内容正文:
光的干涉、衍射和偏振
第二讲
1
课前
2
逐点清(一) 光的干涉现象
CONTENTS
目录
4
逐点清(三) 光的偏振现象
5
课时跟踪检测
3
逐点清(二) 光的衍射现象
课 前
精要回顾
频率
相位差
(2k+1)
白色
λ
(1)只有频率相同的两列光波才能产生干涉。 ( )
(2)(人教选择性必修2 P99“科学漫步”·改编)光的干涉和衍射现象,这是光的波动特征。( )
(3)在双缝干涉实验中,双缝的作用是使白光变成单色光。( )
(4)阳光下茂密的树荫中地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的。( )
微点判断
√
√
×
×
(5)(2024·浙江1月选考T14D)自然光经玻璃表面反射后,透过偏振片观察,转动偏振片时可观察到明暗变化。 ( )
(6)(2023·河北高考T2C)制造某型芯片所使用的银灰色硅片覆上一层厚度均匀的无色透明薄膜后,在自然光照射下硅片呈现深紫色。此现象是薄膜上下表面的反射光发生了干涉。( )
(7)当光照到不透明的半径很小的圆盘上时,在圆盘阴影的中心有一个亮斑。( )
√
√
√
逐点清(一) 光的干涉现象
√
类型1 光的双缝干涉
1.(2023·江苏高考)用某种单色光进行双缝干涉实验,在屏上观察到的干涉条纹如图甲所示,改变双缝间的距离后,干涉条纹如图乙所示,图中虚线是亮纹中心的位置。则双缝间的距离变为原来的( )
A.倍 B.倍
C.2倍 D.3倍
解析:根据双缝干涉的条纹间距与波长关系有Δx=λ,由题图知Δx乙=2Δx甲,则d乙=d甲,故选B。
2.如图所示,用频率为f的单色光(激光)垂直照射双缝,在光屏的P点出现第3条暗条纹,已知光速为c,则P点到双缝S1、S2的距离之差|r1-r2|应为 ( )
A. B.
C.D.
√
解析:出现第3条暗条纹,说明S1、S2到P点距离之差为(2n-1)=(2×3-1)=λ,而λ=,所以|r1-r2|=λ=,故D正确。
类型2 光的薄膜干涉
3.(2024·山东高考)检测球形滚珠直径是否合格的装置如图甲所示,将标准滚珠a与待测滚珠b、c放置在两块平板玻璃之间,用单色平行光垂直照射平板玻璃,形成如图乙所示的干涉条纹。若待测滚珠与标准滚珠的直径相等为合格,下列说法正确的是( )
A.滚珠b、c均合格
B.滚珠b、c均不合格
C.滚珠b合格,滚珠c不合格
D.滚珠b不合格,滚珠c合格
√
解析:单色平行光垂直照射平板玻璃,上、下玻璃上表面的反射光在上玻璃上表面发生干涉,形成干涉条纹,光程差为两块玻璃上表面间距离的两倍,根据光的干涉知识可知,同一条干涉条纹位置处光的光程差相等,即滚珠a的直径与滚珠b的直径相等,即滚珠b合格;不同的干涉条纹位置处光的光程差不同,则滚珠a的直径与滚珠c的直径不相等,即滚珠c不合格。故选C。
4.图(a)所示为研究牛顿环的装置示意图,将一曲率半径很大的平凸透镜放在一玻璃平板上,用单色激光垂直照射透镜,在透镜上方可以观察到如图(b)所示的明暗相间的同心圆环。若将下方的玻璃平板换成平凸透镜,如图(c)所示,则从上方观察到的条纹可能是 ( )
解析:凸透镜的凸球面和玻璃平板之间形成一个空气薄膜,当竖直向下的平行光射向平凸透镜时,尖劈形空气膜上、下表面反射的两束光相互叠加而产生干涉。同一半径的圆环处的空气膜厚度相同,上、下表面反射光程差相同,因此使干涉图样呈圆环状。
√
若将下方的玻璃平板换成凸面朝上的平凸透镜,即对应题图b同一亮环,这一厚度要内移,对应的牛顿亮环的半径变小,其他环半径依次变小,所以圆环半径变小,环变得密集,故B正确,A、C、D错误。
1.光的双缝干涉条纹间距的计算与判断
(1)双缝干涉形成的条纹是等间距的,两相邻亮条纹或相邻暗条纹间距离与波长成正比,即Δx=λ。
关键点拨(对应学生用书旁栏内容)
(2)亮暗条纹的判断方法:
如图所示,光源S1、S2发出的光到屏上P'点的路程差为Δr=r2-r1。
当Δr=kλ(k=0,1,2,…)时,光屏上P'处出现亮条纹。
当Δr=(2k+1)(k=0,1,2,…)时,光屏上P'处出现暗条纹。
