【物理】2018届一轮复习人教版15-5光的衍射光的偏振色散 16页

专题15.5 光的衍射 光的偏振 色散 课前预习 ● 自我检测 ‎1．障碍物或孔的尺寸不同，光的一些行为有所不同，光的波长不同，发生的一些光行为也不同，下列说法中正确的是(　　)‎ A．波长越长的光，越容易发生衍射，因此要提高光学仪器的分辨率应尽量使用波长大的光或口径小的透镜 B．波长越短的光，衍射越不明显，越容易沿直线传播，因此遥感卫星应尽可能利用波长短的光 C．小孔成像的原理是光的直线传播，小孔衍射的原理也是光的直线传播 D．小孔衍射不遵守光的直线传播规律，也不遵守光路可逆原理．‎ ‎【答案】　D ‎2．(多选)在城市交通中，用红灯表示禁止通行，其原理是(　　)‎ A．红光容易产生干涉 B．红光照射的距离大 C．红光容易引起人们的视觉反应 D．红光容易产生衍射 ‎【答案】　CD ‎【解析】　红光在可见光中的波长最长，容易发生衍射，在发生雾天、雨天、沙尘暴等恶劣天气时，使司机和行人都能看到红灯，避免交通事故的发生；同时红光也容易引起人们的视觉反应．‎ ‎3．在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 ‎【答案】　A ‎【解析】　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是光的衍射现象．‎ ‎4．关于薄膜干涉，下列说法中正确的是(　　) ‎ A．厚度均匀的薄膜，也会发生干涉现象 B．只有厚度不均匀的楔形薄膜，才会发生干涉现象 C．厚度均匀的薄膜会形成干涉条纹 D．观察肥皂液膜的干涉现象时，观察者应和光源在液膜的同一侧 E．厚度不均匀的薄膜才会形成干涉条纹 ‎【答案】　ADE ‎5. 把一平行玻璃板压在另一个平行玻璃板上，一端用薄片垫起，构成空气劈尖，让单色光从上方射入，如图所示，这时可以看到亮暗相间的条纹．下面关于条纹的说法中正确的是(　　)‎ A．干涉条纹的产生是由于光在空气劈尖膜的上下两表面反射形成的两列光波叠加的结果 B．干涉条纹中的暗纹是由于上述两列反射光的波谷与波谷叠加的结果 C．将上玻璃板平行上移，条纹向着劈尖移动 D．观察薄膜干涉条纹时，应在入射光的另一侧 E．如果上边玻璃板的下表面有凸凹不平的地方，则对应的干涉条纹不再是平行直条纹 ‎【答案】　ACE ‎【解析】　根据薄膜干涉的产生原理，上述现象是由空气膜上下表面反射的两列光叠加而成的，当波峰与波峰、波谷与波谷相遇叠加时，振动加强，形成亮条纹，所以A项正确，B项错误；因相干光是反射光，故观察薄膜干涉时，应在入射光的同一侧，故D项错误；根据条纹的位置与空气膜的厚度是对应的，当上玻璃板平行上移时，同一厚度的空气膜向劈尖移动，故条纹向着劈尖移动，故C、E项正确．‎ ‎6．白光通过三棱镜发生色散现象，下列说法正确的是(　　)‎ A．不同颜色的光在真空中的光速不同 B．在同一介质中红光的折射率比紫光小 C．在同一介质中红光的光速比紫光大 D．每种颜色的光通过三棱镜都会分成几种颜色的光 E．只有复色光才会出现色散现象 ‎【答案】　BCE 课堂讲练 ● 典例分析 ‎【要点提炼一】‎ 一：光的衍射 ‎1．定义：光通过很小的狭缝(或圆孔)时，明显地偏离了直线传播的方向，在屏上应该出现阴影的区域出现明条纹或亮斑，应该属于亮区的地方也会出现暗条纹或暗斑的现象．‎ ‎2．衍射图象：衍射时产生的明暗条纹或光环．‎ ‎3．单缝衍射：单色光通过狭缝时，在屏幕上出现明暗相间的条纹，中央为亮条纹，中央条纹最宽最亮，其余条纹变窄变暗；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白条纹．‎ ‎4．圆孔衍射：光通过小孔时(孔很小)在屏幕上会出现明暗相间的圆环．‎ ‎5．泊松亮斑：障碍物的衍射现象．‎ 在单色光传播途中，放一个较小的圆形障碍物，会发现在阴影中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑．‎ ‎6．