2019高中物理第十三章第7、8节光的颜色色散激光讲义（含解析）新人教版 14页

光的颜色色散激光一、光的颜色与色散┄┄┄┄┄┄┄┄①1．概念(1)光的色散：含有多种颜色的光被分解为单色光的现象。(2)光的颜色与波长：不同颜色的光，波长不同。(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。2．常见的三种色散(1)薄膜干涉中的色散①薄膜干涉中相干光的获得光照射到薄膜上，在薄膜的前后两个面反射的光是由同一列光波分解而成的，它们具有相同的频率，恒定的相位差及相同的振动方向；②薄膜干涉的原理光照在厚度不同的薄膜上时，在薄膜的不同位置，前后两个面的反射光的路程差不同，在某些位置两列波叠加后相互加强，于是出现亮条纹；在另一些位置，两列波叠加后相互削弱，于是出现暗条纹。(2)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，衍射时不同色光的亮条纹的位置不同。(3)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，如图所示中的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a．一束白光通过三棱镜后形成如图所示的光谱，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；b．结论：白光色散时，红光的偏向角最小，紫光的偏向角最大。这说明透明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；c．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。n[说明](1)色散现象表明：白光是由各种单色光组成的复色光。(2)光的颜色由光的频率决定。(3)光由一种介质进入另一种介质时，光的颜色不变，光速改变，波长改变。①[选一选]光的颜色取决于(　　)A．波长　　　　　　　　B．频率C．传播速度C．折射率解析：选B　光的频率决定光的颜色，光在传播的过程中频率不变，即颜色不变。二、激光┄┄┄┄┄┄┄┄②1．激光的性质及应用性质应用相干性激光具有频率相同、相位差恒定、偏振方向一致的特点，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空间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束照射照片，从另一侧面观察。[注意]激光是很好的相干光源，但不同颜色的激光频率不同，因此，不同颜色的激光不能产生干涉现象。②[判一判]1．激光用于光纤通信是利用了它高亮度的特点(×)2．激光可用做“光刀”来切开皮肤，是利用了激光的相干性好(×)3．全息照相技术只能记录光波的强弱信息(×)n1.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，因此说光的颜色是由频率决定的，而不是由波长决定的。2．各种色光特性的比较特性红橙黄绿青蓝紫频率小→大相对同一介质的折射率小→大经三棱镜折射时的偏向角小→大波长长→短在同一介质中的波速大→小双缝干涉的条纹间距大→小薄膜干涉的条纹间距大→小[典型例题]例1.如图所示，一束白光从顶角为θ的三棱镜的一个侧面AB以较大的入射角i入射，经过三棱镜后，在P上可得到彩色光带，当入射角逐渐减小到零的过程中，若屏上的彩色光带先后全部消失，则(　　)A．红光最先消失，紫光最后消失B．紫光最先消失，红光最后消失C．紫光最先消失，黄光最后消失D．红光最先消失，黄光最后消失[解析]　依题意作出白光通过三棱镜的光路图，如图所示。n可以看出紫光的偏折程度最大，由全反射临界角公式sinC＝知，紫光的临界角最小，所以紫光一定首先在AC界面上发生全反射而从光屏上消失。由以上分析可知屏上彩色光带紫光最先消失，后面依次是蓝、青、绿、黄、橙、红光。故B正确。[答案]　B[点评]解答有关棱镜对光的色散问题，关键是熟记从红光到紫光的顺序及折射率大小，然后根据不同色光的特性分析解答。[即时巩固]1．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>x2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。1.薄膜干涉的成因由薄膜的前、后表面的反射光叠加而形成明暗相间的条纹。若换用白光，将得到彩色条纹。2．竖放肥皂膜的干涉现象(1)白光照射图样是彩色的：竖直放置的肥皂液膜，因重力的作用，上面薄、下面厚，由于不同颜色的光的波长不同，从前后两个表面反射的光，在不同的位置相互加强，换句话说，不同颜色的光对应亮条纹的位置不同，不能完全重合，因此看起来是彩色的。(2)条纹是水平方向的：因为在同一水平高度处，薄膜的厚度相同，从前后两表面反射的光的路程差均相同，如果此时两反射光互相加强，则此高度水平方向各处均加强，因此，明暗相间的干涉条纹为水平方向。3．薄膜干涉的应用(1)用干涉法检查平面平整度n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。(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因光的反射造成的损失，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种波长的光相消。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。(3)对增透膜的“增透”的理解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。[典型例题]例2.[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，观察到的图样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n[解析]　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就在一条直线上。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束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。[答案]　BC[点评]　“矮人行走法”判断被测面的凹凸判断被测平面凹下或凸起可以用“矮人行走法”，即把干涉条纹看成“矮人”的行走轨迹。