2017-2018學年高中物理 專題4 光的干涉 衍射 折射中的色散學案 教科版選修3-4

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1、 專題4 光的干涉 衍射 折射中的色散 一、光的干涉 1．產生干涉的條件：兩列頻率相同、相位差恒定、振動情況相同的光． 2．產生亮、暗條紋的條件：當Δr＝kλ時出現亮條紋；當Δr＝(2k＋1)時出現暗條紋(其中k＝0,1,2……)． 相鄰亮(或暗)條紋間距：Δx＝λ. 3．雙縫干涉圖樣的特點：單色光照射時為間距相同的明暗相間的條紋，白光照射時為彩色條紋． 4．雙縫干涉法測量光的波長：由相鄰亮(或暗)條紋間距Δx＝λ得λ＝. 5．薄膜干涉 (1)薄膜干涉中的條紋是從薄膜前、后兩個表面反射的光在光源這一側干涉形成的． (2)同一條紋上的點厚度相同，所以若用肥皂薄膜做實驗，條紋為

2、橫條紋． [復習過關] 1．(多選)關于雙縫干涉條紋，以下說法中正確的是(　　) A．用同一單色光做雙縫干涉實驗，能觀察到明暗相間的單色條紋 B．用同一單色光經雙縫干涉后的亮條紋距兩縫的距離之差為該單色光波長的整數倍 C．用同一單色光經雙縫干涉后的亮條紋距兩縫的距離之差一定為該單色光波長的奇數倍 D．用同一單色光經雙縫干涉后的暗條紋距兩縫的距離之差一定為該單色光半波長的奇數倍 解析　同一單色光的干涉條紋為明暗相間的單色條紋，選項A正確；路程差Δr＝kλ(k＝0,1,2,3…)時，為亮條紋，選項B正確，C錯誤；Δr＝λ(k＝0,1,2,3…)時，為暗條紋，選項D正確． 答案　AB

3、D 2．(多選)一束平行光照射在雙縫上，在縫后屏上得到干涉條紋，下列說法中正確的是(　　) A．增大雙縫到屏的距離，條紋間距變大 B．入射光波長變短，光強不變，條紋間距不變 C．入射光頻率變化時條紋間距跟著變化 D．在水里做雙縫干涉實驗，同樣條件下的條紋間距會變化 解析　根據Δx＝λ可得增大雙縫的屏的距離l，條紋間距變大，故A正確；入射光的強度與入射光的波長無關，故入射光的強度不變，但波長變短時，條紋間距減小，故B錯誤；入射光的頻率改變時，入射光的波長就發(fā)生改變，則條紋間距會隨之發(fā)生改變，故C正確；在水里做雙縫干涉實驗，使光的傳播速度變小，由于光的頻率不變，故波長變小，所以條件間距

4、變小，故D正確． 答案　ACD 3．在“用雙縫干涉測量光的波長”的實驗中，裝置如圖1所示．雙縫間的距離d＝3 mm. 圖1 (1)若測量紅光的波長，應選用________色的濾光片．實驗時需要測定的物理量有________和________． (2)若測得雙縫與屏之間的距離為0.70 m，通過測量頭(與螺旋測微器原理相似，手輪轉動一周，分劃板前進或后退0.500 mm)觀察第1條亮條紋的位置如圖2甲所示，觀察第5條亮條紋的位置如圖乙所示．則可求出紅光的波長λ＝________m. 圖2 解析　(1)要測量紅光的波長，應用紅色濾光片．由Δx＝λ可知要想測λ必須測定雙縫到屏的

5、距離l和條紋間距Δx. (2)由測量頭的數據可知a1＝0，a2＝0.640 mm， 所以Δx＝＝ mm＝1.60×10－4 m， λ＝＝ m≈6.86×10－7 m. 答案　見解析 二、光的干涉與衍射的辨析 光的干涉與衍射都可以得到明暗相間的色紋，都有力地證明了光的波動性． 1．光的干涉強調了兩個或多個光束的疊加．例如從楔形肥皂膜上觀察到的鈉黃光的明暗相間條紋，或從水面油膜上觀察到的彩色條紋，就屬這類情況，從薄膜的前后表面反射出來的光就是相干光． 2．光的衍射現象強調了光偏離直線傳播的現象．例如從小孔觀察點光源或從狹縫觀察線光源就屬這種情況．光經過小孔或狹縫產生非直線傳播的現象

6、，此時便可在光屏上形成明暗相間的條紋． 3．干涉條紋與衍射條紋也是有區(qū)別的，以狹縫為例，干涉條紋是相互平行、等距(寬度相同)的；而衍射條紋是平行而不等距的，中間最寬，兩邊條紋寬度逐漸變窄． 4．光的干涉和衍射，都證明了光的波動性，只有波才可以發(fā)生干涉和衍射現象． 5．光的干涉和衍射有一定的聯(lián)系，光的雙縫干涉中就有光的衍射． [復習過關] 4．如圖3所示為紅光或紫光通過雙縫或單縫所呈現的圖樣，則(　　) 圖3 A．甲為紫光的干涉圖樣 B．乙為紫光的干涉圖樣 C．丙為紅光的干涉圖樣 D．丁為紅光的干涉圖樣 解析　對于干涉條紋，亮條紋和暗條紋在比較多的條數之內都保持寬度相等

