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光学专题复习总体感知知识网络 第一部分 光的折射 全反射知识要点梳理知识点一折射定律 知识梳理1光的折射 光射到两种介质的界面处，一部分进入到另一种介质中，并且改变原来的传播方向的现象叫做光的折射。2折射定律 折射光线跟入射光线和法线在同一平面上，并且分别位于法线两侧，入射角i的正弦跟折射角r的正弦成正比，即常数。3折射率 光从真空射入某种介质发生折射时，入射角i的正弦跟折射角r的正弦之比，叫做这种介质的折射率，即。 它还等于光在真空中的速度c跟光在这种介质中的速度v之比，即。 特别提醒： （1）任何介质的折射率均大于1。 （2）相比较而言，折射率大的物质叫光密介质，折射率小的物质叫光疏介质，因此光疏介质或光密介质是相对的。 （3）介质的折射率表明了介质的折光能力，是由介质的属性决定的，不同的介质有不同的折射率，所以光在不同的介质中的速度不同。 （4）光的折射现象中，光路是可逆的。 疑难导析1怎样认识折射定律 折射定律给出了入射光线、法线、折射光线三线的空间分布，即三线在同一个垂直于界面的平面内，分别位于两种介质中，且位于法线两侧；给出了两角的数量关系，即两角正弦值之比是一个常数，不是两角之比是一个常数。入射角和折射角分别是入射线和法线、折射线和法线的夹角，而不是跟界面的夹角。2如何理解折射率 （1）当光从真空射入某一介质中时，入射角、折射角都可以发生变化，但它们的正弦值之比却是不变的，是一个常数，例如，当介质是水时，这个常数是1.33。 （2）对于不同介质，这个常数不同。例如光从真空射入玻璃时这个常数是1.5。介质不同n不同，说明n反映了介质的光学性质，这个常数叫介质的绝对折射率，简称折射率。 光在介质中的传播速度与介质的折射率n有关，即，对此公式要求能熟练运用，但不要求知道公式是怎么来的。 由知道介质的折射率n1，即，就是说光由真空射入介质时，都是入射角大于折射角，折射光线向法线偏折；反之当光由介质射入真空时，入射角小于折射角，折射光线远离法线偏折。 折射率n是反映介质光学性质的物理量，它的大小只能由介质本身的物质结构及光的频率决定，与入射角、折射角的大小无关，“折射率n与入射角的正弦成正比，与折射角的正弦成反比”的说法是错误的。例如：入射角正弦值变为原来的2倍，折射角的正弦亦变为原来的2倍，但n不变。：空中有一只小鸟，距水面3m，其正下方距水面4m深处的水中有一条鱼。已知水的折射率为4/3。 （1）鸟从空中看到水中的鱼离它的距离是多少？ （2）鱼在水中看空中的鸟离它的距离是多少？知识点二全反射 知识梳理1全反射 光从光密介质射入光疏介质时，在界面处，一部分光被反射，另一部分光被折射到另一种介质中，随着入射角的增大，折射角增大，且折射光线能量减弱，反射光线能量增强，当入射角增大到某一角度时，使折射角等于，折射光线消失，只剩下反射光线，这种现象叫做全反射。2临界角 在全反射中，当折射角等于时的入射角叫临界角。 临界角C的计算：当光线由某种折射率为n的介质射入真空（或空气）时，。3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。4全反射现象的应用 在理解并掌握了全反射现象及其产生的条件后，可以举出一些现象，运用全反射的知识进行分析解释。 例如： （1）草叶上的露珠在阳光照射下晶莹透亮，空试管放在盛水的烧杯中，会看到试管壁很明亮，等等。 （2）光导纤维是全反射的实际应用，与现代科学技术的发展关系密切。 光导纤维，简称光纤，如图所示。光导纤维是利用全反射的原理来传播光信号的，通常光纤是由内芯和外套两层组成的，内芯的折射率比外套大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射，利用光纤可实现光纤通信，而光纤通信的主要优点是容量大、衰减小、抗干扰。 疑难导析对全反射现象的理解 全反射现象在生活中常会遇到，在学习中要认识并掌握全反射现象产生的条件：一是光由光密介质进入光疏介质，二是入射角大于（或等于）临界角。首先要正确理解“光密”和“光疏”的概念，不但要了解“密”与“疏”是相对而言的，还不能把光密与光疏跟介质密度的大小混同起来，例如酒精对水来说是光密介质，它的密度却比水小。其次，要正确理解临界角的概念。为此，要清楚地认识到在全反射现象中折射角随入射角的增大而增大，入射角增大到某一角度时，折射角达到最大值（），再增大入射角，光疏介质中就没有折射光了，还要注意，随着入射角和折射角的增大，反射光不断增强，折射光不断减弱，当折射角接近时，折射光急剧减弱（直到为零），反射光急剧增强（直到跟入射光强度相等）。：光导纤维的结构如图所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播。