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1、第69讲 光的波动性 自主夯实基础 自主预习 轻松过关 名师点金 本讲是按照人类对光的本性的认识过程展开的.从牛顿的微粒说到惠更斯的波动说，到麦克斯韦的电磁说，再到爱因斯坦的光子说；其次，要明确光波与机械波的区别与联系，本讲重点是光的干涉和衍射.,知识梳理 一、光的本性学说的发展简史 光的本性学说的发展史上的五个学说： 1.牛顿的微粒说：认为光是高速粒子流，它能解释光的直射现象和光的反射现象. 2.惠更斯的波动说：认为光是某种振动，以波的形式向周围传播，它能解释光的干涉和衍射现象. 3.麦克斯韦的电磁说：认为光是电磁波，依据的实验是赫兹实验，它证明了光与电磁波在真空中传播速度相等且均为横波.
2、4.爱因斯坦的光子说：认为光的传播是一份一份的，每一份叫一个光子，其能量与它的频率成正比，即E=h（频,率）,光子说能成功地解释光电效应现象. 5.光的波粒二象性学说：认为光既有粒子性，又有波动性，少量光子易表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性；频率大的光子粒子性明显，而频率小的光子波动性明显. 二、光的干涉 1.产生稳定干涉的条件：两个光源发出的光频率相同. 2.双缝干涉：由同一光源发出的光经两狭缝后形成两列光波叠加产生.当这两列光波到达某点的光程差为波长的整数倍时，该处的光互相加强，出现明条纹，如图69-1甲所示；当到达某点的光程差为半波长的奇数倍时，该处的光互相削弱，出现暗条纹，如图
3、69-1乙所示. 条纹间距与单色光的波长成正比，即x= .,图69-1 3.在用白光做“双缝干涉实验”时，除中央白条纹外，两侧为彩色的干涉条纹. 4.薄膜干涉：由薄膜前后表面反射的 两列光波叠加而成，楔形薄膜干涉可产生 平行、等间距的条纹，如图69-2所示. (1)若入射光为单色光，可形成明暗 相间的干涉条纹；若入射光为白光，可形 图69-2,成彩色的干涉条纹. (2)可用来检查工作表面平整度，精度可达10-8 m，也可用作增透膜，增透膜的厚度应是透射光的薄膜中波长的 倍. 三、光的衍射 1.光离开直线路径绕过障碍物传播到障碍物后面的现象叫光的衍射. 2.产生明显衍射的条件：障碍物或孔的尺寸可
4、以跟光的波长相比较或比光波的波长还要小. 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）. 四、光的电磁说,1.麦克斯韦根据他对电磁场理论的研究，提出了光是一种电磁波.赫兹通过实验证实了麦克斯韦理论的正确性. 2.麦克斯韦认为光是一种电磁波，其实验依据为： （1）光波与电磁波的传播都可以不需要介质. （2）光波与电磁波在真空中的传播速度相等，都为3.0108 m/s. （3）光波和电磁波都是横波. 五、电磁波谱 1.频率不同的电磁波表现出不同的特性：红外线热效应显著，紫外线化学、生理作用显著并能产生荧光效应，X射线穿透本领很大，射线
5、穿透本领更大. 2.频率不同的电磁波产生的机理不同：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射线是原子内层的电子受到激发后产生的，射线是原子核受到的激发后产生的. 3.电磁波谱按波长由大到小的排列顺序为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线. 六、光的偏振 1.偏振 定义：横波只沿某一特定的方向振动，称为波的偏振. 2.自然光 定义：若光源发出的光，包括在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，这种光叫做自然光.,3.偏振光 （1）定义：在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定方向振动的光，叫做偏振光. （2）偏振光的产生方式
6、自然光通过起偏器: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把自然光变成偏振光,叫起偏器.第二个偏振片的作用是检验光是否为偏振光,检偏器. 其实,偏振片并非刻有狭缝,而是具有一种特性,即存在一个偏振化方向,只让平行于该方向振动的光通过,其他振动方向的光则被吸收了. 自然光射到两种介质的交界面上,如果光入射的方向合适,使反射光和折射光之间的夹角恰好是90时,反射光和折射光都是偏振光,且偏振方向相互垂直.,(3)偏振光的理论意义和应用 理论意义:光的干涉和衍射现象充分说明了光是波,但不能确定光波是横波还是纵波.光的偏振现象说明了光波是一种横波. 应用:照相机镜头、立体电影、消除车灯炫光等
7、. 说明：除从光源（如太阳、电灯等）直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光都是不同程度的偏振光. 七、激光 1.定义：原子发生跃迁时，发出的光子的频率、发射方向都跟入射光子完全一样，如果这样的光子在介质中传播时，再引起其他原子发生受激辐射，就会产生越来越多的频率和发射方向都相同的光子，使光得到加强（也叫光放大），这就是激光.,2.激光的主要特点及应用 （1）主要特点：平行度好（光子的发射方向相同）、相干性（光子的频率相同）、亮度高. (2)应用：由于其方向性好（即平行度好），可以用它来精确测距（如激光雷达），还可以用激光读VCD机、CD唱机或计算机光盘上的信息，经过处理后还原成声音和图像.