衍射光栅 ‎(1)结构 由许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学仪器．‎ ‎(2)衍射图样特点 与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加．‎ 二：光的偏振 偏振现象 只有沿偏振片的“透振方向”振动的光波才能通过偏振片 结论 偏振现象表明光是一种横波 偏振光的形成 ‎(1)自然光通过偏振片后得到偏振光 ‎(2)自然光在介质表面反射时，反射光和折射光都是偏振光 偏振现象 的应用 ‎(1)照相机镜头前 ‎(2)电子表的液晶显示 ‎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.‎ 典型例题 ‎【典例1】在单缝衍射实验中，下列说法中正确的是（ ）‎ A.将入射光由黄色换成绿色，衍射条纹间距变窄 B.使单缝宽度变小，衍射条纹间距变窄 C.换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽 D.增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距变宽 ‎【答案】ACD ‎【典例2】观察单缝衍射现象时，把缝宽由‎0.2 mm逐渐增大到‎0.8 mm，看到的现象是(　　)‎ A.衍射条纹的间距逐渐变小，衍射现象逐渐不明显 B.衍射条纹的间距逐渐变大，衍射现象越来越明显 C.衍射条纹的间距不变，只是亮度增强 D.以上现象都不会发生 ‎【答案】　A ‎【解析】　由单缝衍射实验的调整与观察可知，狭缝宽度越小，衍射现象越明显，衍射条纹越宽，条纹间距也越大，本题是将缝调宽，现象相反，故选项A正确，B、C、D错误.‎ ‎【反思总结】 ‎ ‎1．产生明显衍射的条件 障碍物的尺寸可以跟光的波长相近或比光的波长还要小时能产生明显的衍射．对同样的障碍物，波长越长的光，衍射现象越明显；对某种波长的光，障碍物越小，衍射现象越明显．由于波长越长，衍射性越好，所以观察到声波的衍射现象就比观察到光波的衍射现象容易得多．‎ ‎2．三种不同的衍射现象及特点 ‎(1)单缝衍射．‎ ‎①现象：如图所示，点光源S发出的光经过单缝后照射到光屏上，若缝较宽，则光沿直线传播，传播到光屏上的AB区域；若缝足够窄，则光不再沿直线传播而是传到几何阴影区，在AA′，BB′区出现亮暗相间的条纹，即发生了衍射现象．‎ ‎②单缝衍射图样的四个特点：‎ a．中央条纹亮而宽；‎ b．两侧亮条纹具有对称性，亮条纹宽度逐渐变窄，亮度逐渐减弱；‎ c．波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，条纹间距大，单缝不变时，光波波长大的中央条纹宽，条纹间距大；‎ d．白光的单缝衍射条纹中央为白色亮条纹，两侧为彩色条纹，且外侧呈红色，靠近白色亮条纹的内侧为紫色．‎ ‎(2)圆孔衍射．‎ ‎①现象：圆孔衍射如图所示，当挡板AB上的圆孔较大时，光屏上出现如图甲所示的情形，光沿直线传播，无明显衍射现象发生；当挡板AB上的圆孔很小时，光屏上出现如图乙所示的衍射图样，出现亮、暗相间的圆环．‎ ‎　　　　　　　　　　　‎ ‎②圆孔衍射图样的两个特点 a．单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮度大，外面是明暗相间的不等距的圆环．越向外，亮环亮度越低．‎ b．白光的圆孔衍射图样中央亮圆为白色，周围是彩色圆环．‎ ‎(3)泊松亮斑——障碍物的衍射现象．‎ ‎①‎ 现象：各种不同形状的障碍物也能使光发生衍射，使影的轮廓模糊不清．若在单色光传播途中，放一个较小的圆形障碍物，会发现在阴影中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑．‎ ‎②障碍物的衍射图样的特点．‎ 圆形阴影中心有一亮斑，与小孔衍射图样有明显区别．‎ ‎【典例3】.