2019届高中物理第十三章光第7、8节光的颜色色散激光讲义含解析 12页

光的颜色色散激光光的颜色　色散[探新知·基础练]1．光的颜色与波长的关系不同颜色的光，波长不同。2．光的色散与光谱(1)光的色散：含有多种颜色的光被分解为单色光的现象。(2)白光是复色光：白光的干涉条纹是彩色的，可见白光是由多种色光组成的。白色光包含七种色光，色散后形成的光谱按波长由大到小的排列顺序为，红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。(3)光谱：含有多种颜色的光被分解后，各种色光按其波长的有序排列。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．光的颜色取决于折射率。(×)2．光的颜色取决于光的频率。(√)[释疑难·对点练]1．对光的颜色的理解不同颜色的光，波长不同，频率不同，而同种颜色的光在不同的介质中折射率不同，速度和波长均不相同，但频率相同，由此可知，光的颜色是由频率决定的，而不是由波长决定的。2．白光的干涉图样若用白光作光源，则干涉条纹是彩色条纹，且中央条纹是白色的。这是因为：(1)从双缝射出的两列光波中，各种色光都能形成明暗相间的条纹，各种色光都在中央条纹处形成亮条纹，从而复合成白色条纹。(2)两侧条纹间距与各色光的波长成正比，即红光的亮条纹间距宽度最大，紫光的亮条纹间距宽度最小，即除中央条纹以外的其他条纹不能完全重合，便形成了彩色干涉条纹。[特别提醒]　用白光做干涉实验，从红光到紫光其波长由大到小，它们的干涉条纹间距也是从大到小，屏中央各色光都得到加强，混合成白色，但两侧因条纹间距不同而分开形成彩色，而且同一级条纹内紫外红。[试身手]1．用白光做双缝干涉实验时，得到彩色的干涉条纹，下列说法正确的是(　　)A．干涉图样的中央亮条纹是彩色的nB．在靠近中央亮条纹两侧最先出现的是红色条纹C．在靠近中央亮条纹两侧最先出现的是紫色条纹D．在靠近中央亮条纹两侧最先出现的彩色条纹的颜色与双缝间距离有关解析：选C　白光是各种不同色光组成的复色光，光屏中央到两狭缝距离相等，各色光经双缝到达光屏中央的路程差为零，在光屏中央均出现亮条纹，各色光复合成白光，所以中央亮条纹为白色。由Δx＝λ可知，不同色光的干涉条纹间距Δx随波长的增大而增大，紫光的波长最短，所以靠近中央亮条纹两侧最先出现的是紫色条纹。故C正确。薄膜干涉中的色散[探新知·基础练]薄膜干涉(1)观察薄膜干涉：如图所示，把这层液膜当成一个平面镜，用它观察灯焰的像，可以观察到沿水平方向的明暗相间的条纹。(2)相干光源：液膜前后表面反射的光波。(3)形成明暗相间条纹的原因：与双缝干涉的情况相同，在膜上不同位置，来自薄膜前后两个面的反射光分别用图中实、虚线来代表，所走的路程差不同。路程差是光在介质中波长的整数倍的位置上，叠加后加强，出现了亮条纹；路程差是光在介质中半波长的奇数倍的位置上，叠加后相互削弱，于是出现了暗条纹。(4)薄膜干涉的应用：光学器材镜头上的增透膜，检查精密仪器的表面。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．薄膜干涉是利用薄膜前后两个面的反射光的干涉现象。(√)2．雨后在路上小水潭看到的彩色是由于发生薄膜干涉的缘故。(√)3．利用薄膜干涉原理不能检查平面平整度。(×)[释疑难·对点练]薄膜干涉的应用1．用干涉法检查平面平整度如图甲所示，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。如果被测表面某处凹下，则对应亮条纹(或暗条纹)提前出现，如图乙中P条纹所示；如果某处凸起来，则对应条纹延后出现，如图乙中Q所示，即亮条纹在凹陷处向空气膜较薄处弯曲，在凸起处向空气膜较厚处弯曲。n(注：“提前”与“延后”不是指在时间上，而是指由左到右的位置顺序上)2．增透膜为了减少光学装置中的反射光的损失，可在元件表面涂一层透明薄膜，一般是氟化镁。如图所示，在增透膜的前后表面反射的两列光波形成相干波，相互叠加，当路程差为半波长的奇数倍时，在两个表面反射的光反向，相互抵消，从而使反射的两列光波产生相消干涉，反射光的能量几乎等于零。