光的波动性知识点例题详解

第十六章光的波动性目的要求：了解光的“微粒说”与“波动说”，熟悉相干条件，掌握双缝干涉的特征及规律、条纹分布情况及明、暗纹位置特征；熟悉薄膜干涉的特征及其应用。掌握产生明显衍射现象的条件及条纹特征，熟悉电磁波谱和各种电磁波的产生机理、基本特征及应用类型。熟悉光电效应现象所遵循的基本规律，了解光的波粒二象性。重点难点：教具：过程及内容：光的波动性基础知识一、光的干涉1.产生相干光源的方法（必须保证r相同）。⑴利用激光；⑵将一束光分为两束。．．．．．．．．2．双缝干涉的定量分析如图所示，缝屏间距L远大于双缝间距d，O点与双缝S1和S2等间距，则当双缝中发出光同时射到O点附近的P点时，两束光波的路程差为δ=r2－r1.由几何关系得r12=L2+(x－2d)2，r22=L2+(x+2d)2.考虑到L》d和L》x，可得δ=Ldx.若光波长为λ，则当δ=±kλ（k=0，1，2，…）时，两束光叠加干涉加强；当δ=±(2k－1)2(k=1，2，3，…)时，两束光叠加干涉减弱，据此不难推算出（1）明纹坐标x=±kdLλ（k=0，1，2，…）（2）暗纹坐标x=±(2k－1)dL·2（k=1，2，…）（3）条纹间距△x=dLλ.上述条纹间距表达式提供了一种测量光波长的方法。结论：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路程差为波长的整数倍时，即δ=kλ，该处的光互相加强，出现亮条纹；当到达某点的路程差为半波长奇数倍时，既δ=)12(2n，该点光互相消弱，出现暗条纹；条纹间距离与单色光波长成正比．dlx∝λ，所以用白光作双缝干涉实验时，屏的中央是白色亮纹，两边是彩色条纹，离中央白色亮纹最近的是紫色亮纹。第1课SS1S2dSS/acb··【例1】．在双缝干涉实验中，双缝到光屏上P点的距离之差0．6μm，若分别用频率为f1=5.01014Hz和f2=7．51014Hz的单色光垂直照射双缝，则P点出现明、暗条纹的情况是（）A．单色光f1和f2分别照射时，均出现明条纹B．单色光f1和f2分别照射时，均出现暗条纹c．单色光f1照射时出现明条纹，单色光f2照射时出现略条纹D．单色光f1照射时出现暗条纹，单色光f2照射时出现明条纹解析：如图所示，双缝S1、S2，到光屏上任一点P的路程之差d＝S2S2／，当d等于单色光波长的整数倍时．由S1和S2发出的光在P点互相加强，P点出现明条纹，当d等于单色光半个波长的奇数倍时．这样由S1和S2发出的光在P，互相抵消，出现暗条纹本题中单色光f1的波长为λ1＝C／f1＝0．6μm，单色光f2的波长为λ2＝C／f2＝0．4μm可见d=λ1、d=3λ1/2答案：C3．薄膜干涉：由薄膜前．后表面反射的两列光波叠加而成．劈形薄膜干涉可产生平行相间条纹，两列反射波的路程差ΔT，等于薄膜厚度d的两倍，即ΔT=2d。由于膜上各处厚度不同，故各处两列反射波的路程差不等。若：ΔT=2d=nλ(n=1，2，…)则出现明纹。ΔT=2d=(2n-1)λ/2(n=1，2，…)则出现暗纹。应注意：干涉条纹出现在被照射面。【例2】．如图所示，一束白光从左侧射入肥皂薄膜，下列说法中正确的是（）A．人从右侧向左看，可看到彩色条纹．B．人从左侧向右看，可看到彩色条纹C．彩色条纹平行排列D．彩色条纹竖直排列解析：白光从左侧照射到薄膜上．经两个表面反射回来的光相遇产生干涉现象．这样人从左侧向右看可以看到彩色条纹。故选B弃A．由于薄膜从上到下逐渐变厚，且同一水平线上厚度相同，两列反射光叠加时振幅相同，故彩色条纹是水平的，选C弃D．答案：BC薄膜干涉应用（1）透镜增透膜：透镜增透膜的厚度应是透射光在薄膜中波长的1／4倍。使薄膜前后两面的反射光的光程差为波长的一半，(ΔT=2d=½λ，得d=¼λ)，故反射光叠加后减弱，从能量的角度分析E入=E反+E透+E吸。在介质膜吸收能量不变的前提下，若E反=0，则E透最大。增强透射光的强度。