波粒二象性

课 题： 波粒二象性 类型：复习课 目的要求：了解光的“微粒说”与“波动说”，熟悉相干条件，掌握双缝干涉的特征及规律、条纹分布

情况及明、暗纹位置特征；熟悉薄膜干涉的特征及其应用。掌握产生明显衍射现象的条件及条纹特征，熟悉电磁波谱和各种电磁波的产生机理、基本特征及应用类型。熟悉光电效应现象所遵循的基本规律，了解光的波粒二象性。

重点难点： 教 具：

过程及内容：

第 1 课

光的波动性

一、光的干涉

1.产生相干光源的方法（必须保证f相同）。

⑴利用激光；⑵将一束光分为两束。 ．．．．．．．．

a c

b

2．双缝干涉的定量分析

如图所示，缝屏间距L远大于双缝间距d，O点与双缝S1和S2等间距，则当双缝中发出光同时射到O点附近的P点时，两束光波的路程差为

δ=r2－r1. 由几何关系得 r12=L2+(x－

d2

d

2

)2， r22=L2+(x+

dxL

)2.

考虑到 L》d 和 L》x，可得 δ=.

若光波长为λ，则当 δ=±kλ（k=0，1，2，„）时，两束光叠加干涉加强； 当 δ=±(2k－1)出

（1）明纹坐标 x=±k

Ld



2

(k=1，2，3，„)时，两束光叠加干涉减弱，据此不难推算

λ （k=0，1，2，„）

Ld

（2）暗纹坐标 x=±(2k－1) （3）条纹间距 △x=

Ld

²



2

（k=1，2，„）

λ.

上述条纹间距表达式提供了一种测量光波长的方法。

结论：由同一光源发出的光经两狭缝后形成两列光波叠加产生．当这两列光波到达某点的路程差为波长的整数倍时，即δ=kλ，该处的光互相加强，出现亮条纹；当到达某点的路程差为半波长奇数倍时，既δ=



2

(2k1)，该点光互相消弱，出现暗条纹；条纹间距离与单色光波长成正比．x

ld

∝λ，所以用白

光作双缝干涉实验时，屏的中央是白色亮纹，两边是彩色条纹，离中央白色亮纹最近的是紫色亮纹。 【例1】．在双缝干涉实验中，双缝到光屏上P点的距离之差0．

6μm，若分别用频率为f1=5.0³10Hz和f2= 7．5³10Hz的单色光垂直照射双缝，则 P点出现明、暗条纹的情况是（ ） A．单色光f1和f2分别照射时，均出现明条纹

B．单色光f1和f2分别照射时，均出现暗条纹

c．单色光f1照射时出现明条纹，单色光f2照射时出现略条纹 D．单色光f1照射时出现暗条纹，单色光f2照射时出现明条纹

274

14

14

解析：如图所示，双缝S1、S2，到光屏上任一点P的路程之差d＝S2 S2，当d等于单色光波长的整数倍时．由S1和S2发出的光在P点互相加强，P点出现明条纹，当d等于单色光半个波长的奇数倍时．这样由S1和S2发出的光在P，互相抵消，出现暗条纹

本题中单色光f1的波长为λ1＝C／f1＝0．6μm，单色光f2的波长为λ2＝C／f2＝0．4μm

可见d=λ1、d=3λ1/2 答案：C

3．薄膜干涉：由薄膜前．后表面反射的两列光波叠加而成．劈形薄膜干涉可产生平行相间条纹，

两列反射波的路程差ΔT，等于薄膜厚度d的两倍，即ΔT=2d。 由于膜上各处厚度不同，故各处两列反射波的路程差不等。 若：

ΔT=2d=nλ(n=1，2，…) 则出现明纹。 ΔT=2d=(2n-1)λ/2 (n=1，2，…) 则出现暗纹。 应注意：干涉条纹出现在被照射面。

【例2】．如图所示，一束白光从左侧射入肥皂薄膜，下列说法中正确的是（ ）

A． 人从右侧向左看，可看到彩色条纹．

B．人从左侧向右看，可看到彩色条纹

C．彩色条纹平行排列 D．彩色条纹竖直排列

解析：白光从左侧照射到薄膜上．经两个表面反射回来的光相遇产生干涉现象．这样

人从左侧向右看可以看到彩色条纹。故选B弃A．由于薄膜从上到下逐渐变厚，且同一水平线上厚度相同，两列反射光叠加时振幅相同，故彩色条纹是水平的，选C弃D． 答案：BC

