高中物理光学复习含答案

第1页，共25页一、知识结构二、知识点（一）光的干涉和衍射1、双缝干涉由英国物理学家托马斯杨首次在实验室完成。干涉条件两束光频率相同或振动情况一致。相干光源的获得光从第一狭缝S到达同距离对称的双狭缝S1、S2，通过这两个狭缝的光由于来自同一束光，因此从S1、S2射出的光具有相同的振动情况，即为两个相干光源。理论推导S1、S2到光屏上P处的路程差R2R1（1）由于LD，LX有LRRRRRR212122122（2）光的本性光的微粒说（牛顿（牛顿）光子说（爱因斯坦）光的干涉光的衍射双缝干涉薄膜干涉光的电磁说光在空间传播不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子。光子的能量EHV。H6631034焦秒，称普朗克常量。光既有波动性，又有粒子性，故认为光具有波粒二象性一切微观粒子都有波粒二象性。电磁波谱无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、R射线，由低频到高频，构成了范围非常广阔的电磁波谱。光的电磁说（麦克斯韦）光的波动性（惠更斯）波粒二象性能解释光的直线传播、光的反射等。困难光的独立传播、光躲到两种媒质的界面上既有反射，又有折射。电磁场理论光电效应及其规律光子说认识深化过程目前的结论大量光子、长波长容易表现出波动性。少量光子、短波长容易表现出粒子性。第2页，共25页DXDXLDXLRR22222222122（3）XLDP处振动加强即出现亮条纹的条件是NP处振动减弱即出现暗条纹的条件是212N相邻明条件间的距离DLX讨论1在相同的实验装置条件下，相邻的明（或暗）条纹中央之间距离与波长成正比。2在波长相同的条件下，相邻条纹间的距离与两孔的距离成反比，与狭缝与光屏之间的距离成正比。3当用白光做双缝干涉实验时，除中央条纹为白光外，其余为彩色条纹。2、薄膜干涉（1）皂膜干涉实验操作（1）酒精灯焰上放少许食盐，使灯焰发出黄光；（2）将钢丝圈浸没在肥皂液中，提出后在钢丝圈内形成肥皂膜；（3）将肥皂膜直立，放置在酒精灯一侧；（4）眼睛与灯焰在同一侧，迎着肥皂膜的反射光线方向观察肥皂膜，即要看到肥皂膜上呈现水平状的明、暗相间的条纹。这种条纹，即为皂膜干涉图样。将肥皂膜放在阳光下，迎着肥皂膜反射光方向观察肥皂膜，可观察到彩色干涉条纹。原理直立的肥皂膜，由于重力作用，形成上薄下厚的“尖劈”，当光从空气射到第一表面时，一部分被反射，另一部分进入肥皂膜到在另一侧表面又被反射，前表面的反射光与后表面的反射光由于来自于同一束入射光，故是相干光源。当它们在第一表面处相遇时产生干涉，形成进一步条纹当薄膜的厚度恰好使得两列反射光经过的光程差，等于波长的整数倍时，该处振动加强，产生明条纹；当薄膜的厚度恰好使得两列反射光经过的光程差，等于半波长的奇数倍时，该徙振动减弱，产生暗条纹。从而形成明暗相间的干涉条纹。第3页，共25页应用检测器件的平整程度平整样品的干涉图样，见上图2。有凹凸样品的干涉图样，见右下图。空气劈夹角越小，干涉条纹间距越宽。3、光的衍射（1）光偏离了直线前进的方向而绕到障碍物阴影区域的现象，叫做光的衍射。演示1游标卡尺观察日光灯管的周围衍射演示2激光演示单缝衍射（单缝宽度与衍射条纹区域的关系）（2）衍射图样单缝衍射单色光的衍射白光的衍射衍射条纹宽度与缝宽的关系小孔衍射演示激光穿过小孔后的衍射图样光栅衍射第4页，共25页演示激光光栅衍射衍射的技术应用激光防伪障碍物或小孔的尺寸越接近光的波长或小于光的波长，光的衍射现象越明显。（二）光的电磁说1、麦克斯韦的电磁场理论（1）电磁场变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，周期性变化的电场和磁场形成一个统一体，叫做电磁场。（2）电磁波电磁场由发生区域向外传播，就形成电磁波。电磁波在真空中的光速等于光在真空中的速度。2、光的电磁说光是一种电磁波。其速度C（波长与频率的乘积）电磁波既可以在介质中传播，也可以在没有任何介质的空间传播。（1）实验证实德国物理学家赫兹。（2）电磁波谱频率由低到高无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、伦琴（X）射线、射线。