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光 学 部 分【知识梳理】一、光的直线传播 1.光在同一种均匀介质中是沿直线传播的前提条件是在同一种介质，而且是均匀介质。否则，可能发生偏折。如光从空气斜射入水中（不是同一种介质）；“海市蜃楼”现象（介质不均匀）。当障碍物或孔的尺寸和波长可以相比或者比波长小时，将发生明显的衍射现象，光线将可能偏离原来的传播方向。【例1】 如图所示，在A点有一个小球，紧靠小球的左方有一个点光源S。现将小球从A点正对着竖直墙平抛出去，打到竖直墙之前，小球在点光源照射下的影子在墙上的运动是 A.匀速直线运动 B.自由落体运动12C.变加速直线运动 D.匀减速直线运动2.光速 光在真空中的转播速度为c=3.00108m/s。光在不同介质中的传播速度是不同的。根据爱因斯坦的相对论光速不可能超过c。近年来（1999-2001年）科学家们在极低的压强（10-9Pa）和极低的温度（10-9K）下，得到一种物质的凝聚态，光在其中的速度降低到17m/s，甚至停止运动。也有报道称在实验中测得的光速达到1011m/s，引起物理学界的争论。二、反射 平面镜成像1.像的特点：平面镜成的像是正立等大的虚像，像与物关于镜面为对称。2.光路图作法：根据平面镜成像的特点，在作光路图时，可以先画像，后补光路图。3.充分利用光路可逆：在平面镜的计算和作图中要充分利用光路可逆。（眼睛在某点A通过平面镜所能看到的范围和在A点放一个点光源，该电光源发出的光经平面镜反射后照亮的范围是完全相同的。）4.利用边缘光线作图确定范围【例2】如图所示，画出人眼在S处通过平面镜可看到障碍物后地面的范围。三、折射与全反射1.折射定律：折射定律的各种表达形式： (1为入、折射角中的较大者。)折射光路也是可逆的。2.各种色光性质比较可见光中，红光的折射率n最小，频率最小，在同种介质中（除真空外）传播速度v最大，波长最大，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）。【例3】两束平行的细激光束,垂直于半圆柱透镜的平面射到半圆柱透镜上,如图所示.已知其中一条沿直线穿过透镜,它的入射点为O,另一条光线的入射点为A,穿过透镜后两条光线相交于P点.已知透镜截面的圆半径为R,.求透镜材料的折射率. 四全反射当光从光密介质进入光疏介质时,折射角大于入射角.当入射角增大到某一角度时,折射角等于90,此时,折射光完全消失.入射光全部反射到原来的介质中,这种现象叫做全反射.对全反射现象的理解：(1)全反射条件:光线由光密介质射入光疏介质入射角大于临界角(2)临界角定义:光从光密介质射向光疏介质时,折射角等于90时的入射角,叫做临界角.用字母C表示.临界角是指光由光密介质射向光疏介质时,发生全反射现象时的最小入射角,是发生全反射的临界状态.当光由光密介质射入光疏介质时:若入射角iC,则不发生全反射,既有反射又有折射现象.若入射角iC,则发生全反射现象.临界角的计算:sinC=.(3)全反射应用光导纤维简称光纤，是非常细的特制玻璃丝，由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯和外套的界面上发生全反射.光导纤维的应用有光纤通信,医学内窥镜等.【例4】如图所示，用折射率为n的透明介质做成内外半径分别为a和b的空心球.当一束平行光射向此球壳，经球壳外、内表面两次折射，而能进入空心球壳的入射平行光束的横截面积是多大？五、棱镜1.棱镜对光的偏折作用一般所说的棱镜都是用光密介质制作的。入射光线经三棱镜两次折射后，射出方向与入射方向相比，向底边偏折。（若棱镜的折射率比棱镜外介质小则结论相反。）作图时尽量利用对称性（把棱镜中的光线画成与底边平行）。2.由于各种色光的折射率不同，因此一束白光经三棱镜折射后发生色散现象（红光偏折最小，紫光偏折最大。）光的颜色红橙黄绿蓝靛紫偏向角小大折射率小大在同种介质中的光速v=c/nabM大小在同种介质中的临界角大小【例5】如图所示，一细束红光和一细束蓝光平行射到同一个三棱镜上，经折射后交于光屏上的同一个点M，若用n1和n2分别表示三棱镜对红光和蓝光的折射率，下列说法中正确的是 A.n1n2，a为红光，b为蓝光 B.n1n2，a为红光，b为蓝光 D.n1n2，a为蓝光，b为红光 3.