高二物理高三新课：物理光学人教版知识精讲

高二物理高三新课：物理光学人教版知识精讲

高二物理高三新课：物理光学人教版 ‎ ‎【本讲教育信息】‎ 一. 教学内容：‎ 高三新课：物理光学 二. 知识要点：‎ ‎（一）光的本性学说发展史上的五个学说 ‎1. 牛顿的微粒说：认为光是沿直线高速粒子流，它能解释光的反射和直线传播，难以解释折射和衍射等现象。‎ ‎2. 惠更斯的波动说：认为光是某种振动，以波的形式向周围传播，它能解释光的干涉和衍射现象但难以解释光电效应。‎ ‎3. 麦克斯韦的电磁说：认为光是电磁波，实验依据是赫兹实验证明了光与电磁波在真空中传播速度相等且均为横波。‎ ‎4. 爱因斯坦的光子说：认为光的传播是一份一份的，每一份叫一个光子，其能量与它的频率成正比，即，光子说能成功地解释光电效应现象。‎ ‎5. 德布罗意的波粒二象性学说：认为光是既有粒子性，又有波动性。个别光子表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性，频率大的光子粒子性明显，而频率小的光子波动性明显。‎ ‎（二）光的干涉 ‎1. 相干光及相干光源 两束频率相同，振动情况总是相同的光叫相干光；能够产生相干光的光源叫相干光源。‎ ‎2. 光的干涉 干涉现象：两束（或几束）相干光在空间相遇，互相叠加，在叠加区域，光在一些地方互相加强，在另一些地方互相削弱，这种现象叫光的干涉。‎ 干涉图样：在光的叠加区域放一光屏，就能看到干涉条纹，叫干涉图样。单色光的干涉条纹是明暗相间的条纹，白光的干涉条纹是彩色的条纹 干涉条件：两列光（或几列光）的频率相同，或振动情况完全相同 注：干涉现象是波独有的特征，光能发生干涉现象，证明了光确实是一种波。‎ ‎3. 双缝干涉 ‎（1）双缝干涉产生原理：当某点到两缝的路程差为波长的整数倍时，到达该点的光互相加强为亮纹；当某点到两缝的路程差为半波长的奇数倍时，到达该点的光互相削弱出现暗纹，条纹间距跟光的波长成正比。‎ ‎（2）产生稳定干涉的条件：两列光的频率相等且振动状态相同，相干光源可用同一束光分成两列获得。‎ ‎（3）双缝干涉图样：单色光时是明暗相间条纹，且宽度相等，白光时是彩色条纹。‎ ‎4. 薄膜干涉的产生原因 由薄膜的前、后表面的反射光叠加而产生干涉，出现明、暗相间条纹。‎ 注意：白光产生薄膜干涉时得彩色条纹 ‎5. 光的波长和频率 ‎（1）各色光有不同的频率，红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫色光的频率从低到高排列（光的颜色由频率决定，光频率由光源决定，与介质无关）。‎ ‎（2）波速、波长和频率的关系：。‎ 注意：① 光在不同介质中传播时，速度不同，频率不变，故在不同介质中波长要改变。② 在真空中各色光速度相同，故按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫色光的顺序波长变小。‎ ‎6. 光干涉在技术上的应用 ‎（1）表面平直检测（利用薄膜干涉原理）‎ ‎（2）镜头增透膜：（利用薄膜干涉，使薄膜厚度为入射光在薄膜中波长的1/4）‎ ‎（三）光的衍射 ‎1. 波的衍射 波的衍射：波在传播时遇到障碍物能够绕过障碍物传播的现象 ‎2. 光的衍射及明显衍射的条件 光能绕过障碍物（或小孔）的传播现象叫光的衍射现象 明显衍射条件：只有在障碍物（或孔）的尺寸与光的波长差不多或者更小的情况下，可以清楚地看到光的衍射。‎ 注：‎ ‎（1）光能发生衍射现象证明光是一种波。‎ ‎（2）在明显衍射条件中，关于小孔的大小不能太小，因为小到一定程度通过小孔的光的能量太小时，衍射现象也不会明显。