北京市2013届高三物理二轮复习 光的本性教学案

1 高考综合复习 光的本性高考综合复习 光的本性 知识网络知识网络 高考考点高考考点 考纲要求 考纲要求 知识点要求 说明 光本性学说的发展简史 光的干涉现象 双缝干涉 薄膜干涉 双缝干涉的条纹间距与波长的关系 光的衍射 光的偏振现象 光谱和光谱分析 红外线 紫外线 x 射线 射线以及它们的应用 光的电磁本性 电磁波谱 光电效应 光子 爱因斯坦光电效应方程 光的波粒二象性 物质波 激光的特性及应用 复习指导 复习指导 光的本性 的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 并推动了光的波动学说的发展 光的电磁说揭示了光现象的电磁本 质 光电效应现象的发现 又确凿无疑地说明了光还具有粒子性 最终使人们认识到光具有波粒 二象性 在历年的高考试题中 有关 光的本性 的内容多以选择或填空题的形式出现 在所列的知 2 识点中 命题频率较高的是光的干涉 光谱和光电效应 其次是波长 波速和频率的关系 有时 还与几何光学中的知识结合起来进行考查 要点精析要点精析 光的波动性 光的波动性 一 光的干涉 一 光的干涉 1 干涉是波的特有现象 只有相干波源才能产生稳定的干涉现象 光若具有波动性则必能观 察到它的干涉现象 但必须要有产生干涉现象的相干光源 2 相干光源 振动情况 指描述振动的物理量 频率 相位 振幅以及振动方向 总是相同 由于物质发光的特殊性 任何两个独立的光源发出的光相叠加均不能产生干涉现象 只有采用特 殊的方法从同一光源分离出两列频率相同的光波相叠加 才可能发生干涉现象 双缝干涉 薄膜 干涉等都是采用这种 分光 方法而获得相干光源的 3 典型干涉实验 杨氏双缝干涉实验 薄膜干涉实验 二 双缝干涉 二 双缝干涉 1 实验结果 用单色光源在屏上出现明暗相间的等距干涉条纹 若用白光做该实验则屏上出 现彩色的干涉条纹 2 实验分析 当屏上某点到双缝 S1 S2的路程差是光波波长的整数倍时 在这些地方出现亮纹 当屏上某点到双缝 S1 S2的路程差是光波半波长的奇数倍时 在这些地方出暗纹 干涉条纹是等间距的 同样条件的双缝实验 用红光和紫光得到的相邻暗条纹间的宽度不等 红光的宽度大 3 结论 相邻明暗相间条纹间的距离 同一实验中 任意两个相邻的亮纹间的距 离是相等的 x 与 d 三因素有关 当 d 相同条件下 x 与 成正比 所以红光和紫 光分别做实验得到的条纹间隔是不同的 红光的波长比紫光的波长长 因而红光干涉条纹比紫光 宽 三 薄膜干涉 三 薄膜干涉 1 成因 薄膜前表面和后表面分别反射的两列波叠加 这两列波是同一光源发出的 所以是 相干波 由于同一水平线上的薄膜厚度近似相同 所以干涉后能产生水平的明暗条纹 由于光波 波长极短 因此做薄膜干涉实验所用介质膜应足够薄 才能观察到干涉条纹 3 2 如果膜的厚度为 d 折射率为 n 的前后表面的反射光的光程差为 2d 则 当 2d 是光波半波长的偶数倍时 在这些地方出现亮纹 当 2d 是光波半波长的奇数倍时 在这些地方出现暗纹 3 如果膜的厚度均匀变化 若用单色光照射 相邻的条纹间的距离是相等的 若用白光照射 则在薄膜某一厚度的地方某一波长的光反射后增强 而另一些波长的光反射后减弱 这样薄膜的 像上就出现彩色条纹 4 光的干涉在技术上的应用 1 干涉法检查镜面 光的干涉在技术上可以检查精密零件的表面质量 将被检查平面和放在上面的透明标准样板 的一端垫一薄片 使样板的标准平面和被检查平面间形成一个楔形空气薄层 单色光从上面照射 入射光在空气层的上 下表面反映出两列光波叠加情况 从反射光中看到干涉条纹 根据干涉条 纹的形状 来确定工件表面情况 2 镜片增透膜 在光学元件 透镜 棱镜 的表面涂一层薄膜 当薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的 1 4 时 在薄膜的两个面上的反射光 光程差恰好等于半波长 因而相互抵消 达到减小反射光 增 大透射光强度的作用 