一般取最小厚度d满足2d＝(此波长为光在该种介质中的波长)，由于白光中含有多种波长的光，所以增透膜只能使其中一定波长的光相消。因为人对绿光最敏感，一般选择对绿光起增透作用的膜，所以在反射光中绿光强度几乎为零，而其他波长的光并没有完全抵消，所以增透膜呈现淡紫色。[特别提醒]　增透膜的“增透”应理解为：两束反射光相互抵消，反射光的能量减少，由于总的能量是守恒的，反射光的能量被削弱了，透射光的能量就必然得到增强。增透膜是通过“消反”来确保“增透”的。[试身手]2．如图所示是用干涉法检查厚玻璃板的上表面是否平整的装置。所用单色光是用普通光源加滤光片产生的，检查中所观察到的干涉条纹是由下列哪两个表面反射的光叠加而成的(　　)A．a的上表面和b的下表面B．a的上表面和b的上表面C．a的下表面和b的下表面D．a的下表面和b的上表面解析：选D　利用薄膜干涉检查玻璃表面是否平整的方法中所说的薄膜在这里指的是标准样板与待测玻璃板间的空气膜。单色光在这个空气膜的上下表面的反射光形成相干光，由于膜呈楔形，故产生明暗相间条纹。易知，D正确。衍射和折射时的色散[探新知·基础练]n1．衍射时的色散用白光进行衍射实验时，得到的是彩色条纹，这是由于白光中包含各种颜色的光，不同色光亮条纹的位置不同造成的。2．折射时的色散(1)偏向角：光通过棱镜后向它的横截面的底边方向偏折，如图甲中的θ为光的偏向角，光的偏向角越大，棱镜对光的偏折程度越大。(2)白光通过棱镜时的色散：①一束白光通过三棱镜后形成如图乙所示的光谱，由上到下的色光顺序为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。它说明白光是由这七种色光组成的复色光；②结论：白光色散时，红光的偏向角最小，紫光的偏向角最大。这说明同种物质对波长不同的光的折射率不一样，波长越短，折射率越大；③不同色光在同种介质中有以下关系：f越大，λ越小，n越大，v越小，θ越大；f越小，λ越大，n越小，v越大，θ越小。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．色散现象说明白光是一种复色光。(√)2．衍射和折射都可以发生色散现象。(√)[释疑难·对点练]各种色光特性的比较各种色光红橙黄绿青蓝紫频率小→大折射率小→大经三棱镜折射时的偏向角小→大波长长→短介质中的波速大→小[试身手]3．红、绿、黄三条入射光线，分别沿与三棱镜的底面平行的方向射入三棱镜的一个侧面，从三棱镜的另一个侧面射出，且出射光线交于三棱镜底边延长线上的三点，三点到三棱镜底边中点的距离分别为x1、x2、x3，则(　　)A．x1＝x2＝x3　　　　　　　　B．x1x2>x3D．x1>x3>x2n解析：选D　依据色散知识可知，光线经过三棱镜折射将偏向三棱镜的底边，交于三棱镜底边延长线上的一点，此点到底边中点的距离与光线偏折的角度有关，偏折的角度越大，交点到底边中点的距离越小。因此，红光出射光线与底边延长线的交点距底边中点的距离大于黄光的，黄光的又大于绿光的，故选项D正确。激光[探新知·基础练]1．激光的特点及应用特点性质应用相干性激光具有频率单一、相位差恒定、偏振方向相同的特点，是人工产生的相干光，具有高度的相干性光纤通信平行度激光的平行度非常好，传播很远的距离仍能保持一定的强度精确的测距；读取光盘上记录的信息等高亮度它可以在很小的范围和很短的时间内集中很大的能量用激光束切割、焊接，医学上可以用激光做“光刀”，激发核反应等2.全息照相(1)与普通照相技术的比较：普通照相技术所记录的只是光波的强弱信息，而全息照相技术还记录了光波的相位信息。(2)原理：全息照相的拍摄利用了光的干涉原理，使参考光和物光在底片上相遇，发生干涉，形成复杂的干涉条纹。这要求参考光和物光必须具有很高的相干性。(3)观察全息照片时要用激光照射照片，从另一侧面观察。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．利用激光平行度好可以用来测距。(√)2．利用激光的相干性好可以用来做“光刀”。(×)[释疑难·对点练]1．激光的产生激光是原子受激辐射产生的光，发光的方向、频率、偏振方向均相同，两列相同激光相遇时可以发生干涉。2．