2.薄膜干涉的理解和应用
(1)薄膜干涉的形成:薄膜的前后表面反射回来的光是同一入射光的反射光,频率相同,具有相干性。
(2)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
检查平面是平整光滑的,我们会观察到平行且
等间距的明暗相间的条纹;若被检查平面不平
整,则干涉条纹发生弯曲或间距发生变化。
逐点清(二) 光的衍射现象
1.[衍射现象的理解]
(多选)关于衍射,下列说法正确的是( )
A.光的衍射现象中条纹的出现是光叠加后产生的结果
B.双缝干涉中也存在衍射现象
C.一切波都很容易发生明显的衍射现象
D.影的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实
√
√
解析:光的衍射图样是光波的叠加现象,双缝干涉中光通过三个狭缝时均发生衍射现象,一般来说既有干涉又有衍射,A、B正确;一切波都能发生衍射,但要发生明显的衍射,需要满足障碍物的尺寸小于或接近光的波长,C错误;由光学知识可知,D错误。
2.[干涉与衍射的比较]
(多选)如图甲所示,等腰△ABC为一棱镜的横截面,AB=AC;一平行于BC边的细光束从AB边射入棱镜,在BC边经过一次反射后从AC边射出,出射光分成了不同颜色的Ⅰ、Ⅱ两束光。图乙是这两束光分别通过相同的双缝和单缝装置后形成的图样,下列说法正确的是( )
A.Ⅰ光的波长比Ⅱ光的长
B.Ⅰ光在棱镜中的传播速度比Ⅱ光的小
C.图乙中a是Ⅱ光的干涉图样
D.图乙中c是Ⅰ光的衍射图样
√
√
解析:由折射定律可得,Ⅱ光的折射角小,折射率大,所以Ⅱ光的频率大,波长短,故A正确;由n=得,Ⅰ光在棱镜中的传播速度比Ⅱ光的大,故B错误;干涉条纹间距与波长成正比,Ⅱ光的波长短,故题图乙中a是Ⅰ光的干涉图样,故C错误;衍射图样中央亮条纹宽度与波长成正比,故题图乙中c是Ⅰ光的衍射图样,故D正确。
3.[圆孔衍射]
单色光分别入射到直径为dA和dB的圆孔,形成如图所示的图A和图B,由图可知( )
A.图A是衍射图像,dA<dB
B.图A是干涉图像,dA>dB
C.图B是衍射图像,dA<dB
D.图B是干涉图像,dA>dB
√
解析:题图A中出现的是明暗相间的圆环,是明显的衍射现象,孔的直径较小;题图B出现圆形亮斑,没有明显的衍射现象是因为孔的直径较大,光沿直线传播,所以题图A所对应的圆孔的直径小于题图B所对应的圆孔的直径,即dA<dB,故A正确,B、C、D错误。
4.[小圆板衍射]
一束激光照在很小的圆盘上,在屏上观察到如图所示的图样,在阴影中心有一个亮斑,这就是著名的“泊松亮斑”。下列说法正确的是( )
A.圆盘中心有个小孔,这是光的衍射现象
B.圆盘中心有个小孔,这是光的干涉现象
C.圆盘中心是不透光的,这是光的衍射现象
D.圆盘中心是不透光的,这是光的干涉现象
√
解析:当用激光照射直径接近或小于激光的波长的不透明圆盘时,在圆盘后屏上的阴影中心出现了一个亮斑,这就是泊松亮斑,说明光线偏离原来的直线方向传播,是激光绕过不透光的圆盘发生衍射现象形成的,A、B、D错误,C正确。
1.对光的衍射的理解
(1)波长越长,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,光才可以看作是沿直线传播的。
关键点拨(对应学生用书旁栏内容)
2.单缝衍射与双缝干涉的比较
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
亮度情况 中央条纹最亮,两边变暗 条纹清晰,亮度基本相同
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
3.圆孔衍射与小圆板衍射
要发生明显的衍射现象,小孔或小圆板的直径应接近或小于光的波长。
逐点清(三) 光的偏振现象
1.[自然光与偏振光的比较]
关于自然光和偏振光,以下说法正确的是( )
A.自然光包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光,但是沿各个方向振动的光波的强度可以不同
