高中物理光的波动实验详解习题.docxVIP

光的本性是物理学中一个经典且深刻的议题。从牛顿的“微粒说”到惠更斯的“波动说”，再到后来的波粒二象性，人类对光的认识经历了漫长而曲折的探索。在高中物理范畴内，光的波动性主要通过干涉、衍射和偏振等实验现象来揭示。这些实验不仅验证了光的波动特性，更为后续理解电磁波、量子物理等奠定了基础。本文将详细剖析高中阶段几个核心的光的波动实验，并结合典型习题进行深入解析，帮助同学们夯实基础，提升分析与解决问题的能力。

一、杨氏双缝干涉实验：光的波动性的有力证明

杨氏双缝干涉实验是历史上首次有力证明光具有波动性的实验，其构思巧妙，现象直观，蕴含着丰富的物理思想。

（一）实验原理与装置

托马斯·杨在19世纪初设计了这一实验：让一束单色光（如激光或通过滤光片的太阳光）通过一个狭缝S，形成一束线光源。这束光再通过两个相距很近的平行狭缝S?和S?，S?和S?就成为了两个振动情况完全相同的相干光源。当这两列光波在空间相遇时，就会发生干涉现象。在双缝后面的接收屏上，可以观察到一系列等间距、明暗相间的平行条纹，即干涉条纹。

产生干涉的条件是两列光的频率相同、振动方向相同、相位差恒定。杨氏双缝巧妙地利用了同一光源分波前的方法获得了相干光，成功避开了普通光源难以满足相干条件的难题。

（二）实验现象与规律分析

1.明暗条纹的形成条件：

*亮条纹：当两列光波到达屏上某点的光程差等于波长的整数倍（即δ=±kλ，k=0,1,2,...）时，该点的振动加强，出现亮条纹。其中k=0时为中央亮条纹（零级亮纹），k=1,2,...依次为第一级、第二级...亮条纹。

*暗条纹：当两列光波到达屏上某点的光程差等于半波长的奇数倍（即δ=±(2k+1)λ/2，k=0,1,2,...）时，该点的振动减弱，出现暗条纹。

2.条纹间距公式：

在双缝间距d远小于双缝到屏的距离L（dL）的情况下，相邻两条亮条纹（或暗条纹）中心之间的距离Δx可以用以下公式近似表示：

Δx=Lλ/d

其中，λ为入射光的波长，L为双缝到光屏的距离，d为双缝间距。

这个公式表明，条纹间距与波长λ成正比，与双缝到屏的距离L成正比，与双缝间距d成反比。

（三）实验关键注意事项

1.光源的单色性：若使用白光作为光源，由于不同色光波长不同，除中央亮条纹为白色外，其他各级亮条纹将呈现彩色，且紫光靠近中央，红光远离中央。

2.双缝的平行度与间距：双缝必须严格平行，否则干涉条纹会模糊不清甚至消失。双缝间距d越小，条纹间距Δx越大，越容易观察。

3.环境的遮光性：实验应在较暗的环境中进行，以减少杂散光的干扰，使干涉条纹更加清晰。

（四）习题精析

例题1：在杨氏双缝干涉实验中，若用波长为600nm的橙光照射，双缝间距为0.2mm，双缝到屏的距离为1m。求：

（1）相邻两条亮条纹中心的间距是多少？

（2）若将整个装置放入水中（水的折射率n=4/3），此时相邻两条亮条纹中心的间距变为多少？

解析：

（1）本题直接考察条纹间距公式的应用。

已知：λ=600nm=600×10??m=6×10??m，d=0.2mm=0.2×10?3m=2×10??m，L=1m。

根据Δx=Lλ/d

代入数据得：Δx=(1m×6×10??m)/(2×10??m)=3×10?3m=3mm。

（2）当装置放入水中时，光在水中的波长会发生变化。光在介质中的波长λ=λ?/n，其中λ?为光在真空中的波长（此处与空气中波长近似），n为介质的折射率。

因此，水中的波长λ=600nm/(4/3)=450nm=4.5×10??m。

此时相邻亮条纹间距Δx=Lλ/d=(1m×4.5×10??m)/(2×10??m)=2.25×10?3m=2.25mm。

点评：本题的关键在于理解光在不同介质中传播时，频率不变，波长会因折射率的变化而变化，从而影响干涉条纹的间距。

例题2：在杨氏双缝干涉实验中，若仅将入射光由绿光改为红光，其他条件不变，则屏上的干涉条纹将（）

A.变宽B.变窄C.间距不变，但亮度增强D.间距不变，但亮度减弱

解析：

根据条纹间距公式Δx=Lλ/d，红光的波长λ大于绿光的波长。当L和d不变时，λ增大，Δx也随之增大，即条纹变宽。因此，正确答案为A。

点评：本题考察对影响条纹间距因素的理解，核心在于不同色光波长的差异。

二、单缝衍射实验：光绕过障碍物的本领

光的衍射现象进一步揭示了光的波动性，即光能够绕过障碍物的边缘而偏离直线传播路径。单缝衍射是观察光的衍射现象的基本实验之一。

（一）实验原理与装置

单缝衍射实验装置相对简单：让一束平行的