‎ ‎3. 单缝衍射 在挡板上安装一个可调的狭缝，让单色平行光照射到狭缝上，狭缝宽时，在挡板后面的光屏上得一与缝宽相当的亮线（说明光沿直线传播），调到狭缝很窄时，亮线的亮度有所降低，但宽度反而增大（说明光的传播离开了直线）。‎ 单缝衍射图样：明暗相间的条纹，中央亮区宽两边变狭，如果用白光做实验，则衍射图样为彩色条纹。‎ 注：‎ ‎（1）单缝衍射条纹与双缝干涉条纹的区别在于：前者中央亮区最宽，两边变窄变暗，后者中央亮区的宽度与其他亮区宽度相等。‎ ‎（2）将双缝干涉的一个狭缝挡住，双缝干涉图样变成单缝衍射图样。‎ ‎4. 圆孔衍射 光线照射到带有圆孔的挡板上后，在挡板后面的光屏上得到一个圆形亮斑。圆孔缩小，亮斑也缩小，当圆孔小到一定程度，亮斑反而增大，发生了圆孔衍射现象。‎ 圆孔衍射图样：为明暗相间的圆形条纹，中央为亮斑。‎ 注：各种形状不同的障碍物都能使光发生衍射，致使影子的轮廓模糊不清，出现亮暗相同的条纹 ‎5. 光的直线传播和光的衍射 光的直线传播：光在没有障碍物的均匀介质中是沿直线传播的，在障碍物的尺寸比光的波长大得多的情况下，衍射现象不明显，也可以认为光是沿直线传播的。‎ 光发生了明显的衍射现象后，光绕过了障碍物传播，就不是沿直线传播了。‎ 注：光在传播中遇到障碍物都要发生衍射现象，只不过是明显程度不同而已。‎ ‎（四）光的电磁说 ‎1. 光的电磁本性：‎ 光的本质是电磁波 麦克斯韦预言了电磁波的存在，并从理论上得出电磁波在真空中的传播速度与实验测出的光速非常接近，提出光在本质上是一种电磁波（电磁说）‎ 赫兹实验① 证实了电磁波的存在；② 测出了实验中的电磁波的频率和波长；③ 计算了电磁波的传播速度，发现了电磁波的速度确实与光速相同 注：麦克斯韦提出光是一种电磁波，这就是光的电磁说；赫兹用实验证明了光的电磁说的正确性 ‎2. 电磁波谱：‎ 把各种电磁波按照频率（或波长）的顺序排列起来组成的波谱叫做电磁波谱。按波长从长到短的排列顺序为：‎ 无线电波 微波 红外线 注：‎ ‎（1）波段有重叠，它们之间的区别并没有绝对的意义 ‎（2）它们的本质都相同，都遵守共同的规律。① 都具有波的特性；② 真空中的传播速度都相同；③ 遵守波速公式 可见光 紫外线 X射线 射线 ‎（3）特性：波长越长，波动性越明显。波长越短，越不易观察到干涉、衍射现象 ‎3. 四种射线的特性（1）红外线：‎ ‎ 比红光的波长更长的光不能引起视觉，叫做红外线。红外线的波长范围很广，约为750nm～106nm 一切物体都在辐射红外线，物体的温度越高，它辐射的红外线越强，波长越短 ‎（2）紫外线 ‎ 比紫光波长更短的不可见光叫紫外线。波长大约为5nm～370nm ‎（3）伦琴射线 波长比紫外线更短的光叫伦琴射线（X射线）‎ 伦琴射线的穿透能力很强 ‎（4）射线 ‎ 比伦琴射线的波长更短的电磁波叫射线 射线的穿透能力更强 ‎4. 电磁波谱机理、特性及应用 波谱 无线电波 红外线 可见光 紫外线 伦琴射线 射线 产生机理 振荡电路中自由电子振荡 原子外层电子受激发 原子内层电子受激发 原子核受激发 特性 热作用强 引起视觉 波动性明显 化学作用、荧光作用、杀菌 贯穿作用强 贯穿本领最强 应用 无线电技术 加热、遥感 照明摄影 感光技术医用消毒 检查探测医用透视照相 工业探伤医用治疗 ‎【典型例题】‎ ‎1. 干涉条件类 ‎[例1] 两独立点光源向白色光屏同时发出单色红光，则光屏呈现（ ）‎ A. 干涉条纹 B. 一片红 C. 仍为白色 D. 一片黑 解析：只有频率相同、相位差恒定的两列波相遇时才能产生干涉。