08年内蒙古地区物理学科二轮复习课件15.ppt

第十四章光学 概述 本章的知识体系可分为几何光学和波动光学两大部分 对于几何光学 以光的直线传播为基础 主要讨论了光在反射和折射现象所遵循的基本规律 反射定律和折射定律及相应的平面镜成像规律 作图方法及具体应用 其中折射率概念 全反射现象 光路作图是本章的重点 另外 光线的概念及以光线作出的光路图是分析 解决几何光学问题的重要方法和工具 在复习中应高度重视 对于波动光学 其内容基本上是按照人类对光的本性的认识过程展开的 光的干涉和衍射实验的成功证明了光具有波动性 并推动了光的波动说的发展 光的电磁说揭示了光现象的电磁本质 一 光的直线传播与光的反射 二 光的折射与全反射 三 光的波动性 复习内容 一 光的直线传播与光的反射 光的直线传播 光在同一种均匀介质中沿直线传播 如小孔成像 影 日食 月食等都是直线传播的例证 光在真空中的传播速度为c 3 108m s 光在其它介质中的传播速度v都小于真空中的光速c v c n 2 光的反射平面镜 光的反射定律 反射光线跟入射光线和法线在同一平面上 反射光线和入射光线分别位于法线两侧 反射角等于入射角 在理解光的反射定律时 不能片面地等同于 反射角等于入射角 因为从空间上看 符合两个角相等的反射光线有无数多条 只有加上 反射光线跟入射光线和法线在同一平面上 反射光线和入射光线分别位于法线两侧 这样 反射光线才能确定下来 平面镜的成像特点 平面镜是根据光的反射定律来控制光路和成像的光学器件 物体在平面镜里成正立 等大 反序的虚像 物和像对镜面成面对称 在反射现象中 光路是可逆的 就是说 当一束光沿着反射光线的反向射入时 它将沿着原入射光线的反向射出 但由于所成的像为虚像 所以 当在虚像的位置放一个发光体时 我们无法在物体的原来的位置上找到它的像 虚像并不是实际光线会聚而成的 而是反射光线的反向延长线的交集 这就是我们称之为 虚像 的原因 成像的大小与整体像的观察范围间的相关因素理论上讲 很小的平面镜也能将庞然大物成像于镜中 就是说是否成像与镜的大小无关 然而 在平面镜中所成的整体像是否能在某一观测点观测到 取决于下列诸因素 即面镜的大小 物体的大小 物体与平面镜的距离 物体与平面镜所成的角度 以及观测点具体位置 成像的大小与整体像的观察范围间的相关因素 概括起来就是 当我们将观测点与物体通过平面镜所成的虚像连接起来时 必然与面镜有交点 若所有的交点均在面镜上 那么 在观测点上能够看到物体的整体像 若只有部分的交点在面镜上 那么 只有这部分能观测到 若没有交点的话 说明在观测点无法看到物体的像 解由平面镜成像与物对称的特点 在图中作出人脸宽abcd在平面镜中所成的像a b c d 再根据人的左眼b观看镜中全像所需镜宽的范围mq 右眼c观看镜中全像所需镜宽的范围pn 则利用两眼能观看镜中全像所需镜宽的范围即为mq pn的重叠区域pq 由图可知 mq a d 2 15cm mp cb 2 5cm 所求镜宽pq mq mp 10cm 题后评说 凡是要求眼睛的观看范围时 首先 一定要注意到有光线进入眼睛 其次 要找出眼睛观看边缘区域像的范围 往往重叠区域就是所求的范围 凡是有关平面镜的问题 一般都要根据平面镜成像特点 先找出像 再补画必要的入射光线和反射光线 然后再对所求解的问题进行求解 解先作出ab在平面镜中的像a b 如图所示 分析由于光源的像s 与光源s 对于平面镜来说是对称的 因此当平面镜以某一速度运动时 光源s和它的像s 的连线总是与平面镜垂直 由于平面镜的方向保持不变 所以 s通过平面镜所成的像s 总是沿着过s点且垂直于平面镜的方向运动 题后评说本题的解题方法我们称之为极限方法 它是将解题的过程假想为一个比较特殊的过程 用简单的代入方法得出结果 而不必做烦琐的分析 根据平面镜成像规律可知 物a及像p1 