B.自然光透过一个偏振片后就成为偏振光,偏振光经过一个偏振片后又还原为自然光
C.垂直于传播方向上,只沿着某一特定方向振动的光是偏振光
D.太阳、电灯等普通光源发出的光都是偏振光
√
解析:自然光沿各振动方向的光波的强度相同,故A错误;自然光透过偏振片后成为偏振光,偏振光透过偏振片后不能还原为自然光,故B错误;根据偏振光的特点可知,偏振光在垂直于传播方向上,只沿某一特定方向振动,故C正确;太阳、电灯等普通光源发出的是非偏振光,故D错误。
2.[偏振片的作用]
(多选)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光为自然光
B.图中a光为偏振光
C.图中b光为偏振光
D.以SP为轴将B转过180°后,在P处将看到光亮
√
√
解析:自然光在垂直于传播方向的平面内沿各个方向振动的光是均匀分布的,通过偏振片后,偏振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,它通过A偏振片后,即变为偏振光,则B错误,A、C正确;设通过A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,D错误。
3.[光的偏振的应用]
(多选)利用旋光仪这种仪器可以用来测量糖溶液的浓度,从而测定含糖量。其原理是:偏振光通过糖的水溶液后,若迎着射来的光线看,偏振方向会以传播方向为轴线,旋转一个角度θ,这一角度称为“旋光角”,θ的值与糖溶液的浓度有关。将θ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,则下列说法中正确的是( )
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
的强度最大,偏振片B转过的角度等于θ
D.将偏振片A转动一个角度,使得O处光的强度最大,偏振片A转过的角度等于θ
√
√
√
解析:偏振光通过糖的水溶液后,若迎着射来的光线看,偏振方向会以传播方向为轴线,旋转一个角度θ,所以到达O处光的强度会明显减弱,故A正确,B错误;将偏振片A或B转动一个角度,使得O处光的强度最大,偏振片A或B转过的角度等于θ,故C、D正确。
1.自然光与偏振光的比较
关键点拨(对应学生用书旁栏内容)
类别 自然光(非偏振光) 偏振光
光的
来源 从普通光源发出的光 自然光通过起偏器后的光
光的
振动
方向 在垂直于光的传播方向的平面内,光的振动沿任意方向,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,光的振动沿特定方向
2.偏振光的应用:加偏振滤光片的照相机镜头、液晶显示器、立体电影、消除车灯眩光等。
数智赋能:随堂加训,灵活选用
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1.利用微距相机可以拍摄到形状各异的雪花图像(图甲),其中有一种“彩虹”雪花,中间部分有一个夹有空气的薄冰层,呈彩色花纹(图乙),这是由于 ( )
A.光的干涉 B.光的衍射
C.光的偏振 D.小孔成像
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解析:薄冰中间所夹的空气薄层相当于一层薄膜,光在此空气薄层上形成薄膜干涉,呈现彩色花纹,A正确。
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2.(2024·江苏高考)用立体影院的特殊眼镜去观看手机液晶屏幕,左镜片明亮,右镜片暗,现在将手机屏幕旋转90°,会观察到 ( )
A.两镜片都变亮
B.两镜片都变暗
C.两镜片没有任何变化
D.左镜片变暗,右镜片变亮
