高二物理光的本性北师大版知识精讲

高二物理光的本性北师大版知识精讲

高二物理光的本性北师大版 ‎【本讲教育信息】‎ 一. 教学内容：‎ 光的本性 二. 教学过程：‎ ‎1. 光的干涉：在两列光波的叠加区域，某些区域相互加强，出现亮纹；某些区域相互减弱，出现暗纹，且有加强区域和减弱区域相间的现象。光的干涉形成条件：两列光频率相同，相差恒定。‎ ‎2. 托马斯·杨氏双缝干涉：‎ ‎（1）双缝（孔）干涉实验装置 使太阳光或某种单色光，通过一具有单一小孔和单一狭缝的挡板，而成为一“点光源”，如下图所示。‎ 再让这一束光射到另一挡板上，此板相隔很近的两个小孔（或狭缝），而且每一个孔（或狭缝）与单孔（或单缝）距离相等。通过双孔（或双缝）的两束光就成为相干光，即频率相同的两束光，当它们再次在屏幕上相遇互相叠加，就形成了稳定的明暗相同的（或者是彩色）条纹。‎ ‎（2）双缝干涉实验规律 P点将出现亮条纹 P点将出现暗条纹 ‎（中央条纹）；若用白光实验，该点是白色的亮条纹。‎ 若用单色光实验，在屏上得到明暗相间的条纹；若用白光实验，中央条纹是白条纹，两侧是彩色条纹。‎ ‎③屏上明条纹暗条纹之间的距离总是相等的，其距离大小△x与双缝之间距离d，双 在L和d不变的情况下，△x和波长λ成正比，应用上式可测光波的波长λ。‎ ‎3. 薄膜干涉：光照在薄膜上，从膜的前表面和后表面反射回来的光再次相遇而产生的干涉现象。‎ ‎（1）竖直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形，光照射到薄膜上时，在膜的前表面和后表面分别反射出来，形成两列频率相同的光波，并且叠加。‎ ‎①若单色光照在上述薄膜上，形成明暗相间的条纹。‎ ‎②若白光照在上述薄膜上，将形成彩色条纹。‎ ‎（2）在水面上的油膜、肥皂泡等在白光的照射下，出现灿烂的彩色，都是薄膜干涉现象。‎ ‎（3）薄膜干涉的应用 ‎①检查精密零件的表面质量 将被检查平面和放在上面的透明标准样板的一端垫一薄片，使样板的标准平面和被检查平面间形成一个楔形空气薄层，单色光从上面照射，入射光在空气层的上、下表面反射出两列光波叠加情况，从反射光中看到干涉条纹，根据干涉条纹的形状，来确定工作表面情况。‎ ‎②增透膜 在光学元件（透镜、棱镜）的表面涂一层薄膜，当薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的1/4时，在薄膜的两个面上的反射光，光程差恰好等于半波长，因而相互抵消，达到减小反射光，增大透射光强度的作用。‎ ‎4. 光的衍射现象：光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物阴影里去的现象。（1）明显衍射条件：障碍物或小孔的尺寸只有跟光的波长相差不多或者比光的波长还要小的时候，才会发生明显的衍射。‎ ‎（2）常见的光的衍射现象：①单色光通过狭缝时，在屏幕上出现明暗相间的条纹，且中央为亮条纹，中央条纹较宽，其余亮纹逐渐变窄；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，但中央为白条纹。②光通过小孔时，在屏上会出现明暗相间的圆环，中间很亮。③光照在不透明的小圆板上，在屏上圆板的阴影中心，出现亮斑——泊松亮斑。‎ ‎5. 光的频率由光源决定，与介质无关，同一种光的光速由介质决定，波长λ＝v/f。‎ ‎6. 光是一种电磁波，其依据是：‎ ‎（1）光波和电磁波一样具有反射、折射、干涉、衍射等现象；‎ ‎（2）光波和电磁波都能在真空中传播，且传播速度v＝c＝3.0×‎108m/s；‎ ‎（3）光的电磁说由麦克斯韦提出，1888年赫兹用实验证明了电磁说的正确性。‎ ‎7. 电磁波谱：无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线按波长由长到短形成电磁波谱，它们的本质相同，都是电磁波，但它们产生的机理不同，另外，波长越长的电磁波越容易产生干涉、衍射现象。