p2与转轴o距离相等 且 5 6 7 所以物a与像p2的连线必过转轴o 因此两平面镜转动过程中p2的位置不变 由此我们可以知道 当保持入射光线的方向不变而改变直角二面镜的角度时 最后的出射光线必然仍与入射光线的方向平行且重合 即答案b正确 m n 题后评说 直角锥面镜是一种将平面镜两两垂直的粘合在一起的一种光学装置 它的特点和本题介绍的相同 一束光线经过直角锥面镜反射后 将沿原来的反方向射出 一 光的直线传播与光的反射 二 光的折射与全反射 三 光的波动性 复习内容 二 光的折射与全反射 1 光的折射 折射定律 当光发生折射现象时 折射光线 入射光线和法线在同一平面内 且分居于法线两侧 入射角的正弦与折射角的正弦成正比 sini sinr 常数 折射光的能量随入射角的增大而减小 在折射现象中 光路也是可逆的 2 折射率 光从真空中射入某种介质 入射角的正弦与折射角的正弦之比 叫做介质的折射率 表示为n sini sinr 实验证明 介质的折射率等于光在真空中速度与在该介质传播速度之比 n c v 两种介质相比较 折射率较大的介质叫光密介质 折射率较小的介质叫光疏介质 3 全反射 全反射现象 光照射到两种介质的界面上时 光全部被反射回原介质的现象 发生全反射的条件 光从光密介质射向光疏介质 入射角大于或等于临界角 即 arcsin1 n 4 光的色散 光的色散现象表明 白光是复色光 同一介质对不同色光的折射率不同 不同色光在同一介质中的传播速度不同 例5如图所示 一储油圆桶 底面直径与高均为d 当桶内无油时 从某点a恰好能看到桶底边缘上的某点b 当桶内油的深度等于桶高的一半时 在a点沿ab方向看去 看到桶底的c点 c b相距d 4 试求 油的折射率和光在油中的传播速度 i r 光线co从油进入空气 由光的折射定律 光在油中的速度 题后评说 折射率不仅反映了介质的折光本领 更重要的是联系了光在真空和介质中的传播速度 测定了介质的折射率 就可以算出光在介质中的速度 例6有人在游泳池边上竖直向下观察池水的深度 看上去池水的深度约为h 已知水的折射率n 4 3 那么 水的实际深度约为多少 解当入射角 较小时 m 的位置在m的正上方 则有 所以 竖直向下看时 相当于d接近于零 有 所以水的实际深度为h nh 题后评说 不少同学认为垂直于水面向下看时 光从池底垂直水面射向空气 折射光线方向不变 入射角和折射角都是0 这时视深跟实际深度相等 因此答案是h 这除了平时缺少观察经验之外 没有正确理解折射率和折射定律的意义 视深问题 h h i r 分析本题是一个关于全反射的问题 为使光线不从液体与空气的交界面射出来 在水和空气的界面上光发生了全反射 解由题设可知 光从水中射向空气发生全反射的临界角为 所以只要经平面镜反射后在oa右侧或ob左侧的光线均大于临界角而不会从水中射出 对于光线ob有 由图中的几何关系 对于光线oa有 所以 要使光不从水面中射出的条件为 平面镜与水平面的夹角或 例8如图所示 在一个折射率为2 4 临界角小于30 的四棱镜的横截面中 a c 90 b 60 现让平行光垂直入射到ab面上 则出射光线将从哪几个面射出 a ab面b bc面c cd面d da面 分析平行光垂直ab面入射后 分别射到平面bc和平面dc上 其判断的依据是折射定律和全反射 画出特征性的光线是关键 做这道题时 一定要对光线可能达到的每个界面及界面对入射光的作用作细致 详尽的分析 否则很容易漏解或错解 解平行光垂直入射到ab面进入四棱镜后有两种情况 一是射到cd面 入射角为30 这个角度已经大于发生全反射的临界角 故在cd面发生全反射 如图a b所示 二是射到bc面 入射角为60 于是发生全反射 被bc面全反射后的光又有两种传播情况 如图c所示和如图d所示 综上分析 本题正确答案为a b 题后评说 