光的波动性

第二节光的波动性一、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.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=hν（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：(1)让两束具备干涉条件的光通过相距很近的两条狭缝，则在狭缝另一侧的光屏上，就会出现明暗相间的条纹，这种干涉图样称为双缝干涉．(2)图样特点：单色光干涉图样的中央为亮条纹，往两边是明暗相间且间距相等的条纹；白光干涉图样的中央亮条纹为白色，中央白光边缘呈红色，在两侧依次出现彩色条纹，紫光最靠近中央，红光最远．(3)出现明、暗条纹的位置当|S1P－S2P|＝kλ(k＝0,1,2,3…)时，在P处出现明条纹；当|S1P－S2P|＝(2k＋1)(k＝0,1,2,3，…)时，在P处出现暗条纹．2λ(4)条纹间距与光的波长的关系屏上明条纹与暗条纹之间的距离总是相等的．其距离大小Δx与双缝之间距离d、双缝到屏的距离L及光的波长λ有关，即Δx＝.在L和d不变的情况下，Δx和波长λ成正比．应用上式可测光的波长λ.式中Δx为两相邻(亮)暗条纹之间的间距，L为狭缝与屏间的距离，d为两狭缝间距，λ为光的波长．例.在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏幕上观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C若是将一缝挡住，则如何？例.如图所示为双缝干涉的实验装置，绿光通过单缝S后，照射到具有双缝的挡板上，双缝S1和S2到单缝的距离相等，光通过双缝后在与双缝平行的光屏上形成干涉条纹．屏上O点距双缝S1、S2的距离相等，P点在距O点最近的第一条亮纹的中心线上，如果将入射的单色光分别换成红光和蓝光，下列说法正确的是()A．O点在红光的亮条纹中心线上B．O点不在蓝光的亮条纹中心线上C．红光的第一条亮条纹中心线在P点的上方D．蓝光的第一条亮条纹中心线在P点的上方AC4．薄膜干涉(1)薄膜干涉：光照射在薄膜上，从膜的前表面和后表面反射回来的光再次相遇，而产生的干涉现象．(2)图样特点：单色光入射时形成明暗相间的条纹；白光入射时形成彩色条纹．同一条亮(或暗)条纹上所对应薄膜厚度完全相等．单色光在肥皂膜上(上薄下厚)形成水平状亮暗相间条纹(白光入射形成彩色条纹)．(3)应用：检查工件平整度、增透膜．①增透膜的使用：增透膜的厚度为透射光在薄膜中波长的，使薄膜前后两面的反射光的路程差为波长的一半，故反射光叠加后减弱，增强透射光的强度．②用干涉光检查平面：如下图所示，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．如果某处凹下，则对应亮纹(或暗纹)提前出现，如下图(甲)所示；如果某处凸起来，则对应条纹延后出现，如下图(乙)所示．(注：“提前”与“延后”不是指在时间上，而是指在由左向右的顺序位置上．)精度可达10-8m例.如图所示，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BC劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如下图(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下图(乙)所示，干涉条纹有如下特点：①任意一条亮条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；②任意相邻亮条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定，现若在图(甲)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变疏．将一个曲率半径很大的凸透镜的弯曲表面压在另一个玻璃平面上,让单色光从上方射入，如图甲所示,这时可以看到亮暗相间的同心圆，如图乙所示.这个现象是牛顿首先发现的,所以这些同心圆叫做牛顿环.为了使同一级圆环的半径变大(例如从中心数起的第二道圆环),则应（）A.将凸透镜的曲率半径变大B.将凸透镜的曲率半径变小C.改用波长更长的单色光照射D.改用波长更短的单色光照射AC三、光的衍射1.概念: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以跟光的波长差不多或比光波的波长还要小.3．常见的衍射现象(1)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，中央条纹较宽，其余亮条纹变窄．白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白条纹．(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）.(2)圆孔衍射：光通过小孔时(孔很小)，在屏上会出现明暗相间的不等环．例.抽制细丝时可用激光监控其粗细，如图所示，激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板上的一条同样宽度的窄缝的规律相同.下列说法正确的是()A.这是利用光的干涉现象B.这是利用光的衍射现象C.如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝粗了D.如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝细了BD种类项目单缝衍射双缝干涉不同点条纹宽度条纹宽度不等，中央最宽条纹宽度相等条纹间距各相邻条纹间距不等各相邻条纹等间距亮度中央条纹最亮，两边变暗清晰条纹，亮度基本相等相同点干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加，干涉、衍射都有明暗相间的条纹干涉与衍射的不同点和相同点例.