高中物理知识全解 4.2 光.doc

高中物理知识全解 4.2 光基础知识：1、光源：自身能够直接发光的物体叫光源。例：夜晚的月亮，月亮不是光源。2、有光线进入人的眼睛，人才能看到物体，而不是眼睛发出光线寻找物体，也不是有光线就能看到物体。例：平面镜要成完整的像平面镜可以任意长度，但是人要通过平面镜看到自己的全身像，则平面镜至少要有此人身高的一半长。【例题】小光点s发出的白光经三棱镜分光,有人沿折射后光线的反方向观察,透过棱镜可看到（ ）a白光点 b光点上部红色，下部紫色c光点上部紫色，下部红色 d未见光源像注意：人眼所能看到的，即成像于视网膜上的只是光束的顶点，而非光束本身。例：光通过浑浊的空间时，尘埃微粒作为散射光束的顶点被看到，而不是看到了光束本身。例：宇航员看到的洁净的宇宙空间是漆黑的，是由于没有尘埃作为散射源。3、寻找光照范围，单根光线就可以（因为光线无限接近），而确定成像的具体位置则用双线法（往往是用一根特殊光线和一根普通光线）。【例题】有一种高脚酒杯（脚高且细），如下图所示，杯内底面为一凸起的球面，球心在顶点o下方玻璃中的c点，球面的半径为r=1.50cm,o点到杯口平面的距离为8.ocm，在杯脚底中心处p点紧贴一张小画片，p点距o点6. 3cm这种酒杯未斟酒水，若在杯口上方向杯底方向观看，看不出画片上的景物已知玻璃的折射率n= 1.56，角度很小时，可以认为sin=。求：(1)光在玻璃中的传播速度；(2)计算画片成像位置离杯口的距离0.1cm. 4、光具有光路可逆性。5、光在同一种均匀介质中沿直线传播。例：光在同一种介质中沿直线传播。（错误）6、实像即出射光线的交点；虚像即出射光线延长线的交点。拓展：日食、月食i：日食 (1)地球轨道随时间会发生变化，故会产生日全食、日偏食、日环食现象。(2)结合地球的运动过程理解日食过程。（注意人是在地球上的）ii：月食注意：本影区月全食，月亮由半影区进入或离开本影区的过程月偏食。(1)月亮完全处于半影区即半影月食。因为地球挡住了一部分太阳照向月球的光，所以月球看上去要比平时昏暗一些。(2)没有月环食现象，因为月亮不可能运动到月环食位置。(3)结合月球的运动过程理解月食过程。（注意人是在地球上的）一：光的反射光的反射定律：光从一种介质射到两种介质的分界面时发生反射，反射光线与入射光线、法线处在同一平面内，反射光线与入射光线分居位于法线的两侧，反射角等于入射角。（三线共面，两线分居，两角相等）平面镜（反射）成像：1、平面镜成正立等大的虚像。2、像物连线垂直于平面镜。3、像到平面镜的距离等于物到平面镜的距离。i、注意平面镜成像再成像及多面成像问题。ii、注意水面等等效于平面镜成像的问题。iii、注意物动则像动的有关问题。iv、理解区分镜面反射和漫反射。例:如下图所示，入射光线不变，平面镜以入射点o为转点以角速度转动时，则反射光线将以转动。二：光的折射光的折射：光由一种介质进入另一种介质或在同一种不均匀介质中传播时，方向发生偏折的现象叫做光的折射。光的折射定律：入射光线与折射光线、法线处在同一平面内，入射光线与折射光线分居位于法线的两侧，入射角的正弦值与折射角的正弦值成正比。（为比例系数）注意：垂直于界面的光线不改变传播方向。折射率1、绝对折射率：光从真空射入某种介质发生折射时，入射角的正弦值与折射角的正弦值之比，叫这种介质的绝对折射率简称折射率，用符号n表示。研究表明，光在不同介质中的速度不同，某种介质的折射率，等于光在真空中的传播速度与光在这种介质中的传播速度之比。真空的折射率等于1，由于光在真空中传播的速度最大，故其它介质的折射率都大于1。2、相对折射率：介质2相对于介质1的折射率注意：在工程光学中常把空气的折射率当作1，而其它介质的折射率就是对空气的相对折射率。总结：折射率由介质和光的种类两者共同决定；相对折射率由两种相对介质和光的种类三者共同决定。通常所说某物质的折射率数值为多少是指该物质相对真空的钠黄光的折射率数值为多少。光的反射成像与折射成像假设s为光源，理解下列几种常见成像。注意：平面镜反射成唯一的虚像是一个不破坏光束单心性、理想成像的完善的光学系统。拓展：平面镜折射成像和水的折射成像实际上会形成多个虚像叠加在一起而使成像模糊不清。【光束的单心性被破坏】例：平面镜折射成像和水的折射成像。光的折射现象与应用例：雨后的彩虹，清晨阳光下的七彩露珠都是光的折射造成的现象。例：如果地球表面没有大气层，则太阳光对地球表面的照射面积会更小。