激光的特点(1)激光是人工产生的相干光，其单色性好，相干性好。激光的频率单一，相干性非常好，颜色特别纯。用激光做衍射、干涉实验，效果很好。(2)激光的平行度好。从激光器发出的激光具有极好的平行性，几乎是一束方向不变、发散角很小的平行光。传播几千米后，激光斑扩展范围不过几厘米，而探照灯的光束能扩展到几十米范围。(3)亮度高。激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。[试身手]n4．(多选)关于激光，下列说法正确的是(　　)A．激光是用人工方法激发出的一种特殊的光B．自然界中某些天然物体也可以发出激光C．激光可以像刀子一样切除肿瘤D．由于激光的方向性好，所以激光不能发生衍射现象解析：选AC　激光是用人工方法激发出的一种特殊的光，A项正确，B项错误；激光具有方向性好、亮度高、强度大等特点，可以像刀子一样切除肿瘤，C项正确；激光是一种波，只要是波就能发生衍射现象，D项错误。薄膜干涉的理解与应用[典例1]　(多选)如图甲所示，用单色光照射透明标准板M来检查平面N的上表面的平滑情况，观察到的图象如图乙所示的条纹中的P和Q的情况，这说明(　　)A．N的上表面A处向上凸起B．N的上表面B处向上凸起C．N的上表面A处向下凹陷D．N的上表面B处向下凹陷[解析]选BC　利用光的薄膜干涉来检查平面的情况，就是由标准样板平面和被检查平面间形成一个楔形的空气薄层，用单色光从上面照射，入射光在空气层的上、下表面反射形成的两列光波发生干涉。如果被检测的面是平的，那么空气层的厚度相同的各点的干涉条纹在一条直线上。若是被检测平面的某处凹下去了，这时干涉条纹就不是直线，在凹处的干涉条纹将向楔形膜中薄的一侧弯曲。这是因为凹处的两束反射光的路程差变大，它只能与膜厚一些位置的两反射光的路程差相同而形成同一级的条纹(路程差相同的干涉条纹为同一级，一般路程差大的干涉条纹级别高，路程差小的干涉条纹级别低)，显然凹处的级别增大，将与膜厚一些位置的干涉条纹形成同一级别的条纹，故B、C正确。折射时的色散[典例2]　如图所示，一束白光通过玻璃棱镜发生色散现象，下列说法正确的是(　　)nA．红光的偏折最大，紫光的偏折最小B．红光的偏折最小，紫光的偏折最大C．玻璃对红光的折射率比紫光大D．玻璃中紫光的传播速度比红光大[思路点拨]　同一介质对不同的色光有不同的折射率，介质对频率大、波长短的光折射率大，按折射率从小到大依次排列为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。[解析]选B　白光中红光的频率最低，在玻璃中的折射率最小，由n＝可知，红光的传播速度最大，紫光的频率最高，在玻璃中的折射率最大，传播速度最小，经过棱镜发生色散时，偏折最大，综上所述，A、C、D均错误，B正确。激光的应用[典例3]　(多选)下列说法正确的是(　　)A．激光可用于测距B．激光能量十分集中，只可用于加工金属材料C．外科研制的“激光刀”可以有效地减少细菌的感染D．激光可用于全息照相，有独特的特点[解析]选ACD　激光平行度好，即使在传播了很远的距离之后，它仍保持一定的强度，此特点可用于激光测距，选项A正确；激光的亮度高，能量十分集中，可用于金属加工、激光医疗、激光美容、激光武器等，选项B错误；激光具有很高的相干性，可用于全息照相，由于它记录了光的相位信息，所以看起来跟真的一样，立体感较强，选项D正确；由于激光亮度高、能量大，在切割皮肤的同时，也能杀灭细菌，所以选项C正确。[课堂对点巩固]1．在演示双缝干涉的实验时，常用激光做光源，这主要是应用激光的什么特性(　　)A．亮度高　　　　　　　　B．平行性好C．单色性好D．波动性好解析：选C　频率相同的两束光相遇才能发生干涉，激光的单色性好，频率单一，通过双缝时能够得到两束相干光，C正确。n2.如图所示，一个小的光源S发出白光，经三棱镜分光。若人沿着折射光线的反方向观察，通过棱镜可以看到(　　)A．白光点B．光点上部红色，下部紫色C．光点上部紫色，下部红色D．看不到光源的像解析：选C　由于各种单色光中，紫光的折射率最大，偏折角也最大，人眼沿着折射光线的反方向观察，紫光成的像位置最高，红光的折射率最小，偏折角也最小，成的像位置最低，故C正确。3．关于薄膜干涉，下列说法中正确的是(　　)A．