部分波段频率有交叉。各波段电磁波产生的机理无线电波自由电子的周期性运动红外线、可见光原子的外层电子受到激发紫外线、伦琴（X）射线原子的内层电子受到激发射线原子核受到激发红外线（1）红外线的发现德国科学家赫谢尔在研究光的温度效应时心中有个疑问，平常所观测的阳光，不同色的色光所含的热量都相同吗1800年，他设计一个简单的实验，让阳光通过三棱镜，产生七彩光谱，利用三支涂黑酒精球的温度计（较能吸收辐射热），一支置于可见光某一色光中，另二支置于可见光外作为背景值的测量，第5页，共25页发现从紫光、蓝光、绿光、黄光、橙光到红光，温度依序增高更不可思议的是，他发现在红光区域旁，肉眼看不见光线的地方，温度居然更高，这里有眼睛看不到的光这是人类第一次发现肉眼不可见的光，称为红外线。（2）一切物体都在不停地发射红外线。（3）红外线最显著的作用是热作用。（4）技术应用红外加热器、红外遥感、红外理疗仪。紫外线1紫外线的发现1801年，德国物理学家里特（RITTE）发现了紫外线。紫外线一般是指波长在400180NM之间的电磁辐射线，具有波粒二象性。紫外线和可见光一样是一种包含着各种波长、相位、振幅的光，具有光的干涉、衍射、色散等现象，属于“非相干性光”。紫外线也沿直线传播遵守光的反射定律、折射定律和透镜成像原理；紫外线是由许多光量子组成的，每个光量于都具有一定的能量，不同波长的光量子的能量不同。紫外线的光量子能量比可见光的光量子能量大。实验1801年德国物理学家里特在研究太阳光谱时，突然想要了解太阳光分解为七色光后有没有其它看不见的光存在。当时他手头正好有一瓶氯化银溶液。人们当时已知道，氯化银在加热或受到光照时会分解而析出银，析出的银由于颗粒很小而呈黑色。这位科学家就想通过氯化银来确定太阳光七色光以外的成份。他用一张纸片醮了少许氯化银溶液，并把纸片放在白光经棱镜色散后七色光的紫光的外侧。过了一会儿，他果然在纸片上观察到醮有氯化银部分的低片变黑了，这说明太阳光经棱镜色散后在紫光的外侧还存在一种看不见的光线，里特把这种光线称为紫外线。（2）一切高温物体都会发射紫外线。孤光灯，电焊等。（3）紫外线最显著的作用是化学作用，荧光作用。（4）技术应用杀菌消毒、保健治疗等。过强的紫外线对从人体有伤害。伦琴射线（1）伦琴射线的发现1895年11月8日是一个星期五。晚上，德国慕尼黑伍尔茨堡大学的整个校园都沉浸在一片静悄悄的气氛当中，大家都回家度周末去了。但是还有一个房间依然亮着灯光。灯光下，一位年过半百的学者凝视着一叠灰黑色的照相底片在发呆，仿佛陷入了深深的沉思他在思索什么呢原来，这位学者以前做过一次放电实验，为了确保实验的精确性，他事先用锡纸和硬纸板把各种实验器材都包裹得严严实实,并且用一个没有安装铝窗的阴极管让阴极射线透出。可是现在，他却惊奇地发现，对着阴极射线发射的一块涂有氰亚铂酸钡的屏幕这个屏幕用于另外一个实验发出了光而放电管旁边这叠原本严密封闭的底片，现在也变成了灰黑色这说明它们已经曝光了这个一般人很快就会忽略的现象，却引起了这位学者的注意，使他产生了浓厚的兴趣。他想底片的变化，恰恰说明放电管放出了一种穿透力极强的新射线，它甚至能够穿透装底片的袋子一定要好好研究一下。不过既然目前还不知道它是什么射线，于是取名“X射线”。（2）高速电子流射固体上产生伦琴射线。（3）伦琴射线的穿透很强。（4）技术应用透视、CT、安检等。第6页，共25页（三）光电效应1、光电效应现象光照射到物体，从物体表面逸出电子的现象，叫做光电效应。逸出的电子称为光电子。2、光电效应的四个规律（1）极限频率某种物体，只有在高于一定频率的光照射下，才会有光电子逸出，低于这个频率，不管光的强度有多大，都不能发生光电效应。这个频率就叫做这种物体的极限频率。（3）在高于极限频率的光照射下，从有光照射到物体发射光电子，几乎不需要时间等待。（4）单位时间、单位面积发射的光电子数与入射光的强度成正比，而与入射光的频率无关。3、光子说经典的电磁理论对光电效应的前三个规律无法做出合理的解释，于是爱因斯坦借用了普朗克的量子假设提出的光子说在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份称为一个光子，光子的能量与频率成正比，即EH。