以下关于光导纤维的说法正确的是（ ） A内芯的折射率比外套大，光传播时在内芯与外套的界面发生全反射 B内芯的折射率比外套小，光传播时在内芯与外套的界面发生全反射 C内芯的折射率比外套小，光传播时在内芯与外套的界面发生折射 D内芯的折射率与外套相同，外套的材料有韧性，可以起保护作用知识点三棱镜、光的色散 知识梳理1棱镜 棱柱形的透明体为棱镜，而横截面为三角形的棱镜即为三棱镜。折射率大于周围介质的棱镜具有使光线向底面偏折的作用，一个物体通过它所成的虚像则向顶角偏移。而折射率小于周围介质的棱镜对光线的作用则正好相反。需注意的是光在通过三棱镜时，光线要经过两次折射。2一束白光经棱镜折射后会发生色散现象。 复色光在介质中由于折射率不同而分解成单色光的现象，叫做光的色散。 一束白光通过三棱镜后产生色散，在屏上形成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫彩色光谱，说明白光是复色光。3不同色光在介质中的速度是不同的 红光在玻璃中的光速最大，故红光在玻璃中的折射率最小，偏向角也最小，而紫光在玻璃中的光速最小，故紫光在玻璃中的折射率最大，偏向角也最大，因此白光由于各色光通过棱镜后偏向角不同而产生色散现象（如图）。 特别提醒： （1）白光为复色光。 （2）同一介质对不同色光的折射率不同，频率越大的色光折射率越大。 （3）不同色光在同一介质中传播速度不同。 疑难导析正确理解光的频率、折射率、光速等物理量的关系 白光通过三棱镜后会发生色散，光从一种介质射入另一种介质时，频率是不变的。但同一介质对不同频率的入射光，折射率n不同，入射光频率越高，介质的折射率就越大。 红光到紫光的特点如下表所示：物理量红 橙 黄 绿 蓝 靛 紫原理频率波动理论折射率实验测定同种介质中光速同种介质中波长同种介质中折射率 ：红光和紫光相比（ ） A红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较大 B红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较大 C红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较小 D红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较小典型例题透析题型一光的折射的理解和计算 分析解决有关光的折射问题的一般思路： （1）根据题意画出正确的光路图 （2）利用几何关系确定光路中的边、角关系，要注意入射角、折射角均以法线为标准。 （3）利用折射定律、折射率公式（、）求解。 （4）注意在折射现象中，光路是可逆的。 特别提醒： 准确、规范地画出光路图是解决几何光学问题的前提和关键。 从光路图上找准入射角和折射角，应用数学知识求出它们的正弦值。必要时可利用光路可逆原理辅助解题。 1、如图所示，巡查员站立于一空的贮液池边，检查池角处出液口的安全情况。已知池宽为，照明灯到池底的距离为。若保持照明光束方向不变，向贮液池中注入某种液体，当液面高为时，池底的光斑距离出液口。 （1）试求当液面高为时，池底的光斑到出液口的距离x。 （2）控制出液口缓慢地排出液体，使液面以的速率匀速下降，试求池底的光斑移动的速率。 举一反三 【变式】如图所示，游泳池宽度L=15m，水面离岸边的高度为0.5m，在左岸边一标杆上装有一A灯，A灯距地面高0.5m，在右岸边站立着一个人，E点为人眼的位置，人眼距地面离1.5m，若此人发现A灯经水反射所成的像与左岸水面下某处的B灯经折射后所成的像重合，已知水的折射率为1.3，则B灯在水面下多深处？（B灯在图中未画出） 题型二对全反射的理解和计算 分析光的全反射、临界角问题的一般思路： （1）画出恰好发生全反射的光路。 （2）利用几何知识分析线、角关系，找出临界角。 （3）以刚好发生全反射的光线为比较对象来判断光路是否发生全反射，从而画出其他光线的光路图。 2、如图，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。将线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。 举一反三 【变式】如图所示，一立方体玻璃砖，放在空气中，平行光束从立方体的顶面斜射入玻璃砖，然后投射到它的一个侧面上。若全反射临界角为，问： （1）这光线能否从侧面射出？ （2）若光线能从侧面射出，玻璃砖折射率应满足什么条件？ 题型三光的色散 应着重理解两点内容：其一，光的频率（颜色）由光源决定，与介质无关；其二，同一介质中，频率越大的光折射率越大。再应用等知识，就能准确而迅速地判断有关色光在介质中的传播速度、波长、折射光线偏折程度等问题。 3、一束复色光由空气射向玻璃，发生折射而分为a、b两束单色光，其传播方向如图所示。设玻璃对a、b的折射率分别为和，a、b在玻璃中的传播速度分别为和，则（ ） A B C D 举一反三 【变式】两种单色光由水中射向空气时发生全反射的临界角分别为、，已知。用、分别表示水对两单色光的折射率，、分别表示两单色光在水中的传播速度（ ） A、 B、 C、 D、第二部分 光的波动性知识要点梳理知识点一光的干涉 知识梳理11801年，英国物理学家托马斯杨成功地观察到了光的干涉现象，证明了光的确是一种波。