例：如果没有大气层对太阳光的折射 早晨，我们将会晚一些看到太阳升起。【例题】有一在水中的光源s，离水面高为h，水的折射率为n，在空气中从光源的竖直方向垂直于水面看此光源，则光源在水面所成的像离水面多高？【例题】一个大游泳池，池底是水平面，池深1.2m,有一根竹竿竖直立于池底，浸入水中部分是全长的一半，阳光与水面成角入射，池底上杆的影长为2.5m，求水的折射率？【例题】如下图所示，直角三棱镜，单色光垂直于ab边入射，在屏幕p上留下了长的光带，求三棱镜的折射率？三：光的全反射光的全反射：当光从光密介质射入光疏介质时，同时发生折射和反射。如果入射角逐渐增大，折射光离法线越来越远，而且越来越弱，反射光越来越强。当入射角增大到某一角度，使折射角达到时，折射光完全消失，只剩下反射光，这种现象叫全反射，这时的入射角叫临界角。1、光从介质射入真空（或空气）时，临界角与介质折射率n的关系：2、光疏介质：折射率相对较小的介质。3、光密介质：折射率相对较大的介质。光从光疏可以进入光密，而光从光密不一定能进入光疏。【例题】如下图一所示，空气中有一横截面为半圆环的均匀透明柱体，其内圆半径为r，外圆半径为r，rr。现有一束单色光垂直于水平端面a射入透明柱体，只经过两次全反射就垂直于水平端面b射出。设透明柱体的折射率为n，光在透明柱体内传播的时间为t，若真空中的光速为c，则 （ ）an可能为bn可能为2 ct可能为dt可能为注意：全反射成像成唯一的虚像（即光束的单心性没有被破坏），所以全反射成像比平面镜折射成像和水的折射成像更加清晰。例：潜望镜原理图如下（图为两等腰直角三棱镜）。5、全反射的应用有全反射棱镜、光导纤维、自行车尾灯等。6、全反射现象有海市蜃楼等。【例题】夏天海面上，下层空气的温度比上层低，我们设想海面上的空气是由折射率不同的许多水平气层组成的，远处的景物发出的光线由于不断被折射，越来越偏离原来的方向，以致发生全反射人们逆着光线看去就出现了蜃景，如下图所示，则下列说法中正确的是( )a海面上，上层空气的折射率比下层空气的折射率要小b海面上，上层空气的折射率比下层空气的折射率要大ca是蜃景，b是景物db是蜃景，a是景物答案：ac【例题】一根长l=100km的某单一介质制成的光导纤维放在空气中，两端面很平整，要使从各个方向射向端面的光都能进入光导纤维，且进入的光都能够能量不损失地传递到另一端面，只知光在真空中传播的速度为，则：（1）此介质的折射率至少为多大。（2）若这根光导纤维的折射率为第一问求得的最小值，那么，光从一端面射入到从另一端面射出所经历的时间的最大值和最小值各是多少。【例题】某光导纤维由内外两层材料做成，内层材料的折射率为，外层材料的折射率为，且，两端面很平整，要使光在内外两层材料的界面上发生全反射，求入射光的入射角的最大值？【例题】下图是北京奥运会期间安置在游泳池底部的照相机拍摄的一张照片，照相机的镜头竖直向上。照片中，水立方运动馆的景象呈现在半径=11cm的圆型范围内，水面上的运动员手到脚的长度=10cm，若已知水的折射率为，请根据运动员的实际身高估算该游泳池的水深。（结果保留两位有效数字）总结：【例题】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，如下图所示，有一半径为r的圆柱形平行光束垂直入射到圆锥的底面上，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 （ ）ar b1.5rc2r d2.5r【例题】如下图一所示，真空中有一下表面镀反射膜的平行玻璃砖，其折射率n，一束单色光与界面成45角斜射到玻璃砖表面上，最后在玻璃砖的右侧面竖直光屏上出现两个光点a和b，a和b相距h2.0 cm.已知光在真空中的传播速度c3.0108 m/s.试求：(1)该单色光在玻璃砖中的传播速度；(2)该单色光射入到玻璃砖的折射角；(3)玻璃砖的厚度d.【例题】如下图一所示，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6.0cm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，通过望远镜刚好可能看到线光源底端。再将线光源沿同一方向移动8.0cm，刚好可以看到其顶端。求此液体的折射率n？解：作光路图如上图二所示，则：四：光的干涉产生条件即要有相干光1、频率相同。