全反射棱镜横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。选择适当的入射点，可以使入射光线经过全反射棱镜的作用在射出后偏转90o（右图1）或180o（右图2）。要特别注意两种用法中光线在哪个表面发生全反射。【例6】 如图所示，自行车的尾灯采用了全反射棱镜的原理。它虽然本身不发光，但在夜间骑行时，从后面开来的汽车发出的强光照到尾灯后，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车。尾灯的原理如图所示，下面说法中正确的是 A.汽车灯光应从左面射过来在尾灯的左表面发生全反射B.汽车灯光应从左面射过来在尾灯的右表面发生全反射C.汽车灯光应从右面射过来在尾灯的左表面发生全反射D.汽车灯光应从右面射过来在尾灯的右表面发生全反射 4.玻璃砖所谓玻璃砖一般指横截面为矩形的棱柱。当光线从上表面入射，从下表面射出时，其特点是：射出光线和入射光线平行；各种色光在第一次入射后就发生色散；射出光线的侧移和折射率、入射角、玻璃砖的厚度有关；可利用玻璃砖测定玻璃的折射率。【例7】如图所示，两细束平行的单色光a、b射向同一块玻璃砖的上表面，最终都从玻璃砖的下表面射出。已知玻璃对单色光a的折射率较小，那么下列说法中正确的有 A.进入玻璃砖后两束光仍然是平行的B.从玻璃砖下表面射出后，两束光不再平行C.从玻璃砖下表面射出后，两束光之间的距离一定减小了D.从玻璃砖下表面射出后，两束光之间的距离可能和射入前相同【例8】如图所示，AB为一块透明的光学材料左侧的端面。建立直角坐标系如图，设该光学材料的折射率沿y轴正方向均匀减小。现有一束单色光a从原点O以某一入射角由空气射入该材料内部，则该光线在该材料内部可能的光路是下图中的哪一个A. B. C. D. 【例9】如图所示，用透明材料做成一长方体形的光学器材，要求从上表面射入的光线可能从右侧面射出，那么所选的材料的折射率应满足 A.折射率必须大于 B.折射率必须小于C.折射率可取大于1的任意值 D.无论折射率是多大都不可能 六、光的波动性1.光的干涉光的干涉的条件是有两个振动情况总是相同的波源，即相干波源。（相干波源的频率必须相同）。形成相干波源的方法有两种：利用激光（因为激光发出的是单色性极好的光）。设法将同一束光分为两束（这样两束光都来源于同一个光源，因此频率必然相等）。下面4个图分别是利用双缝、利用楔形薄膜、利用空气膜、利用平面镜形成相干光源的示意图。2.干涉区域内产生的亮、暗纹亮纹：屏上某点到双缝的光程差等于波长的整数倍，即= n（n=0，1，2，）暗纹：屏上某点到双缝的光程差等于半波长的奇数倍，即=（n=0，1，2，）相邻亮纹（暗纹）间的距离。用此公式可以测定单色光的波长。用白光作双缝干涉实验时，由于白光内各种色光的波长不同，干涉条纹间距不同，所以屏的中央是白色亮纹，两边出现彩色条纹。【例10】用绿光做双缝干涉实验，在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹，相邻两条绿条纹间的距离为x。下列说法中正确的有 A.如果增大单缝到双缝间的距离，x 将增大B.如果增大双缝之间的距离，x 将增大C.如果增大双缝到光屏之间的距离，x将增大D.如果减小双缝的每条缝的宽度，而不改变双缝间的距离，x将增大【例11】 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8.11014Hz，那么它设计的这种“增反膜”的厚度至少是多少？【例12】如图245（a）所示，用单色光照射透明标准板M来检查零件N的表面情况，观察到如图245（b）所示的条纹，则P条纹的弯曲情况表明零件N的表面上A处是_的；P处条纹的弯曲情况表明零件N的表面上B处是_的。（填“凸”或“凹”）3.衍射注意关于衍射的表述一定要准确。（区分能否发生衍射和能否发生明显衍射）各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射。