2光的干涉现象 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，且加强和减弱的区域相间，即亮纹和暗纹相间的现象。3干涉条件 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）。 下面四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。 4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 暗纹：屏上某点到双缝的光程差等于半波长的奇数倍，即 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。5薄膜干涉 当光照射到薄膜上时，可以看到在薄膜上出现明暗相间的条纹。当入射光是白光时，得到彩色条纹，当入射光是单色光时，得到单色条纹。 参与薄膜干涉的两列光是分别从薄膜的前表面和后表面反射出来的两列光。用薄膜干涉可以检查工件表面是否平整，在透镜表面涂上增透膜以增大透射光。 特别提醒：薄膜干涉中的色散： （1）成因：由膜的前后表面反射回来的光叠加的结果，所以观察时只能在光源的同侧才能看到。 （2）形状：明暗相间的条纹。纹的亮暗与膜的厚度有关。 疑难导析增透膜能“增透”吗？ 利用薄膜干涉现象可以制作增透膜，例如在透镜表面涂一层厚度均匀的介质薄膜，要求介质的折射率小于制作透镜的玻璃，厚度等于黄绿色光在介质中传播时的波长的，这样从介质膜后表面反射的光与从介质膜前表面反射的光恰好相差半个波长，干涉的结果相互抵消，即反射光的强度大大降低，有人对以上分析都能接受，但他们认为这只能叫“消反”，却不能“增透”。这是由于人们仍然习惯于用宏观的思维方式来思考问题，认为反射回来的光互相抵消，并没有增加透射光。其实光的干涉现象将引起整个光场分布的改变，总的能量是守恒的，反射光的能量被消弱，透射光的能量就必然得到增强，增透膜由于消反而确实在“增透”，在光学仪器上，包括人配戴的眼镜镜片，都已广泛使用了增透膜。 ：用氦氖激光器进行双缝干涉实验，已知使用的双缝间距离d=0.1mm，双缝到屏的距离L=6.0m，测得屏上干涉条纹中亮纹的间距是3.8cm，氦氖激光器发出的红光的波长是多少？假如把整个装置放入折射率是4/3的水中，这时屏上的条纹间距是多少？知识点二光的衍射 知识梳理1光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象叫光的衍射。2产生明显衍射现象的条件 障碍物（或孔）的尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还小。 特别提醒：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。 3泊松亮斑 当光照到不透光的小圆板上时，在圆板的阴影中心出现的亮斑（在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环）。 疑难导析1衍射与干涉的比较单缝衍射双缝干涉不同点条纹宽度条纹宽度不等，中央最宽条纹宽度相等条纹间距各相邻条纹间距不等各相邻条纹等间距亮度中央条纹最亮，两边变暗清晰条纹，亮度基本相等相同点干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹2干涉与衍射的本质 光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果，从本质上讲，衍射条纹的形成与干涉条纹的形成具有相似的原理。在衍射现象中，可以认为从单缝通过两列或多列频率相同的光波，它们在屏上叠加形成单缝衍射条纹。 双缝干涉：是等间距、等亮度的。 单缝衍射：除中央明条纹最宽最亮外，两侧条纹亮度、宽度逐渐减小。白光衍射时，中央仍为白光，最靠近中央的色光是紫光，最远离中央的色光是红光。 圆孔衍射：明暗相间的不等距圆环。 泊松亮斑：光照射到一个半径很小的圆板上后，在圆板的阴影中心出现的亮斑，这是光能发生衍射的有力证据之一。 特别提醒：干涉和衍射是波的特征，光的干涉和衍射现象证明了光具有波动性，波长越大，干涉和衍射现象就越明显，也越容易观察到干涉和衍射现象。 ：一束红光射向一块有双缝的不透光的薄板，在薄板后的光屏上呈现明、暗相间的干涉条纹。现在将其中一条窄缝挡住，让这束红光只通过一条窄缝，则在光屏上可以看到（ ） A与原来相同的明暗相间的条纹，只是明条纹比原来暗些 B与原来不同的明暗的条纹，而中央明条纹变宽些 C只有一条与缝宽相对应的明条纹 D无条纹，只存在一片红光知识点三光的偏振 知识梳理1光的偏振 自然光是指在垂直于光的传播方向上，各个方向强度相同。偏振光是指在垂直于光的传播方向的平面上，只沿某个特定方向振动。 光的偏振现象说明光波是横波。