高考物理一轮复习光 29页

第十二章　光 第 1 课时　光的折射、全反射 基础知识归纳 ‎1.光的直线传播 在　同一均匀介质　中光沿直线传播.当光从一种介质进入另一种介质时，传播方向改变.当障碍物或孔的尺寸和波长相等或者比波长小时，将发生明显的　衍射　现象，光线将偏离原来的方向.‎ ‎2.光的反射、平面镜成像 ‎(1)光的反射定律.光从一种介质射到另一种介质的分界面时发生反射，反射光线、入射光线和法线处在　同一　平面内，反射光线、入射光线分居法线的　两侧　，反射角　等于　入射角.‎ ‎(2)平面镜成像的特点：　正立等大　的虚像，物与像关于镜面　对称　.‎ ‎(3)在反射现象中，光路是　可逆　的，常用到这一特点及边缘光线作图来确定视场的范围.‎ ‎3.光的折射 ‎(1)折射定律 折射光线、入射光线、法线处于　同一　平面内，折射光线与入射光线分别位于法线　两侧　，入射角的正弦与折射角的正弦的比值是　定值　(注意两角三线的含义).‎ ‎(2)折射率 ‎①折射率定义：‎ 光从　真空或空气　中射入介质中发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，叫做这种介质的　折射率　.折射率是反映介质折射光的本领大小的一个物理量.‎ ‎②折射率的定义表达式：‎ ‎ n＝　(其中θ1为真空或空气中的角度).‎ ‎③折射率的其他各种计算表达形s式：‎ n＝＝＝ (其中c、λ为光在真空或空气中的光速、波长；v、λ′为介质中的光速、波长；C为光发生全反射时的临界角).‎ ‎④折射率大小的决定因素：　介质　、　光源　(主要是频率)，注意：介质的折射率n>1.‎ ‎(3)折射光路是　可逆　的.‎ ‎4.光的全反射 ‎ ‎(1)光疏介质和光密介质：两种介质比较，折射率小的介质叫　光疏　介质，折射率大的介质叫　光密　介质；“光疏”和“光密”具有　相对性　.‎ ‎(2)全反射现象：光从　光密　介质入射到　光疏　介质的分界面上时，当入射角增大到一定程度时，光全部反射回　光密　介质，这一现象叫　全反射　现象.‎ ‎(3)临界角：折射角等于　90°　时对应的入射角叫做　临界角　，用C表示，C＝.‎ ‎(4)发生全反射的条件：①光从　光密　介质入射到　光疏　介质；②入射角　大于等于　临界角.‎ ‎(5)光导纤维：实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝，‎ 直径只有几微米到一百微米之间，在　内芯　和　外套　的界面上发生全反射.其中　内芯　是光密介质，　外套　是光疏介质，它对光具有　传导作用　.‎ ‎5.光的色散 ‎(1)三棱镜：横截面为三角形的三棱柱透明体称三棱镜.‎ 三棱镜对光线的作用：‎ ‎①光密三棱镜：当光线从一侧面射入，从另一侧面射出时，光线两次均向　底面　偏折.物体经棱镜成像向　顶角　偏移.‎ ‎②光疏三棱镜：当光线从一侧面射入，从另一侧面射出时，光线两次均向　顶角　偏折.‎ ‎③全反射棱镜(等腰直角棱镜)：当光线从一直角边垂直射入时，在　斜边　发生全反射，从另一直角边垂直射出.当光线垂直于斜边射入时，在　两直角边　都发生全反射后又垂直于斜边射出.‎ 三棱镜成像：‎ 当物体发出的光线从三棱镜的一侧面射入，从另一侧面射出时，逆着出射光线可以看到物体的　虚像　.‎ ‎(2)光的色散：‎ ‎①白光通过三棱镜后，出射光束变为　红　、橙、　黄　、绿、蓝、靛、　紫　七色光束.含有多种颜色的光被分解成单色光的现象叫做光的　色散　.各种色光按其波长的有序排列叫做　光谱　.‎ ‎②各种色光性质比较：可见光中　红光　的折射率n最　小　，频率υ最　小　，在同种介质中(除真空外)传播速度v最　大　，波长λ最　大　，从同种介质射向真空时发生全反射的临界角C最　大　，以相同入射角在介质间发生折射时的偏折角最小(注意区分偏折角和折射角).‎ 重点难点突破 一、对折射率的理解 折射率的定义指明了光是从空气(真空)入射至介质中，n＝，θ1是空气(真空)中的角度，θ2是介质中的角度.计算折射率时，应先根据题意画好光路图，找对两个角度.无论光是从空气(真空)入射至介质中，还是从介质入射至空气(真空)中，θ1均为空气(真空)中的角度.θ1>θ2，c>v，所以n>1.‎ 二、与全反射有关的定性分析和定量计算 全反射产生的条件是光从光密介质入射到光疏介质，且入射角大于或等于临界角.涉及的问题如：全反射是否发生、什么范围的入射光才能从介质中射出、折射光覆盖的范围分析、临界角的计算等，都需正确作出光路图，熟练应用几何知识进行分析和计算.‎ 三、不同颜色的光的频率 不同颜色的光，其频率不同，因此在同一介质中光速及波长不同，同一介质对不同色光的折射率不同，红光的频率最低，紫光的频率最高.