内容正文:
光的衍射 光的偏振 激光
(强基课—逐点理清物理观念)
第 5、6 节
课标要求
1.观察光的衍射和偏振现象,了解这些现象产生的条件,知道其在生产生活中的应用。
2.知道光是横波。
3.通过实验,了解激光的特性。能举例说明激光技术在生产生活中的应用。
学习目标
1.知道光的衍射现象,了解产生明显衍射现象的条件。
2.知道衍射条纹的特点,会区分衍射条纹和干涉条纹。
3.知道光的偏振现象,知道光是一种横波。
4.知道偏振光和自然光的区别,能运用偏振知识来解释生活中的一些常见光学现象。
5.了解激光的特点和应用。
1
逐点清(一) 光的衍射与衍射光栅
2
逐点清(二) 光的偏振
3
逐点清(三) 激光的特点与应用
CONTENTS
目录
5
阶段质量评价(四)
6
模块综合检测
CONTENTS
目录
4
课时跟踪检测
逐点清(一)
光的衍射与衍射光栅
1.实验观察
在挡板上安装一个_____可调的狭缝,缝后放一个光屏,用单色平行光照射狭缝。
2.实验现象
(1)缝比较宽时,在屏上产生一条与缝宽相当的____条纹。
多维度理解
宽度
亮
(2)缝调到很窄时,亮条纹的亮度有所______,但宽度反而_____,而且还出现了_________的条纹,中央亮条纹较宽。
(3)用白光做实验,得到的条纹是______的,但中央条纹是白色的。
3.明显衍射的条件
在障碍物或狭缝的尺寸________的时候,衍射现象十分明显,这时就不能说光沿直线传播了。
降低
增大
明暗相间
彩色
足够小
4.衍射光栅
(1)衍射光栅:由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件。
(2)衍射图样特点:与单缝衍射相比,衍射条纹的宽度______,亮度______。
(3)分类:_____光栅和反射光栅。
变窄
增加
透射
1.单缝衍射图样的四个特点
(1)中央条纹亮而宽;
(2)两侧亮条纹具有对称性,亮条纹宽度逐渐变窄,亮度逐渐减弱;
(3)波长一定时,单缝窄的中央条纹宽,条纹间距大;单缝不变时,光波波长大的中央条纹宽,条纹间距大;
(4)白光的单缝衍射条纹中央为白色亮条纹,两侧为彩色条纹,且外侧呈红色,靠近白色亮条纹的内侧为紫色。
2.圆孔衍射图样的两个特点
(1)单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮度大,外面是明暗相间的不等距的圆环;越向外,亮环亮度越低。
(2)白光的圆孔衍射图样中央亮圆为白色,周围是彩色圆环。
3.泊松亮斑——障碍物的衍射图样的特点:圆形阴影中心有一亮斑,圆形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。
[典例] 如图a、b是由单色光分别入射到a圆孔和b圆孔形成的图像,由两图可以得出( )
A.a图是衍射图像,a孔直径小于b孔直径
B.a图是干涉图像,a孔直径大于b孔直径
C.b图是衍射图像,a孔直径小于b孔直径
D.b图是干涉图像,a孔直径大于b孔直径
[解析] 因为干涉图样为等宽度亮暗相间的条纹,衍射图样是中间宽四周窄的条纹,故a图是衍射图像,所以B错误;
√
缝隙宽度小于光的波长才能有清晰的衍射图像,如果缝隙宽度过大会观察不到明显衍射图像,光会沿直线传播,根据图像信息可知,b图是光沿直线传播形成的图像,所以a孔直径小于b孔直径,故A正确,C、D错误。
/方法技巧/
光通过大孔、小孔、小圆盘衍射的区别
(1)光通过大孔沿直线传播,观察不到明显的衍射条纹。
(2)小孔形成明显的衍射条纹。
(3)小圆盘出现泊松亮斑。
1.在一次观察光衍射的实验中,观察到如图所示的清晰的明暗相间图样(黑线为暗纹),那么障碍物应是( )
A.很小的不透明的圆板
B.很大的中间有大圆孔的不透明的圆板
C.很大的不透明圆板
D.很大的中间有小圆孔的不透明的圆板
全方位练明
√
解析:由题图可知中央是大且亮的圆形亮斑,周围分布着明暗相间的同心圆环,且越向外圆环形亮条纹宽度越窄,可判断此图样为圆孔衍射图样,故D正确;