四 光的衍射 四 光的衍射 1 光的衍射 光离开直线路径绕到障碍物阴影区域内的现象叫光的衍射 任何障碍物都可以 使光发生衍射 2 产生明显衍射的条件 障碍物或小孔的尺寸跟光的波长相差不多或比光的波长小 3 明显衍射的现象 白光的单缝衍射 中央宽 亮的白色条纹 两侧窄 暗的彩色条纹 单色光的单缝衍射 中央宽 亮的亮条纹 两侧明暗相间的条纹 条纹间距向两侧越来越窄 4 光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果 但存在明显的区别 双缝干涉条纹是等间 4 距 等亮度的 而单缝衍射条纹除中央明条纹最宽 最亮外 两侧条纹亮度逐渐减小 五 光的电磁说电磁波谱 五 光的电磁说电磁波谱 1 光的电磁说 19 世纪 60 年代 英国物理学家麦克斯韦提出电磁场的理论 预见了电磁波的存在 并提出电 磁波是横波 传播的速度等于光速 根据它跟光波的这些相似性 指出 光波是一种电磁波 光的电磁说 1888 年赫兹用实验证实了电磁波的存在 测得它传播的速度等于光速 与麦克斯韦 的预言符合得相当好 证实了光的电磁说是正确的 2 电磁波谱 1 红外线 发现过程 1800 年英国物理学家赫谢耳用灵敏温度计研究光谱各色光的热作用时 把温度计 移至红光区域外侧 发现温度更高 说明这里存在一种不可见的射线 后来就叫做红外线 特点 最显著的是热作用 应用 红外线加热 这种加热方式优点是能使物体内部发热 加热效率高 效果好 红外摄影 远距离摄影 高空摄影 卫星地面摄影 这种摄影不受白天黑夜的限制 红外线成像 夜视仪 可以在漆黑的夜间能看见目标 红外遥感 可以在飞机或卫星上勘测地热 寻找水源 监测森林火情 估计农作物的长势和 收成 预报台风 寒潮 2 紫外线 发现过程 1801 年德国的物理学家里特 发现在紫外区放置的照相底板感光 荧光物质发光 特性 主要作用是化学作用 还有很强的荧光效应 杀菌消毒作用 应用 紫外照相 可辨别出很细微差别 如可以清晰地分辨出留在纸上的指纹 照明和诱杀害虫的日光灯 黑光灯 医院里病房和手术室的消毒 治疗皮肤病 5 3 伦琴射线 发现过程 1895 年德国物理学家伦琴在研究阴极射线的性质时 发现阴极射线 高速电子流 射到玻璃壁上 管壁会发出一种看不见的射线 伦琴把它叫做 X 射线 产生条件 高速电子流射到任体固体上 都会产生 X 射线 特性 穿透本领很强 应用 工业上金属探伤 医疗上透视人体 此外还有比伦琴射线波长更短的电磁波 如放射性元素放出的 射线 4 电磁波谱 无线电波 红外线 可见光 紫外线 伦琴射线 射线合起来构成了范围广阔的电磁波谱 一方面 从无线电波到 射线 都是本质相同的电磁波 它们的行为服从共同的规律 另一 方面 由于频率或波长的不同而又表现出不同的特性 如波长越长的无线电波 很容易表现出干 涉 衍射等现象 随波长越来越短的可见光 紫外线 x 射线 射线要观察到它们的干涉 衍 射现象 就越来越困难了 5 电磁波产生的机理 无线电波 产生于振荡电路中 红外线 可见光 紫外线 原子的外层电子受到激发后产生的 伦琴射线 原子内层电子受到激发而产生的 射线 原子核受到激发后产生的 6 电磁波谱图 6 光的粒子性光的粒子性 一 光电效应 一 光电效应 1 在光 包括不可见光 照射下从物体发射出电子 即光电子 的现象叫做光电效应 2 光电效应的规律 1 任何一种金属 都有一个极限频率 入射光频率必须大于这个极限频率才能产生光电效 应 2 光电子的最大初动能与入射光的强度无关 只随入射光频率的增大而增大 线性关系 3 入射光照到金属上时 光电子的发射几乎是瞬时的 一般不超过 10 9秒 4 当入射光频率大于极限频率时 光电流的强度与入射光强度成正比 光电效应规律中 光电流的强度 指的是光电流的饱和值 对应从阴极发射出的电子全部 被拉向阳极的状态 因为光电流未达到饱和值之前 其大小不仅与入射光的强度有关 还与光 电管两极间的电压有关 只有在光电流达到饱和值以后才和入射光的强度成正比 金属中的自由电子 