薄膜干涉应用（1）透镜增透膜：透镜增透膜的厚度应是透射光在薄膜中波长的1／4倍。使薄膜前后两面的反射光的光程差为波长的一半，(ΔT=2d=½λ，得d=¼λ)，故反射光叠加后减弱，从能量的角度分析E

入

／

=E反+E透+E吸。 在介质膜吸收能量不变的前提下，若E反=0，则E透最大。增强透射光的强度。 （2）“用干涉法检查平面”：如图所示，两板之间形成一层空气膜，用单色光从上向下照射，如果被

检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等间距的。 如果某处凸起来，则对应明纹(或暗纹)提前出现，如图甲所示；如果某处凹下，则对应条纹延后出现，如图乙所示。 (注：“提前”与“延后”不是指在时间上，而是指由左向右的顺序位置上。 )

［例3］劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图（1）所示.将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜.当光垂直入射

后，从上往下看到干涉条纹如图（2）所示.干涉条纹有如下特点：（1）任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；（2）任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定.现若在图（1）装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下看到的干涉条纹

A.变疏 B.变密 C.不变 D.消失

【解析】 由薄膜干涉的原理和特点可知，干涉条纹是由膜的上、下表面反射的光叠加干涉而形成的，某一明条纹或暗条纹的位置就由上、下表面反射光的路程差决定，且相邻明条纹或暗条纹对应的该路程差是恒定的，而该路程差又决定于条纹下对应膜的厚度差，即相邻明条纹或暗条纹下面对应的膜的厚度差也是恒定的.当抽去一纸片后，劈形空气膜的劈尖角——上、下表面所夹的角变小，相同的厚度差对应的水平间距离变大，所以相邻的明条纹或暗条纹间距变大，即条纹变疏.答案A正确.

【例4】市场上有种灯具俗称“冷光灯”

，用它照射物品时能使被照物品处产生的热效应大大降低，从而广

275

泛地应用于博物馆，商店等处，这种灯降低热效应的原因之一是在灯泡后面放置的反光镜玻璃表面上镀了一层薄膜(例如氟化镁)，这种膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的热效应最显著的红外线。 以λ表示此红外线的波长，则所镀薄膜的厚度最小应为：

A.λ/8 B.λ/4 C.λ/2 D.λ

解析：若使膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的热效应，即让膜的前后两表面反射光叠加作用减弱,为减小反射的热效应显著的红外线，则要求红外线在薄膜的前后表面反射后叠加作用减弱，即光程差为半波长的奇数倍，故膜的最小厚度为红外线在该膜中波长的1/4。【答案】B

4．光的波长、波速和频率的关系V＝λf。光在不同介质中传播时，其频率f不变，其波长λ与光在介质中的波速V成正比．色光的颜色由频率决定，频率不变则色光的颜色也不变。 二、光的衍射。

1． 光的衍射现象是光离开直线路径而绕到障碍物阴影里的现象．

2．泊松亮斑：当光照到不透光的极小圆板上时，在圆板的阴影中心出现的亮斑。当形成泊松亮斑时，圆板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。

3． 各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射。

4．产生明显衍射的条件：障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长相比或比光的波长小． 小结：光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果，但存在明显的区别：

单色光的衍射条纹与干涉条纹都是明暗相间分布，但衍射条纹中间亮纹最宽，两侧条纹逐渐变窄变暗，干涉条纹则是等间距，明暗亮度相同。 白光的衍射条纹与干涉条纹都是彩色的。

【例5】某同学以线状白炽灯为光源，利用游标卡尺两脚间形成的狭缝观察光的衍射现象后，总结出以下几点，你认为正确的是

A.若狭缝与灯泡平行，衍射条纹与狭缝平行 B.若狭缝与灯泡垂直，衍射条纹与狭缝垂直

C.衍射条纹的疏密程度与狭缝的宽度有关

D.衍射条纹的间距与光的波长有关 【答案】 ACD

【例6】平行光通过小孔得到的衍射图样和泊松亮斑比较，下列说法中正确的有

A.在衍射图样的中心都是亮斑 B.泊松亮斑中心亮点周围的暗环较宽

C.小孔衍射的衍射图样的中心是暗斑，泊松亮斑图样的中心是亮斑

D.小孔衍射的衍射图样中亮、暗条纹间的间距是均匀的，泊松亮斑图样中亮、暗条纹间的间距是不均匀的

解：从课本上的图片可以看出：A、B选项是正确的，C、D选项是错误的。

三.光的偏振

（1）自然光。太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫自然光。

（2）偏振光。自然光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，叫偏振光。自然光射到两种介质的界面上，如果光的入射方向合适，使反射和折射光之间的夹角恰好是90°，这时，反射光和折射光就都是偏振光，且它们的偏振方向互相垂直。我们通常看到的绝大多数光都是偏振光。