同一介质中，频率高的色光折射率大，因为C＝sin，n大则C小，当入射角从0°逐渐增大时，频率高的色光先发生全反射，利用 v＝，λ＝v/υ，可分析比较不同色光在同一介质中的光速、波长的大小.‎ 四、折射率测定的几种方法 ‎1.成像法 ‎(1)原理：利用水面的反射成像和水的折射成像.‎ ‎(2)方法：紧挨烧杯口竖直插入一直尺，在直尺的对面观察水面，能同时看到直尺在水中的部分和露出水面部分的像.若从点P看到直尺在水下最低点的刻度B的像B′(折射成像)恰好与直尺在水面上的刻度A的像A′(反射成像)重合，读出AC、BC的长，量出烧杯内径d，如图所示，即可求出水的折射率为n＝.‎ ‎2.视深法 ‎(1)原理：利用视深公式，h′＝h/n.‎ ‎(2)方法：在一盛水的烧杯底部放一粒绿豆，在水面上方吊一根针，如图所示.调节针的位置，直到针尖在水中的像与看到的绿豆重合，测出针尖距水面的距离即为杯中水的视深h′，再测出水的实际深度h，则水的折射率为n＝.‎ ‎3.全反射法 ‎(1)原理：全反射现象.‎ ‎(2)方法：在一盛满水的大玻璃缸下面放一发光电珠，如图所示，在水面上观察，看到一圆形的发光面，量出发光面的直径D与水深h，则水的折射率为n＝.‎ 注意：对液体、透明固体均可用全反射法测其折射率.‎ ‎4.插针法(在第4课时重点讲明)‎ 典例精析 ‎1.与折射率有关的计算 ‎【例1】一个圆柱形筒，直径12 cm，高16 cm.人眼在筒侧上方某处观察，所见筒侧的深度为9 cm，当筒中装满液体时，则恰能看到筒侧的最低点.求：‎ ‎(1)此液体的折射率；‎ ‎(2)光在此液体中的传播速度.‎ ‎【解析】题中的“恰能看到”表明人眼看到的是筒侧最低点发出的光线经界面折射后进入人眼的边界光线.由此可作出符合题意的光路图，认为“由人眼发出的光线”折射后恰好到达筒侧最低点.‎ 根据题中的条件作出光路图如图所示：‎ ‎(1)由图可知：sin θ2＝，sin θ1＝‎ 折射率：n＝‎ ‎(2)传播速度：v＝m/s＝2.25×‎108 m/s ‎【思维提升】本题中知道人眼看到的边界光线，知道人眼顺着折射光线反向延长线看去，而认为筒深为9 cm，是正确作出光路图的依据.总之，审清题意画出光路图，必要时还可应用光路的可逆原理画出光路图，这是分析折射问题的关键.‎ ‎【拓展1】空中有一只小鸟，距水面3 m，其正下方距水面4 m 深处的水中有一条鱼.已知水的折射率为，则鸟看水中的鱼离它　6　m，鱼看天上的鸟离它　8　m.‎ ‎【解析】首先作出鸟看鱼的光路图，如图所示.由于是在竖直方向上看，所以入射角很小，即图中的θ1和θ2均很小，故有tan θ1＝sin θ1，tan θ2＝sin θ2.由图可得：‎ h1tan θ2＝h′tan θ1，‎ h′＝h1tan θ2/tan θ1＝h1sin θ2/sin θ1＝m＝‎‎3 m 则鸟看水中的鱼离它：H1＝(3＋3) m＝6 m 同理可得鱼看鸟时：h″＝nh2＝3×m＝4 m 则H2＝(4＋4) m＝8 m ‎2.与全反射相关的判断、分析及计算 ‎【例2】如图所示，一束平行光从真空垂直射向一块半圆形玻璃砖的底面，下列说法正确的是(　　)‎ A.只有圆心两侧一定范围内的光线不能通过玻璃砖 B.只有圆心两侧一定范围内的光线能通过玻璃砖 C.通过圆心的光线将沿直线穿过，不发生偏折 D.圆心两侧一定范围外的光线将在曲面处发生全反射 ‎【解析】垂直射向界面的光线不发生偏折，因而光束沿直线平行射到半圆面上，其中通过圆心的光线将沿直线穿过，不发生偏折；由中心向两侧，光从半圆面进入真空时的入射角逐渐增大并趋于90°，当入射角或大于临界角时，会发生全反射.‎ ‎【答案】BCD ‎【思维提升】半圆形的玻璃砖，法线为圆心与该入射点连线，通过作图，可看出半圆面处的入射角由中心向两侧逐渐增大.‎ ‎【拓展2】有一折射率为n的长方体玻璃砖ABCD.其周围是空气，如图所示，当入射光线从它的AB面以入射角α射入时，‎ ‎(1)要使光线在BC面发生全反射，证明入射角应满足的条件是sin α≤‎ ‎.(BC面足够长)‎ ‎(2)如果对于任意入射角(α≠0°且α<90°)的光线都能发生全反射，则玻璃砖的折射率应取何值？‎ ‎【解析】(1)要使光线在BC面发生全反射，(如图所示)，首先应满足 sin β≥ ①‎ 式中β为光线射到BC面时的入射角，由折射定律有 ‎＝n ②‎ 将①②两式联立解得sin α≤‎ ‎(2)如果对于任意入射角的光线都能发生全反射，即0°<α<90°都能发生全反射，则只有当>1才能满足上述条件，故n>‎ ‎3.不同色光在同一介质中的波长、波速、折射率的对比 ‎【例3】△OMN为玻璃等腰三棱镜的横截面.a、b两束可见单色光从空气垂直射入棱镜底面MN，在棱镜侧面OM、ON上反射和折射的情况如图所示.由此可知(　　)‎ A.棱镜内a光的传播速度比b光的小 B.