‎ ‎8. 偏振现象 横波只沿着一个特定的方向振动，这种现象称为波的偏振。（1）纵波没有偏振现象，只有横波才有偏振现象。根据波是否有偏振现象可以判断该波是横波或者是纵波。实验表明，光波有偏振现象，说明光是一种横波。‎ ‎（2）自然光与偏振光 太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫做自然光。‎ 自然光通过偏振片时，只有振动方向跟偏振片的透振方向一致的光波才能通过；也就是说，通过偏振片的光波，在垂直于传播方向的平面上，只沿着一个特定的方向振动，这种光叫做偏振光。‎ ‎9. 激光的主要特点及应用 ‎（1）主要特点：方向性好（光子的发射方向相同）、单色性好（光子的频率）相同，相干性好，亮度高。‎ ‎（2）应用：①由于其方向性好（即平行度高），可以用它来精确测距（如激光雷达），还可以用激光读VCD机、CD唱机或计算机的光盘上的信息，经过处理后还原成声音和图像。‎ ‎②由于频率相同，激光是一种人工相干光，所以它能像无线电波那样进行调制，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。‎ ‎③由于其亮度高，可以切割物质，医学上作“光刀”来切开皮脸、切除肿瘤等；还可以利用激光引起核聚变。‎ ‎【典型例题】‎ 例1. 如图所示，在双缝干涉实验中，S1和S2为双缝，P是光屏上的一点，已知P点与S1和S2距离之差为2.1×10‎-6 m，今分别用A、B两种单色光在空气中做双缝干涉实验，问P点是亮条纹还是暗条纹？‎ ‎（1）已知A光在折射率为n＝1.5的介质中波长为4×10‎-7 m。‎ ‎（2）已知B光在某种介质中波长为3.15×10‎-7 m，当B光从这种介质射向空气时，临界角为37°。‎ 解析：知P点与S1和S2的距离之差，由出现明暗的条件可判断是亮条纹或暗条纹。‎ 解：‎ 可见，用B光做光源，P点为亮条纹。‎ 例2. 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，从上往下看到的干涉条纹如图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：撤去一张纸后，劈形空气膜的劈势减缓，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），故A正确。‎ ‎【模拟试题】‎ ‎1. 如图所示是用干涉法检查某块厚玻璃板的上表面是否平的装置，所用单色光是用普通光源加滤光片产生的。检查所观察到的干涉条纹是由下列哪两个表面反射的光线叠加而成的（ ）‎ 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 ‎2. 光学镜头涂一层薄膜叫做增透膜，以下说法正确的是（ ）‎ A. 增透膜的作用是为了减少光的反射损失，增强透射光的强度 B. 增透膜的厚度等于入射光在真空中波长的 C. 增透膜的厚度等于入射光在薄膜中波长的 D. 因为增透膜厚度一般选为适合绿光反射时相互抵消，红光、紫光的反射不能完全抵消，所以涂有增透膜的镜头呈淡紫色 ‎3. 杨氏双缝干涉实验中，下列说法正确的是（n为自然数，λ为光波波长）（ ）‎ ‎（1）在距双缝路程相等的点形成暗条纹 ‎（2）在距双缝的路程差为的点形成亮条纹 ‎（3）在距双缝的路程差为的点形成亮条纹 ‎（4）在距双缝的路程差为的点形成暗条纹 A. （1）（2） B. （2）（3）‎ C. （3）（4） D. （2）（4）‎ ‎4. 如图中A、B、C、D分别为红光和紫光在同样条件下的干涉、衍射图样，其中为红光干涉图样的是（ ）‎ ‎5. 下列现象中哪些是由于光的干涉产生的（ ）‎ A. 天空中出现的彩虹 B. 肥皂泡在阳光下呈现彩色条纹 C. 阳光通过三棱镜形成的彩色光带 D. 