只有厚度均匀的薄膜才会发生干涉现象B．只有厚度不均匀的楔形薄膜，才会发生干涉现象C．厚度均匀的薄膜会形成干涉条纹D．观察肥皂液膜的干涉现象时，观察者应和光源在液膜的同一侧解析：选D　当光从薄膜的一侧照射到薄膜上时，只要前后两个面反射回来的光波的路程差满足振动加强的条件，就会出现明条纹，满足振动减弱的条件就会出现暗条纹。这种情况在薄膜厚度不均匀时才会出现；当薄膜厚度均匀时，不会出现干涉条纹，但也发生干涉现象，如果是单色光照射，若满足振动加强的条件，整个薄膜前方都是亮的，否则整个薄膜的前方都是暗的。故A、B、C错误；肥皂液膜的干涉现象是液膜前后两表面的反射光形成的，与入射光在同一侧，故D正确。4．关于激光的应用问题，下列说法中正确的是(　　)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，使其在光导纤维中进行信息传递B．计算机内“磁头”读出光盘上记录的信息是应用了激光相干性好的特点C．医学中用激光做“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：选C　由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用激光的相干性，选项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，选项B错误；医疗中的激光“光刀”利用了激光亮度高的特点，选项C正确；激光测距利用激光的平行度好，选项D错误。[课堂小结]n[课时跟踪检测十六]一、单项选择题1．关于激光与自然光，下列说法不正确的是(　　)A．激光的频率单一，而自然光是含有各种色光频率的光，所以激光的相干性好B．自然光是由物质的原子发射出来的，而激光是人工产生的，所以激光不是由物质的原子发射出来的C．激光和自然光都具有相同的本质，它们都是由原子的跃迁产生的D．相干性好是激光与普通光的重要区别解析：选B　光都是由物质的原子中发射出来的，激光的频率单一，相干性很好，是与普通光的重要区别所在，自然光中含有各种频率的光，A、C、D正确，B错误。2．一个半径较大的透明玻璃球体，若截去其上面的一大部分，然后将这一部分放到标准的水平面上，现让单色光竖直射向截面，如图所示，在反射光中看到的是(　　)A．平行的、明暗相间的干涉条纹B．环形的、明暗相间的干涉条纹C．只能看到同颜色的平行反射光D．一片黑暗解析：选B　薄膜干涉条纹可看做等厚线，题图中，厚度相同的空气薄膜应是以切点为圆心的一个个圆，故干涉条纹应是环形的条纹，又因是单色光照射，所以是明暗相间的条纹，故选项B正确，A、C、D错误。3．如图所示，从点光源S发出的一束细白光以一定的角度入射到三棱镜的表面，经过三棱镜的折射后发生色散现象，在光屏的ab间形成一条彩色光带。下面的说法中正确的是(　　)A．在三棱镜中a侧光的传播速率大于b侧光的传播速率B．b侧光更容易产生衍射现象C．若改变白光的入射角，在屏上最先消失的是b侧光D．通过同一双缝干涉装置产生的干涉条纹的间距Δxa>Δxbn解析：选B　根据色散形成的光谱，可知fa>fb，λa<λb，所以b侧光更容易产生衍射现象，故选项B正确；na>nb，根据n＝，所以vanb，由v＝知，vb>va，选项B错误，D正确；由于na>nb，则频率fa>fb，λa<λb，由Δx＝λ知，Δxa<Δxb，选项A、C正确。三、非选择题n10．单色细光束射到折射率n＝的透明球表面，光束在过球心的平面内，入射角i＝45°，经折射进入球内后又经内表面反射一次，再经球表面折射后射出的光线，如图所示。(图上已画出入射光线和出射光线)。(1)在图上大致画出光线在球内的路径和方向；(2)求入射光线与出射光线之间的夹角α；(3)如果入射的是一束白光，透明球的色散情况与玻璃相仿，则哪种颜色光的α角最大？哪种颜色光的α角最小？解析：(1)如图所示。(2)由折射定律n＝，得sinr＝，r＝30°。由几何关系及对称性，有＝r－(i－r)＝2r－i。α＝4r－2i，把r＝30°，i＝45°代入得α＝30°。(3)透明球对红光的折射率最小，折射角r最大，对应圆周角β最大，故α最大，同理可知，紫光的α角最小。答案：见解析