棱镜内a光的传播速度比b光的大 C.a光的频率比b光的高 D.a光的波长比b光的长 ‎【解析】由光路图可以看出，a光入射到界面OM与b光入射到界面ON的入射角相等，a光没有发生全反射，但b光已经发生全反射，说明此时的入射角小于a光的临界角，却等于或大于b光的临界角，可见对于同一种介质，b光的临界角较小,由sin C＝可知玻璃对b光的折射率nb较大，说明b光的频率较高，C错；根据v＝知棱镜内b光的传播速度较小，B对、A错；根据v＝λf可知b光的波长较短，D对.‎ ‎【答案】BD ‎【思维提升】折射率n是讨论折射和全反射问题的重要物理量，是联系各物理量的桥梁，对跟折射率n有关的所有关系式应熟练掌握. ‎ ‎【拓展3】一束白光从顶角为θ的三棱镜的一边以较大的入射角i射入并通过三棱镜后，在屏P上可得到彩色光带，如图所示，在入射角i逐渐减小到零的过程中，假如屏上的彩色光带先后全部消失，则( B )‎ 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】作出白光的折射光路图，如图所示，可看出，白光从AB射入玻璃后，由于紫光偏折大，从而到达另一侧面AC时的入射角较大，且因紫光折射率最大，根据sin C＝可知其全反射的临界角最小，故随着入射角i的减小，进入玻璃后的各色光中紫光首先发生全反射不从AC射出，以后依次是靛、蓝、绿、黄、橙、红，逐渐发生全反射而不从AC面射出，所以只有选项B正确.‎ ‎ 易错门诊 ‎【例4】一束白光从玻璃里射入稀薄空气中，已知玻璃的折射率为1.53，求入射角为下列两种情况时，光线的折射角各为多少？‎ ‎(1)入射角为50°；‎ ‎(2)入射角为30°.‎ ‎【错解】由折射定律n＝可知：‎ ‎(1)当入射角i＝50°时，sin γ＝‎ 所以γ＝30°‎ ‎(2)当i＝30°时，sin γ＝‎ 所以γ＝19°‎ ‎【错因】此解法中没有先分析判断光线是从光疏介质进入光密介质，还是从光密介质进入光疏介质，会不会发生全反射，而是死套公式，引起错误.‎ ‎【正解】光线由玻璃射入空气中，是由光密媒质射入光疏介质，其临界角为C，则有：sin C＝＝0.653 6‎ 所以C＝40°50′‎ 由已知条件知，当i＝50°时，i＞C，所以光线将发生全反射，不能进入空气中.当i ‎＝30°时，i＜C，光进入空气中发生折射现象.‎ 由折射定律有：‎ sin γ＝n·sin i＝1.53×sin 30°＝0.765‎ 所以γ＝ 49°54′‎ ‎【思维提升】解光的折射现象的题目时，首先应作出判断：光线是从光疏介质进入光密介质，还是从光密介质进入光疏介质.如是前者则i＞γ，如是后者则i＜γ.其次，如果是从光密介质进入光疏介质中，还有可能发生全反射现象，应再判断入射角是否大于临界角，明确有无折射现象.‎ 第 2 课时　 光的干涉、衍射　 激光 基础知识归纳 ‎1.光的干涉现象 ‎(1)光的干涉 两列光波在空间相遇时发生　叠加　，在某些区域总加强，在另一区域总　减弱　，从而出现　明暗相间　的条纹的现象叫光的干涉.‎ ‎(2)干涉的条件 相干光源：　频率　相同、　相差　恒定(步调差恒定)的两束光.相干光源采用将一束光一分为二的方法获得，或者采用人造激光.‎ ‎(3)杨氏双缝干涉 ‎①相干条件：如图 若S1、S2光振动情况完全相同，则符合δ＝r2－r1＝x＝nλ(n＝0,1,2,3…)时，出现　亮条纹　；‎ 若S1、S2光振动情况完全相同，则符合δ＝r2－r1＝x＝(2n＋1) (n＝0,1,2,3…)时，出现暗条纹.(注意：振动情况完全相反的加强减弱条件)‎ 其中　d　是两狭缝之间的距离，　L　是两狭缝到屏的距离，λ是光波的波长.‎ ‎②相邻亮条纹(或相邻暗条纹)之间的中央间距：‎ Δx ＝λ ‎③双缝干涉图样 ‎ 单色光：中央为　明条纹　，两边为等间距对称分布　明暗相间条纹　；‎ 复合光：中央为　明条纹　，两边为等间距对称分布　彩色条纹　.‎ 白光：中央为白色明条纹.‎ ‎(4)薄膜干涉 ‎①薄膜干涉的成因：由薄膜的前、后表面反射的两列光波叠加而形成.‎ ‎②生活实例及应用：a.液膜干涉：劈形薄膜干涉可产生　平行明暗相间　的条纹.‎ b.固膜干涉：增透膜.‎ 膜的厚度：.‎ 增反膜：.‎ c.气膜干涉：检查平整程度.‎ 待检平面和标准平面之间的楔形空气薄膜，用单色光进行照射，入射光从　空气膜　的上、下表面反射出两列光波，形成干涉条纹，待检平面若是平的，空气膜厚度相同的各点就位于一条直线上，干涉条纹是　平行　的；反之，干涉条纹有　弯曲　现象.‎ ‎2.光的衍射现象 ‎(1)光的衍射 光遇到障碍物时，　偏离直线传播方向而照射到阴影区域　的现象叫做光的衍射.‎ ‎(2)明显衍射的条件 从理论上讲衍射是无条件的，但需发生明显的衍射现象的条件：当孔或障碍物的尺寸比光波的波长　小　，或者跟光波的波长　相差不多　时，光才发生明显的衍射现象.