2偏振光的产生方式 偏振光的产生方式是通过两个共轴的偏振片观察自然光，第一个偏振片的作用是获得偏振光，叫起偏器，第二个偏振片的作用是检验光是否为偏振光，叫检偏器 特别提醒：光的偏振理解： （1）光波的感光作用和生理作用主要是由电场强度E引起的，因此将E的振动称为光振动。 （2）自然光：太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫自然光。 （3）偏振光：自然光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，叫偏振光。自然光射到两种介质的界面上，如果光的入射方向合适，使反射和折射光之间的夹角恰好是，这时，反射光和折射光就都是偏振光，且它们的偏振方向互相垂直。我们通常看到的绝大多数光都是偏振光（如图）。 疑难导析1偏振光是怎样产生的 （1）偏振光的产生方式 自然光通过起偏器，通过两个共轴的偏振片观察自然光，第一个偏振片的作用是把自然光变为偏振光，叫起偏器，第二个偏振片的作用是检验光是否为偏振光，叫检偏器。 其实，偏振片并非刻有狭缝，而是具有一种特性，即存在一个偏振方向，只让平行于该方向振动的光通过，其他振动方向的光被吸收了。 自然光射到两种介质的交界面上，如果光入射的方向合适，使反射光和折射光之间的夹角恰好是时，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直。 （2）偏振光的理论意义和应用 理论意义：光的干涉和衍射现象充分说明了光是波，但不能确定光波是横波还是纵波，光的偏振现象说明光波是横波。 应用：照相机镜头、立体电影、消除车灯眩光、液晶显示等等。2光的干涉、衍射和光的色散都可出现彩色条纹，现象很相似，但光学本质不同，分析问题要首先弄清其原理和本质。 ：光的偏振现象说明光是横波，下列现象中不能反映光的偏振特性的是（ ） A一束自然光相继通过两个偏振片，以光束为轴旋转其中一个偏振片，透射光的强度发生变化 B一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光与折射光线之间的夹角恰好是时，反射光是偏振光 C日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振光片可以使景象更清晰 D通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹典型例题透析题型一光的干涉和衍射 （1）双缝干涉和单缝衍射都是叠加的结果，只是干涉条纹是有限的几束光的叠加，而衍射条纹是极多且复杂的相干光的叠加。在双缝干涉实验中，光在通过其中的三个狭缝时，都发生了衍射而形成三个线光源。所以，一般现象中既有干涉又有衍射。 （2）单缝衍射时，照射光的波长越长，中央亮纹越宽，所以衍射和干涉都能使白光发生色散现象，且中央白光的边缘均呈红色。 （3）干涉和衍射的图样有相似之处，都是明暗相间的条纹。只是干涉条纹中条纹宽度和亮纹亮度基本相同，衍射条纹中条纹宽度和亮纹亮度均不等，中央亮纹最宽最亮。 1、如图所示，在双缝干涉实验中，和为双缝，P是光屏上的一点，已知P点与和距离之差为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m。 （2）已知B光在某种介质中波长为m，当B光从这种介质射向空气时，临界角为。 （sin=0. 6，cos=0.8） （3）若让A光照射，B光照射，试分析光屏上能观察到的现象。 举一反三 【变式】光通过各种不同的障碍物后会产生各种不同的衍射条纹，衍射条纹的图样与障碍物的形状相对应，这一现象说明 （ ） A光是电磁波 B光具有波动性 c光可以携带信息 D光具有波粒二象性。题型二薄膜干涉的应用 薄膜干涉的应用应注意：（1）劈形空气薄膜顶角越小，光程差变化越缓和，条纹间距越宽。（2）增透膜的厚度为某种色光在膜中波长的时，增透膜起到对该种色光增透的作用。 2、利用薄膜干涉的原理可以用干涉法检查平面和制造增透膜，回答以下两个问题： （1）用如图所示的装置检查平面时，是利用了哪两个表面反射光形成的薄膜干涉图样？ （2）为了减少光在透镜表面由于反射带来的损失，可在透镜表面涂上一层增透膜，一般用折射率为1.38的氟化镁，为了使波长为m的绿光在垂直表面入射时使反射光干涉相消，求所涂的这种增透膜的厚度？ 举一反三 【变式】如图甲所示，在一块平板玻璃上放置一平凸薄透镜，在两者之间形成厚度不均匀的空气膜，让一束单一波长的光垂直入射到该装置上，结果在上方观察到如图乙所示的同心内疏外密的圆环状干涉条纹，称为牛顿环。以下说法正确的是（ ） A干涉现象是由于凸透镜下表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的 B干涉现象是由于凸透镜上表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的 C干涉条纹不等是因为空气膜厚度不是均匀变化的 D干涉条纹不等是因为空气膜厚度是均匀变化的 题型三光的偏振 光的偏振充分说明光是横波，只有横波才有偏振现象。 