8、 由于频率相同，激光是一种人工产生的相干光，所以它能像无线电波那样进行调制，用来传递信息.光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物. 由于其亮度高，可以切割物质，医学上用做“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤等，还可以利用激光来引起核聚变. 基础自测,1.（2009年浏阳模拟）下列几种电磁波对同一小孔，最 容易观察到衍射现象的是（包括用特殊方法观察）（ ） A红光 B紫光 C紫外线 DX射线 【解析】根据产生明显衍射现象的条件，波长越大越容易发生衍射现象，而在以上四种波中，红光波长最大，故最容易发生衍射现象，所以应选A 【答案】A 2.(2009年湖南八校联考)在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏幕上观
9、察到了彩色干涉条纹.若在双缝中的一缝前放一红色滤光片（只能透过红光），另一缝前放一绿色滤光片（只能透过绿光），这时（ ） A.只有红色和绿色的双缝干涉条纹，其他颜色的双缝干,涉条纹消失 B.红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其他颜色的干涉条纹依然存在 C.任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮 D.屏上无任何光亮 【解析】两列光波发生干涉的条件之一是频率相等.利用双缝将一束光分成能够发生叠加的两束光，在光屏上形成干涉条纹，但分别用绿色滤光片和红色滤光片挡住两条缝后，红光的频率和绿光的频率不等，不能发生干涉，因此不会在屏上出现干涉条纹，但屏上仍有红光和绿光. 【答案】C 3.(2009年无锡
10、调研)劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如,图69-3甲所示，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69-3乙所示.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； 图69-3 （2）任意相邻明条纹和暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定.现若在图69-3甲所示的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将（ ） A.变疏 B.变密 C.不变 D.消失,【解析】光线在空气薄膜的上 下表面反射回来的光叠加形成干涉 条纹，设空气薄膜
11、的倾角为，相 邻两条明纹的间距为x，照射光的 图63-3丙 波长为.如图69-3丙所示，d1、d2 处反射的光形成两相邻明纹，则两处光程差分别为1=2d1，2=2d2 又-1= ，所以d2-d1= 由几何关系得: 所以 当抽去一张纸片后，减小，从而观察到的干涉条纹变疏，选项A正确. 【答案】A,创新方法探究 提炼方法 展示技巧 题型方法 一、双缝干涉的现象及分析 例1 图69-4是“双缝干涉实验”的实验装置图.图中使用波长为600 nm的橙色光源照射单缝S，在光屏中央P处观察到亮条纹，在位于P点上方的P1点出现第一条亮纹中心（即P1到S1、S2的路程差为一个波长）.现换用波长为400 nm 的