‎ ‎(3)衍射图样 ‎①单缝衍射：‎ 单色光：中央是最宽的亮条纹，两侧为　不等　间隔的　明暗相间　的条纹；‎ 复合光：中央是最宽的亮条纹，两侧为　不等　间隔的　彩色　条纹，最靠近中央的是紫光，最远离中央的是红光.‎ 注意：与双缝干涉的干涉条纹不同的是：干涉条纹　均匀分布　，而衍射条纹的中央明纹　较宽　、　较亮　.‎ ‎②圆孔衍射：‎ 明暗相间的不等距圆环.‎ ‎(4)泊松亮斑 光照射到一个半径很小的圆板后在圆板的阴影中心出现　亮斑　，这是光能发生　衍射　的有力证据之一.注意泊松亮斑与圆孔衍射条纹的区别：图甲是　泊松亮斑　，图乙是　圆孔衍射　条纹.‎ ‎(5)光的衍射的应用 用衍射光栅测定光波波长.‎ ‎3.光的偏振 ‎(1)自然光、偏振光 自然光：从光源(如太阳、亮着的灯等)直接发出的光，包含着在垂直于传播方向的一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同.‎ 偏振光：①自然光通过偏振片后，在跟光传播方向垂直的平面内，光振动在某一方向较强而在另一些方向振动较弱，这样的光叫偏振光.②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°　，这时的　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.‎ ‎(2)光的偏振的物理意义 光的偏振现象充分表明光波是　横波　.因为偏振现象是横波所特有的现象.‎ ‎(3)偏振光的应用 全息照相、立体电影等.‎ ‎4.激光 ‎(1)激光的特点 主要特点有：　相干性好　；　平行度好　；　亮度很高　.‎ ‎①激光是一种人工相干光，两束相同的激光在相遇区域叠加时，产生非常明显的　干涉现象　；‎ ‎②激光具有非常好的　平行度　，激光在传播很远的距离后仍然保持一定的强度；‎ ‎③激光具有很强的亮度，激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量.‎ ‎(2)激光的重要应用 应用：　通信　、　测距　、　光盘读取　、　切割　等.‎ ‎①由于激光是相干光，便于调制，常用来　传递信息　，　光纤通信　就是激光和光导纤维相结合的产物；‎ ‎②激光测距雷达、激光刻录光盘等都是根据激光的　平行度　好的原理制成的；‎ ‎③利用激光在很短的时间内集中很大的　能量　的性质，用激光来切割各种物体、焊接金属及在硬质材料上打孔、医学上用激光做“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤、“焊接”剥落的视网膜等，利用激光产生的高温高压引起核聚变. 重点难点突破 一、正确识别生活中的干涉、衍射、折射、反射等光现象，掌握干涉、衍射条纹的特点 因白光是复色光，白光在干涉，衍射与折射时均可观察到彩色光带，生活中常见的干涉现象为薄膜干涉，如水面的油膜、照相机镜头前的增透膜、肥皂膜，相干光源是同一束光在薄膜前后两个表面的反射光.因可见光的波长很短，只有几百纳米，要观察到明显的衍射现象，障碍物或孔的尺寸必须很小.所以将眼眯成一条缝或透过纱巾观察到的彩色光带是白光经过缝隙产生的衍射现象.白光通过三棱镜形成的彩色光带是光的折射现象即色散，雨后天空中的彩虹产生也是光的色散现象.‎ 二、光的干涉条件的理解 光的干涉条件是有两个频率相同、振动情况总是相同(或相差恒定)的波源，即相干波源由于不同光源发出的光的频率一般不同，即使是同一光源，它的不同部位发出的光也不一定有相同的频率和恒定的相位差，在一般情况下，很难找到两列相干光源.通常采用人造激光或将一束光一分为二，如图分别是利用双缝、楔形薄膜、空气膜、平面镜形成相干光源.‎ 三、双缝干涉中条纹间距和位置的分析及有关计算 ‎1.影响条纹间距的因素，Δx＝λ，L为双缝刻屏的距离，d为两狭缝间的距离，λ为光的波长.‎ ‎2.中央位置是亮纹还是暗纹的条件：双缝到光屏中央距离相等，光程差为零.若两光源振动完全一致，中央一定是亮纹，若两光源振动恰好相反，则中央为暗纹.分析时要结合两狭缝的具体位置及两光源的振动情况两个因素进行判断.‎ ‎3.单色光颜色、频率、波长的关系.光的颜色由光的频率决定，在可见光中，红光频率最低，紫光频率最高，真空中各色光光速相同，由c＝λ·υ知，真空中红光波长最大，紫光波长最小.‎ 四、薄膜干涉条纹间距与弯曲方法的判断方法 ‎1.条纹出现在薄膜前表面的等厚线上，明纹产生的条件是厚度等于光波半波长的整数倍.‎ ‎2.等倾干涉条纹是均匀的，相邻明纹间的高度差是一个常数，是由厚度决定.‎ 如图若薄片变厚，θ增大，第一条明纹位置向左移动且相邻明纹的间距变密.‎ ‎3.若被检查平面平整则干涉图样是等间距明暗相同的平行直条纹.若某处凹下，则对应明(暗)条纹提前出现，如图(a)所示；若某处凸起，则对应明(暗)条纹延后出现，如图(b)所示.