除了从光源直接发出的光以外，我们通常见到的大部分光都是偏振光。 例如自然光射到两种介质的界面上，调整入射角的大小，使反射光与折射光的夹角是，这时反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向互相垂直。 偏振光的产生方式：自然光通过起偏器，通过两个共轴的偏振片观察自然光，第一个偏振片的作用是把自然光变为偏振光，叫起偏器，第二个偏振片的作用是检验光是否为偏振光，叫检偏器。 3、一段时间一来，“假奶粉事件”闹得沸沸扬扬，奶粉的碳水化合物（糖）含量是一种重要指标，可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度，从而测定含糖量，偏振光通过糖的水溶液后，偏振方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度,这一角度称为“旋光度”, 的值只与糖溶液的浓度有关，将的测量值与标准值相比较，就能测量被测样品的含糖量了。如图所示，S是自然光源，A、B是偏振片，转动B，使到达O处的光最强，然后将被测样品P置于A、B之间，则下列说法中正确的是（ ） A到达O处光的强度会明显减弱 B到达O处光的强度不会明显减弱 C将偏振片B转动一个角度，使得O处光的强度最大，偏振片转过的角度等于 D将偏振片A转动一个角度，使得O处光的强度最大，偏振片转过的角度等于 举一反三 【变式】如图，P是一偏振片，P的透振方向（用带箭头的实线表示）为竖直方向。下列四种入射光束中哪几种照射P时能在P的另一侧观察到透射光（ ） A太阳光 B沿竖直方向振动的光 C沿水平方向振动的光 D沿与竖直方向成45角振动的光 第三部分 光的粒子性 物质波知识要点梳理知识点一黑体辐射理论 知识梳理1热辐射 一切物体都在辐射电磁波，辐射与物体的温度有关。2黑体 能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射。3能量子 普朗克认为振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍。当带电微粒辐射或吸收能量时，也以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收。这个不可再分的最小能量值叫能量子。，h为普朗克常量，是电磁波的频率。 疑难导析黑体辐射的实验规律 如图所示，由图可知：随着温度的升高，各种波长的辐射强度都会增加；辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。 ：关于黑体辐射，下列说法中正确的是（ ） A随着温度的升高，物体辐射的电磁波的各种波长的辐射强度都会增加 B随着温度的升高，物体辐射的电磁波的各种波长的辐射强度都会减小 C随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 D随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动知识点二光的粒子性 知识梳理1、光电效应 定义：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象叫做光电效应。逸出的电子叫光电子。 实验规律：存在饱和光电流、遏止电压和截止频率，光电效应具有瞬时性。2、爱因斯坦光电效应方程 光子说：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为的每个光子的能量为，这些能量子为光子。 逸出功（）：使电子脱离某金属表面所做的功的最小值。 数学表达式：3、康普顿效应 在散射光中，波长变长的现象。 特别提醒：光电效应和康普顿效应揭示了光的粒子性。 疑难导析1光电效应实验规律 电路图如图所示： （1）存在饱和光电流 在光照不变时，所加电压增大，光电流增大、当电流增大到一定值时，即使电压再增大，电流也不再增大，达到一个饱和值。如图所示。入射光越强，饱和光电流越大，说明入射光越强，单位时间内发射光电子数越多。 （2）存在着遏止电压和截止频率 使光电流减小到零的反向电压称为遏止电压。，为光电子的最大初速度，同一频率的光，遏止电压相同，与光强弱无关。入射光的频率减小到某一值时，减小到零，即不施加反向电压也没有光电流，称为截止频率或极限频率。 光电子的能量与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应，不同金属的截止频率不同。 （3）光电效应具有瞬时性 当时，无论光多微弱，也会产生光电效应，光电子的发射时间不超过s。2光电效应解释中的疑难 经典电磁理论只能解释：光越强，光电流越大。 按照光的经典电磁理论，还应得出如下结论： 光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压应与光的强弱有关； 不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸出金属表面，不应存在截止频率； 如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于s，所有这些结论都与实验结果相矛盾。