光线通过一条极端窄的缝呈现明暗相间的条纹 ‎6. 在做双缝干涉实验中，用普通的白光做光源，在屏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干涉条纹，其他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，其他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 ‎7. 利用双缝装置观察色光的干涉现象时，用同一双缝且保持双缝到屏距离不变的情况下，以下说法正确的是（ ）‎ A. 不同色光在屏上产生的条纹都应是明暗相间且等距的条纹 B. 条纹间距与光的波长成正比 C. 由于色光波长不同，位于中央的条纹可能是明条纹，也可能是暗条纹 D. 红光产生的条纹间距比紫光产生的条纹间距小 ‎8. 用红光进行双缝干涉实验时，如果用不透光的纸遮住一个缝，则屏上出现的是（ ）‎ A. 一片黑暗 B. 一片红光 C. 原干涉条纹形状不变，亮度减弱 D. 不等间距的红、黑相间的条纹 ‎9. 一束白光通过双缝后在屏上观察到的干涉条纹，除中央白色条纹外，两侧还有彩色条纹其原因是（ ）‎ A. 各色光的波长不同，因而各色光分别产生的干涉条纹间距不同 B. 各色光的速度不同，造成条纹的间距不同 C. 各色光的强度不同 D. 各色光通过双缝的距离不同 ‎10. 先后用两种不同的单色光，在相同条件下用同一双缝干涉装置做实验，在屏幕上相邻的两条亮纹间距不同，其中间距较大的那种单色光比另一种单色光（ ）‎ A. 在真空中的波长较短 B. 在玻璃中的传播速度较大 C. 在玻璃中传播时，玻璃的折射率较大 D. 其光子的能量较小 ‎11. 对下列光现象说法正确的是（ ）‎ A. 马路上积水表面的油膜呈现彩色图样，这是由于光的漫反射。‎ B. 从紧捏的两块玻璃板的表面看到彩色条纹是光的色散现象。‎ C. 隔着羽毛看太阳光，出现彩色花纹是衍射现象。‎ D. 灯光下物体的影的轮廓模糊不清是衍射现象。‎ E. 白光通过分光镜在光屏上形成彩色的光带是光的干涉现象。‎ F. 涂有增透膜的照相机镜头呈淡紫色，说明增透膜增强了对紫光的透射程度。‎ G. 夜间观看到天边的星座的位置比实际位置偏高，是光的折射现象。‎ ‎12. 在双缝干涉实验中，若双缝处两束光的振动情况恰好相反，则在屏上距两缝的路程差____________处出现明条纹，路程差____________处出现暗条纹。‎ ‎13. 为了减少光在透镜表面的反射损失，可在透镜表面涂一层增透膜，增透膜的材料一般选用折射率为1.38的氟化镁，为了使在空气中波长为的绿光在垂直透镜入射时，不发生反射，所涂薄膜的最小厚度为____________m。‎ ‎14. 在真空中波长为的是黄光，波长为的是紫光，现有一束频率为的单色光，它在折射率为1.5的玻璃中波长为____________，它在该玻璃中是什么颜色？____________。‎ ‎15. A与B是两束平行的单色光，它们从空气射入水中的折射角分别为，若，则（ ）‎ A. 在空气中A的波长大于B的波长 B. 在水中A的传播速度大于B的传播速度 C. A的频率大于B的频率 D. 在水中A的波长小于B的波长 ‎16. 1895年德国物理学家伦琴发现了一种穿透本领很大的射线，叫伦琴射线，利用伦琴射线，在工业上可检查金属部件内部的砂眼、裂纹等，在医学上透视人体，可检查体内的病变和骨折的情况，如图是一种能产生伦琴射线的伦琴射线管及其工作电路（ ）‎ A. 高压电源是一种直流电源，且b端为电源正极 B. 高压电源是一种高频电源 C. 从阳极A激发出的是高速电子流 D. 从阳极A激发出的是高频电磁波 ‎17. 一种电磁波射到‎1m的孔上，所观察到的衍射现象是明显的，这种波属于（ ）‎ A. γ射线 B. 伦琴射线 C. 可见光 D. 无线电波 ‎18. 红光和紫光相比较，下列说法正确的是（ ）‎ A. 