‎ 典例精析 ‎1.各种光现象的识别 ‎【例1】分析以下现象产生的原因：‎ ‎(1)通过盛水的玻璃杯，在适当的角度，可看到彩色光；‎ ‎(2)菜汤上的油花呈现彩色；‎ ‎(3)隔着帐幔看远处的灯，见到灯周围辐射彩色的光芒；‎ ‎(4)光线照在花布上，可以看见花布上的图样.‎ ‎【解析】(1)白光通过盛水的玻璃杯发生折射，产生色散，在适当的角度，各色光分离较大，可看到彩色光.‎ ‎(2)光经过菜汤上油膜的上、下两表面发生反射，两列反射光波相互叠加，产生干涉条纹，因此菜汤上的油花呈现彩色.‎ ‎(3)远处发出的光经过帐幔的缝隙，产生衍射，因此远处的灯周围辐射彩色的光芒.‎ ‎(4)光线照在花布上看见花布的图样，是由于光的反射与吸收的结果.花布是由各种颜色的花纹组成的，当白光照在花布上时红色花纹反射红光，吸收其他颜色的光，这样我们在该位置只看到红色.同理可以看到各种花纹反射的颜色.这样可以看到花布的图样.‎ ‎【思维提升】题目中的四种现象都使观察者看到彩色光，但它们产生彩色光的原因不尽相同，解答这类说理题要求我们善于透过现象抓住事物的本质.‎ ‎【拓展1】如图所示为单色光源发出的光经一狭缝照射到光屏上，可观察到的图像是( A )‎ ‎【解析】单色光源经狭缝产生衍射，衍射图样是间距不等明暗相间，中央宽而亮，两边宽度和亮度逐渐降低的条纹，且两边明条纹的亮度迅速降低，只有A符合这些特点.故本题答案为A.‎ ‎2.对相干光源的理解及干涉规律的实际应用 ‎【例2】1801年，托马斯·杨用双缝干涉实验研究了光波的性质.1834年，‎ 洛埃利用单面镜同样得到了杨氏干涉的结果(称洛埃镜实验).‎ ‎(1)洛埃镜实验的基本装置如图所示，S为单色光源.M为一平面镜.试用平面镜成像作图法在图上画出S经平面镜反射后的光与直接发出的光在光屏上相交的区域.‎ ‎(2)设光源S到平面镜的垂直距离和到光屏的垂直距离分别为a和L，光的波长为λ，在光屏上形成干涉条纹.写出相邻两条亮纹(或暗纹)间距离Δx的表达式.‎ ‎【解析】(1)根据平面镜成像特点(对称性)，先作出S在镜中的像，画出边沿光线，范围如图所示.‎ ‎(2)要求记住杨氏双缝干涉实验中干涉条纹宽度与双缝间距、缝屏距离、光波波长之间的关系Δx＝λ，因为d＝‎2a，所以Δx＝λ ‎【思维提升】对于双缝干涉原理的理解是很重要的，关键是杨氏的“一分为二”的实验设计思想.光源S在平面镜中所成的像与S本身构成了相干光源.要获得稳定的干涉，就是要找到相干光源.如还可以利用两块成很小角度的平面镜的反射光进行干涉实验等.‎ ‎【拓展2】在杨氏双缝干涉实验中，如果( BD )‎ A.用白光作为光源，屏上将呈现黑白相间的条纹 B.用红光作为光源，屏上将呈现红黑相间的条纹 C.用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上将呈现彩色条纹 D.用紫光作为光源，遮住其中一条狭缝，屏上将呈现间距不等的条纹 ‎【解析】白光是由不同频率单色光组成的复色光，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，由于两侧条纹间距与各色光波长成正比，即红光的亮条纹间宽度最大，紫光亮条纹间宽度最小，除中央条纹以外的其他条纹不能完全重合，这样便形成了彩色干涉条纹，所以A错，B正确；当两缝用不同光照射时，两光频率不同，不是相干光，不能呈现彩色条纹，C错；遮住一缝，则为衍射实验，屏上将呈现间距不等的条纹，D正确.‎ ‎3.双缝干涉中明暗条纹出现的条件及定量计算 ‎【例3】如图所示是双缝干涉实验装置，使用波长为600 nm的橙色光源照射单缝S，在光屏中央P处观察到亮条纹，在位于P点上方的P1点出现第一条亮纹中心(即P1到S1、S2的路程差为一个波长)，现换用波长为400 nm的紫光源照射单缝，则(　　)‎ A.P和P1仍为亮点 B.P为亮点，P1为暗点 C.P为暗点，P1为亮点 D.P、P1均为暗点 ‎【解析】从单缝S射出的光波被S1、S2两缝分成的两束光为相干光，由题意，屏中央P点到S1、S2距离相等，即由S1、S2分别射出的光到P点的路程差为零，因此是亮纹中心.因而，无论入射光是什么颜色的光，波长多大，P点都是中央亮纹中心.‎ 而P1点到S1、S2路程相差刚好是橙光的一个波长，即|P1S1－P1S2|＝600 nm＝λ橙，则两列光波到达P1点振动情况完全一致，振动得到加强，因此出现亮纹.‎ 当换用波长为400 nm的紫光时，|P1S1－P1S2|＝600 nm＝，则两列光波到达P1点时振动情况完全相反，即由S1、S2射出的光波到达P1点就相互消弱，因此，出现暗条纹.综上所述，选项B正确.‎ ‎【答案】B ‎【思维提升】判断屏上某点为亮纹还是暗纹，要看该点到两个光源(双缝)的路程差与波长的比值，要记住路程差等于波长整数倍处为亮条纹，等于半波长的奇数倍处为暗条纹.