2、振动方向相同。3、相位相同或相位差恒定。性质：注意：高中阶段光的干涉现象往往是由相位相同的两束相干光产生。 1、相位相同的相干光。光程差： ，干涉相长， 亮纹光程差： ，干涉相消， 暗纹相位相反的相干光。光程差： ，干涉相消， 暗纹光程差： ，干涉相长， 亮纹杨氏双缝干涉1、激光有高度的相干性，激光的频率相同、振动方向相同、相位相同。光程差： ，干涉相长， 亮纹光程差： ，干涉相消， 暗纹中心位置p一定是干涉相长，亮纹。注意：若将激光改用单色光做实验，则还需要在双缝前设置一单缝来提供线光源。注意：正确理解光程差。【例题】如下图所示，在用单色光做双缝干涉实验时，若单缝s从双缝s1、s2的中央对称轴位置处稍微向上移动，则（ ）a、不再产生干涉条纹b、仍可产生干涉条纹，且中央亮纹p的位置不变c、仍可产生干涉条纹，中央亮纹p的位置略向上移d、仍可产生干涉条纹，中央亮纹p的位置略向下移2、相邻两条亮纹或暗纹的中心间距为双缝到屏的距离，为两缝之间的距离，为相干波的波长。推广1：其它光源的杨氏双缝干涉。（用双缝干涉测光的波长实验中有详细讲述）例：如将激光光源改为白光，因为白光是复合光，不同类型的光波长不一样，干涉条纹的间距也不一样，因此将会在光屏上出现彩色条纹；而中心位置p每一种光都在这里产生干涉亮纹，故复合后还将是白色。推广2：理解双缝干涉图样与双孔干涉图样是不一样的，如下图所示。总结：单色光的（双缝）干涉图样是由单色明暗条纹组成的；白光的（双缝）干涉图样是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫、白等各种条纹组成的。薄膜干涉注意：高中阶段不考虑半波损失，故在解题时也不需要考虑半波损失。原理：入射光经薄膜上表面反射后得第一束光，折射光经薄膜下表面反射，又经上表面折射后得第二束光，这两束光由同一入射光分出，是相位相同的相干光，故在薄膜上表面形成干涉图样。光程差：，干涉相长，亮纹光程差：， 干涉相消， 暗纹注意：影响薄膜干涉图样的因素有：光源，薄膜的厚度。1、理解白光的薄膜干涉图样是彩色条纹。2、薄膜受重力的影响上面薄，下面厚。3、薄膜干涉的应用如下。【例题】用如下图所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象图(a)是点燃酒精灯(在灯芯上撒些盐)，图(b)是竖立的附着一层肥皂液薄膜的金属丝圈将金属丝圈在其所在的竖直平面内缓慢旋转，观察到的现象是( )a当金属丝圈旋转30时干涉条纹同方向旋转30b当金属丝圈旋转45时干涉条纹同方向旋转90c当金属丝圈旋转60时干涉条纹同方向旋转30d干涉条纹保持原来状态不变解析：金属丝圈的转动，改变不了肥皂液膜的上薄下厚的形状，由干涉原理可知干涉条纹与金属丝圈在该竖直平面内的转动无关，仍然是水平的干涉条纹，答案：di、增透膜原理：薄膜干涉光程差：，干涉相长， 亮纹 反射光增强，折射光减弱。光程差：， 干涉相消，暗纹 反射光减弱，折射光增强。注意：增透膜的最小厚度为（为需要增透的那种光的波长，因为人的视觉最敏感的色光为绿光，所以增透膜的厚度一般为绿光波长的1/4）ii、照相机，望远镜的镜头表面常常镀了一层透光的膜，膜的上表面与玻璃表面反射的光发生干涉。由于膜的厚度一定，因此只有一定波长（一定颜色）的光在膜的上表面发生干涉相长，所以镀膜镜头看起来是有颜色的。（理解镀膜的厚度不同，镜头的颜色也有可能不同）iii、利用薄膜干涉检查平面的平整程度原理：薄膜干涉原理，样板的下表面和被检测平板的上表面之间形成一个厚度均匀变化的楔形空气薄膜层，当平行光垂直射向样板时，从楔形空气膜上、下表面反射的两束光相互叠加而产生干涉，同一高度位置空气膜厚度相同（即上、下表面反射光的光程差相同），因此使干涉图样呈平行线状。【干涉图样在样板的下表面形成】光程差：，干涉相长， 亮纹光程差：， 干涉相消， 暗纹条纹间距：（为样板和被检测平面之间的夹角）【例题】利用薄膜干涉可检查工件表面的平整度。如图（a）所示，现使透明标准板m和待检工件n间形成一楔形空气薄层，并用单色光照射，可观察到如图（b）所示的干涉条纹，条纹的弯曲处p和q对应于a和b处，下列判断中正确的是（ ）（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）条纹的c、d点对应处的薄膜厚度相同 （d）条纹的d、e点对应处的薄膜厚度相同拓展：牛顿环原理：薄膜干涉原理，平凸透镜的凸球面和玻璃平板之间形成一个厚度均匀变化的圆尖劈形空气簿膜，当平行光垂直射向平凸透镜时，从尖劈形空气膜上、下表面反射的两束光相互叠加而产生干涉，同一半径的圆环处空气膜厚度相同（即上、下表面反射光的光程差相同），因此使干涉图样呈圆环状。