第18章 光的波动性

1 第十八章 光的波动性

高考热点

本章高考的热点：

光的波动性主要介绍了人类对光的波动性放热认识，光的干涉和衍射有力地说明了光具有波动性，光的电磁说揭示了光现象的电本质，光的偏振又进一步说明了光是一种横波。本章考查的热点内容是：光的干涉和衍射；电磁波谱及其性质。

本章高考命题的特点：

高考中涉及光的本性一章的内容一般难度不大，以识记、理解为主，常见的题型是选择题。但随着高考改革的进行，试题较多的以与现代科学技术有着密切联系的近代物理为背景，因此要了解光的波动性在科学技术中的应用。同时，通过对光的本性发展史的认识，也体会学习物理学科的科学研究方法——实验→假说→实验验证→修正假说→形成理论的研究途径。我们也要注意对这些科学研究方法或过程的考查。

知识与方法提要

（一）光的干涉：

光的干涉现象是波动的主要特征之一，它证明了光具有波动性。

１．干涉条件：相干波源产生的光才能产生光的干涉现象。频率相同，相差恒定的波源叫相干波源。

２．干涉现象：单色光产生干涉时出现明暗相间的条纹，白光干涉时出现彩色条纹。

３．双缝干涉原理：如图所示，双缝S1、S2射出单色光到屏上它们的中垂线交点A处距离相等，在A点互相加强是明纹。光屏上任意一点C，两列光波传播距离分别为r1、r2，光传播路程之差△=r2－r1，

⑴亮纹：屏上某点到双缝的光程差等于波长的整数倍，即Δ= nλ（n=0，1，2，„„）

⑵暗纹：屏上某点到双缝的光程差等于半波长的奇数倍，即Δ=)12(2n（n=0，1，2，„„）

４．光作为波其颜色由光的频率决定，红光频率最小，在真空波长最长，紫光频率最大，在真空中波长最短。由红到紫频率逐渐增大，在真空中波长逐渐减小。由红到紫七色光统称可见光，频率在1014数量级，波长为几千埃。1A0(埃)=10－10m，(1nm=10－9m)。可见光在真空光速C=3.00×108m/s。在不同介质中传播速度不同，应为vcn，频率保持不变，波长变化。在同种介质中不同频率的光折射率不同，介质对频率高的折射率大。对红光折射率最小，对紫光折射率最大，红光传播速度最大，紫光传播速度最小。 2 波长、频率和波速的关系是：Cf。在介质中v=vfcnn,,0。

５．应用：.薄膜干涉：产生原因是当肥皂膜竖直放置，由于重力作用，膜上薄下厚。光照射到肥皂膜上，经前后膜两次反射，又叠加在一起，后膜反射光的路程比前膜反射多2倍膜厚。若膜厚度2倍等于波长整数倍，两列光波加强，呈现明纹。若某种膜厚度2倍等于半个波长奇数倍，此处两处两列波互相减弱，出现暗纹。膜厚度变化是连续的，就了现明暗相间条纹。

干涉现象应用①检查精密零件的表面质量。方法是透明标准平面与被侧面之间形成一个劈形空气薄层，用薄膜干涉原理检测，精度可达10－6cm。②增透膜：原料：氟化镁，厚度绿光的波长14。涂有增透膜的镜头呈淡紫色。

（二）光的衍射

１．光的衍射：光离开直线路径绕到障碍物阴影部分去的现象。单缝和小孔都能产生衍射。

２．产生明显衍射的条件：单缝的宽度，小孔的直径大小与光的波长差不多少。

３．衍射现象：单缝衍射图样是明暗相间条纹或彩色条纹，小孔衍射图样是光环。

光的衍射现象也是波的主要特征之一，同样可证明光具有波动性。

４．衍射条纹的特点：

（1）条纹不等间隔，中央条纹最亮、最宽 。

（2）单色光是单色条纹；白光是彩色条纹，中央是白光，最靠近中央的是紫色，偏离中央最远的是红光 。

（３）同种光：缝越窄，条纹范围越宽，且中央亮纹越宽

（４）同样的缝：红光衍射最明显，条纹最宽。

（三）电磁波谱：

１．光的电磁说其实就是指光在本质上是一种电磁波。

光是电磁波，光和电磁波都具有反射、折射、干涉、衍射等性质。电磁波的传播速度等于光速。频率由小到大的排列顺序是：无线电波、红外线、可见光、紫外线、x射线、γ射线这些都是电磁波。

