专题15 物理光学-【教育机构专用】2021年春季高二物理辅导讲义

专题15 物理光学（教师版） 一、目标要求 目标要求 重、难点 光的双缝干涉 重难点 实验：光的双缝干涉实验 重点 光的薄膜干涉 重点 光的衍射 重点 光的偏振 激光 二、知识点解析 1．光的干涉现象 (1)光的波动说：牛顿在研究光的传播时认为光是由粒子组成的，他利用碰撞的原理解释了光的反射等现象；而同时期的惠更斯则认为光是类似于声音的纵波．但由于牛顿在当时学术界的地位，微粒说取得了当时的统治地位，直到英国物理学家托马斯·杨发现了光的干涉现象，才将光的波动说推上历史舞台． (2)双缝干涉实验： ①研究历程：如图1所示，若光是一种波，则会在S1和S2两个相隔很近的狭缝上形成两个频率、相位和振动方向相同的波源，这两个波源发出的光会在挡板后的空间形成干涉现象，某些位置振动加强，某些位置振动减弱，在光屏上形成明暗相间的条纹．事实上，托马斯·杨确实观测到了这种现象． 图1 ②亮条纹和暗条纹位置关系： 如图2所示，若屏幕上的P点到两个波源的路程差|S1P－S2P|等于半波长的偶数倍（包括0），则P点位置出现亮条纹，若|S1P－S2P|是半波长的奇数倍，则P点位置出现暗条纹． 亮条纹位置：，n=0、1、2…… 暗条纹位置：，n=0、1、2…… 图2 (3)干涉条纹间距与波长的关系： 图3 如图3所示，两狭缝之间的距离为d（非狭缝宽度），狭缝到光屏的距离为L，相邻亮条纹中心或相邻暗条纹中心为条纹间距Δx（如图4），则条纹间距与光的波长关系为： 图4 (4)应用—薄膜干涉： 图5 图6 图7 ①肥皂泡在阳光照射下呈现出彩色波纹，如图5所示，液膜前表面和后表面反射的光为相干光； ②将曲面镜放置于玻璃桌面上，白光垂直入射（如图6所示），在曲面镜的截面上看到不等间距的彩色圆环，如图7所示，这种现象称为牛顿环； ③利用薄膜干涉检测光学元件平面平整度，如图8所示． 图8 图9 ④其他：照相机镜头前的增透膜利用光的干涉现象减弱反射光；大楼的玻璃墙和汽车窗户采用反射膜，利用光的干涉现象增强反射光． 2．光的衍射现象 光是一种波，既能发生干涉现象，也能发生衍射现象． (1)光的衍射：光在传播过程中，通过细小的小孔或障碍物时，绕过小孔或障碍物继续传播的过程称为光的衍射；当小孔或障碍物的尺寸小于或等于光的波长时，衍射现象最为明显． (2)应用： ①单缝衍射和单孔衍射：如图10是单色光分别通过单缝和单孔时的衍射图样，与光的干涉类似，光的波长越大，形成的中心条纹就越宽，用白光做衍射实验时，观测到中心亮条纹为白色，边缘呈现彩色； ②泊松亮斑：当光照射一个不透明的小圆板时，由于光的衍射，会在圆板阴影中心出现一个与边缘亮度相同的亮斑，称为泊松亮斑，如图11； 图10 图11 ③不同形状的障碍物都会造成光的衍射，使得影像边缘模糊不清，如两支铅笔横向对叠，透过中间的缝隙观测灯光，会观测到缝隙边缘呈现模糊的红色和紫色． 3．光的偏振现象 (1)偏振现象：当狭缝的方向与波的振动方向相同时，波可以通过狭缝；当狭缝的方向与波的振动方向垂直时，波不能通过狭缝，如图12所示．这种现象称为波的偏振现象． 图12 只有横波才能发生偏振现象，偏振现象可以检验一列波是横波还是纵波；光是横波，会发生偏振现象． (2)偏振片：偏振片是由特定材料制成的，具有一个特殊的方向叫透光方向，只有光波的振动方向与透光方向平行时，光才能透过偏振片． (3)偏振光与自然光：一束光的振动方向若限于某一平面内，则称该束光为偏振光；大量振动方向不相同且不相干的偏振光组成的光叫做自然光，如太阳光和白炽灯发出的光线都是自然光． 图13 (4)应用： ①照相机偏振镜头：拍摄透明物体时能有效减小反射光的影响； ②液晶显示屏：手机或电脑屏幕加入液晶显示屏，强光照射下依然能显示屏幕内容； ③立体电影． 4．激光 激光的特点 激光的应用 相干性好 传导信息、全息照相等 平行度高 激光测距、刻录光盘、读取光盘信息等 能量高 激光加工硬质材料、激光手术等 三、考查方向 题型1：对光的双缝干涉的理解 典例一：（2012•上海）如图为红光或紫光通过双缝或单缝所呈现的图样，则　　 A．甲为紫光的干涉图样 B．乙为紫光的干涉图样 C．丙为红光的干涉图样 D．丁为红光的干涉图样 题型2：生活中的干涉 典例二：（2020•北京）以下现象不属于干涉的是　　 A．白光经过杨氏双缝得到彩色图样 B．白光照射肥皂膜呈现彩色图样 C．白光经过三棱镜得到彩色图样 D．白光照射水面油膜呈现彩色图样 题型3：实验：双缝干涉实验 典例三：用双缝干涉测光的波长，已知双缝与屏的距离L=0.700 m，双缝间距d=0.200 mm．用测量头来测量亮纹中心的距离．测量头由分划板、目镜、手轮等构成，转动手轮，使分划板左右