（2）“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，如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等间距的。如果某处凸起来，则对应明纹(或暗纹)提前出现，如图甲所示；如果某处凹下，则对应条纹延后出现，如图乙所示。(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。)［例3］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，从上往下看到干涉条纹如图（2）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，从上往下看到的干涉条纹A.变疏B.变密C.不变D.消失【解析】由薄膜干涉的原理和特点可知，干涉条纹是由膜的上、下表面反射的光叠加干涉而形成的，某一明条纹或暗条纹的位置就由上、下表面反射光的路程差决定，且相邻明条纹或暗条纹对应的该路程差是恒定的，而该路程差又决定于条纹下对应膜的厚度差，即相邻明条纹或暗条纹下面对应的膜的厚度差也是恒定的.当抽去一纸片后，劈形空气膜的劈尖角——上、下表面所夹的角变小，相同的厚度差对应的水平间距离变大，所以相邻的明条纹或暗条纹间距变大，即条纹变疏.答案A正确.【例4】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：A.λ/8B.λ/4C.λ/2D.λ解析：若使膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的热效应，即让膜的前后两表面反射光叠加作用减弱,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，即光程差为半波长的奇数倍，故膜的最小厚度为红外线在该膜中波长的1/4。【答案】B4．光的波长、波速和频率的关系V＝λf。光在不同介质中传播时，其频率f不变，其波长λ与光在介质中的波速V成正比．色光的颜色由频率决定，频率不变则色光的颜色也不变。二、光的衍射。1．光的衍射现象是光离开直线路径而绕到障碍物阴影里的现象．2．泊松亮斑：当光照到不透光的极小圆板上时，在圆板的阴影中心出现的亮斑。当形成泊松亮斑时，圆板阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。3．各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射。4．产生明显衍射的条件：障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长相比或比光的波长小．小结：光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果，但存在明显的区别：单色光的衍射条纹与干涉条纹都是明暗相间分布，但衍射条纹中间亮纹最宽，两侧条纹逐渐变窄变暗，干涉条纹则是等间距，明暗亮度相同。白光的衍射条纹与干涉条纹都是彩色的。【例5】某同学以线状白炽灯为光源，利用游标卡尺两脚间形成的狭缝观察光的衍射现象后，总结出以下几点，你认为正确的是A.若狭缝与灯泡平行，衍射条纹与狭缝平行B.若狭缝与灯泡垂直，衍射条纹与狭缝垂直C.衍射条纹的疏密程度与狭缝的宽度有关D.衍射条纹的间距与光的波长有关【答案】ACD【例6】平行光通过小孔得到的衍射图样和泊松亮斑比较，下列说法中正确的有A.在衍射图样的中心都是亮斑B.泊松亮斑中心亮点周围的暗环较宽C.小孔衍射的衍射图样的中心是暗斑，泊松亮斑图样的中心是亮斑D.小孔衍射的衍射图样中亮、暗条纹间的间距是均匀的，泊松亮斑图样中亮、暗条纹间的间距是不均匀的解：从课本上的图片可以看出：A、B选项是正确的，C、D选项是错误的。三.光的偏振（1）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。（2）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。