本题曾是一个高考试题中的较难的问题 许多同学不能准确地解答 原因是 同学不会全面的分析 找到合理而准确的特征光线 当i 0时 白光射到eg面上的入射角为 此时黄光恰好发生全反射 而频率高于黄光的绿 蓝 紫光均发生全反射射到fg面上 他们的入射角相同 折射率最大的紫光折射角最大 所以b屏的左边是紫光 由以上分析可知选项a b正确 一 光的直线传播与光的反射 二 光的折射与全反射 三 光的波动性 复习内容 三 光的波动性 让一束光通过双缝s1和s2后 变为两束相干光 在它们相遇的空间就会出现光振动加强与光振动减弱相间隔的区域 在光屏上会出现亮 暗相间隔的条纹 这种现象称为光的双缝干涉现象 屏上某处出现亮或暗条纹的条件 p处出现亮纹 p处出现暗纹 相邻两条亮纹中央或暗纹中央之间的距离 可见 当双缝间距d和缝到光屏的距离l确定的情况下 条纹间距与波长成正比 对同一种色光 条纹间距相等 在用白光做双缝干涉实验时 除中央亮纹为白色外 两侧均为彩色条纹 薄膜干涉 一束光经薄膜的前 后表面反射后 形成两束反射光产生的干涉现象叫薄膜干涉 薄膜干涉在技术上有着广泛的应用 在照相机 显微镜和望远镜的镜片上都涂有增透膜 可以增加透光度 检查精密部件表面的光洁度 当入射光为单色光时 形成明暗相间的干涉条纹 当入射光为白光时 形成彩色的干涉条纹 检查精密部件表面的光洁度 a b a b 2 光的衍射 光的衍射现象 光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象 产生明显衍射的条件 障碍物或孔的尺寸比光的波长小 或者跟波长差不多 小孔 狭缝 衍射图样的形状特征 小圆屏 光经不同形状障碍物产生的衍射图样的形状是不同的 衍射条纹的间距不等 3 光的电磁说 麦克斯韦根据他对电磁理论和光的研究 提出了光的电磁说 光是一种电磁波 赫兹用实验证实了光的电磁本性 电磁波谱 电磁波按波长由大到小的顺序排列为 无线电波 红外线 可见光 紫外线 伦琴射线 射线 构成了频率范围非常广阔的电磁波谱 各波段电磁波的产生机理 性质差别 主要用途 产生机理 lc电路自由电子的振荡 原子的外层电子受到激发 原子的内层电子受到激发 原子核受到激发 特性 波动性强 热效应 引起视觉 化学作用 荧光效应 贯穿作用强 贯穿作用最强 主要用途 通讯 广播 导航 加热烘干 遥测遥感 医疗 导向等 照明 照相 加热 日光灯 黑光灯 杀菌消毒 检查 探测 透视 治疗等 探测 治疗等 4 激光的特性 相干性好 平行度好 亮度高 能量集中 分析双缝干涉实验中 屏上到双缝的路程之差等于波长的整数倍 或半波长的偶数倍 的地方 两束光同时到达 振动加强 出现亮纹 屏上到双缝的路程之差等于半波长的奇数倍的地方 两束光反相到达 振动减弱 出现暗纹 a 2 240nm b 2 336nm p q两处到双缝的路程差可表示为 1 1 68 m 7 a 2 5 b 2 2 1 44 m 6 a 2 解题中两个光源发出的光的半波长分别为 可见 用a b两光源做双缝实验时 屏上p处到双缝的路程差都等于半波长的奇数倍 两束光相位相反 均为暗纹 判断a正确 b错误 用a做双缝实验时 屏上q处到双缝的路程差恰好等于半波长的偶数倍 q处应为亮纹 c正确 发生单缝衍射时 波长越长 衍射现象越明显 中央亮纹也越宽 所以用b照射时 中央亮纹宽 d错误 综上分析可知 a c正确 例11如图甲中的装置 根据光的薄膜干涉原理检查被检平面是否平直 结果得到图乙所示干涉图样 图乙是图甲的俯视图 据此可知被检平面有缺陷处的缺陷类别是 a 凸起b 凹下c 可能凸起也可能凹下d 无法判断 例12激光器是一种特殊光源 它发出的光便是激光 红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道的闪光 每道闪光称为一个光脉冲