发生明显衍射的条件是：障碍物（或孔）的尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还小。（当障碍物或孔的尺寸小于0.5mm时，有明显衍射现象。）在发生明显衍射的条件下，当窄缝变窄时，亮斑的范围变大，条纹间距离变大，而亮度变暗。【例13】平行光通过小孔得到的衍射图样和泊松亮斑比较，下列说法中正确的有 A.在衍射图样的中心都是亮斑 B.泊松亮斑中心亮点周围的暗环较宽C.小孔衍射的衍射图样的中心是暗斑，泊松亮斑图样的中心是亮斑D.小孔衍射的衍射图样中亮、暗条纹间的间距是均匀的，泊松亮斑图样中亮、暗条纹间的间距是不均匀的 4.光的电磁说麦克斯韦根据电磁波与光在真空中的传播速度相同，提出光在本质上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。电磁波谱。波长从大到小排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线。各种电磁波中，除可见光以外，相邻两个波段间都有重叠。各种电磁波的产生机理分别是：无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；伦琴射线是原子的内层电子受到激发后产生的；射线是原子核受到激发后产生的。红外线、紫外线、X射线的主要性质及其应用举例。种 类产 生主要性质应用举例红外线一切物体都能发出热效应遥感、遥控、加热紫外线一切高温物体能发出化学效应荧光、杀菌、合成VD2X射线阴极射线射到固体表面穿透能力强人体透视、金属探伤实验证明：物体辐射出的电磁波中辐射最强的波长m和物体温度T之间满足关系m T = b（b为常数）。可见高温物体辐射出的电磁波频率较高。在宇宙学中，可以根据接收到的恒星发出的光的频率，分析其表面温度。可见光频率范围是3.9-7.51014Hz，波长范围是400-770nm。【例14】 右图是伦琴射线管的结构示意图。电源E给灯丝K加热，从而发射出热电子，热电子在K、A间的强电场作用下高速向对阴极A飞去。电子流打到A极表面，激发出高频电磁波，这就是X射线。下列说法中正确的有 A.P、Q间应接高压直流电，且Q接正极 B.P、Q间应接高压交流电C.K、A间是高速电子流即阴极射线，从A发出的是X射线即一种高频电磁波D.从A发出的X射线的频率和P、Q间的交流电的频率相同 七、光的粒子性1.光电效应在光的照射下物体发射电子的现象叫光电效应。（右图装置中，用弧光灯照射锌版，有电子从锌版表面飞出，使原来不带电的验电器带正电。）光电效应的规律。各种金属都存在极限频率0，只有0才能发生光电效应；瞬时性（光电子的产生不超过10-9s）。【例15】在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示。这时（ ）A锌板带正电，指针带负电 B锌板带正电，指针带正电C锌板带负电，指针带正电 D锌板带负电，指针带负电【例16】对爱因斯坦光电效应方程EK= h-W，下面的理解正确的有 A.只要是用同种频率的光照射同一种金属，那么从金属中逸出的所有光电子都会具有同样的初动能EKB.式中的W表示每个光电子从金属中飞出过程中克服金属中正电荷引力所做的功 C.逸出功W和极限频率0之间应满足关系式W= h0D.光电子的最大初动能和入射光的频率成正比【例17】 如图，当电键K断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。合上电键，调节滑线变阻器，发现当电压表读数小于0.60V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于0.60V时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为A.1.9eV B.0.6eV C.2.5eV D.3.1eV 2.康普顿效应:在研究电子对X射线的散射时发现：有些散射波的波长比入射波的波长略大。康普顿认为这是因为光子不仅有能量，也具有动量。实验结果证明这个设想是正确的。