（3）只有横波才有偏振现象。光的偏振也证明了光是一种波，而且是横波。各种电磁波中电场E的方向、磁场B的方向和电磁波的传播方向之间，两两互相垂直。（4）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。【例7】如图所示，让太阳光或白炽灯光通过偏振片P和Q，以光的传播方向为轴旋转偏振片P和Q，可以看到透射光的强度会发生变化，这是光的偏振现象，这个实验表明：A.光是电磁波B.光是一种横波C.光是一种纵波D.光是概率波【分析】太阳光或白炽灯发出的光是自然光，它包含有垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，且沿着各个振动方向的光强相同。当这种光经过偏振片后，就变成了偏振光，即只有振动方向与偏振片透振方向平行的光通过了偏振片P，形成偏振光，这种偏振光传到偏振片Q时，当偏振片P和Q透振方向平行时，会完全穿过，垂直时不会穿过，透射程度与二偏振片的透振方向间的夹角有关，因此才出现题中所述的现象，该现象说明：光是一种横波。【答案】B【例8】有关偏振和偏振光的下列说法中正确的有A.只有电磁波才能发生偏振，机械波不能发生偏振B.只有横波能发生偏振，纵波不能发生偏振C.自然界不存在偏振光，自然光只有通过偏振片才能变为偏振光D.除了从光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光都是偏振光解：机械能中的横波能发生偏振。自然光不一定非要通过偏振片才能变为偏振光。本题应选BD。四、光的电磁说．1、光的干涉与衍射充分地表明光是一种波，光的偏振现象又进一步表明光是横波。麦克斯韦对电磁理论的研究预言了电磁波的存在，并得到电磁波传播速度的理论值3.11×108m/s，这和当时测出的光速3.15×108m/s非常接近，在此基础上麦克斯韦提出了光在本质上是一种电磁波，这就是所谓的光的电磁说。赫兹用实验证实了电磁波的存在，并测出其波长与频率，进而得到电磁波的传播速度，用实验证实了光的电磁说。2．电磁波按波长由大到小的顺序排列为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射级、γ射线，除可见光外，相邻波段都有重叠。3．无线电波是自由电子振荡产生的，红外线．可见光、紫外线是原子的外层电子受到光振动垂直于纸面光振动在纸面激发后产生的，x射线是原子的内层电子受到激发后产生的，γ射线是原子核受到激发后产生的．4.红外线、紫外线、X射线的性质及应用。种类产生主要性质应用举例红外线一切物体都能发出热效应遥感、遥控、加热紫外线一切高温物体能发出化学效应荧光、杀菌、合成VD2X射线阴极射线射到固体表面穿透能力强人体透视、金属探伤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（常数）。【例9】．关于电磁波，下列说法中哪些是正确的（）A．电磁波中最容易表现出干涉、衍射现象的是无线电波B．红外线、可见光、紫外线是原子外层电子受激发后产生的C．γ射线是原子内层电子受激发后产生的D．红外线的波长比红光波长长，它的显著作用是热作用解析：电磁波服从共同的规律，波长较大的无线电波是电磁波中最容易发生干涉和衍射现象的，电磁波之间的差异来源于它们产生的机理的不同，红外线、可见光、紫外线是原子外层电子受激发后产生的，伦琴射线是原子内层电子受激发后产生的，γ射线则是原子核受激发后产生的．答案：ABD五、光谱和光谱分析（可用光谱管和分光镜观察）由色散形成的，按频率的顺序排列而成的彩色光带叫做光谱1．发射光谱（1）连续光谱：包含一切波长的光，由炽热的固体、液体及高压气体发光产生；（2）明线光谱：又叫原子光谱，只含原子的特征谱线．由稀薄气体或金属蒸气发光产生。2．吸收光谱连续光通过某一物质被吸收一部分光后形成的光谱，能反映出原子的特征谱线．3．每种元素都有自己的特征谱线，根据不同的特征谱线可确定物质的化学