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，如图所示，则下列说法正确的是(　　)‎ 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 ‎【答案】　BDE ‎【典例4】．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.‎ ‎【答案】　垂直　透明　不透明 ‎【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．‎ ‎【反思总结】‎ ‎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 ‎【要点提炼二】‎ 一：光的颜色和色散 ‎1．光的颜色与波长：不同颜色的光，波长不同．‎ ‎2．光的色散：含有多种颜色的光被分解为单色光的现象．‎ ‎3．光谱：含有多种颜色的光被分解后，各种色光按其波长的有序排列．‎ ‎4．几种色散现象 ‎(1)薄膜干涉中的色散 ‎①薄膜干涉中相干光的获得 光照射到薄膜上，在薄膜的前后两个面反射的光是由同一个实际的光源分解而成的，它们具有相同的频率，恒定的相位差．‎ ‎②薄膜干涉的原理 光照在厚度不同的薄膜上时，在薄膜的不同位置，前后两个面的反射光的路程差不同，在某些位置两列波叠加后相互加强，于是出现亮条纹；在另一些位置，两列波相遇后被相互削弱，于是出现暗条纹．‎ ‎(2)衍射时的色散 用白光做衍射实验时，得到的条纹是彩色的．这是因为衍射时不同色光的亮条纹的位置不同，于是各种色光就区分开了．这种现象是光在衍射时的色散．‎ ‎(3)折射时的色散 如图说明白光通过棱镜折射后，由上到下的色光顺序为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，这说明白光是由七色光组成的．‎ ‎5．光的颜色 在双缝干涉实验中，不同色光发生干涉，条纹之间的距离不同，因为条纹之间的距离与光波的波长成正比，由此我们能够判定：同种介质中不同颜色的光波长不同．由f＝可知，不同颜色的光频率不同．‎ ‎6．薄膜干涉的成因 如图所示，竖直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用使下面厚、上面薄，因此在薄膜上不同的地方，从膜的前、后表面反射的两列光波叠加，若两列波叠加后互相加强，则出现亮纹；在另一些地方，叠加互相减弱，则出现暗纹．故在单色光照射下，就出现了明暗相间的干涉条纹；若在白光照射下，则出现彩色干涉条纹．‎ ‎7．薄膜干涉中应注意的三个问题 ‎(1)观察的是从膜前、后两表面反射回来的光，不是透过膜的光，眼睛与光源在膜的同一侧．‎ ‎(2)用单色光和白光分别照射同一膜，观察到的现象是不同的．用白光照射膜时，某一位置红光得到加强，其他颜色的光就被削弱，故在此位置看到的是红色，而另一位置则会看到黄色等其他颜色，因此，用白光做这个实验看到的将是彩色条纹；而在单色光照射下，则会出现明、暗相间的条纹．‎ ‎(3)每一条纹呈现水平分布，各条纹按竖直方向排列．‎ ‎8．薄膜干涉在技术上的应用 ‎(1)用干涉法检查平面 如图所示，两板之间形成一层空气膜，用单色光从上向下照射，入射光从空气膜的上下表面反射出两列光波，形成干涉条纹．如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等间距的．如果某处凹下，则对应明条纹(或暗条纹)提前出现，如图 (a)所示；如果某处凸起来，则对应条纹延后出现，如图(b)所示(注：“提前”与“延后”不是指在时间上，而是指由左向右的顺序位置上)．‎ ‎ ‎ ‎ (2)增透膜的应用 在光学仪器中，为了减少光在光学元件(透镜、棱镜)表面的反射损失，可用薄膜干涉相消来减少反射光，如照相机、测距仪、潜望镜上用的光学元件表面为了减少光的反射损失都镀上了一层介质薄膜(氟化镁)，使薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的，这样反射回来的两列光波经过的路程差恰好等于半个波长，它们叠加后相互抵消，从而减少了光学元件表面反射造成的光能损失，增强了透射光的能量，故称为增透膜．