有的同学误选为A,要注意很小的不透明的圆板产生的图样中心虽然也是亮点,但其周围有一个大的阴影区,在阴影区的边缘有明暗相间的圆环,它与圆孔衍射的图样是不同的。
2.一束红光射向一块有双缝的不透光的薄板,在薄板后的光屏上呈现明暗相间的干涉条纹,现将其中一条窄缝挡住,让这束红光只通过一条窄缝,则在光屏上可以看到( )
A.与原来相同的明暗相间条纹,只是亮条纹比原来暗些
B.与原来不相同的明暗相间条纹,而中央亮条纹变宽些
C.只有一条与缝宽对应的亮条纹
D.无条纹,只存在一片红光
√
解析:挡住一条窄缝后,在屏上得到的是单缝衍射图样。衍射图样和干涉图样的异同点:中央都出现亮条纹,两侧都出现明暗相间的条纹,干涉图样为等间距的明暗相同的条纹,而衍射图样两侧为不等间距的明暗相间的条纹且亮条纹的亮度减弱,且衍射图样中央亮条纹较宽,故选B。
3.在抽制很细的金属丝的过程中,可以用激光随时监测抽丝的粗细情况。其装置如图甲所示,在抽丝机的细丝出口附近,用一束激光沿与细丝垂直的方向照射细丝,在细丝的另一侧用光屏接收激光。工作人员通过观察光屏上明暗相间光斑的情况(图乙所示为沿激光传播方向看到的光屏情况),便可知道抽制出的细丝是否合格。对于这种监控抽丝机的装置,下列说法中正确的是( )
A.这是利用光的直线传播规律
B.这是利用光的干涉现象
C.如果屏上光斑变宽,表明细丝粗了
D.如果屏上光斑变宽,表明细丝细了
√
解析:由题意知明暗相间光斑的形成是单缝衍射现象,故A、B错误;
如果屏上光斑变宽,表明细丝变细,故C错误,D正确。
逐点清(二) 光的偏振
1.偏振
(1)横波:质点的振动方向与波的传播方向_____,具有偏振现象,横波振动方向称为______方向。
(2)纵波:质点的振动方向与波的传播方向在__________上,没有偏振现象。
多维度理解
垂直
偏振
同一直线
2.光的偏振
(1)研究表明:光是一种_____。
(2)偏振片:由特定的材料制成,每个偏振片都有一个特定的方向,这个方向叫作“透振方向”。光的振动方向与这个透振方向_____时能顺利通过偏振片,______时不能通过偏振片。
(3)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_____。
横波
平行
垂直
相同
(4)偏振光:自然光透过某一偏振片后,在垂直于传播方向的平面上,沿着某一特定方向振动的光。
3.偏振现象的应用
在照相机镜头前装一片偏振滤光片,转动滤光片,让它的透振方向与水面和玻璃表面的反射光的偏振方向______,就可以减弱反射光进入镜头。
垂直
全方位练明
√
1.(2024·威海高二质检)如图所示,让太阳光通过偏振片P、Q,以光的传播方向为轴旋转偏振片P,则图中A、B两处观察到透射光强度的变化情况是( )
A.A、B两处光强均不变
B.A、B两处光强均有变化
C.A处光强不变,B处光强有变化
D.A处光强有变化,B处光强不变
解析: 太阳光是自然光,向各个方向振动的光的强度是相同的,通过偏振片后变为偏振光,故使偏振片P以光的传播方向为轴旋转,A处光强不变;只有当偏振片P转到和偏振片Q透振方向平行的时候,B处光强最大,当偏振片P与偏振片Q透振方向垂直时,B处光强最小,故B处光的强度发生变化。故选C。
2.在拍摄日落时水面下的景物时,应在照相机镜头前装一个偏振片,其目的是( )
A.减弱反射光,从而使景物的像清晰
B.增强反射光,从而使景物的像清晰
C.增强透射光,从而使景物的像清晰
D.减弱透射光,从而使景物的像清晰
√
解析:由于反射光的干扰,景物的像常常比较模糊,装上偏振片的目的是减弱反射光,其透振方向与反射光的偏振方向垂直,不能增强透射光。
3.如图所示,取一个偏振片P,让阳光通过偏振片P,在P的另一侧观察,可以看到偏振片是透明的,只是透射光暗了一些;在偏振片P的后面再放置另一个偏振片Q,以光的传播方向为轴旋转偏振片Q,会看到什么现象?这说明什么?
