搜索
第十四章机械振动与机械波光电磁波与相对论第四节光的波动性电磁波(实验：用双缝干涉测光的波长)【基础梳理】提示：频率相位差(k＋12)亮条纹ldλ小不需要3×108同样适用干涉无线电波可见光ldλan－1【自我诊断】1．判一判(1)只有横波才能产生干涉和衍射现象．()(2)太阳光通过三棱镜形成彩色光谱，这是光的干涉的结果．()(3)泊松亮斑支持了光的波动说．()(4)光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象．()××√√(5)光的双缝干涉实验中，若仅将入射光从红光改为紫光，则相邻亮条纹间距一定变小．()(6)均匀变化的磁场产生均匀变化的电场向外传播便形成了电磁波．()(7)在真空中传播的电磁波，当它的频率增加时，它的传播速度不变，波长变短．()(8)光速不变原理指出光在真空中传播速度在不同惯性参考系中都是相同的．()√×√√2．做一做(1)关于电磁波，下列说法正确的是()A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关B．周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波C．电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直D．利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输E．电磁波可以由电磁振荡产生，若波源的电磁振荡停止，空间的电磁波随即消失提示：选ABC.电磁波在真空中的传播速度为3×108m/s，与电磁波的频率无关，A正确；周期性变化的电场产生周期性变化的磁场，周期性变化的磁场又产生周期性变化的电场，它们相互激发向周围传播，就形成了电磁波，B正确；电磁波是横波，因此其电场强度和磁感应强度均与传播方向垂直，C正确；光是电磁波，利用光纤对光的全反射可以传播信息，D错误；波源的电磁振荡停止后，已发出的电磁波不会立即消失，还要继续传播一段时间，E错误．(2)抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细，如图所示，观察光束经过细丝后在光屏上所产生的条纹即可以判断细丝粗细的变化()A．这里应用的是光的衍射现象B．这里应用的是光的干涉现象C．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗D．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细E．如果屏上条纹变细，表明抽制的丝变粗提示：选ADE.本题为光的衍射现象在工业生产中的实际应用，考查光的衍射现象，若障碍物的尺寸与光的波长相比差不多或更小，衍射现象较明显．通过观察屏上条纹的变化情况，从而监测抽制的丝的情况，故选A、D、E.光的干涉现象【知识提炼】1．光的双缝干涉现象(1)明暗条纹的判断方法①如图所示，光源S1、S2发出的光到屏上P点的路程差r2－r1＝kλ(k＝0，1，2，…)时，光屏上出现明条纹．②光的路程差r2－r1＝(2k＋1)λ2(k＝0，1，2，…)时，光屏上出现暗条纹．(2)条纹间距：Δx＝ldλ，其中l是双缝到光屏的距离，d是双缝间的距离，λ是光波的波长．2．薄膜干涉(1)如图所示，竖直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形．光照射到薄膜上时，在膜的前表面AA′和后表面BB′分别反射回来，形成两列频率相同的光波，并且叠加．(2)明、暗条纹的判断①在P1、P2处，两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr等于波长的整数倍，即Δr＝nλ(n＝0，1，2，…)，薄膜上出现明条纹．②在Q处，两列反射回来的光波的路程差Δr等于半波长的奇数倍，即Δr＝(2n＋1)λ2(n＝0，1，2，…)，薄膜上出现暗条纹．(3)薄膜干涉的应用干涉法检查平面如图所示，两板之间形成一楔形空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检平面是平整光滑的，我们会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹；若被检平面不平整，则干涉条纹发生弯曲．