‎ 典例分析 ‎【典例5】．竖直的肥皂膜在单色光的照射下，表面会形成明暗相间的条纹，下列说法中正确的是(　　)‎ A．干涉条纹基本上是竖直的 B．干涉条纹基本上是水平的 C．干涉条纹的产生是由于光在肥皂膜前后表面上反射的两列波叠加的结果 D．干涉条纹是彩色的 E．若改用白光照射则干涉条纹是彩色的 ‎【答案】　BCE ‎【反思总结】‎ ‎1．光谱的产生表明，白光是各种单色光组成的复色光．由于各种单色光通过棱镜时偏折的角度不同，所以产生了色散现象．‎ ‎2．色散现象表明，棱镜材料对不同色光的折射率是不同的．紫光经棱镜后偏折程度最大，红光偏折程度最小，所以棱镜材料对紫光的折射率最大，对红光的折射率最小．‎ ‎3．由折射率的定义n＝可知，在棱镜中紫光的速度最小，红光的速度最大．‎ ‎【典例6】．关于激光的应用，下列说法中正确的是(　　)‎ A．光纤通信是应用激光相干好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中进行信息传递 B．计算机内用“磁头”可读出光盘上记录的信息是应用了激光平行度好的特点来进行的 C．医学中用激光作“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点 D．“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点 E．激光打孔是应用了激光相干性好的特点 ‎【答案】　ABC ‎【解析】　光纤通信主要利用激光的相干性好的特点，选项A正确；计算机内的“磁头”可读出光盘上的信息主要应用了激光的平行度好的特点，选项B正确；医疗中用激光作“光刀”和工业上用激光打孔都是利用了激光的亮度高的特点，选项C正确，E错误；激光测距利用的是激光的平行度好的特点，选项D错误．‎ 课后巩固 ● 课时作业 ‎1．使太阳光垂直照射到一块遮光板上，板上有可以自由收缩的正方形孔，孔的后面放置一个光屏，在正方形孔逐渐变小直至闭合的过程中，光屏上依次可以看到几种不同的现象，试把下列现象依次排列________．‎ A．圆形光斑 B．明暗相间的彩色条纹 C．变暗消失 D．正方形光斑 E．正方形光斑由大变小 ‎【答案】　DEABC ‎2．关于衍射，下列说法中正确的是(　　)‎ A．衍射现象中条纹的出现是光叠加后产生的结果 B．双缝干涉中也存在着光的衍射现象 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 ‎【答案】　AB ‎【解析】　干涉和衍射都是波叠加的结果，干涉中有衍射现象，衍射中也有干涉现象．当障碍物的尺寸远大于波长时，衍射现象不明显，因而形成影．但影的形成与衍射现象并不矛盾．‎ ‎3．在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的明暗相间的图样，图的四幅图片中属于光的单缝衍射图样的是(　　)‎ A．a、c B．b、c C．a、d D．b、d ‎【答案】　D ‎【解析】　单缝衍射条纹的特点是中央亮条纹最宽、最亮，双缝干涉条纹的特点是等间距的条纹，所以a是干涉条纹，b、d是单缝衍射条纹，c是水波的衍射图样．‎ ‎4．一束红光射向一块有双缝的不透光的薄板，在薄板后的光屏上呈现明、暗相间的干涉条纹，现将其中一条窄缝挡住，让这束红光只通过一条窄缝，则在光屏上可以看到(　　)‎ A．与原相同的明暗相间的条纹，只是明条纹比原暗些 B．与原不相同的明暗相间的条纹，而中央明条纹变宽些 C．只有一条与缝宽对应的明条纹 D．无条纹，只存在一片红光 ‎【答案】　B ‎5．如图所示，两束单色光a、b从水下面射向A点，光线经折射后合成一束光c，则下列说法正确的是(　　)‎ A．用同一双缝干涉实验装置分别以a、b光做实验，a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距 B．用a、b光分别做单缝衍射实验时它们的衍射条纹宽度都是均匀的 C．