H6631034JS，称为普朗克常数。4、光电管原理光电管两极加正向电压时，电路中就形成光电流，当正向电压增大时，光电流增大；当正向电压增大到一定值以后，再增大电压，电流保持不再增加保持不变，这一电流称为光电流的饱和值。实验表明，光电流的饱和值与入射光的强度成正比（即光电效应的第4个规律）。当光电管两极加上反向电压时，电路中仍有微弱的光电流形成，当增大反向电压至某一值时，光电流消失，这个电压叫做反射截止电压。利用反向截止电压可测得光电子的最大初动能EKMEU。改用不同频率的光做实验，即可测得光电子的最大初动能与入射光频率的关系（光电效应的第1、第2个规律）。应用有声电影，自动控制等。（四）光的波粒二象性光的波动说表明光是一种波，光的电磁说表明光是电磁波，而光电效应现象和光子说同时也说明光具有粒子性，但光子说并没有排斥电磁说，因为光子的能量与频率成正比，而频率是反映波的特性的物理量。后来的科学研究表明，光既具有波动性，又具有粒子性，这就是光的波粒二象性。光既有波动性，又有粒子性，称为光的波粒二象性。现代科学研究表明，不仅光具有波粒二象性，都具有波粒二象性。微观粒子的波动性，是一种机率波。三、一些常见的说法或结论1、与折射率相关的问题红光紫光1折射率N；2全反射的临界角C；3同一介质中的传播速率V；4在平行玻璃块的侧移X5光的频率,频率大,粒子性明显；6光子的能量EH则光子的能量越大。越容易产生光电效应现象；7在真空中光的波长,波长大波动性显著；8在相同的情况下，双缝干涉条纹间距X越来越窄；9在相同的情况下，衍射现象越来越不明显第7页，共25页2、全反射的条件光密到光疏；入射角等于或大于临界角全反射现象让一束光沿半圆形玻璃砖的半径射到直边上，可以看到一部分光线从玻璃直边上折射到空气中，一部分光线反射回玻璃砖内逐渐增大光的入射角，将会看到折射光线远离法线，且越来越弱。反射光越来越强，当入射角增大到某一角度C临时，折射角达到90，即折射光线完全消失，只剩下反射回玻璃中的光线，这种现象叫全反射现象。折射角变为90时的入射角叫临界角。应用光纤通信玻璃SIO2内窥镜海市蜃楼沙膜蜃景炎热夏天柏油路面上的蜃景水中或玻璃中的气泡看起来很亮3、同种材料对不同色光折射率不同；同一色光在不同介质中折射率不同。4、几个结论（1）紧靠点光源向对面墙平抛的物体，在对面墙上的影子的运动是匀速运动。（2）两相互正交的平面镜构成反射器，任何方向射入某一镜面的光线经两次反射后一定与原入射方向平行反向。（3）光线由真空射入折射率为N的介质时，如果入射角满足TGN，则反射光线和折射光线一定垂直。（4）由水面上看水下光源时，视深/DDN；若由水面下看水上物体时，视高DND。（5）光线以入射角I斜射入一块两面平行的折射率为N、厚度为H的玻璃砖后，出射光线仍与入射光线平行，但存在侧移量22COSSIN1SINIXDINI两反射光间距22SIN2SINDIXNI高中物理光学试题一、选择题12007年3月4日是我国的元宵节，凌晨在我国很多地区都观测到了月食的天象，发生月食时、太阳、地球的相对位置如图所示当月球进入图中哪个区域时地球上在夜晚地区的观察者可以看到月全食（）A全部进入区域IB全部进入区域II或C全部进入区域D部分进入区域I答案A21923年美国物理学家迈克耳逊用旋转棱镜法较准确地测出了光速，其过程大致如下，选择两个距离已经精确测量过的山峰（距离为L），在第一个山峰上装一个强光源S，由它发出的光经过狭缝射在八面镜的镜面1上，被反射到放在第二个山峰的凹面镜B上，再由凹面镜B反射回第一个山峰，如果八面镜静止不动，反射回来的光就在八面镜的另外一个面3上再次反射，经过望远镜，进入观测者的眼中如图所示，如果第8页，共25页八面镜在电动机带动下从静止开始由慢到快转动，当八面镜的转速为时，就可以在望远镜里重新看到光源的像，那么光速等于（）A4LB8LC16LD32L答案B3水平地面上物体M将站在A处的人的视线挡住，如图所示，为了能看到M后面的地面，在上方水平放一平面镜，且反光面对着地面，A处的人为了看到M后面距M较近的地方，他应该（）A将平面镜平行上移B将平面镜平行下移C将平面镜水平左移D将平面镜水平右移答案A4如图所示，在XOY平面内，人的眼睛位于坐标