因此康普顿效应也证明了光具有粒子性。八、光的波粒二象性1.光的波粒二象性干涉、衍射和偏振以无可辩驳的事实表明光是一种波；光电效应和康普顿效应又用无可辩驳的事实表明光是一种粒子；因此现代物理学认为：光具有波粒二象性。2.正确理解波粒二象性波粒二象性中所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义。波粒二象性中所说的粒子，是指其不连续性，是一份能量。个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性。高的光子容易表现出粒子性；低的光子容易表现出波动性。光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现为粒子性。由光子的能量E=h，光子的动量表示式也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量频率和波长。由以上两式和波速公式c=还可以得出：E = p c。【例18】 已知由激光器发出的一细束功率为P=0.15kW的激光束，竖直向上照射在一个固态铝球的下部，使其恰好能在空中悬浮。已知铝的密度为=2.7103kg/m3，设激光束的光子全部被铝球吸收，求铝球的直径是多大？（计算中可取=3，g=10m/s2）九、物质波（德布罗意波）由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得出物质波（德布罗意波）的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长=。【例19】试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长。【真题演练】1.某人手持边长为6cm的正方形平面镜测量身后一棵树的高度。测量时保持镜面与地面垂直，镜子与眼睛的距离为0.4m。在某位置时，他在镜中恰好能够看到整棵树的像；然后他向前走了6.0 m，发现用这个镜子长度的5/6就能看到整棵树的像，这棵树的高度约为A5.5m B5.0m C4.5m D4.0m2.频率不同的两束单色光1和2 以相同的入射角从同一点射入一厚玻璃板后，其光路如图所示，下列说法正确的是 A.单色光1的波长小于单色光2的波长B.在玻璃中单色光1的传播速度大于单色光2 的传播速度C.单色光1通过玻璃板所需的时间小于单色光2通过玻璃板所需的时间D.单色光1从玻璃到空气的全反射临界角小于单色光2从玻璃到空气的全反射临界角3.如图，一个三棱镜的截面为等腰直角ABC，为直角.此截面所在平面内的光线沿平行于BC边的方向射到AB边，进入棱镜后直接射到AC边上，并刚好能发生全反射.该棱镜材料的折射率为_.(填入正确选项前的字母)A、 B、 C、 D、4.对于红、黄、绿、蓝四种单色光，下列表述正确的是在相同介质中，绿光的折射率最大红光的频率最高在相同介质中，蓝光的波长最短黄光光子的能量最小5.用同一光管研究a、b两种单色光产生的光电效应，得到光电流I与光电管两极间所加电压U的关系如图。则这两种光A照射该光电管时a光使其逸出的光电子最大初动能大B.从同种玻璃射入空气发生全反射时，a光的临界角大C.通过同一装置发生双缝干涉，a光的相邻条纹间距大D.通过同一玻璃三棱镜时，a光的偏折程度大6.如图所示，空气中在一折射率为的玻璃柱体，其横截面是圆心角为90、半径为R的扇形OAB，一束平行光平行于横截面，以45入射角照射到OA上，OB不透光，若只考虑首次入射到圆弧上的光，则上有光透出部分的弧长为A B C D 7.(1)激光具有相干性好，平行度好、亮度高等特点，在科学技术和日常生活中应用广泛。下面关于激光的叙述正确的是 A.激光是纵波B.频率相同的激光在不同介质中的波长相同C.两束频率不同的激光能产生干涉现象D.利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离（2）如图甲所示，在杨氏双缝干涉实验中，激光的波长为5.30m,屏上P点距双缝和的路程差为7.95m.则在这里出现的应是 （选填“明条纹”或“暗条