答案:会看到在旋转Q时光的亮度发生变化。
偏振片的作用类似于狭缝,只有振动方向与透振方向一致的光才能通过。当偏振片Q与P的透振方向平行时,穿过Q的光最强;当Q与P的透振方向垂直时,光不能透过Q。
逐点清(三) 激光的特点与应用
激光的特点及应用
多维度理解
特点 性质 应用
相干性高 激光具有频率______、相位差_______、振动方向______的特点,是人工产生的相干光,具有高度的相干性 单缝衍射和双缝干涉实验
光纤通信
全息照相
相同
恒定
一致
平行
度好 激光的平行度非常好,在传播很远的距离后仍能保持____________ 精确的测距;提供目标指引;读取光盘上记录的信息等
亮度高 它可以在很小的空间和很短的时间内集中___________ 用激光束切割、焊接;医学上可以用激光做“光刀”
一定的强度
很大的能量
续表
全方位练明
1.关于激光,下列说法正确的是( )
A.激光是自然界中某种物质直接发光产生的
B.激光的相干性好,任何两束激光都能发生干涉
C.用激光照射不透明挡板上的小圆孔时,光屏上能观测到等间距的光环
D.激光全息照片是利用光的干涉记录下物体三维图像的信息
√
解析:激光是人造光,不是自然界中某种物质直接发光产生的,故A错误;
激光的相干性好,但只有频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两束激光才能发生干涉,故B错误;
用激光照射不透明挡板上的小圆孔时,光屏上能观测到衍射条纹,条纹间距不等,故C错误;
激光全息照片是利用光的干涉记录下物体三维图像的信息,故D正确。
2.关于激光的应用,下列说法正确的是( )
A.光纤通信是应用激光平行度非常好的特点对信号进行调制,使其在光导纤维中传递信息的
B.计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光有相干性的特点
C.医学上用激光做“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点
D.“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点
解析:由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用了激光的相干性高,A错误;
√
计算机内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的平行度好,B错误;
医学上用激光做“光刀”利用了激光的亮度高的特点,C正确;
激光测距利用的是激光的平行度好的特点,D错误。
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A级——基础达标
1.如图所示,一束激光照射在单缝上,在缝后屏上得到明暗相间的条纹,下列说法中正确的是( )
A.用激光作为光源主要是利用激光亮度高的特性
B.光屏上得到的是等间距的条纹
C.换用更窄的单缝,条纹变宽
D.换用频率更大的激光照射单缝,条纹变宽
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解析:用激光作为光源主要是利用激光相干性好的特性,故A错误;
激光通过单缝时发生了衍射,光屏上得到的是中间宽、两侧窄的明暗相间的条纹,故B错误;
当孔径或障碍物的尺寸小于波长或与波长相差不大时衍射现象更明显,因此当单缝变窄时,条纹将变宽,故C正确;
换用频率更大的激光照射单缝,波长更短,条纹变窄,故D错误。
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2.(2024·淮安高二联考)小华通过偏振太阳镜观察平静水面上反射的阳光,转动镜片时发现光有强弱变化,下列说法能够解释这一现象的是( )
A.阳光在水面反射时发生了偏振,镜片起起偏器的作用
B.阳光在水面反射时发生了偏振,镜片起检偏器的作用
C.阳光在水面反射时没有发生偏振,镜片起起偏器的作用
D.阳光在水面反射时没有发生偏振,镜片起检偏器的作用
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解析:发现光有强弱变化说明水面上反射的阳光是偏振光,而阳光本身是自然光,在反射时发生了偏振,当偏振片的透振方向与光的偏振方向平行时,通过的光最强,而当偏振片的透振方向与光的偏振方向垂直时,通过的光最弱,因此镜片起到检偏器的作用。故选B。
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3.关于激光,下列说法中正确的是( )
A.激光是由自然界中某种物质直接发光产生的
B.激光在真空中传播的速度大于3×108 m/s
C.激光反射也遵循反射定律
D.激光通过小孔时不能产生衍射现象
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解析: 激光是人造光,自然界中无法直接产生,故A错误;
激光在真空中传播的速度也等于3×108 m/s,故B错误;
激光在界面上也可以发生反射,并且反射时也遵循反射定律,故C正确;
衍射是一切波都具有的现象,故激光通过小孔时也能产生衍射现象,故D错误。
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4.(2024·南京高二质检)如图所示为光分别通过狭缝、圆孔后产生的衍射图样(缝和孔的形状标于各图的右下方)。当光通过正四边形小孔时,会在光屏上产生的衍射图样是下列四幅图中哪个( )