【典题例析】如图所示，在双缝干涉实验中，S1和S2为双缝，P是光屏上的一点，已知P点与S1、S2距离之差为2.1×10－6m，分别用A、B两种单色光在空气中做双缝干涉实验，问P点是亮条纹还是暗条纹？(1)已知A光在折射率为1.5的介质中波长为4×10－7m；(2)已知B光在某种介质中波长为3.15×10－7m，当B光从这种介质射向空气时，临界角为37°；(3)若让A光照射S1，B光照射S2，试分析光屏上能观察到的现象．[解析](1)设A光在空气中波长为λ1，在介质中波长为λ2，由n＝cv＝λ1λ2，得λ1＝nλ2＝1.5×4×10－7m＝6×10－7m根据路程差Δr＝2.1×10－6m，可知N1＝Δrλ1＝2.1×10－6m6×10－7m＝3.5由此可知，从S1和S2到P点的路程差是波长λ1的3.5倍，所以P点为暗条纹．(2)根据临界角与折射率的关系sinC＝1n得n＝1sin37°＝53由此可知，B光在空气中波长λ3为：λ3＝nλ介＝53×3.15×10－7m＝5.25×10－7m路程差Δr和波长λ3的关系为：N2＝Δrλ3＝2.1×10－6m5.25×10－7m＝4可见，用B光做光源，P点为亮条纹．(3)若让A光照射S1，B光照射S2，这时既不能发生干涉，也不发生衍射，此时在光屏上只能观察到亮光．[答案](1)暗条纹(2)亮条纹(3)见解析【迁移题组】迁移1对双缝干涉现象的分析1．在双缝干涉实验中，分别用红色和绿色的激光照射同一双缝，在双缝后的屏幕上，红光的干涉条纹间距Δx1与绿光的干涉条纹间距Δx2相比，Δx1________Δx2(填“”“＝”或“”)．若实验中红光的波长为630nm，双缝与屏幕的距离为1.00m，测得第1条到第6条亮条纹中心间的距离为10.5mm，则双缝之间的距离为________mm.解析：由公式Δx＝Ldλ可知，Δx1Δx2.相邻亮条纹之间的距离为Δx＝10.55mm＝2.1mm，双缝间的距离d＝LλΔx，代入数据得d＝0.300mm.答案：0.300迁移2对薄膜干涉的理解2.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．这时可以看到明暗相间的条纹．下面关于条纹的说法中正确的是()A．干涉条纹是光在空气劈尖膜的前后两表面反射形成的两列光波叠加的结果B．干涉条纹中的暗条纹是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解析：选AC.根据薄膜干涉的产生原理，上述现象是由空气劈尖膜前后表面反射的两列光叠加而成，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，故A正确，B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错误；条纹的位置与空气劈尖膜的厚度是对应的，当上玻璃板平行上移时，同一厚度的空气劈尖膜向劈尖移动，故条纹向着劈尖移动，故C正确．光的衍射及偏振现象【知识提炼】1．光的干涉和衍射的比较(1)干涉和衍射的比较干涉衍射现象光在重叠区域出现加强或减弱的现象光绕过障碍物偏离直线传播的现象产生条件两束光频率相同、相位差恒定障碍物或孔的尺寸与波长差不多或更小干涉衍射典型实验杨氏双缝实验单缝衍射、圆孔衍射和不透明圆盘衍射图样不同点条纹宽度条纹宽度相等条纹宽度不等，中央最宽条纹间距各相邻条纹间距相等各相邻条纹间距不等亮度情况清晰条纹，亮度基本相等中央条纹最亮，两边变暗图样相同点干涉、衍射都是波特有的现象；干涉、衍射都有明暗相间的条纹(2)对光的衍射的理解①干涉和衍射是波的特征，波长越长，干涉和衍射现象越明显．在任何情况下都可以发生衍射现象，只是明显与不明显的差别．②衍射现象说明“光沿直线传播”只是一种特殊情况，只有在光的波长比障碍物小得多时，光才可以看做是沿直线传播的．2．自然光和偏振光的比较自然光(非偏振光)偏振光光的来源直接从光源发出的光自然光通过偏振片后的光光的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿任意方向，且沿各个方向振动的光的强度相同在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿特定方向【跟进题组】1．