由于受到晶格正离子的吸引 必须从外部获得足够能量才能从金属中逸 出 按照波动理论 光的能量是由光的强度决定的 而光的强度又是由光波的振幅决定的 跟频 率无关 因此无论光的频率如何 只要光的强度足够大或照射时间足够长 都能使电子获得足够 的能量产生光电效应 然而这跟实验结果是直接矛盾的 所以无法用经典的波动理论来解释光电 效应 二 光子说 二 光子说 在普朗克 德国物理学家 认为电磁波的能量是不连续的基础上 爱因斯坦提出光子说即空 间传播的光是一份一份地进行的 每一份的能量等于 h 每一份叫一个光子 是光的频率 光子说对光电效应的解释 光子照射到金属上时 某个电子吸收光子的能量后动能变大 若 电子的动能增大到足以克服原子核的引力时 便飞出金属表面 成为光电子 7 1 光子的能量和频率有关 金属的逸出功是一定的 光子的能量必须大于逸出功才能发生 光电效应 这就是每一种金属都存在一个极限频率的原因 2 光照射到金属上时 电子吸收光子能量不需积累 吸收能量立刻增大动能 并逸出金属 表面成为光电子 3 电子吸收光子能量后 从金属表面逸出 其中金属表面电子克服逸出功飞出金属表面具 有最大初动能 根据能量守恒有 该方程称为爱因斯坦光电方程 显然最大初动能和入射光子的频率有关 三 光的波粒二象性 三 光的波粒二象性 光的干涉 衍射等现象表明光具有波动性 而光电效应又无可争辩地表明光具有粒子性 现 在 人们认识到 光既具有波动性又具有粒子性 也就是说光具有波粒二象性 但是既不可把光 当成宏观观念中的波 也不可把光当成微观观念中的粒子 从几率波来理解 大量光子产生的效果往往显示波动性 个别光子产生的效果往往显示粒子性 从各种频率电磁波的探测来理解 低频率光子容易显示波动性 高频率光子容易显示粒子性 要理解各种频率的电磁波 就必须综合运用波动观点和粒子观点 这是由于波动性与粒子性 是光所具有的不可分割的属性 即波粒二象性 四 物质波 四 物质波 定义 任何运动着的物体 小到电子 质子 大到行星 太阳 都有一种波与它对应 这种 波叫物质波 也叫德布罗意波 特点 宏观物体的德布罗意波长比微观粒子的波长小得多 8 波长公式 其中 h 6 63 10 34J s p 是运动物体的动量 物质波也是概率波 在光的衍射图样中 光子落到亮条纹处的概率较大 落到暗条纹处的概 率较小 光的偏振 激光 光的偏振 激光 1 波的偏振现象 横波的振动矢量垂直于波的传播方向振动时 偏于某个特定方向的现象 纵波只能沿着波的 传播方向振动 所以不可能有偏振 2 自然光和偏振光 自然光 从普通光源直接发出的天然光是无数偏振光的无规则集合 所以直接观察时不能发 现光强偏于一定方向 这种沿着各个方向振动的光波的强度都相同的光叫自然光 偏振光 自然光通过偏振片后 垂直于传播方向的振动矢量只沿着一个方向振动 这种光叫 偏振光 3 激光与自然光比较 具有以下几个重要特点 普通光源发出的是混合光 激光的频率单一 因此激光相干性非常好 颜色特别纯 激光束的平行度和方向性非常好 激光的强度特别大 亮度很高 4 激光的重要应用 激光的应用非常多 发展前景非常广阔 目前重要的应用有 光纤通信 精确测距 目标跟 踪 激光光盘 激光致热切割 激光核聚变等等 光谱和光谱分析 光谱和光谱分析 光谱分析 根据光谱鉴别物质和确定它的化学组成的方法叫做光谱分析 精题精讲精题精讲 例题例题 1 1 在双缝干涉实验中 以白光为光源 在屏幕上观察到了彩色干涉条纹 若在双缝中的 一缝前放一红色滤光片 只能透过红光 另一缝前放一绿色滤光片 只能透过绿光 这时 A 只有红色和绿色的双缝干涉条纹 其他颜色的双缝干涉条纹消失 B 红色和绿色的双缝干涉条纹消失 其他颜色的双缝干涉条纹依然存在 C 任何颜色的双缝干涉条纹都不存在 但屏上仍有光亮 D 屏上无任何光亮 9 解析 解析 在双缝干涉实验的装置中 缝的宽度跟光的波长相差不多 在双缝分别放上红色和绿色滤光 片之后 由于红光和绿光的频率不相等 在光屏上不能再出现干涉条纹了 但由于满足产生明显 衍射现象的条件 