红光的频率比紫光高 B. 经同一双缝发生干涉现象时，红光的干涉条纹比紫光宽 C. 在同一种介质中，红光的速度比紫光大 D. 红光的热作用比紫光强 ‎19. 认为光波和无线电波都是电磁波的理由中，不正确的是（ ）‎ A. 在真空中传播的速度相同 B. 传播可以不需要介质 C. 都能发生反射、折射、干涉和衍射现象 D. 都是由振荡电路中自由电子的运动产生的 ‎20. 关于红外线的作用和来源，下列说法正确的是（ ）‎ A. 一切物体都在不停地辐射红外线 B. 红外线有很强的热作用的萤光效应 C. 红外线的显著作用是化学作用 D. 红外线容易穿过云雾烟尘 ‎21. 气象卫星向地面发送的云图，是由卫星上的红外线感应器接收云层发出的红外线而形成的图像，云图上的黑白程度由云层的温度高低决定，这是利用了红外线的（ ）‎ A. 不可见性 B. 穿透性 C. 热效应 D. 化学效应 ‎22. 在杨氏干涉实验装置的双缝后面各放置一个偏振片，若两个偏振片的透振方向相互垂直，则（ ）‎ A. 光屏上仍有干涉条纹，但亮条纹的亮度减小 B. 光屏上仍有干涉条纹，但亮条纹的亮度增大 C. 干涉条纹消失，光屏上一片黑暗 D. 干涉条纹消失，但仍有光射到光屏上 ‎23. 下图为X射线管的结构示意图，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（ ）‎ A. 高压电源正极应接在P点，X射线从K极发出 B. 高压电源正极应接在P点，X射线从A极发出 C. 高压电源正极应接在Q点，X射线从K极发出 D. 高压电源正极应接在Q点，X射线从A极发出 ‎24. 如图所示，让太阳光通过M中的小孔S，在M的右方放一偏振片P，P的右方再放一光屏Q，现以光的传播方向为轴逐渐旋转偏振片P，关于屏Q上光的亮度变化情况，下列说法中正确的为（ ）‎ A. 先变暗后变亮 B. 先变亮后变暗 C. 亮度不变 D. 光变暗后变亮，再变暗，再变亮 ‎25. 如图所示，一束太阳光通过三棱镜后，在光屏MN上形成彩色光带ab，今将一温度计放在屏上不同区域，其中温度计示数升高最快的区域为______________。（用字母表示）‎ ‎26. 你用哪些现象或实验结果来说明：（1）光是一种波；（2）光的波长跟声波波长比起来是很小的；（3）蓝光的波长比红光的波长短。‎ 试题答案 ‎1. C 2. ACD 3. D ‎4. C 提示：干涉条纹和衍射条纹不同，干涉条纹间距相等，疏密均匀，且波长越长，间距越大，而衍射条纹间距不等，中央亮条纹间距最大。‎ ‎5. B ‎6. C 提示：红光和绿光频率不相同，不可能发生干涉现象，但红光和绿光经狭缝后各自发生衍射现象，在屏上看到的是红色和绿色光叠加后的光。‎ ‎7. AB 提示：在双缝干涉中，若设双缝到屏上的距离为L，双缝间距为d，光波波长为λ，则相邻明纹或相邻暗纹之间距离相等，且。‎ ‎8. D 提示：红光经狭缝后发生衍射现象，形成衍射条纹。‎ ‎9. A 10. BD 11. CG ‎12. ‎ ‎13. ‎ ‎14. ；黄 ‎15. AB 16. AD 17. D 18. BCD ‎19. D 20. AD 21. C 22. D ‎23. D 提示：题中指出E为灯丝电源，对灯加热，灯丝放出电子，电子速度是很小的，要使电子到达对阴极A，并高速撞击A，使原子的内层电子受到激发才能发生X射线，所以K、A之间应有电子加速的电场，即Q应接高压电源正极，故应选D。‎ ‎24. C 25. ad区 ‎26. （1）光的干涉和衍射现象都说明光是一种波。‎ ‎（2）要看到显著的光的衍射现象很不容易，而声波的衍射却是经常可以遇见的，如 ‎“只闻其声不见其人”。‎ ‎（3）光在干涉实验中，若保持双缝间距离，缝与屏间距离都不变，用蓝光和红光分别做实验得出干涉条纹来，可以见到蓝光的条纹间隔比红光的间隔小，而定量研究知道，在上述条件下，条纹间距跟光波的波长成正比，故得红光的波长较长，而蓝光的波长较短。‎