还要注意这一结论成立的条件是：两个光源情况完全相同.‎ 本题若频率相同的两相干光源，振动情况完全相反，那么P点仍然是中央亮条纹吗？(答案：不是，为暗条纹.)‎ ‎【拓展3】双缝干涉实验装置如图所示，绿光通过单缝S后，投射到具有双缝的挡板上，双缝S1和S2与单缝S的距离相等，光通过双缝后在与双缝平行的屏上形成干涉条纹.屏上O点距双缝S1和S2的距离相等，P点是距O点最近的第一条亮纹.如果将入射的单色光换成红光或蓝光，讨论屏上O点及其上方的干涉条纹的情况是：①O点是红光的亮条纹；②红光的第一条亮条纹在P点的上方；③O点不是蓝光的亮条纹；④蓝光的第一条亮条纹在P点的上方.已知红光波长大于绿光波长，绿光波长大于蓝光的波长，据此判断( A )　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ A.只有①②正确 B.只有①④正确 C.只有②③正确 D.只有③④正确 ‎【解析】由于O点到双缝的光程差为零，所以为各种单色光的亮条纹，P点是绿光的第一亮条纹，因为λ红>λ绿，Δx＝λ，所以红光条纹间距大于绿光条纹间距.‎ ‎4.薄膜干涉规律的认识与应用 ‎【例4】劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图所示.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，从上往下观察到的干涉条纹(　　)‎ A.变疏 B.变密 C.不变 D.消失 ‎【解析】撤去一张纸片后，劈形空气薄膜的劈势减缓，相同水平距离上，劈势厚度变化减小，以致干涉时波程差变化减小，条纹变宽，数量变少(变疏).‎ ‎【答案】A ‎【思维提升】本题考查了对薄膜干涉的正确理解，特别是同一条纹对应的空气膜厚度相同这一知识的灵活运用，考查了学生的应用能力.‎ ‎【拓展4】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8.1×1014 Hz，那么它设计的这种“增反膜”的厚度至少是多少？‎ ‎【解析】“增反膜”与“增透膜”的区别是：“增透膜”是增强透射光的强度，“增反膜”却是减弱透射光的强度，故“增反膜”的前后表面的两反射光的光程差为波长的整数倍，即光程差最小为光在膜中的一个波长λ介，由题中信息可知：紫外线在膜中波长λ介＝＝2.5×10－7 m 所以d＝＝1.25×10－7 m ‎ 易错门诊 ‎【例5】如图甲所示，在一块平板玻璃上放置一平凸薄透镜，在两者之间形成厚度不均匀的空气膜，让一束单一波长的光垂直入射到该装置上，结果在上方观察到如图乙所示的同心内疏外密的圆环状干涉条纹，称为牛顿环，以下说法正确的是(　　) ‎ A.干涉现象是由于凸透镜下表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的 B.干涉现象是由于凸透镜上表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的 C.干涉条纹不等距是因为空气膜厚度不是均匀变化 D.干涉条纹不等距是因为空气膜厚度是均匀变化 ‎【错解】凸透镜和平板玻璃组成薄膜，凸透镜的上表面的反射光和平板玻璃的上表面的反射光形成薄膜干涉条纹，故B正确，A错；根据薄膜干涉的应用检测工件的平整程度可知，凸透镜上表面是圆弧，表面不是均匀变化，故干涉条纹不是均匀变化，故C正确，D错.‎ ‎【错因】上述错误的原因是没有弄清凸透镜和平板玻璃组成的哪部分是薄膜，把凸透镜看成薄膜而错选B，而实际上是凸透镜和平板玻璃之间的空气形成薄膜，反射光是薄膜的两个表面的反射光干涉形成干涉条纹.‎ ‎【正解】由于在凸透镜和平板玻璃之间的空气形成薄膜，所以形成相干光的反射面是凸透镜的下表面和平板玻璃的上表面，故A正确，由于凸透镜的下表面是圆弧面，所以形成的薄膜厚度不是均匀变化，形成不等间距的干涉条纹，故C正确.‎ ‎【答案】AC ‎【思维提升】本题中不易理解哪部分是薄膜，本题的关键是弄清楚薄膜，相干光是薄膜上下两个表面的反射光.‎ 第 3 课时　波粒二象性 基础知识归纳 ‎1.光的本性学说的发展史 ‎(1)牛顿的微粒说：认为光是　高速粒子流　，它能解释光的直进、光的反射现象，不能解释光的干涉、衍射现象.‎ ‎(2)惠更斯的波动说：认为光是某种　振动　，以波的形式向四周传播，它能解释光的干涉、衍射现象，不能解释光电效应、光的直进.‎ ‎(3)麦克斯韦的电磁说：认为光是　电磁波　，实验依据是　电火花实验　，证明了光与电磁波在真空中传播　速度相等　，且都为　横波　，能够解释光在真空中的传播、光的干涉、衍射，不能解释光电效应.