（3）只有横波才有偏振现象。光的偏振也证明了光是一种波，而且是横波。各种电磁波中电场E的方向、磁场B的方向和电磁波的传播方向之间，两两互相垂直。 （4）光波的感光作用和生理作用主要是由电场强度E引起的，因此将E的振动称为光振动。

【例7】如图所示，让太阳光或白炽灯光通过偏振片P和Q，以光的传播方向为轴旋转偏振片P和Q，可以看到透射光的强度会发生变化，这是光的偏振现象，这个实验表明：

276

光振动垂

光振动

A.光是电磁波 B.光是一种横波 C.光是一种纵波 D.光是概率波

【分析】太阳光或白炽灯发出的光是自然光，它包含有垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，且沿着各个振动方向的光强相同。当这种光经过偏振片后，就变成了偏振光，即只有振动方向与偏振片透振方向平行的光通过了偏振片P，形成偏振光，这种偏振光传到偏振片Q时，当偏振片P和Q透振方向平行时，会完全穿过，垂直时不会穿过，透射程度与二偏振片的透振方向间的夹角有关，因此才出现题中所述的现象，该现象说明：光是一种横波。【答案】B

【例8】有关偏振和偏振光的下列说法中正确的有

A.只有电磁波才能发生偏振，机械波不能发生偏振 B.只有横波能发生偏振，纵波不能发生偏振

C.自然界不存在偏振光，自然光只有通过偏振片才能变为偏振光

D.除了从光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光都是偏振光

解：机械波中的横波能发生偏振。自然光不一定非要通过偏振片才能变为偏振光。本题应选BD。 四、光的电磁说．

1、光的干涉与衍射充分地表明光是一种波，光的偏振现象又进一步表明光是横波。麦克斯韦对电磁理论的研究预言了电磁波的存在，并得到电磁波传播速度的理论值3.11³108m/s，这和当时测出的光速3.15³108m/s非常接近，在此基础上麦克斯韦提出了光在本质上是一种电磁波，这就是所谓的光的电磁说。赫兹用实验证实了电磁波的存在，并测出其波长与频率，进而得到电磁波的传播速度，用实验证实了光的电磁说。

2．电磁波按波长由大到小的顺序排列为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射级、γ射线，除可见光外，相邻波段都有重叠。

3．无线电波是自由电子振荡产生的，红外线．可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的，x射线是原子的内层电子受到激发后产生的，γ射线是原子核受到激发后产生的．

m和物体温度

。 m

物体辐射出的电磁波中辐射最强的波长λT之间满足关系：λ

【例9】．关于电磁波，下列说法中哪些是正确的（ ）

277

A．电磁波中最容易表现出干涉、衍射现象的是无线电波 B．红外线、可见光、紫外线是原子外层电子受激发后产生的

C．γ射线是原子内层电子受激发后产生的

D．红外线的波长比红光波长长，它的显著作用是热作用

解析：电磁波服从共同的规律，波长较大的无线电波是电磁波中最容易发生干涉和衍射现象的，电磁波之间的差异来源于它们产生的机理的不同，红外线、可见光、紫外线是原子外层电子受激发后产生的，伦琴射线是原子内层电子受激发后产生的，γ射线则是原子核受激发后产生的． 答案：ABD 五、光谱和光谱分析（可用光谱管和分光镜观察）

由色散形成的，按频率的顺序排列而成的彩色光带叫做光谱 1．发射光谱

（1）连续光谱：包含一切波长的光，由炽热的固体、液体及高压气体发光产生；

（2）明线光谱：又叫原子光谱，只含原子的特征谱线．由稀薄气体或金属蒸气发光产生。 2．吸收光谱

连续光通过某一物质被吸收一部分光后形成的光谱，能反映出原子的特征谱线．

3．每种元素都有自己的特征谱线，根据不同的特征谱线可确定物质的化学组成，光谱分析既可用明线光谱，也可用吸收光谱． 【例10】．关于光谱和光谱分析，下列说法中正确的是 （ ） A．太阳光谱和白炽灯光谱都是明线光谱