【干涉图样在平凸透镜的凸球面上形成】光程差：，干涉相长， 亮纹光程差：， 干涉相消， 暗纹1、若透镜上施加向下的压力，当压力逐渐增大时，亮环将向远离圆心方向平移。2、干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度不是均匀变化的。五：光的颜色与色散色散：含有多种颜色的光被分解为单色光的现象叫做光的色散。注意：光的色散是一种现象，而不是原理。光的色散可以用三棱镜，衍射光栅，干涉仪等来实现。例：三棱镜对太阳光的分光。1、红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的光频率依次增大，偏折程度依次增大，波长依次减小。2、光的三基色：红，绿，蓝。3、光的色散现象还有雨后出现的彩虹、清晨阳光下的七彩露珠、复合光的干涉、复合光的衍射等。六：光的衍射光的衍射现象：由于光的波长很短，只有十分之几微米，通常物体都比它大得多，但是当光射向一个针孔、一条狭缝、一根细丝时，可以清楚地看到光的衍射现象。用单色光照射时效果好一些，如果用复色光，则看到的衍射图案是彩色的。光的衍射：光在传播过程中，遇到障碍物或小孔（窄缝）时，它有离开直线路径绕道到障碍物阴影里去的现象。（故光发生衍射时不能说光沿直线传播）1、发生光的衍射时，绕过障碍物或小孔（窄缝）的光会叠加，叠加时光波加强或消弱进而形成光的衍射图样。衍射条纹的宽度与狭缝的宽度及光的波长均有关系。狭缝越宽，衍射条纹的宽度越窄，狭缝越窄，则衍射条纹越宽；波长越长衍射条纹越宽，波长越短衍射条纹越窄。【例题】如下图所示，a、b、c、d四个图是不同的单色光形成的双缝干涉或单缝衍射图样分析各图样的特点可以得出的正确结论是（ ）aa、b是光的干涉图样bc、d是光的干涉图样c形成a图样的光的波长比形成b图样光的波长长d同一条件下形成c图样的光的波长比形成d图样光的波长长2、单缝衍射图样是明暗条纹，而单孔衍射图样是明暗光环。例：单色光的（单缝）衍射图样是由单色明暗条纹组成的，白光的（单缝）衍射图样是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫、白等各种条纹组成的。3、衍射光栅：使衍射现象更明显，衍射条纹变得更窄，亮度将增强。注意：光在传播过程中，遇到障碍物或小孔（窄缝）时，形成的衍射图样与障碍物或小孔（窄缝）的形状有关，例如下图所示为单缝衍射图样和圆孔衍射图样。注意：光的衍射与波的衍射具有相似的性质。例：“障碍物或缝隙的尺寸与光波的波长相差不多或比光波的波长更小”是发生明显衍射现象的条件，但并不是发生衍射现象的条件。【例题】一种电磁波入射到半径为1m的孔上，可发生明显的衍射现象，这种波属于电磁波谱的哪个区域 ( )a、可见光 b、射线 c、无线电波 d、紫外线答案：c七：光的偏振自然光：又称“天然光”，天然光源和一般人造光源直接发出的光都是自然光。它包含着在垂直于光波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强度都相同，所以自然光不显示出偏振性，直接观察时不能发现光强偏于哪一个方向。例：太阳光是自然光。自然光可以沿着与光的传播方向垂直的任意方向上分解成两束振动方向相互垂直、振幅相等、无固定相位差的光。并且这两个方向的光，振动光强均为自然光强度的一半。偏振片：由特定的材料制成，每个偏振片都有一个特定的方向，只有沿着这个方向振动的光波才能通过偏振片，这个方向叫“透振方向”。偏振光：在垂直于光波传播方向的平面上只沿某一特定方向振动的光叫做偏振光。除天然光源和一般人造光源直接发出的光是自然光外，我们通常看到的绝大部分光都是不同程度的偏振光。例：太阳光不是偏振光，但是太阳光经过偏振片后即可变为偏振光。1、偏振片为起偏器，因为自然光经过它后将会变成偏振光。i、起偏：将自然光转变为偏振光的过程。ii、根据自然光的性质可知：2、偏振片为检偏器，因为它可以检验通过它的光是否是偏振光。i、检偏：检测偏振光的过程。方法：旋转若光强由