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解析:用立体影院的特殊眼镜去观看手机液晶屏幕,左镜片明亮,右镜片暗,说明左镜片的透振方向和光的偏振方向相同,右镜片的透振方向和光的偏振方向垂直。当手机屏幕旋转90°时,左镜片的透振方向与光的偏振方向垂直,则左镜片变暗,右镜片的透振方向与光的偏振方向相同,则右镜片变亮,故D正确,A、B、C错误。
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3. (2025年1月·八省联考内蒙古卷)增透膜被广泛应用于各种光学透镜。如图,入射光1以接近法线方向入射镀膜镜片,反射光2和3在P处相干减弱,则2和3在P处的光振动图像可能为 ( )
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解析:由于反射光2和3在P处相干减弱,则它们的相位差是π,即它们是反相的,因此当一个光波到达波峰时,另一个光波到达波谷,故C正确,A、B、D错误。
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4.(2024·黑吉辽高考)某同学自制双缝干涉实验装置:在纸板上割出一条窄缝,于窄缝中央沿缝方向固定一根拉直的头发丝形成双缝,将该纸板与墙面平行放置,如图所示。用绿色激光照射双缝,能够在墙面上观察到干涉条纹。下列做法可以使相邻两条亮条纹中心间距变小的是 ( )
A.换用更粗的头发丝
B.换用红色激光照射双缝
C.增大纸板与墙面的距离
D.减小光源与纸板的距离
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解析:相邻两条亮条纹中心间距公式Δx=λ,换用更粗的头发丝,则双缝间距d增大,Δx变小,A正确;换用红色激光照射双缝,即光的波长λ增大,Δx变大,B错误;增大纸板与墙面的距离,即l增大,Δx变大,C错误;减小光源与纸板的距离,Δx不变,D错误。
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5.如图,波长为λ的单色光,照射到间距为d的双缝上,双缝到屏的距离为l,屏上观察到明暗相间的条纹。现将屏向右平移l,则移动前和移动后,屏上两相邻亮条纹中心的间距之比为( )
A.4∶3 B.3∶4
C.4∶5 D.5∶4
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解析:移动前屏上两相邻亮条纹中心的间距Δx1=λ,移动后屏上两相邻亮条纹中心的间距Δx2=λ,移动前后屏上两相邻亮条纹中心的间距之比为Δx1∶Δx2=4∶5,故选C。
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6.(2025·黄山期中检测)(多选)如图甲所示,将一个凸透镜的弯曲表面放置在另一个玻璃平面上,让单色光从上方射入,这时可以看到如图乙所示的亮暗相间的同心圆,这个现象是牛顿首先发现的,这些同心圆叫作牛顿环。对于图甲所示的装置,下列做法中能使得同一级牛顿环的半径变大的是 ( )
A.对凸透镜施加一极小的向下的压力
B.对凸透镜施加一极小的向上的拉力
C.使用波长更长的单色光照射
D.使用波长更短的单色光照射
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解析:根据薄膜干涉产生的原理,可知当薄膜厚度的2倍等于单色光波长的整数倍时,在薄膜的上表面会出现亮条纹,当薄膜厚度的2倍等于单色光半波长的奇数倍时,在薄膜上表面会出现暗条纹;对凸透镜施加一极小的向下的压力,会使凸透镜的曲率半径变大,薄膜厚度增加变慢,所以干涉条纹间距会变宽;若单色光的波长更长时,相邻条纹间距会变宽。故选A、C。
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7.在如图所示的双缝干涉实验中,使用波长λ为600 nm的橙色光照射,在光屏中心P0点呈现亮条纹。若P0点上方的P点到S1、S2的路程差恰为λ,现改用波长λ'为400 nm的紫光照射,则 ( )
A.P0和P都呈现亮条纹
B.P0为亮条纹,P为暗条纹