在水中a光的速度比b光的速度小 D．在水中a光的临界角大于b光的临界角 E．若a光与b光以相同入射角从水射向空气，在不断增大入射角时水面上首先消失的是a光 F．a比b更容易发生衍射现象 ‎【答案】　ADF ‎【解析】　假设a为红光，b为紫光，红光的波长最长，在介质中的速度最大，临界角最大，不易发生全反射，衍射本领最强．据此可判断选项C、E错误，D、F正确；波长越长，干涉条纹间距越大，选项A正确；光的衍射条纹宽度不均匀，选项B错误．‎ ‎6．观察单缝衍射现象时，把缝宽由‎0.2 mm逐渐增大到‎0.8 mm，看到的现象是(　　)‎ A．衍射条纹的间距逐渐变小，衍射现象逐渐不明显 B．衍射条纹的间距逐渐变大，衍射现象越来越明显 C．衍射条纹的间距不变，只是亮度增强 D．以上现象都不会发生 ‎【答案】　A ‎7．某同学使用激光器作光源，在不透光的挡板上开一条缝宽为‎0.05 mm的窄缝，进行光的衍射实验，如图所示，则他在光屏上看到的条纹是(　　)‎ ‎【答案】　B ‎【解析】　单缝衍射条纹中间宽，两侧越来越窄，又由于单缝是水平的，衍射条纹也是水平的，故B对．‎ ‎8．在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的亮暗相间的图样，如图四幅图片中属于光的单缝衍射图样的是(　　)‎ A．a、c　　　　　 B．b、c C．a、d D．b、d ‎【答案】　D ‎【解析】　单缝衍射条纹的特点是中央亮条纹最宽、最亮，双缝干涉条纹是等间距的条纹，所以a是干涉条纹，b、d是单缝衍射条纹，c是小孔衍射图样．‎ ‎9．让激光照到VCD机、CD机或计算机的光盘上，就可以读出盘上记录的信息，经过处理后还原成声音和图象，这是利用光的(　　)‎ A．平行度好，可以会聚到很小的一点上 B．相干性好，可以很容易形成干涉图样 C．亮度高，可以在很短时间内集中很大的能量 D．波长短，很容易发生明显的衍射现象 ‎【答案】A ‎10.两个完全相同的等腰三棱镜如图所示放置，相邻两侧面相互平行，一束白光从棱镜A的左面入射，从B的右面出射，则出射光线是(　　)‎ A．一束白光 B．白光带 C．散射彩色带 D．平行彩色带 ‎【答案】D ‎【解析】各色光经两等腰棱镜折射的光路图如图所示。各色光经多次折射但由于两棱镜相邻两侧面平行，所以各色光出射光线与入射光线平行，最后出射光线是平行彩色带。‎ ‎11．市场上有种灯具俗称“冷光灯”，用它照射物品时能使被照物品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(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(　　)‎ A．λ　　 B．λ　　‎ C．λ　　 D．λ ‎【答案】B ‎【解析】为减小反射的热效应显著的红外线，则要求红外线在薄膜的前后表面反射后叠加作用减弱，即路程差为半波长的奇数倍，故薄膜的最小厚度为红外线在该薄膜中波长的。‎ ‎12．一复色光中只含有a、b两种单色光，用该复色光照射一竖直理想透明薄膜(膜层厚度从零开始，上薄下厚)时，得到如图所示的干涉图样。若用此复色光通过玻璃半球射向空气，下列四个光路图中可能符合实际情况的是(　　)‎ ‎【答案】AD ‎【解析】根据薄膜干涉图象，可知λa<λb，所以a光的折射率大，故选项A、D正确。‎ ‎13．某物理兴趣小组用实验探究光的色散规律，他们将半圆形玻璃砖放在竖直面内，在其左方竖直放置一个很大的光屏P，让一复色光束SA射向玻璃砖的圆心O后，有两束单色光a和b射向光屏P，如图所示．他们根据实验现象提出了以下猜想，你认为正确的是(　　) ‎ A．单色光a的波长大于单色光b的波长 B．在玻璃中单色光a的传播速度大于单色光b的传播速度 C．单色光a通过玻璃砖所需的时间大于单色光b通过玻璃砖所需的时间 D．当光束SA绕圆心O逆时针转动过程中，在光屏P上最早消失的是a光 E．用a、b两单色光分别做双缝干涉实验时，a光的条纹间距比b光的大 ‎【答案】　ABE