如图所示的4种明暗相间的条纹,分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(灰黑色部分表示亮纹).则在下面的四个图中从左往右排列,亮条纹的颜色依次是()A.红黄蓝紫B.C.蓝紫红黄D.B例.(2008年上海物理卷)用如图所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象.图甲是点燃的酒精灯（在灯芯上洒些盐）,图乙是竖立的附着一层肥皂液薄膜的金属线圈，将金属线圈在其所在的竖直平面内缓慢旋转,观察到的现象是（）A.当金属线圈旋转30°时，干涉条纹同方向旋转30°B.当金属线圈旋转45°时，干涉条纹同方向旋转90°C.当金属线圈旋转60°时，干涉条纹同方向旋转30°D.干涉条纹保持不变D在研究材料A的热膨胀特性时，可采用如图所示的干涉实验法.A的上表面是一光滑平面，在A的上方放一个透明的平行板B，B与A上表面平行，在它们间形成一个厚度均匀的空气膜.现在用波长为λ的单色光垂直照射，同时对A缓慢加热，在B上方观察到B板的亮度发生周期性的变化.当温度为t1时最亮，然后亮度逐渐减弱至最暗；当温度升到t2时，亮度再一次回到最亮，则（）A.出现最亮时，B上表面反射光与A上表面反射光叠加后加强B.出现最亮时，B下表面反射光与A上表面反射光叠加后相抵消C.温度从t1升至t2过程中，A的高度增加λ/4D.温度从t1升至t2过程中，A的高度增加λ/2D例.煤矿中瓦斯爆炸危害极大.某同学查资料得知含有瓦斯的气体的折射率大于干净空气的折射率,于是,他设计了一种利用光的干涉监测矿井瓦斯的仪器,原理如图7所示.在双缝前面放置两个完全相同的透明容器A、B,容器A与干净的空气相通,在容器B中通入矿井中的气体,观察屏上的干涉条纹,就能够监测瓦斯浓度.以下说法正确的是A.如果屏的正中央仍是亮纹,说明B中的气体与A中的空气成分相同,不含瓦斯B.如果屏的正中央是暗纹,说明B中的气体与A中的空气成分不相同,可能含有瓦斯C.如果屏上干涉条纹不停地移动,说明B中的气体瓦斯含量不稳定D.只有用单色光照射单缝时,才可能在屏上出现干涉条纹BC三、光的偏振1.自然光：在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同的光．2.偏振光：自然光通过偏振片后，只沿一个特定方向振动的光．3.偏振光的理论意义和应用：①光的干涉、衍射现象说明了光的波动性，光的偏振现象说明光是横波．偏振现象是横波特有的现象．②应用:照相机镜头、立体电影、消除车灯炫光等.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.如图所示，偏振片P称为起偏器，自然光通过P后成为偏振光，偏振片Q称为检偏器，沿垂直于光的传播方向旋转Q，光屏上光的强度发生周期性变化，透振方向平行时最强，透振方向垂直时最弱．4.偏振光的产生方式①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（起偏器）的作用是把自然光变成偏振光.第二个偏振片(检偏器）的作用是检验光是否为偏振光.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.②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.例.(2007年全国理综卷Ⅱ)如图所示，P是一偏振片，P的透振方向（用带有箭头的实线表示）为竖直方向.下列四种入射光束中，哪几种照射P时能在P的另一侧观察到透射光()A.太阳光B.沿竖直方向振动的光C.沿水平方向振动的光D.沿与竖直方向成45°角振动的光ABD例.光的偏振现象说明光是横波,下列现象中，不能反映光的偏振特性的是（）A.一束自然光相继通过两个偏振片,以光束为轴旋转其中一个偏振片,透射光的强度发生变化B.一束自然光入射到两种介质的分界面上,当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是90°时,反射光是偏振光C.日落时分,拍摄水面下的景物,在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景像更清晰D.通过两并在一起的铅笔缝隙观察日光灯,可以看到彩色条纹D例.夜晚,汽车前灯发出的强光将迎面驶来的汽车里的司机照射得睁不开眼,严重影响行车安全.若考虑将汽车前灯玻璃改用偏振玻璃,使射出的灯光变为偏振光；同时汽车前窗玻璃也采用偏振玻璃,其透振方向正好与迎面驶来的汽车的灯光的振动方向垂直,但还要能看清自己车灯发出的光所照亮的物体.假设所有的汽车前窗玻璃和前灯玻璃均按同一要求设置.下列措施中可行的是A.前窗玻璃的透振方向是竖直的,车灯玻璃的透振方向是水平的B.前窗玻璃的透振方向是竖直的,车灯玻璃的透振方向是竖直的C.前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°,车灯玻璃的透振方向是斜向左上45°D.前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°D例.奶粉的碳水化合物(糖)的含量是一个重要指标，可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度，从而鉴定含糖量．偏振光通过糖的水溶液后，偏振方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度α，这一角度α称为“旋光度”，α的值只与糖溶液的浓度有关，将α的测量值与标准值相比较，就能确定被测样品的含糖量了．如图所示，S是自然光源，A、B是偏振片，转动B，使到达O处的光最强，然后将被测样品P置于A、B之间．(1)偏振片A的作用是什么？(2)偏振光证明了光是一种______．(3)以下说法中正确的是()A．到达O处光的强度会明显减弱B．到达O处光的强度不会明显减弱C．将偏振片B转动一个角度，使得O处光强度最大，偏振片B转过的角度等于αD．将偏振片A转动一个角度，使得O处光强度最大，偏振片A转过的角度等于α