C.P0为暗条纹,P为亮条纹
D.P0和P都呈现暗条纹
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解析:由题意可知,PS2-PS1=λ=λ',故当改用紫光照射时,光到P点的路程差为半波长的奇数倍,P为暗条纹,P0仍为亮条纹,B正确。
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8.(2025·广东江门模拟)如图所示的甲、乙、丙、丁四幅图均来自物理课本,下列说法正确的是 ( )
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A.图甲为同一装置产生的双缝干涉图像,b光的频率大于a光
B.图乙中立体电影原理和照相机镜头表面涂上增透膜的原理一样
C.图丙中“水流导光”反映了光的衍射现象
D.若只旋转图丁中M或N一个偏振片,光屏P上的光斑亮度不发生变化
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解析:题图甲为同一装置产生的双缝干涉图像,根据Δx=λ,因b光的条纹间距比a光的小,可知b光的波长小于a光,b光的频率大于a光,选项A正确;题图乙中立体电影原理是光的偏振,而照相机镜头表面涂上增透膜的原理是光的干涉,两者原理不同,选项B错误;题图丙中“水流导光”反映了光的全反射现象,选项C错误;若只旋转题图丁中M或N一个偏振片,则一个偏振片的偏振方向发生变化,则光屏P上的光斑亮度会发生变化,选项D错误。
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9.增透膜是一种表面镀层,它利用光的干涉原理减少反射光来增加光在表面的透过率。某同学的眼镜片镀有一层材料为氟化镁的增透膜,反射光呈现蓝紫色,已知绿光的频率为5.45×1014 Hz,在真空中的波速为3×108 m/s,氟化镁对绿光的折射率为1.38,为增加绿光的透过率,该增透膜的最小厚度约为 ( )
A.100 nm B.200 nm
C.300 nm D.400 nm
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解析:由于人眼对绿光最敏感,所以通常所用的光学仪器其镜头表面所涂的增透膜的厚度只使反射的绿光干涉相消,薄膜的厚度不宜过大,只需使其厚度为绿光在膜中波长的,使绿光在增透膜的前、后两个表面上的反射光互相抵消。光从真空进入某种介质后,其波长会发生变化,若绿光在真空中的波长为λ0,在增透膜中的波长为λ,由n==,得λ=,解得增透膜厚度d=λ==1×10-7 m=100 nm,故A正确。
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10.(2025·山东模拟)(多选)如图所示,A、B两束不同颜色的光在同一平面内以相同入射角射入厚度为L的玻璃砖,入射点间的距离为d,两束光恰好在玻璃砖下边沿交于一点,现增加玻璃砖厚度,使两束光在下边沿的出射位置间的距离等于。则( )
A.A光的频率较大
B.B光在玻璃砖中传播的速度小
C.两束光能在交点产生干涉现象
D.玻璃砖厚度增加了
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解析:两列光入射角相同,而A光的折射角较大,由折射定律可知,玻璃砖对A光的折射率较小,则A光的频率较小,故A错误;因nA<nB,由v=可知,则vA>vB,即B光在玻璃砖中的传播速度小,故B正确;两束光频率不同,则不会在交点产生干涉现象,故C错误;由相似三角形可得,玻璃砖厚度增加了,故D正确。
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11.(2025·福建泉州模拟)(多选)如图甲为用干涉法检查玻璃平板b是否平整的装置。将标准玻璃样板a放置在b之上,在一端夹入两张纸片。当红光垂直入射后,从上往下看到的条纹如图乙所示,b板上表面P点附近条纹向左侧弯曲,则 ( )