‎ ‎(4)爱因斯坦的光子说：认为光的传播是一份一份的，每一份叫做光子，其能量与频率成正比，即　E＝hυ　，能够解释光电效应、光的直进、光的反射，不能解释光的干涉、衍射.‎ ‎(5)德布罗意的波粒二象性：认为光既有　粒子性　，又有　波动性　，个别光子表现　粒子性　，大量光子表现　波动性　；光子频率大的　粒子性　明显，频率小的　波动性　明显.能够解释所有光现象.‎ ‎2.光的电磁说 ‎(1)内容：光的本质是电磁波.‎ ‎(2)意义：光的电磁说说明了光的电磁本质，使人们认识到光波与机械波的本质不同，‎ 把光学和电磁学统一起来.‎ ‎(3)依据：光和电磁波的传播都不需要介质；光和电磁波在真空中的传播速度相同，即 c＝3×‎108 m/s.‎ ‎3.光电效应 ‎(1)现象：在光的照射下，物体　发射电子　的现象，叫做光电效应.‎ ‎(2)光电效应的规律：①任何一种金属都有发生光电效应的　极限频率　，入射光的频率必须　大于　这个频率才能产生光电效应；②光电子的最大初动能　与入射光的强度　无关，　随入射光的频率增大　而增大；③光电效应的产生　几乎是瞬时的　，一般不超过10－9 s；④当入射光的频率　大于金属极限频率时　，光电流强度　与入射光的强度成正比　.‎ ‎(3)光子说：在空间传播的光不是　连续的　，而是一份一份的，每一份称为　一个光子　，光子的能量　与其频率成正比　，即　E＝hν　.‎ ‎(4)光电效应方程：①逸出功：使电子脱离某种金属所做功的　最小值　，即　W＝hυ0　；②光电效应方程：　Ek＝ hυ－W　.‎ ‎4.康普顿效应 ‎(1)康普顿效应：即当γ射线或X射线打在物质上，与物质中原子的核外电子发生　相互作用　，作用后产生　散射光子　和　反冲电子　的效应；其作用过程为：当入射X (γ)光子和原子内一个轨道电子发生相互作用时，光子　损失　一部分能量，并　改变　运动方向(　散射光子　)，电子　获得　能量而脱离原子(　反冲电子　)，此种作用过程称为康普顿效应.其结果是：产生了　次级电子　，反冲电子继而将发生电子与物质的相互作用.‎ ‎(2)意义：康普顿效应是验证光的　波粒二象性　的重要物理实验之一.爱因斯坦光子理论圆满解释了光电效应的实验规律，而康普顿对康普顿效应进行了成功的解释，使　光量子说　得到了实验的证明，更有力地证明了爱因斯坦光子理论的正确性.‎ ‎(3)康普顿效应的解释：经典解释(电磁波的解释)：单色电磁波作用于比波长尺寸小的带电粒子上时，引起　受迫振动　，向各方向辐射同频率的电磁波.经典理论解释频率不变的一般散射可以，但对康普顿效应　不能　做出合理解释；光子理论的解释：①光子不仅有能量　hυ　，而且有动量　h/λ　；②模型：X射线光子与静止的自由电子发生　弹性碰撞　；③在碰撞过程中　能量、动量守恒　.‎ ‎(4)康普顿效应进一步证实了光的　粒子性　.‎ ‎5.概率波 在双缝干涉图样中，不能肯定某个光子落在哪一点，即光子落在各点的概率是不一样的.但光子落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率　小　.光子在空间出现的概率可以通过　波动　规律确定，所以光波是一种　概率波　.‎ ‎6.光的波粒二象性 ‎(1)光既具有　波动性　，又有　粒子性　；大量光子产生的效果显示出　波动性　，个别光子产生的效果显示出　粒子性　.‎ ‎(2)光子和电子、质子等实物粒子一样，具有能量和动量.与其他物质相互作用时，　粒子性　起主导作用；在光的传播过程中，光子在空间各点出现的可能性的多少(概率)，由　波动性　起主导作用.‎ ‎(3)对不同频率的光，频率低、波长长的光，　波动性　特征显著；而频率高、波长短的光，　粒子性　特征显著.‎ ‎7.不确定关系式 ‎，其中Δx表示　粒子位置　的不确定量，Δp表示　粒子在x 方向上的动量　的不确定量.‎ 不确定关系式表明：‎ ‎(1)微观粒子的坐标测得愈准确(Δx→0)，动量就愈不准确(Δp→∞)；‎ ‎(2)微观粒子的动量测得愈准确(Δp→0)，坐标就愈不准确(Δx→∞).‎ 但这里要注意，不确定关系不是说微观粒子的坐标测不准；也不是说微观粒子的动量测不准；更不是说微观粒子的坐标和动量都测不准；而是说微观粒子的坐标和动量不能同时测准.‎ ‎ 重点难点突破 一、光电效应 ‎“光电效应”是光的粒子性的一个重要体现，也是光的本性中一个高考热点，因此在复习过程中：‎ ‎1.要澄清一些易混淆的概念，如“光子”、“光电子”、“光子的能量”与“光电子的最大初动能”等，这对理解光电效应的规律具有重要意义.‎ ‎(1)“光子”与“光电子”‎ 光子是指光在空间传播时的每一份能量(即能量是不连续的)，光子不带电，是微观领域中的一种粒子；而光电子是金属表面受到光照时发射出来的电子，因此其本质就是电子.‎ ‎(2)“光子的能量”与“入射光的强度”‎ 光子的能量是一份一份的，每一份的能量为E＝hυ，其大小由光的频率决定；而入射光的强度是指单位时间内入射光中包含光子数的多少，入射光的强度可表示为P＝nhυ，其中n为单位时间内的光子数.