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解析:光的衍射是指光在传播过程中,遇到障碍物或小孔时,光将偏离直线传播的路径而绕到障碍物后面传播的现象,根据题目中光分别通过狭缝、圆孔后产生的衍射图样,可以看出,光通过狭缝(两个边缘)后向两边衍射,通过圆孔后向整个圆周围衍射,可推测光的衍射方向与缝或孔的边缘数有关,所以光通过正四边形小孔时,应向四边衍射,B正确,A、C、D错误。
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5.(2024·镇江高二调研)下面四幅图是某种单色光形成的干涉或衍射图样,其中与其他三幅表示不同类型的是( )
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解析:干涉图样的条纹间距相等,衍射图样的中央条纹最宽,所以B是光的干涉图样,A、C、D是光的衍射图样,故选B。
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6.某同学使用激光器作为光源,在不透光的挡板上开一条宽为0.05 mm的窄缝,进行光的衍射实验,如图所示,则他在光屏上看到的条纹是( )
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解析:根据衍射条纹的特点进行判断,光的衍射条纹与狭缝平行,且中间宽、两边窄,故B项正确,A、C、D项错误。
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7.在一束单色光的传播方向上分别放置单缝、双缝、小圆孔和小圆板后,在光屏上得到如下四幅图样,关于光屏前传播方向上放置的装置,以下说法正确的是( )
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A.甲是单缝、乙是双缝
B.乙是双缝、丙是小圆孔
C.丙是小圆孔、丁是小圆板
D.丁是小圆孔、甲是双缝
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解析:衍射与干涉图样的区别:前者是中间亮条纹,越向两侧条纹宽度越小,后者明暗条纹宽度相等,可知甲图是双缝干涉条纹,乙图是单缝衍射条纹;根据小孔衍射与泊松亮斑的区别可知,小圆孔衍射的图样,中央较大的区域内是亮的,周围是明暗相间的圆环,可知丙是小圆孔衍射,丁是小圆板衍射,所以C正确。
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8.如图所示,A、B为两偏振片,一束自然光沿OO′方向射向A,此时在光屏C上透射光的强度最大,则下列说法中正确的是( )
A.此时A、B的透振方向垂直
B.只有将B绕OO′轴顺时针旋转90°,屏上透射光的强度才会最弱,几乎为零
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C.将A或B绕OO′轴旋转90°,屏上透射光的强度最弱,几乎为零
D.将A沿顺时针旋转180°,屏上透射光的强度最弱,几乎为零
解析:当A、B两偏振片的透振方向平行时,光屏上的光强度最大;当二者透振方向垂直时,光屏上的光强度最小,几乎为零。由此可知C选项正确。
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9.(2024·北京顺义月考)下列说法不正确的是( )
A.戴上特制眼镜看3D电影有立体感是利用了光的偏振原理
B.雨后公路积水表面漂浮的油膜看起来是彩色的,这是光的折射现象
C.对于同一障碍物,波长越大的光波越容易绕过去
D.激光照到VCD机、CD机或计算机的光盘上,可以读取盘上的信息,是利用激光平行度好的特性
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解析:戴上特制眼镜看3D电影有立体感是利用了光的偏振原理,故A正确;
雨后公路积水表面漂浮的油膜看起来是彩色的,这是光的薄膜干涉现象,故B错误;
根据衍射条件知对于同一障碍物,波长越大的光波越容易绕过去,故C正确;
激光照到VCD机、CD机或计算机的光盘上,可以读取盘上的信息,是利用激光平行度好的特性,故D正确。本题要求选不正确的,故选B。
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B级——综合应用
10.(2024·常州高二检测) 下列说法正确的是( )
A.彩虹由外到内顺序从红到紫,对应光的波长从长到短
B.泊松亮斑反映了光的干涉性
C.小孔成像现象说明当孔足够小,光线经过小孔时将发生明显衍射现象,形成物像
D.光的偏振现象说明光是纵波
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解析: 彩虹的产生是因为复色光遇到空气中的小水滴发生折射,红光波长最长,折射率最小,所以偏折最小,紫光波长最短,折射率最大,偏折最大,故A正确;
泊松亮斑反映了光的衍射性,故B错误;
小孔成像利用的是光沿直线传播,并不是光的衍射,故C错误;
光的偏振现象说明光是横波,故D错误。