２．它们产生的机理。

无线电波：振荡电路中自由电子周期性运动产生的，在电磁波谱中频率最小，波长最长。

红外线：原子的外层电子受激发后产生。它在红光外侧，频率比红光低，显著作用是热作用，容易穿透云雾。用于烘干，夜视，遥威技术。

紫外线：原子的外层电子受激发后产生。它在紫光外侧，频率比紫光大。主要作用是化学作用，消毒、荧光效应，诱杀害虫。 3 x射线：原子内层电子受到激发后产生的。穿透能力很强，用于人体透视，检查金属部件。

γ射线：原子核受到激发后产生的。很强的穿透能力，用于检查金属部件。

（四）光的偏振

１．偏振光：在垂直于传播方向的平面内只沿某一个方向振动的光 叫偏振光。

２．偏振片：由特定的材料制成，它上面有一个特殊的方向（叫做透振方向），只有振动方向与透振方向平行的光波才能通过偏振片．偏振片对光波的作用就像狭缝对于机械波的作用一样．从偏振片出来的光就是偏振光。

３．偏振：横波只沿某一特定的方向振动。只有横波才有偏振现象。

光有偏振现象，故光波是横波。

４．自然光：包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，且各振动方向的光强相等。

反之；光振动沿各个方向均匀分布的光就是自然光

重点难点分析

（一） 双缝干涉：

１．双缝干涉条纹的间距与波长的关系：

设相邻两亮纹间的距离为x，从两缝射出来的光到屏上P点的光程差为Δ，

由几何关系可知

即：当两缝间的距离和缝到屏的距离一定时，干涉条纹的间距和波长成正比。

故：若双缝干涉用白光，屏上则出现彩色条纹，中间为白色，两侧由紫到红。

下图分别为红光、绿光、紫光和白光的干涉图样。

２．干涉图样的特征是：明暗相间的图样．产生干涉图样的具体方法有几种，但总的来说都是将一个光源的光分成两束．如图1所示的双缝干涉；图2所示菲涅耳双棱镜干涉；图3所示洛埃镜干涉；图4所示薄膜干涉；图5所示牛顿环干涉．

xLd dLx 4

（二）要注意区分几个图样：

１．单缝衍射和小孔衍射图样的区别。

单缝衍射是一些不等间距明暗相间的条纹；小孔衍射是明暗相间的圆。如图所示

２．小孔衍射和圆盘衍射图样的区别。如图。

３．还有双缝干涉和单缝衍射图样的区别。

小孔衍射 5

（三）光的电磁说

⑴麦克斯韦根据电磁波与光在真空中的传播速度相同，提出光在本质上是一种电磁波——这就是光的电磁说，赫兹用实验证明了光的电磁说的正确性。

⑵电磁波谱。波长从大到小排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。各种电磁波中，除可见光以外，相邻两个波段间都有重叠。

⑶各种电磁波的产生、特性及应用。

电磁波 产生机理 特 性 应 用

无线电波 LC电路中的周期性振荡 波动性强 无线技术

红外线 原子的最外层电子受激发后产生的 热作用显著，衍射性强 加热、高空摄影、红外遥感

可见光 引起视觉产生色彩效应 照明、摄影、光合作用

紫外线 化学、生理作用显著、能产生荧光效应 日光灯、医疗上杀菌消毒、治疗皮肤病、软骨病等

伦琴射线 原子的内层电子受激发后产生的 穿透本领很大 医疗透视、工业探伤

γ射线 原子核受激发后产生的 穿透本领最强 探伤；电离作用；对生物组织的物理、化学作用；医疗上杀菌消毒；

⑷实验证明：物体辐射出的电磁波中辐射最强的波长λm和物体温度T之间满足关系λm T = b（b为常数）。可见高温物体辐射出的电磁波频率较高。在宇宙学中，可以根据接收到的恒星发出的光的频率，分析其表面温度。