B．霓虹灯和煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气产生的光谱都是明线光谱 C．进行光谱分析时．可以利用明线光谱，不能用吸收光谱

D．我们观察月亮射来的光谱，可以确定月亮的化学组成

解析：这类问题首先需要弄清连续光谱，明线光谱和吸收光论的产生机理．太阳光谱是我们从地球上观察的，所以是吸收光谱．月亮反射到地面的光谱是太阳光谱，煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气，属稀薄气体发光，产生明线光谱．答案：B 六．激光的主要特点及应用

(1)激光是人工产生的相干光，可应用于光纤通信。

(2)平行度非常好。应用于激光测距雷达，可精确测距(s=c·t/2)、测速等。

(3)亮度高能量大，应用于切割各种物质、打孔和焊接金属。医学上用激光作“光刀”来做外科手术。 七．注意问题

1．知道反映光具有波动性的实验及有关理论．

2．光的干涉只要求定性掌握，要能区分光的干涉和衍射现象：凡是光通单孔、单缝或多孔．多缝所产生的现象都属于衍射现象，只有通过双孔、双缝、双面所产生的现象才属于干涉现象；干涉条纹和衍射条纹虽然都是根据波的叠加原理产生的，但两种条纹有如下区别（以明暗相同的条纹为例）：干涉纹间距相等，亮条纹亮度相同．衍射条纹，中央具有宽而明亮的亮条纹，两侧对称地排列着一系列强度较弱．较窄的亮条纹．

理解光的波动性

【例11】在双缝干涉实验中以白光为光源，在屏幕上观察到了彩色干涉条纹，若在双缝中的一缝前放一红色滤光片（只能透过红光），另一缝前放一绿色滤光片（只能透过绿光），这时（ ）

A．只有红色和绿色的双缝于涉条纹，其它颜色的双缝干涉条纹消失

B．红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其它颜色的双缝干涉条纹依然存在

C、任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮 D．屏上无任何光亮

解析：由于双缝前各有一块滤光片，分别都透过红光和绿光，这两种色光不能发生干涉，故在屏上无双缝干涉条纹，但是这两种色光通过每个单缝时发生单缝衍射，故屏上仍有光亮．所以C选项正确， 【例12】 用绿光做双缝干涉实验，在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹，相邻两条绿条纹间的距离为Δx。下列说法中正确的有

278

A.如果增大单缝到双缝间的距离，Δx 将增大 B.如果增大双缝之间的距离，Δx 将增大

C.如果增大双缝到光屏之间的距离，Δx将增大

D.如果减小双缝的每条缝的宽度，而不改变双缝间的距离，Δx将增大 解：公式x

ld



中l表示双缝到屏的距离，d表示双缝之间的距离。因此Δx与单缝到双缝间的距离无关，

于缝本身的宽度也无关。本题选C。

【例13】 登山运动员在登雪山时要注意防止紫外线的过度照射，尤其是眼睛更不能长时间被紫外线照射，否则将会严重地损坏视力。有人想利用薄膜干涉的原理设计一种能大大减小紫外线对眼睛的伤害的眼镜。他选用的薄膜材料的折射率为n=1.5，所要消除的紫外线的频率为8.1³10Hz，那么它设计的这种“增反膜”的厚度至少是多少？

解：为了减少进入眼睛的紫外线，应该使入射光分别从该膜的前后两个表面反射形成的光叠加后加强，因此光程差应该是波长的整数倍，因此膜的厚度至少是紫外线在膜中波长的1/2。紫外线在真空中的波长是λ=c/ν=3.7³10m，在膜中的波长是λ=λ/n=2.47³10m，因此膜的厚度至少是1.2³10m。 2.理解电磁波的产生机理

【例14】图为X射线的结构示意图，E为灯丝电源。要使射线管发出X射线，须在 K、A两电极间加上几万伏的直流高压，且（ ）

A．高压电源正极应接在Q点，X射线从A极发出 B．高压电源正极应接在Q点，X射线从K极发出 C．高压电源正极应接在P点， X射线从 A极发出

D．高压电源正极应接在P点，X射线从K极发出

解析：X射线管发出X射线要有两个条件：第一，灯丝K要发射电子，所以灯丝K的两端要接低压电源，使灯丝能发射电子；第二，灯丝K发射的电子在K、A之间要加速获得很大的动能打在A上，从A发射出X射线，故K、A之间要加直流高压．基于以上两点，可知A选项正确．

-7

/

-7

-7

14

279