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11.小红利用图1所示的装置,观察红光的干涉、衍射现象,其中P是光学元件,且P到光屏的距离恒定,通过实验在光屏上得到了图2所示甲、乙、丙、丁四种图样。下列说法正确的是( )
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A.甲对应的P是双缝,双缝间距较大
B.乙对应的P是双缝,双缝间距较大
C.丙对应的P是单缝,缝的宽度较宽
D.丁对应的P是单缝,缝的宽度较窄
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丙图样和丁图样的条纹是平行不等距的,则为衍射条纹,则丙和丁对应的P是单缝,因丙图样的衍射现象较丁更明显,可知丙对应的单缝的宽度较窄,选项C、D错误。
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12.(2024·宜兴高二统考)如图所示为某城市上空的“超级月亮”夜景照片。下列关于光现象说法正确的是( )
A.在照相机镜头前加装偏振滤光片拍摄“超级月亮”时可使景象更清晰
B.偏振是纵波特有的现象,光导纤维传递信号利用了光的偏振原理
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C.十字路口交通信号灯的三种色光中,红光波长最短,最不易发生明显衍射
D.自然界中某些天然物体也可以发出激光,激光不能发生衍射现象
解析:在照相机镜头前加装偏振滤光片拍摄“超级月亮”时,可减弱反射光,从而使景象更清晰,A正确;
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偏振现象是横波的特征,纵波无偏振现象,光导纤维利用了光的全反射原理,B错误;
交通信号灯采用的红黄绿三种色光中,红光波长最长,最易发生明显衍射,C错误;
激光是用人工方法激发的一种特殊的光,激光是一种电磁波,只要是波就能发生衍射现象,D错误。
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13.如图所示是一种利用温度敏感光纤测量物体温度的装置,一束偏振光射入光纤,由于温度的变化,光纤的长度、芯径、折射率发生变化,从而使偏振光的偏振方向发生变化,光接收器接收的光强度就会变化,已知起偏器与检偏器的透振方向相同。关于这种温度计的工作原理,正确的说法是( )
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A.到达检偏器的光的偏振方向变化越大,光接收器所接收的光强度就会越小,表示温度变化越小
B.到达检偏器的光的偏振方向变化越小,光接收器所接收的光强度就会越小,表示温度变化越小
C.到达检偏器的光的偏振方向变化越小,光接收器所接收的光强度就会越大,表示温度变化越小
D.到达检偏器的光的偏振方向变化越大,光接收器所接收的光强度就会越大,表示温度变化越大
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解析:光源发出的光经过起偏器之后成为偏振光,若光纤的温度不发生变化,则偏振光的偏振方向不发生变化,偏振光的偏振方向与检偏器的透振方向相同,也就是说光接收器所接收的光强度最强。若被测物体的温度发生了变化,会导致光纤的长度、芯径、折射率发生变化,从而使偏振光的偏振方向发生变化,根据光的偏振知识可知,到达检偏器的光的偏振方向变化越大,光接收器所接收的光强度就会越小,表示温度变化越大,反之亦然,因此选项C正确。
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14.某同学利用如图所示的装置研究一些光学现象。已知激光源发出的激光是偏振光,下列关于该装置和相关现象的说法正确的是( )
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A.激光源发出的激光相位差不恒定
B.若在缝屏上先、后安装透振方向水平和竖直的偏振片,照射到光屏上的光强度一定不变
C.若在缝屏上安装的是双缝,光屏上得到的是明暗相间等距的条纹,且增大双缝间距条纹变宽
D.若在缝屏上安装的是单缝,光屏上得到的是中间宽、两侧窄的明暗相间的条纹,且单缝变窄中央亮条纹变宽
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解析:激光源发出的激光相位差恒定,故A错误;
若在缝屏上先、后安装透振方向水平和竖直的偏振片,由于偏振片只允许一个方向的激光通过,所以照射到光屏上的光强度一定变化,故B错误;
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若在缝屏上安装的是单缝,光通过单缝时发生衍射,光屏上得到的是中间宽、两侧窄的明暗相间的条纹,当孔径或障碍物的尺寸小于波长或与波长相差不大时衍射现象明显,所以单缝变窄时衍射现象明显,中央亮条纹变宽,故D正确。
阶段质量评价(四)
(单击进入电子文档)
模块综合检测
(单击进入电子文档)
解析:甲图样和乙图样的条纹都是平行等距的,则是干涉条纹,则甲和乙对应的P是双缝,根据Δx=λ可知,甲图样的条纹间距较小,则甲对应的双缝间距较大,选项A正确,B错误;
若在缝屏上安装的是双缝,光屏上得到的是明暗相间等距的条纹,增大双缝间距时,由Δx=λ可知条纹变窄,故C错误;
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