7、，且波長越大，條紋越寬，對于衍射條紋，條紋寬度中間大，兩邊逐漸減小，由于紅光波長大于紫光波長，故紅光條紋比紫光條紋寬，因此甲是紅光干涉圖樣，乙是紫光干涉圖樣，丙是紅光衍射圖樣，丁是紫光衍射圖樣，故選項B對，A、C、D錯． 答案　B 5．(多選)下面有關光的干涉現象的描述中，正確的是(　　) A．在光的雙縫干涉實驗中，將入射光由綠光改為紫光，則條紋間隔變寬 B．白光經肥皂膜前后表面反射后，反射光發(fā)生干涉形成彩色條紋 C．在光的雙縫干涉實驗中，若縫S1射入綠光，S2射入紫光，則條紋是彩色的 D．光的干涉現象說明光具有波動性 解析　根據雙縫干涉條紋的間距公式Δx＝λ，紫光的波長比綠光短

8、，所以條紋間隔變窄，故A錯誤；白光是復色光，不同的色光波長不一樣，當兩列光的路程差等于半波長的偶數倍，出現亮條紋，當路程差是半波長的奇數倍，出現暗條紋，所以白光經肥皂膜前后表面反射后，反射光發(fā)生干涉形成彩色條紋，故B正確；干涉的條件是兩列光頻率相同，不同頻率的光不能發(fā)生干涉，故C錯誤；光的干涉現象說明光是一種波，故D正確． 答案　BD 6．某同學自己動手制作如圖4所示的裝置觀察光的干涉現象，其中A為單縫屏，B為雙縫屏，整個裝置位于一暗箱中，實驗過程如下： 圖4 (1)該同學用一束太陽光照射A屏時，屏C上沒有出現干涉條紋；移去B后，在屏上出現上不等間距條紋，此條紋是由于_______

9、_產生的． (2)移去A后，遮住縫S1或縫S2中的任意一個，C上均出現一窄亮斑．出現以上實驗結果的主要原因是________． 解析　(1)移去B后只剩下單縫，故發(fā)生單縫衍射形成條紋，故此條紋是由于光的衍射產生的． (2)沒有出現條紋而只出現一個窄亮斑，說明衍射現象不明顯，故主要原因是雙縫S1、S2太寬． 答案　(1)光的衍射　(2)雙縫S1、S2太寬 三、折射中的色散 1．同一介質對不同色光的折射率不同，對紅光的折射率最小，對紫光的折射率最大． 2．由n＝可知，各種色光在同一介質中的光速不同，紅光速度最大，紫光速度最?。? 3．同一頻率的色光在不同介質中傳播時，頻率不變，該色光

10、在介質中的傳播速度為v＝＝λf，波長隨之改變． 4．光的頻率f越大，同一介質對光的折射率越大． [復習過關] 7．(多選)如圖5所示，兩束不同的單色光P和Q，以適當的角度射向半圓形玻璃磚，其出射光線都是從圓心O點沿OF方向射出，則下面說法正確的是(　　) 圖5 A．P光束在玻璃磚中的折射率大 B．Q光束的頻率比P光束的頻率大 C．P光束穿出玻璃磚后頻率變大 D．Q光束穿過玻璃磚所需時間長 解析　根據折射定律知Q相對P偏折更多，故Q光束在玻璃磚中的折射率更大，Q光束的頻率更大，由于兩光束在玻璃磚中的路程相等，v＝，Q光束速率小，穿過的時間長，P、Q光束從玻璃磚進入空氣中時，

11、頻率不變，波長會變長． 答案　BD 8．(多選)如圖6所示，一束復色光從空氣中沿半圓形玻璃磚半徑方向射入，從玻璃磚射出后分成a、b兩束單色光．則(　　) 圖6 A．玻璃磚對a光的折射率為 B．b光的頻率比a光的頻率大 C．b光在玻璃中的傳播速度比a光在玻璃中的傳播速度大 D．讓a、b通過同一條狹縫，a光衍射現象較明顯 解析　a光的折射率n＝＝，故A對；由題圖可知，a光的偏折程度比b光的小，所以a光的折射率小，頻率也小，由n＝可得v＝，a光在玻璃中的傳播速度比b光的大，故B對，C錯；a光頻率小，波長長，所以衍射現象更明顯，D正確． 答案　ABD 9．ABC為一全反射棱鏡，

12、它的橫截面是等腰直角三角形，如圖7所示．一束白光垂直入射到AC面上，在AB面上發(fā)生全反射，若光線入射點O的位置保持不變，改變光線的入射方向(不考慮自BC面反射的光線)，則： 圖7 (1)使入射光按圖中所示的順時針方向逐漸偏轉，如果有色光自AB面射出，則哪種色光首先射出？ (2)使入射光按圖中所示的逆時針方向逐漸偏轉，哪種色光首先自AB面射出？ 解析　(1)白光垂直入射AC面后直線射到AB面，入射角為45°，發(fā)生全反射說明棱鏡的臨界角C≤45°，這是對從紅光到紫光的所有色光說的．當入射光順時針偏轉時，在AC面上發(fā)生色散，不同色光偏折不同，紅光偏折小，紫光偏折大．如圖所示，射到AB面上

13、時紅光入射角小，紫光入射角大，但它們都小于45°，另一方面，棱鏡對紅光的臨界角比紫光的臨界角大．因此，入射光線順時針逐漸偏轉時，在AB面上紅光的入射角將首先小于臨界角而射出AB面． (2)如果入射光逆時針偏轉，則射到AB面上的紅光、紫光的入射角都大于45°，都發(fā)生全反射而不可能從AB面射出． 答案　(1)紅光　(2)沒有光從AB面射出 10．發(fā)出白光的細線光源ab，長度為l0，豎直放置，上端a恰好在水面以下，如圖8所示．現考慮線光源ab發(fā)出的靠近水面法線(圖中的虛線)的細光束經水面折射后所成的像，由于水對光有色散作用，若以l1表示紅光成的像的長度，l2表示藍光成的像的長度，則(　　) 圖8 A．l1l2>l0 C．l2>l1>l0 D．l2