让一个小矮人在两板间沿着一条条纹直立行走，始终保持脚踏被检板，头顶样板，在行走过程中：若某处有一凹下，他要想过去必须从薄膜的尖端绕过去，方可按上述要求过去，即条纹某处弯向薄膜尖端，该处为一凹下。如图甲所示。若某处有一凸起，他要想过去，必从薄膜底部去绕，即条纹某处弯向薄膜底部方向时，该处必为一凸起。如图乙所示。[即时巩固]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的上表面D．a的下表面和b的下表面解析：选C　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，故产生明暗相间的条纹。若待测厚玻璃板是平的，则产生的条纹是平行的直条纹，否则直条纹发生弯曲。C正确。n1.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。3．激光的应用光纤通信；激光测距；激光读写；激光加工；激光手术(亦称光刀手术)；激光武器；可控聚变反应中的应用。[典型例题]例3.[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]　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。[答案]　AC[即时巩固]3．[多选]下列说法中正确的是(　　)A．全息照片的拍摄利用了光的干涉原理B．自然光也可以拍摄全息照片C．全息照相过程中，只有一部分光照射到底片上D．全息照相过程中，有两部分光照射到底片上解析：选AD　自然光不是相干光，因此不能用来拍摄全息照片。全息照相过程中，要把激光分成两部分(参考光和物光)照射到底片上发生干涉，从而形成全息照片，故A、D正确。n1．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。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(　　)A．红光的偏折角最大，紫光的偏折角最小B．红光的偏折角最小，紫光的偏折角最大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解析：选B　根据色散，可知上端是红光，下端是紫光；红光的偏折角最小，紫光的偏折角最大，A错误，B正确；紫光的折射率大于红光的折射率，C错误；根据n＝可知，D错误。3．一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。n4．[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，有独特的优点解析：选ACD　激光平行度好，即使在传播很远的距离之后，它仍保持一定的强度，此特点可用于激光测距，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，B错误；由于激光亮度高，能量大，在切割皮肤等的同时，也能杀灭细菌，C正确；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，D正确。5．如图所示，OO′是半圆柱形玻璃的对称轴在纸面上的投影。在面内有两细束与OO′平行且等距的单色光A和B，从玻璃砖射出后相交于OO′下方的P点，由此可知，A光的频率比B光的________(填“大”或“小”)，A光在玻璃中的传播速度比B光在玻璃中的传播速度________(填“大”或“小”)。解析：从图中可看出，玻璃对A光束的折射率大，则A光的频率大；由n＝可知，A光在玻璃中的传播速度比B光在玻璃中的传播速度小。答案：大　小[基础练]一、选择题1．激光具有相干性好、平行度好、亮度高等特点，在科学技术和日常生活中应用广泛。下面关于激光的叙述正确的是(　　)A．激光是纵波B．频率相同的激光在不同介质中的波长相同C．两束频率不同的激光能产生干涉现象D．利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离解析：选D　一切光都是横波，A错误；根据v＝λf，光在不同介质中的传播速度不同，频率相同，波长不同，B错误；发生干涉现象的两束光频率必须相同，C错误；由激光相关知识知，D正确。2．如图所示，一束红光和一束蓝光平行入射到三棱镜上，经折射后，汇聚在屏上同一n点，若n1和n2分别表示三棱镜对红光和蓝光的折射率，下列判断正确的有(　　)A．n1＜n2，a为蓝光，b为红光B．n1n2，a为红光，b为蓝光D．n1>n2，a为蓝光，b为红光解析：选A　由于红光的频率低于蓝光的频率，有n1nb>nc>nd，则它们可能依次是紫光、蓝光、黄光和红光，B正确。4．如图所示为半圆形的玻璃砖，C为AB的中点，OO′为过C点的AB面的垂线。a、b两束不同频率的单色可见细光束垂直AB边从空气射入玻璃砖，且两束光在AB面上的入射点到C点的距离相等，两束光折射后相交于图中的P点，以下判断不正确的是(　　)A．a光在玻璃砖中的传播速度大于b光的传播速度B．a光从玻璃砖中射入空气时发生全反射的临界角大于b光的临界角C．在同一双缝干涉装置形成的干涉条纹中，a光相邻明条纹的间距大于b光相邻明条纹的间距D．b光比a光更容易发生衍射现象解析：选D　由图分析可知，玻璃砖对b光的偏折角大于对a光的偏折角，根据折射定律得知，玻璃砖对b光的折射率大于对a光的折射率，由v＝c/n得，a光在玻璃砖中的传播速度大于b光的传播速度，选项A正确；由公式sinC＝1/n分析得知，a光的折射率n小，则a光发生全反射的临界角大于b光发生全反射的临界角，选项B正确；干涉条纹的间距与波长成正比，a光的频率小，波长长，故相邻明条纹的间距a光的较大，选项C正确；光的波长越长，越容易发生衍射现象，所以可知a光比b光更容易发生衍射现象，选项D错误。二、非选择题5．一种红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道闪光，每道闪光称为一个光脉冲，若这种激光器光脉冲的持续时间为1.0×10－11s，波长为694.3mm，发射功率为1.0×1010W，真空中光速c＝3×108m/s。则(1)每个光脉冲的长度是多少？(2)用红宝石激光照射皮肤色斑，每1cm2吸收能量达到60J以后，色斑便逐渐消失，一颗色斑的面积是50mm2，则它需要吸收多少个红宝石激光脉冲才能逐渐消失？解析：(1)一个光脉冲长度nΔl＝c·Δt＝3.0×108×1.0×10－11m＝3.0×10－3m(2)一个光脉冲所携带的能量ΔE＝P·Δt＝1.0×1010×1.0×10－11J＝0.1J设清除面积为50mm2的色斑需要光脉冲个数为n，则n＝＝＝300答案：(1)3.0×10－3m　(2)300个