依题意知，光源系两个独立光源，但不能保证两列光波的相位差恒定，所以没有干涉条纹。故正确选项为B。‎ ‎2. 干涉图样类 ‎[例2] 双缝干涉实验中，不同的单色光得到的干涉条纹（ ）‎ A. 紫光条纹间距最小 B. 各色光条纹间距相同 C. 中央总是明条纹 D. 中央总是暗条纹 解析：因干涉条纹间距跟波的波长成正比，波长不同，间距不同，故选项A正确。又两光到达中央位置的路程差为零，所以中央位置一定为明条纹。故选项C正确。‎ ‎3. 振动加强（减弱）条件类 ‎[例3] 双缝干涉实验中，屏上点P为明条纹，则双缝到点P的路程差必定是（ ）‎ A. 半波长的奇数倍 B. 波长的奇数倍 C. 半波长的偶数倍 D. 波长的整数倍 解析：明暗条纹与两列波到达某点的路程差有关：路程差是波长的整数倍时产生明条纹；路程差是半波长的奇数倍时产生暗条纹。由此可知C，D为正确选项。‎ ‎4. 强、弱位置类 ‎[例4] 完全相同的A，B两个声源相距‎50m，同时发出波长为‎25m的声波。若人沿AB连线从A走到B，问在哪些地方、听到最强音？哪些地方听到最弱音？‎ 解析：设在AB连线上有一点P，，，B，A到点P的路程差为 ①‎ 若该点为振动加强点，据振动加强的条件有 ②‎ 由①②得： ③ 因 ④‎ 由③④解得 为整数，有，0，。表明A，B之间共有3个强音位置。将代入③式，解得距A的位置分别为：‎12.5m，‎25m，‎37.5m。‎ 若点P为振动减弱点，据振动减弱的条件有 ⑤‎ 由①⑤得： ⑥ 由④⑥解得：‎ 为整数，有，0，，，表明A，B之间共有4个弱音位置。将代入⑥式解得距A的位置分别为：‎6.25m，‎18.75m，‎31.25m，‎43.75m。‎ ‎【模拟试题】‎ ‎1. 光的微粒说很难解释（ ）‎ A. 光的直进现象 B. 光的反射现象 C. 光同时发生反射和折射现象 D. 光的色散现象 ‎2. 从两支手电筒射出的光照到同一点上时，看不到干涉条纹，因为（ ）‎ A. 手电筒发出的光不是单色光 B. 干涉图样太小，看不清楚 C. 周围环境的漫反射光太强 D. 两个光源是非相干光源 ‎3. 关于电磁波的产生和特性，下列说法正确的是（ ）‎ A. 射线是原子的内层电子受激发而产生的 B. 伦琴射线是原子内层电子受激发而产生的 C. 紫外线比可见光容易产生干涉和衍射 D. 电磁波谱中能量最大的是红外线 ‎4. 关于无线电波和光波的说法中正确的是（ ）‎ A. 无线电波的频率比光波的频率高 B. 无线电波的波长比光波的波长长 C. 无线电波的传播速度比光波的传播速度小D. 无线电波的能量比光波的能量大 ‎5. 下面对增透膜的叙述，不正确的有（ ）‎ A. 摄影机的镜头上涂一层增透膜后，可提高成像质量 B. 增透膜是为了增加光的透射，减少反射 C. 增透膜的厚度应为入射光在薄膜中波长的1/4‎ D. 增透膜的厚度应为入射光在真空中波长的1/4‎ ‎6. 在用A、B两平行缝作双缝干涉实验装置中，屏上P点出现明条纹，那么双缝A和B到屏上P点的距离之差必为（ ）‎ A. 二分之一光波波长的奇数倍 B. 一个光波波长的奇数倍 C. 二分之一光波波长的偶数倍 D. 二分之一光波波长的整数倍 ‎7. 按频率由小到大排列，电磁波谱的排列顺序为（ ）‎ A. 红外线、无线电波、紫外线、可见光、射线，伦琴射线 B. 无线电波、紫外线、可见光、红外线、伦琴射线、射线 C. 射线、伦琴射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波 D. 无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、射线 ‎8. 