为（3，0的点，一个平面镜镜面向下，左右两个端点的坐标分别为（2，3）和（0，3）一个点光源S从原点出发，沿X轴负方向匀速运动它运动到哪个区域内时，人眼能从平面镜中看到S的像点，像做什么运动（）A07区间，沿X轴正方向匀速运动B3一7区间，沿X轴负方向匀速运动C37区间，沿X轴负方向加速运动D3区间，沿X轴正方向加速运动答案B5设大气层为均匀介质，当太阳光照射地球表面时，则有大气层与没有大气层时，太阳光被盖地球的面积相比（）A前者较小B前者较大C一样大D无法判断答案B6大气中空气层的密度是随着高度的增加而减小的从大气外射来一束阳光，如图所示的四个图中，能粗略表示这束阳光射到地面的路径的是（）答案B7目前，一种用于摧毁人造卫星或空间站的激光武器已研制成功如图所示，某空间站位于地平线上方，现准备用一束激光射向该空间站，则应把激光器（）A沿视线对着空间站瞄高一些B沿视线对着空间站瞄低一些C沿视线对准空间站直接瞄准D条件不足，无法判别答案C8在没有月光的夜间，一个池面较大的水池底部中央有一盏灯（可看做光源），小鱼在水中游动，小鸟在水面上方飞翔，设水中无杂质且水面平静，下面的说法中正确的是（）A小鱼向上方水面看去，看到水面到处都是亮的，但中部较暗B小鱼向上方水面看去，看到的是一个亮点，它的位置与鱼的位置无关C小鸟向下方水面看去，看到水面中部有一个圆形区域是亮的，周围是暗的D小鸟向下方水面看去，看到的是一个亮点，它的位置与鸟的位置有关第9页，共25页答案BD解析突破口在于镜面反射原理和折射定律9如图所示，一束圆锥体形的单色光在空气中传播，将会聚于P，在到达P之前若先进入水中，圆锥的轴垂直于水面，圆锥的顶角为。P到水面的距离一定，则（很小时，SINTAN）（）A若很大，锥体内的光线不能全部聚于一点B若很小，锥体内的光线不能全部聚于一点水面C很大时，光线与轴的交点从P点开始至无限远D很小时，光线与轴的交点无限靠近P答案A10“不经历风雨怎么见彩虹”，彩虹的产生原因是光的色散，如图所示为太阳光射到空气中的小水珠发生色散形成彩虹的光路示意图，A、B为两种折射出的单色光以下说法正确的是（）AA光光子能量大于B光光子能量B在水珠中A光的传播速度大于B光的传播速度C用同一双缝干涉装置看到的A光干涉条纹间距比B光宽D如果B光能使某金属发生光电效应，则A光也一定能使该金属发生光电效应答案BC11在信息技术迅猛发展的今天，光盘是存储信息的一种重要媒介光盘上的信息通常是通过激光束来读取的若激光束不是平直投射到光盘的盘面上，则光线在通过透明介质层时会发生折射，从而改变行进的方向因为光的频率越高，对介质的折射率越大，故红色与蓝色激光的偏折程度不同，如图所示下列相关的说法正确的是（）A图中是红光，是蓝光B利用光电效应的原理，采用蓝色激光时，某光敏元件可将光信息转换成电信号，若电路及元件无故障，则采用红色激光也一定行C激光光子比普通色光光子的能量要高D激光是一种能发生干涉与衍射的横波答案D12如图所示，真空中有一个半径为R，质量分布均匀的玻璃球，频率为F的细激光束在真空中沿直线BC传播，并于玻璃球表面的C点经折射进入小球，并在玻璃球表面的D点又经折射进入真空中已知COD120，玻璃球对该激光束的折射率为3,则下列说法中正确的是（）A激光束的入射角45B一个光子在穿过玻璃球的过程中能量逐渐变小C此激光束在玻璃球中穿越的时间为3RTC（其中C为真空中的光速）D改变入射角的大小，细激光束可能在球的内表面发生全反射解析C由折射率的关系SINSINNR，可知3SINSIN2NR，因此60，A错；由于光的频率与光源有关，所以光的频率不变，光子的能量不变，B错；根据STV，其中0,2COS303CNSRRV，第10页，共25页因此3RTC，C对；只要光束能射入，则就不可能在球内发生全反射，D错误。13如图所示，两束单色光A、B分别照射到玻璃三棱镜AC面上，穿过三棱镜后互相平行，则（）AA光频率高BB光频率高CA光穿过棱镜时间短DB光穿过棱镜时间短答案BC14如图所示，P、Q是两种透明材料做成的两块形状相同的直角梯形棱镜，登合在一起组成一个长方体某单色光自P的上表面斜射入，折射光线正好垂直通过两棱镜的界面，已知材料的折射率NPH31H。第24页，共25页11某脉冲激光器的耗