所以选项A正确。 肥皂膜在重力作用下，上面薄、下面厚，厚度是不均匀的，并且厚度均匀的薄膜是不会出现干涉条纹的（若厚度相同，光程差处处相等，两列波叠加后，若是加强，处处光线加强，若是减弱，处处光线减弱，不会出现明暗相间条纹），所以选项B错误。 波长越短的光波，对同一装置，干涉条纹越窄。绿光的波长小于黄光的波长，所以绿色光照射薄膜产生的干涉条纹间距比黄光照射时间距小。选项C正确。 出现明、暗条纹的位置与薄膜厚度有关，对于某位置，若光线叠加后加强，则与此等厚度的位置反射光线叠加都加强，从而形成亮条纹。对暗条纹也是一样道理。竖直的肥皂膜，其厚度相等的位置在同一水平面上，因此干涉条纹基本上是水平的，所以选项D错误。 参考答案：选项A、C正确 说明： 本题比较全面地考查了薄膜干涉的有关知识，包括干涉原因、条件，条纹间距、特征等，有利于对相关知识的巩固。 本章以对光的本性的认识为线索，介绍了近代物理光学的初步理论，以及建立这些理论的实验基础和一些重要物理现象。高考命题常以选择、填空出现。其中光的干涉为高考命题的间歇性热点。本章内容几乎高考年年必考，虽然难度不大，但要求考生要理解，如实验事件、条件、应用等相当具体。光的本性有时还和几何光学的知识相结合进行考查，如光在介质中的传播、折射率等。 例1、一束单色光，在真空中波长为6.00×10－7m，射入折射率为1.50的玻璃中，它在此玻璃中的波长是________m，频率是___________Hz。（真空中的光速是3.00×108m/s） 解答：

例2、下图为X射线管的结构示意图，E为灯丝电源。要使射线管发出X射线，须在K、A两电极间加上几万伏的直流高压（ ）

A．高压电源正极应接在P点，X射线从K极发出 B．高压电源正极应接在P点，X射线从A极发出 C．高压电源正极应接在Q点，X射线从K极发出 D．高压电源正极应接在Q点，X射线从A极发出 解析： 题中指出E为灯丝电源，对灯丝加热，灯丝放出电子，电子速度是很小的，要使电子到达对阴极A，并高速撞击A，使原子的内层电子受到激发才能发出X射线，所以K、A之间应有电子加速的电场，即Q应接高压电源正极，故应选D。 答案：D 例3、市场上有种灯具俗称“冷光灯”，用它照射物品时能使被物品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了一层薄膜（例如氟化镁），这种膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的热效应最显著的红外线。以λ表示此红外线的波长，则所镀薄膜的厚度最小应为（ ）