此外，对于遏止电压与光的频率的关系，经典电磁理论更是无法解释。3光子说很好地解释了光电效应的规律 （1）爱因斯坦光电效应方程表明，光电子的初动能与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当时，才有光电子逸出，就是光电效应的截止频率。 （2）电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流几乎是瞬时发生的。 （3）光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子数越多，因而饱和电流越大。4经典电磁理论对解释康普顿效应中遇到的困难 光是电磁振动的传播，入射光将引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒从入射光中吸收能量，并向四周辐射，这就是散射光。散射光的频率应等于带电粒子受迫振动的频率，即入射光的频率。所以散射光的波长与入射光的波长应相同，不应出现的散射光。5用光子说十分成功地解释了康普顿效应 X射线的光子不仅具有能量，也具有动量，与晶体中的电子碰撞，要遵守能量和动量守恒定律。当入射的光子与电子碰撞时，损失一部分动量给电子，动量变小，由，变大，所以散射光中有些光子波长变大。如图所示。 ：用某种单色光照射某种金属表面，发生光电效应。现将该单色光的光强减弱，则（ ） A光电子的最大初动能不变 B光电子的最大初动能减小 C单位时间内产生的光电子数减少 D可能不发生光电效应知识点三光的波粒二象性和物质波 知识梳理1光的波粒二象性 光既具有波动性，又具有粒子性。2物质波 实物粒子（如电子、质子等）也具有波动性。频率，波长。3概率波 光波是一种概率波。光子落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率小。个别光子表现出粒子性，大量光子表现出波动性。4不确定性 ，h为普朗克常量，表示粒子位置的不确定量，表示粒子在x方向上的动量的不确定量。 疑难导析光的本性学说发展史上的五个学说 （1）牛顿的微粒说：认为光是高速粒子流。它能解释光的直进现象、光的反射现象。 （2）惠更斯的波动说：认为光是某种振动，以波的形式向周围传播。它能解释光的干涉和衍射现象。 （3）麦克斯韦的电磁说：认为光是电磁波。实验依据是赫兹实验证明了光与电磁波在真空中传播速度相等且均为横波。 （4）爱因斯坦的光子说：认为光的传播是一份一份的，每一份叫一个光子，其能量与它的频率成正比，即。光子说能成功地解释光电效应现象。 （5）德布罗意的波粒二象性学说：认为光是既有粒子性，又有波动性。个别光子表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性；频率大的光子粒子性明显，而频率小的光子波动性明显。 ：对于光的波粒二象性的说法中，下列说法正确的是（ ） A一束传播的光，有的光是波，有的光是粒子 B光子与电子是同一种粒子，光波与机械波是同一种波 C光的波动性是由光子间的相互作用形成的 D光是一种波，同时也是一种粒子，光子说并未否定电磁说，光子能量，仍表示的是波的特性典型例题透析题型一光电效应现象的理解 分析光电效应问题： （1）深刻理解极限频率和逸出功的概念，从能量转化角度理解最大初动能。 （2）必须掌握光电效应的四个规律，即：产生条件：每种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能产生光电效应；光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率的增大而增大；光电效应的产生几乎是瞬时的，一般不超过s。当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比，即单位时间内发射光电子的数目与入射光的强度成正比。 1、对于光电效应的解释，下列选项正确的是（ ） A金属内每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能从金属表面逸出 B如果入射光子的能量小于金属表面电子克服原子核的引力逸出时需做的最小功，光电效应便不能发生 C发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光子的最大初动能也就越大 D由于不同金属的逸出功不同，因此，使不同金属产生光电效应的入射光的最低频率也不相同举一反三 【变式】关于光电效应的规律，下列说法中正确的是（ ） A当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，则入射光的频率越高，产生的光电子的最大初动能越大 B当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，则入射光的强度越大，单位时间内产生的光电子数越多 C同一频率的光照射不同金属，如果都能产生光电效应，则逸出功越大的金属产生的光电子的最大初动能也越大 D对某种金属，入射光波长必须小于某一极限波长，才能产生光电效应题型二光电效应方程及其有关计算 （1）求解光电子的最大初动能 依据爱因斯坦的“光子说”，金属中每一个电子只能吸收照射光的一个光子的能量，且无积累过程。