在双缝干涉实验中，以下说法正确的是（ ）‎ A. 把入射光由黄光变为紫光，相邻两明条纹的距离变窄 B. 若把双缝中的一条缝遮住，屏上出现一条亮线 C. 若使屏远离双缝，干涉条纹间距离变宽 D. 若将入射光改为白光，屏上将出现彩色条纹 ‎9. 表面有一层油膜的玻璃片，当阳光照射时，可在照射面及玻璃片的边缘分别看到彩色图样，对这两种现象的说法，正确的是（ ）‎ A. 两者都是色散现象 B. 两者都是干涉现象 C. 前者是干涉现象，后者是色散现象 D. 前者是色散现象，后者是干涉现象 ‎10. 如果一束光的光子能量较大，那么（ ）‎ A. 它在某一介质中传播的速度较其他光子大 B. 它从空气中进入某介质时，折射角较大 C. 它从某介质射向空气，发生全反射临界角较小 D. 它的波动性显著，而粒子性不显著 ‎11. 某一束色光，在真空中的波长为，传播速度为，进入折射率为的介质中传播，其频率为 ，波长为 。‎ ‎12. 在双缝干涉实验中，单色光的波长越长，干涉条纹的间距越 ，用白光做双缝干涉实验时在屏上可以看到：在离双缝等距离的地方出现 条纹。‎ ‎13. 宇宙飞船一般由化学燃料制成的火箭靠反冲发射升空，升空以后，可以绕地球飞行，但要穿越太空遨行，还需其他动力的作用，这种动力可以采用多种方式，有人提出过采用离子发动机，也有人设想利用太阳光产生的光压作动力。‎ ‎（1）已知地球的半径为，地球表面的重力加速度为g，某次发射的宇宙飞船在离地球表面高的高空中绕地球运行，试用以上各量表示它绕行的速度。‎ ‎（2）若某宇宙飞船采用光压作为动力，即利用太阳光对飞船产生的压力加速。给飞船安上面积极大、反射率极高的薄膜，正对太阳，靠太阳光在薄膜上反射时产生的压力推动宇宙飞船，因为光子不仅有能量，还有动量，其动量，其中h为普朗克常量，λ为光的波长。若该飞船的质量为，反射薄膜的面积为，单位面积上获得太阳能的功率为，太阳发出的光按照单一平均频率简化分析，那么飞船由光压获得的最大加速度为多大？‎ ‎14. —般认为激光器发出的是频率为 的“单色光”，实际上它的频率并不是真正单一的，激光频率是它的中心频率，它所包含的频率范围是（也称频率宽度）。让单色光照射到薄膜表面，一部分从前表面反射回来（这部分称为甲光），其余的进人薄膜内部，其中的一小部分从薄膜后表面反射回来，并从前表面射出（这部分为乙光），甲、乙这两部分光叠加而发生干涉，称为薄膜干涉。乙光与甲光相比，要多在薄膜中传播一小段时间。理论和实践都证明，能观察到明显的干涉现象的条件是：的最大值与的乘积近似等于l，即只有满足 ‎，才会观察到明显的稳定的干涉现象。已知某红宝石激光器发出的激光，它的频率宽度，让这束单色光由空气斜射到折射率的液膜表面，射入时与液膜表面成45°角，如图所示。‎ ‎（1）求从O点射入薄膜中的光线的传播方向及传播速率。‎ ‎（2）估算如图所示的情景下，能观察到明显稳定干涉现象的液膜的最大厚度材。‎ 试题答案 ‎1. CD 2. D 3. B 4. B 5. D 6. C 7. D 8. ACD 9. C 10. C 11. ；‎ ‎12. 宽；明 ‎13. （1）由及得：‎ ‎（2）由光子的能量，光子的动量，以及，得：。在时间内，反射膜收到的光子能量为，它们的动量为。这些光子反射后，最大动量为，但方向相反，由动量定理，得：。由牛顿第三定律飞船也受到等大的力，则飞船获得的最大加速度为：。‎ ‎14.（1）设从O点射入薄膜中的光线的折射角为，根据折射定律有：。所以折射角为。光在薄膜中的的传播速率。‎ ‎（2）乙光在薄膜中经过的路程。乙光通过薄膜所用的时间。当取最大值时，对应的薄膜厚度最大。又因为，所以，解出。 ‎