(2019·高考北京卷)利用图1所示的装置(示意图)，观察光的干涉、衍射现象，在光屏上得到如图2中甲和乙两种图样．下列关于P处放置的光学元件说法正确的是()图1图2A．甲对应单缝，乙对应双缝B．甲对应双缝，乙对应单缝C．都是单缝，甲对应的缝宽较大D．都是双缝，甲对应的双缝间距较大解析：选A.由题图2中给出的甲、乙两种图样可知，甲是单缝衍射的图样，乙是双缝干涉的图样，A正确，B、C、D均错误．2．(2020·陕西西安模拟)如图所示，电灯S发出的光先后经过偏振片A和B，人眼在P处迎着入射光方向，看不到光亮，则()A．图中a光为偏振光B．图中b光为偏振光C．以SP为轴将B转过180°后，在P处将看到光亮D．以SP为轴将B转过90°后，在P处将看到光亮E．以SP为轴将A转过90°后，在P处将看到光亮解析：选BDE.自然光沿各个方向发散是均匀分布的，通过偏振片后，透射光是只沿着某一特定方向振动的光．从电灯直接发出的光为自然光，则A错；它通过A偏振片后，即变为偏振光，则B对；设通过A偏振片的光沿竖直方向振动，P点无光亮，则B偏振片只能通过沿水平方向振动的偏振光，将B转过180°后，P处仍无光亮，C错；若将B转过90°，则该偏振片将变为能通过竖直方向上振动的光的偏振片，则偏振光能通过B，即在P处有光亮，D对；同理E也对．3．如图所示，白炽灯的右侧依次平行放置偏振片P和Q，A点位于P、Q之间，B点位于Q右侧．旋转偏振片P，A、B两点光的强度变化情况是()A．A、B均不变B．A、B均有变化C．A不变，B有变化D．A有变化，B不变解析：选C.白炽灯光包含向各方向振动的光，且各个方向振动的光的强度相等，所以旋转偏振片P时各方向透射光强度相同，故A点光的强度不变；白炽灯光经偏振片P后变为偏振光，当P旋转时，只有与Q的偏振方向一致时才有光透过Q，因此B点的光强有变化，C正确．4．如图，在“观察光的衍射现象”实验中，保持缝到光屏的距离不变，增加缝宽，屏上衍射条纹间距将________(选填“增大”“减小”或“不变”)；该现象表明，光沿直线传播只是一种近似规律，只有在________________的情况下，光才可以看做是沿直线传播的．解析：缝宽增加，衍射条纹间距变小，衍射现象逐渐不明显．光的衍射现象表明，光不沿直线传播，光沿直线传播只是一种近似规律，只有在光的波长比障碍物或孔的尺寸小得多的情况下，光才可以看做是沿直线传播的．答案：减小光的波长比障碍物或孔的尺寸小得多实验：双缝干涉测光的波长【知识提炼】1．实验原理：单色光通过单缝后，经双缝产生稳定的干涉图样，图样中相邻两条亮(暗)纹间距Δx与双缝间距d、双缝到屏的距离l、单色光的波长λ之间满足λ＝dΔxl.2．实验步骤(1)观察干涉条纹①将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上．如图所示．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5～10cm，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①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，将该条纹记为第1条亮纹；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，将该条纹记为第n条亮纹．③用刻度尺测量双缝到光屏的距离l(d是已知的)．④改变双缝间的距离d，双缝到屏的距离l，重复测量．3．数据处理(1)条纹间距Δx＝a2－a1n－1.(2)波长λ＝dlΔx.(3)计算多组数据，求λ的平均值．4．注意事项(1)安装时，注意调节光源、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的中心轴线上，并使单缝、双缝平行且间距适当．(2)光源灯丝最好为线状灯丝，并与单缝平行且靠近．(3)照在光屏上的光很弱，主要是灯丝与单缝、双缝，测量头与遮光筒不共轴所致，干涉条纹不清晰一般是单缝与双缝不平行所致．【跟进题组】1．(1)如图所示，在“用双缝干涉测光的波长”实验中，光具座上放置的光学元件依次为①光源、②______________、③____________、④__________