电子能否成为光电子，就看电子所吸收的光子的能量大小了。若电子吸收光子能量后足以克服金属离子对电子的吸引力而逸出，则电子就能成为光电子，多余的能量转化为光电子的动能，若上式中的“”是金属表面的电子脱离金属所需做的功，即逸出功，则上式中的“”为光电子的最大初动能，即：，这就是爱因斯坦的“光电效应方程”。 （2）求解极限频率 光照射金属，金属表面的电子吸收光子的能量，然后利用此能量来克服金属离子对电子的引力，此功为逸出功“”。据公式可知，当照射光的光子能量恰好等于该金属的逸出功，即恰好发生光电效应时，光电子的最大初动能为零。有，即。 2、密立根实验的目的是：测量金属的遏止电压与入射光频率，由此算出普朗克常量h，并与普朗克根据黑体辐射得出的h相比较，以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性。实验结果是，两种方法得出的普朗克常量h在0.5%的误差范围内是一致的。 下表是某次实验中得到的某金属的和的几组对应数据。 试作出图象，并通过图象求出： （1）这种金属的截止频率； （2）普朗克常量。举一反三 【变式】在图甲所示的装置中，K为一金属板，A为金属电极，都密封在真空的玻璃管中，W为由石英片封盖的窗口，单色光可通过石英片射到金属板K上，E为输出电压可调的直流电流，其负极与电极A相连，A是电流表，实验发现，当用某种频率的单色光照射K时，K会发出电子（光电效应），这时，即使A、K之间的电压等于零，回路中也有电流当A的电势低于K时，而且当A比K的电势低到某一值时，电流消失，称为截止电压，当改变照射光的频率，截止电压也将随之改变，其关系如图乙所示，如果某次实验我们测出了画出这条图线所需的一系列数据，又知道了电子电量，则（ ） A可得该金属的极限频率 B可求得该金属的逸出功 C可求得普朗克常量 D可求得电子的质量 题型三光的波粒二象性和物质波 波动性和粒子性是微观粒子本身矛盾的统一，不能孤立地认识任一方面。物质波的波长，p为粒子的动量。对宏观物体来讲，因其动量p较大，故其波长很小，波动性极不明显。 3、光具有波粒二象性，光子的能量，其中频率表征波的特征。在爱因斯坦提出光子说之后，法国物理学家德布罗意提出了光子动量p与光波波长的关系。若某激光管以P=60 W的功率发射波长=663 nm的光束，试根据上述理论计算： （1）该管在1s内发射出多少个光子？ （2）若该管发射的光束被某黑体表面吸收，那么该黑体表面所受到的光束对它的作用力F为多大？举一反三 【变式】关于物质的波粒二象性，下列说法中不正确的是（ ） A不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒也具有波粒二象性 B运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道 C波动性和粒子性，在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象中是统一的 D实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性题型四概率波和不确定关系 （1）粒子位置的不确定性 单缝衍射现象，入射的粒子有确定的动量，但它们可以处于档板左侧的任何位置，也就是说，粒子在档板左侧的位置是完全不确定的。 （2）粒子动量的不确定性 微观粒子具有波动性，会发生衍射。大部分粒子到达狭缝之前沿水平方向运动，而在经过狭缝之后，有些粒子跑到投影位置以外。这些粒子具有了与其原来运动方向垂直的动量。由于哪个粒子到达屏上的哪个位置是完全随机的，所以粒子在垂直方向上的动量也具有不确定性，不确定量的大小可以由中央亮条纹的宽度来衡量。 （3）位置和动量的不确定性关系： 由可以知道，在微观领城，要准确地测定粒子的位置，动量的不确定性就更大；反之，要准确确定粒子的动量，那么位置的不确定性就更大。如将狭缝变成宽缝，粒子的动量能被精确测定（可认为此时不发生衍射），但粒子通过缝的位置的不确定性却增大了；反之，取狭缝。粒子的位置测定精确了，但衍射范围会随的减小而增大，这时动量的测定就更加不准确了。 4、下列说法正确的是（ ） A在双缝干涉实验中，单个光子的落点不可预知，大量光子打在荧光屏上的落点是有规律的 B光波是概率波。