A.P点有凹陷
B.P点有凸起
C.换用绿光照射,条纹间距变大
D.抽去一张纸片,条纹间距变大
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解析:薄膜干涉是等厚干涉,即明条纹处空气膜的厚度相同,从弯曲的条纹可知,P点附近条纹向左侧弯曲,亮条纹间距变小,说明高度差变大,可知P点有凹陷,故A正确,B错误;设空气劈尖的顶角为θ,则有sin θ=,可得相邻条纹间距为Δx=,换用绿光照射,由于绿光的波长小于红光的波长,则条纹间距变小;若抽去一张纸片,则θ变小,sin θ变小,条纹间距变大,故C错误,D正确。
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12.如图所示,将附有一层肥皂液膜的圆形铁丝圈竖直放置在红色光源的右侧,人在与光源同侧的位置观察液膜,下列说法正确的是 ( )
A.若将该装置放在地球表面上观察,可看到竖直直条纹
B.若将该装置放在空间站上观察,可看到水平直条纹
C.若该装置在地球表面观察到的水平直条纹的间距为Δx1,
在月球表面观察到的水平直条纹的间距为Δx2,则Δx1<Δx2
D.若将红色光源换为蓝色光源,在地球表面观察到的水平直条纹的间距将增大
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解析:单色光在光程差相同的位置干涉连成的线会形成条纹,当肥皂液膜竖直放置时,单色光垂直照射肥皂液膜上,在前、后两面反射回来的两束光相互叠加,产生干涉,形成干涉条纹,若将该装置放在地球上观察,由于重力作用,在高度相等的位置的光程差相同,故可看到水平直条纹,故A错误;若将该装置放在空间站观察,由于处于完全失重状态,肥皂液膜厚度均匀,所以观察不到干涉条纹,故B错误;因为地球表面的重力加速度大于月球表面的重力加速度,
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该装置在地球表面薄膜上下厚度相差更大,该装置在地球表面观察到的水平条纹间距为Δx1,在月球表面观察到的水平直条纹间距为Δx2,则Δx1<Δx2,故C正确;若将光源换为蓝色光源,因为波长变短,所以在地球表面观察,可看到水平直条纹的间距将减小,故D错误。
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13.(2024·广西高考)(多选)如图,S为单色光源,S发出的光一部分直接照在光屏上,一部分通过平面镜反射到光屏上。从平面镜反射的光相当于S在平面镜中的虚像发出的,由此形成了两个相干光源。设光源S到平面镜和到光屏的距离分别为a和l,a≪l,镜面与光屏垂直,单色光波长为λ。下列说法正确的是 ( )
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A.光屏上相邻两条亮条纹的中心间距为λ
B.光屏上相邻两条暗条纹的中心间距为λ
C.若将整套装置完全浸入折射率为n的蔗糖溶液中,此时单色光的波长变为nλ
D.若将整套装置完全浸入某种透明溶液中,光屏上相邻两条亮条纹的中心间距为Δx,则该液体的折射率为λ
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解析:根据光的反射的对称性可知,光源S与平面镜中的虚像距离为2a,根据双缝干涉相邻亮(暗)条纹中心间距公式可知Δx'=λ=λ,故A正确,B错误;若将整套装置完全浸入折射率为n的蔗糖溶液中,光的频率不变,根据λf=c,v=λ1f=,其中c为在真空中的光速,则λ1=,故C错误;若将整套装置完全浸入某种透明溶液中,光屏上相邻两条亮条纹的中心间距为Δx,根据双缝干涉相邻亮(暗)条纹中心间距公式有Δx=λ2,可得λ2=,结合C选项的分析可知λ2==,所以n'=λ,故D正确。
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