12、紫光源照射单缝，则（ ） A.P和P1仍为亮点 B.P为亮点，P1为暗点 C.P为暗点，P1为亮点 D.P、P1均为暗点 图69-4,【解析】从单缝S射出的光波被S1、S2两缝分成的两束光为相干光.由题意知屏中央P点到S1、S2的距离相等，即由S1、S2分别射出的光到P点的路程差为零，因此是亮纹中心.因而，无论入射什么颜色的光，其波长多大，P点都是中央亮纹中心. 而P1点到S1、S2的路程差刚好是橙光的一个波长，即|P1S1-P1S2|=600nm=橙，则两列光波到达P1点时振动情况完全一致，振动得到加强，因此出现亮条纹. 当换用波长为400nm的紫光时，|P1S1-P1S2|=600 nm=
13、 ，则两列光波到达P1点时振动情况完全相反，即由S1、S2射出的光波到达P1点时就相互削弱，因此出现暗条纹.综上所述知，选项B正确.,【答案】B 【点评】能够正确分析、理解产生亮纹和暗纹的条件.以及条纹宽度与波长的关系是解决干涉问题的关键. 方法概述 双缝干涉中出现明暗条纹是由双缝处光源的振动情况和某点P到双缝的路程差决定.以上两例中S1、S2两处光源的振动情况完全相同，由此可知产生明条纹的条件是s=n （n=0，1，2）；产生暗条纹的条件是s=（2n+1） （n=0，1，2）.条纹宽度x则由双缝到屏的距离L，双缝之间的距离d和光的波长决定，即 . 二、薄膜干涉及其应用 例2 如图69-5所示
14、，一束白光从左侧射入肥皂薄膜，下,列说法正确的是（ ） A.人从右侧向左看，可以看到 彩色条纹 B.人从左侧向右看，可以看到 彩色条纹 C.彩色条纹水平排列 D.彩色条纹竖直排列 图69-5 【解析】一束白光射到薄膜上，与前后两个界面射回来的光相遇，产生干涉现象，我们由左侧向右看时可看到彩色条纹；又由于薄膜同一水平线上的厚度相同，所以彩色条纹是水平排列的. 【答案】BC 【点评】从右侧向左看到的是折射光，折射光的偏折角,与介质的厚度有关，光经过薄膜后的偏折角很小，大面积光束照射后，各单色光的折射光相互重叠，所以难以看到折射时的色散现象. 方法概述 薄膜干涉问题的关键是要弄清楚题设条件并结合产生
15、薄膜现象的原因和条件来分析.薄膜干涉是由于光在薄膜的前后两个表面上反射的光引起的.一般来说,在不同厚度的薄膜的两个表面反射的光干涉即形成同一条纹,故薄膜干涉有时又叫等厚干涉.在光学元件（透镜、棱镜）的表面涂一层薄膜,当薄膜的厚度是光在薄膜中波长的 时,在薄膜的两个面上的反射光程差恰好等于半波长,因而相互抵消,起到减小反射光、增大透射光强度的作用.当薄膜的厚度为 时,则会增强反射光而减小透射光的强度.,三、光的干涉、衍射及色散的比较分析 例3 下面现象中，属于光的衍射现象的是（ ） A.雨后美丽的彩虹 B.对着日光灯从两铅笔的缝中看到彩色条纹 C.阳光下肥皂膜上的彩色条纹 D.光通过三棱镜产生的
16、彩色条纹 【解析】雨后的彩虹和光通过三棱镜产生的彩色条纹都是光的折射现象；阳光下肥皂膜上的彩色条纹是光的薄膜干涉现象；对着日光灯从两铅笔的缝中看到彩色条纹是半缝衍射现象.故选项B正确. 【答案】B 【点评】出现彩色条纹的三种情况：光的干涉；光的折射即光的色散；光的衍射.,方法概述 双缝干涉的前提条件是通过双缝的光发生了衍射,干涉与衍射的本质都是波的叠加原理.要注意双缝干涉与单缝衍射的条件的区别. 干涉条纹和衍射条纹在光屏上的分布情况不同,单色光的双缝干涉图样是以中央明条纹为中心,两边对称且等间距排列的明暗相间的条纹,明条纹的亮度从中央向两边逐渐减小；而单色光的衍射图样是间距不等的明暗相间的条纹,且中央明条纹最宽最亮,两旁的明条纹的亮度迅速减小. 高考排雷 对“增透膜”与“增反膜”的厚度的分析 例 登山运动员在登雪山时要注意防止紫外线的过度照射，尤其是眼睛更不能长时间被紫外线照射，否则将会严重,地损伤视力.有人想利用薄膜干涉原理设计一种能大大减小紫外线对眼睛