（四）实验：

【实验目的】

１．观察双缝干涉的干涉图样 6 ２．测定单色光的波长

【实验原理】

如图所示，电灯发出的光，经过滤光片后变成单色光，再经过单缝 s 时发生衍射，这时单缝 S 相当于一单色光源，衍射光波同时到达双缝 S１和 S２之后再次发生衍射，S１和 S２双缝相当于两个步调完全一致的单色相干光源，透过S１和 S２双缝的单色光波在屏上相遇并叠加， S１和 S２ 到屏上 P 点的路程分别为 r１、 r２。

两列光波传到P的路程差Δr＝| r１、－r２|，设光波波长为λ，

１．若 Δr= nλ ( n = 0 ，土 1 ，士 2 ， „ ），两列波传到P点同相，互相加强，出现明条纹．

２．若2)12(nr ( n = 0 ，土 1 ，士 2 ， „ ）两列波传到尸点反相，互相减弱，出现暗纹

这样就在屏上得到了平行于双缝S１和 S２的明暗相间的干涉条纹．相邻两条明条纹间的距离Δｘ如与入射光波长λ、双缝S１和 S２间距离d 及双缝与屏的距离 L 有关，其关系式为：dLx，由此，只要测出Δｘ、d、L即可测出波长λ

两条相邻明（暗）条纹间的距离Δｘ用测量头测出．测量头是由分划板、目镜、手轮等构成，如图，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（如图所示），记下此时手轮上的读数a１,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a２，两次读数之差就是相邻两条明条纹间的距离，即Δｘ＝| a１ －a２|

Δｘ很小，直接测量时相对误差较大，通常测出 n 条明条纹间距离 a，再推算相邻两条明（暗）条纹间的距离Δｘ=a/(n－１)

【实验器材】

双缝干涉仪，即：光具座、光源、学生电源、导线、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头、刻度尺

【实验步骤】 7 1 ．观察双缝干涉图样：

( l ）将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上．如图

( 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 ）安装双缝和单缝，中心大致位于遮光筒的轴线上，使双缝与单缝的缝平行，二者间距约 5 cm 一 10 cm ，这时，可观察白光的干涉条纹．

( 5 ）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：

( l ）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，记下手轮上的读数 a１；转动手轮，使分划板中心刻线移动至另一亮条纹的中央，记下此时手轮上的读数 a２；并记下两次测量时移过的条纹数n，则相邻两条纹间距naax12

( 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 ）换用不同滤光片，重复实验．

范例；

（一）光的干涉和衍射

例１. 用黄光做双缝干涉实验，在光屏上呈现出黄、暗相间的条纹，相邻两条黄条纹间的距离为Δx。下列说法中正确的有（ ）

A.如果增大单缝到双缝间的距离，Δx 将增大

B.如果增大双缝之间的距离，Δx 将增大

C.如果增大双缝到光屏之间的距离，Δx将增大

D.如果减小双缝的每条缝的宽度，而不改变双缝间的距离，Δx将增大

解：公式dlx中l表示双缝到屏的距离，d表示双缝之间的距离。因此Δx与单缝到双缝间的距离无关，与缝本身的宽度也无关。

本题选C。

说明：本题考查了对公式dlx的理解和熟记，尤其是对其中各个物理量含义的理解。另外，还能从该公式得出不同颜色的光，其条纹间距与波长的关系，从而明确为什么红光干涉条纹的间距最大，紫光的最小。