‎ ‎(3)“光电子的最大初动能”与“光电子的动能”‎ 光照射到金属表面时，电子吸收光子的能量，就可能向各个方向运动，运动过程中要克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分能量转化为光电子的初动能.所以金属表面的电子，只需克服原子核的引力做功就能从金属表面逸出，那么这些光电子具有最大初动能，其值为Ekm＝hν－W(式中W为金属的逸出功).而不从金属表面发射的光电子，在逸出的过程中损失的能量会更多，所以此时光电子的动能Ek30°‎ 光在F点不能发生全反射，B项错误.‎ 光在介质传播时频率不变.‎ n＝＝＝，所以λ′＝<λ，故C项正确.‎ 从光路图中可看出D项错误.‎ ‎5.(2008·四川)如图，一束单色光射入一玻璃球体，入射角为60°；已知光线在玻璃球内经一次反射后，再次折射回到空气中时与入射光线平行，此玻璃的折射率为( C )‎ A. B.‎1.5 ‎ C. D.2‎ ‎【解析】先作出光路图，设入射角α，折射角β，则由几何关系，可得4β＝120°，故β＝30°又因为α＝60°，所以n＝＝ ‎6.(2008·天津)下列有关光现象的说法正确的是( A )‎ A.在光的双缝干涉实验中，若仅将入射光由紫光改为红光，则条纹间距一定变大 B.以相同入射角从水中射向空气，紫光能发生全反射，红光也一定能发生全反射 C.紫光照射某金属时有电子向外发射，红光照射该金属时也一定有电子向外发射 D.拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加装一个偏振片以增加透射光的强度 ‎【解析】根据干涉条纹的间距的公式Δx＝λ可知，由于紫光的波长比红光的波长短，所以改为红光后条纹间距一定增大，A正确；紫光的临界角比红光的临界角小，所以紫光发生全反射后红光不一定发生全反射，B错误；由于紫光的频率大于红光的频率，所以紫光的能量比红光的能量大，紫光发生光电效应红光不一定发生光电效应，C错误；拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加装一个偏振片是为了防止玻璃的反光，所以D错误.‎ ‎7.(2007·全国Ⅰ)在桌面上有一倒立的玻璃圆锥，其顶点恰好与桌面接触，圆锥的轴(图中虚线)与桌面垂直，过轴线的截面为等边三角形，如图所示.有一半径为r的圆柱形平行光束垂直入射到圆锥的表面上，光束的中心轴与圆锥的轴重合.已知玻璃的折射率为1.5，则光束在桌面上形成的光斑半径为( C )‎ A.r B.1.5r C.2r D.2.5r ‎【解析】如图所示，光线射到A或B时，入射角大于临界角，发生全反射，而后由几何关系得到第二次到达界面的时候垂直打出.O点为△ABC的重心，设EC＝x，则由几何关系得到：＝.解得光斑半径x＝2r ‎8.(2007·海南)如图所示，置于空气中的一不透明容器中盛满某种透明液体，容器底部靠近器壁处有一竖直放置的‎6.0 cm长的线光源，靠近线光源一侧的液面上盖有一遮光板，另一侧有一水平放置的与液面等高的望远镜，用来观察线光源，开始时通过望远镜不能看到线光源的任何一部分，将一光源沿容器底向望远镜一侧平移至某处时，通过望远镜刚好可以看到线光源底端.再将光源沿同一方向移动‎8.0 cm，刚好可以看到其顶端.求此液体的折射率n.‎ ‎【解析】当线光源上某一点发出的光线射到未被遮光板遮住的液面上时，射到遮光边缘O的那条光线的入射角最小.若线光源底端在A点时，望远镜内刚好可以看到此光源底端，设过O点液面的法线为OO1，则∠AOO1＝α ①‎ 其中α为此液体到空气的全反射临界角，‎ 由折射定律有sin α＝ ②‎ 同理，若线光源顶端在B1点时，通过望远镜刚好可以看到此光源顶端，则∠AB1B＝α，设此时线光源底端位于B点，由图中几何关系可得sin α＝ ③‎ 联立②③式得n＝ ④‎ 由题给条件可知＝8.0 cm，＝6.0 cm 代入③式得 n＝1.25‎ ‎9.(2008·宁夏)一半径为R的球体放置在水平面上，球体由折射率为的透明材料制成.现有一束位于过球心O的竖直平面内的光线，平行于桌面射到球体表面上，折射入球体后再从直表面射出，如图所示.已知入射光线与桌面的距离为，求出射角θ.‎ ‎【解析】如图，设入射光线与球体的交点为C，连接OC，OC 即为入射点的法线.因此图中的角α为入射角.过C点作球体水平表面的垂线，垂足为B，依题意，∠COB＝α，又由△OBC知 sin α＝ ①‎ 设光线在C点的折射角为β，由折射定律得 n＝＝ ②‎ 由①②式得β＝30° ③‎ 由几何关系知，光线在球体的竖直表面上的入射角γ(见图)为30°.由折射定律得n＝＝ 所以sin θ＝ 解得θ＝60° ‎