双缝干涉中的暗条纹是光子到达概率小的地方，明条纹是光子到达概率大的地方 C在微观物理学中，不可能同时准确地知道粒子的位置和动量，不可能用“轨迹”来描述粒子的运动 D在单缝衍射中，狭缝越窄，屏上中央亮条纹就越宽，这表明，尽管更窄的狭缝可以准确地测得粒子的位置，但粒子动量的不确定量却更大了举一反三 【变式】下列说法正确的是（ ） A在微观物理学中，不可能同时准确地知道某个粒子的位置和动量，粒子出现的位置是无规律可循的 B光电效应和康普顿效应深入揭示了光的粒子性的一面 C光波和物质波都是概率波 D光具有波粒二象性，中是描述光的粒子性的。和是描述光的波动性的，h架起了粒子性与波动性之间的桥梁 第四部分 实验：测定玻璃的折射率知识要点梳理实验目的 1理解用插针法测定玻璃折射率的原理 2学会测定玻璃的折射率的实验方法实验器材 玻璃砖、白纸、木板、大头针（四枚）、图钉（四枚）、量角器、三角板（或直尺）、铅笔实验原理 用插针法确定光路，找出跟入射线相对应的折射线；用量角器测出入射角i和折射角r；根据折射定律计算出玻璃的折射率实验步骤 1把白纸用图钉钉在木板上。 2在白纸上画一条直线作为界面，画一条线段AO作为入射光线，并过O点画出界面的法线，如图所示： 3把长方形的玻璃砖放在白纸上，使它的一个边跟对齐，并画出玻璃砖的另一个边。 4在AO线段上竖直地插上两枚大头针和。 5在玻璃砖的一侧竖直地插上大头针，用眼睛观察，调整视线，要使能同时挡住和的像。 6同样地在玻璃砖的一侧再竖直地插上大头针，使能挡住本身和、的像。 7记下和的位置，移去玻璃砖和大头针，过和作直线与交于，连接，就是玻璃砖内的折射光线，入射角，折射角。 8用量角器量出入射角和折射角的度数。 9从三角函数表中查出入射角和折射角的正弦值，记入自己设计的表格里。 10用上面的方法分别求出入射角是时的折射角，查出入射角和折射角的正弦值。 11算出不同入射角时的值比较一下，看它们是否接近一个常数，求出几次实验中所测i的平均值，这就是玻璃砖的折射率。数据处理 数据处理的另一种方法：如图所示，以O1圆心以任意长为半径（半径要尽能长些，约10cm）画圆交入射光线AO1于M点、交折射光线O1O于P点，过M、P作的垂线MK、PQ，则，据此可知，用刻度尺测出MK、QP的长度，即可求出折射率n。 误差分析 误差的主要 1确定入射光线、出射光线时的误差。故入射侧、出射侧所插两枚大头针间距离宜大点。 2测量入射角与折射角时的误差。故入射角不宜过小，但入射角也不宜过大，过大则反射光较强，出射光较弱。注意事项 1玻璃砖要厚，用手拿玻璃砖时，只能接触玻璃毛面或棱，严禁用玻璃砖当尺子画界面。 2入射角应在到之间。 3大头针要竖直插在白纸上，且玻璃砖每一侧两枚大头针与间、与间的距离应尽量大一些，以减小确定光路方向时造成的误差。 4玻璃砖的折射面要画准。 5由于要多次改变入射角重复实验，所以入射光线与出射光线要一一对应编号以免混乱。典型例题透析 1、在用插针法测定玻璃砖折射率的实验中，甲、乙、丙三位同学在纸上画出的界面、与玻璃砖位置的关系分别如图、和所示，其中甲、丙同学用的是矩形玻璃砖，乙同学用的是梯形玻璃砖。他们的其他操作均正确，且均以 、为界面画光路图。则 甲同学测得的折射率与真实值相比 _（填“偏大”、“偏小”或“不变”） 乙同学测得的折射率与真实值相比_（填“偏大”、“偏小”或“不变”） 丙同学测得的折射率与真实值相比_。举一反三 【变式】如图所示，某同学用插针法测定一半圆形玻璃砖的折射率。在平铺的白纸上垂直纸面插大头针、确定入射光线，并让入射光线过圆心O，在玻璃砖（图中实线部分）另一侧垂直纸面插大头针，使挡住、的像，连接。图中MN为分界面，虚线半圆与玻璃砖对称，B、C分别是入射光线、折射光线与圆的交点，AB、CD均垂直于法线并分别交法线于A、D点。 （1）设AB的长度为，AO的长度为，CD的长度为。DO的长度为，为较方便地表示出玻璃砖的折射率，需用刻度尺测量_，则玻璃砖的折射率可表示为_。 （2）该同学在插大头针前不小心将玻璃砖以O为圆心顺时针转过一个小角度，由此测得玻璃砖的折射率将_（填“偏大”、“偏小”或“不变”）。 2、一块玻璃砖有两个相互平行的表面，其中一个表面是镀银的（光线不能通过此表面）。现要测定此玻璃的折射率。给定的器材还有：白纸、铅笔、大头针4枚（）、带有刻度的直角三角板、量角器。 实验时，先将玻璃砖放到白纸上，使上述两个相互平行的表面与纸面垂直。在纸上画出直线和, 表示镀银的玻璃表面，表示另一表面，如图所示。然后，在白纸上竖直插上两枚大头针（位置如图）。用的连线表示入射光线。 （1）为了测量折射率，应如何正确使用大头针？ 试在题图中标出的位置。 （2）然后，移去玻璃砖与大头针。试在题图中通过作图的方法标出光线从空气到玻璃中的入射角与折射角。简要写出作图步骤。 （3）写出用表示的折射率公式n_。举一反三 【变式】利用插针法测玻璃的折射率，实验中先将玻璃砖固定在水平桌面的白纸上，画出玻璃砖两侧界面MN、PQ，在玻璃砖的一侧插好大头针后，某同学发现在的同侧通过玻璃砖在如图所示位置也可观察到的像，于是他在白纸上插大头针，使挡住的像，同样的方法，他又插下大头针，使挡住和的像，取走玻璃砖，画连线交MN于O点，连线交MN于点，测出连线与MN间的夹角，玻璃砖的厚度h=2.0