所以在屏上将同时出现红光和绿光的衍射条纹 故正确的选项为 C 点评 点评 光的干涉 衍射和机械波的干涉 衍射 从原理上讲是完全类似的 在复习中可进行对照和 类比 例题例题 2 2 劈尖干涉是一种薄膜干涉 其装置如下图甲所示 将一块平板玻璃放置在另一平板玻 璃之上 在一端夹入两张纸片 从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜 当光垂直入射后 从上往下看到的干涉条纹如下图乙所示 干涉条纹有如下特点 1 任意一条明条或暗条纹所在位 置下面的薄膜厚度相等 2 任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定 现若在下图甲装 置中抽去一张纸片 则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后 从上往下观察到的干涉条纹 A 变疏 B 变密 C 不变 D 消失 解析 解析 撤去一纸片后 空气薄膜劈尖角变小 产生相同的厚度差对应的水平距离变大 所以相邻的 明 或暗 条纹间距变大 即条纹变疏 选项 A 正确 点评 点评 本题考查对薄膜干涉原理的理解 只有对薄膜干涉产生的原因 干涉条纹的分布规律等从本 质上认识清楚 才能给出准确的解答 例题例题 3 3 如下图所示 当电键 K 断开时 用光子能量为 2 5 eV 的一束光照射阴极 P 发现电 流表读数不为零 合上电键 调节滑动变阻器 发现当电压表读数小于 0 60 V 时 电流表读数仍 不为零 当电压表读数大于或等于 0 60 V 时 电流表读数为零 由此可知阴极材料的逸出功为 10 A 1 9 eV B 0 6 eV C 2 5 eV D 3 1 eV 解析 解析 开关闭合后 光电管两端加的电压为反向电压 其作用是阻碍由光电管阴极发射出的光电子 向阳极的运动 当电压为 0 6V 时 电路中恰无电流 说明由阴极发射的具有最大初动能的光电子 也恰好不能到达阳极 即具有最大初动能的光电子到达阳极速度恰减为零 即 eU Ekm 0 6 eV 由爱因斯坦光电效应方程 Ekm h W 得 W h Ekm 2 5 0 6eV 1 9eV 所以选项 A 正确 点评 点评 认识清楚光电管所加电压为反向电压 并找到光电子的最大初动能和反向电压的关系 正确 地应用爱因斯坦光电效应方程 是解决本题的关键 另外 该例还向我们提供了一种测量光电子 最大初动能的方法 即 Ekm eU止 U止为恰好使电路中不产生光电流的反向截止电压 例题例题 4 4 在做光电效应实验时 某金属被光照射发生了光电效应 实验测出光电子的最大初动 能 Ek与入射光的频率 的关系图象如下图所示 由实验图线可求出 A 该金属的逸出功 B 该金属的极限频率和极限波长 C 普朗克常量 D 单位时间内逸出的光电子数 解析 解析 由爱因斯坦光电效应方程 Ek h W 结合 Ek 图象可知 图线的斜率即为普朗克常量 h 图线在 轴上的截距即金属的极限频率 0 由极限频率可求极限波长和逸出功 正确选项为 ABC 点评 点评 11 图象是用来描述物理规律常用的一种重要工具 利用图象解题时 一定要理解图象的物理意 义 并结合表示物理规律的函数关系 弄清楚图象斜率 截距等和题目所求物理量的关系 例题例题 5 5 20 世纪 20 年代 剑桥大学学生 G 泰勒做了一个实验 在一个密闭的箱子里放上小 灯泡 烟熏黑的玻璃 狭缝 针尖 照相底板 整个装置如下图所示 小灯泡发出的光通过熏黑 的玻璃后变得十分微弱 经过三个月的曝光 在底片上针尖影子周围才出现非常清晰的衍射条纹 泰勒对此照片的平均黑度进行测量 得出每秒到达底片的能量是 5 10 13J 1 假如起作用的光波长约为 500 nm 计算从一个光子到来和下一光子到来所相隔的平均时 间 及光束中两邻近光子之间的平均距离 2 如果当时实验用的箱子长为 1 2 m 根据 1 的计算结果 能否找到支持光是几率波 的证据 解析 解析 1 对于 500 nm 的光子能量为 因此每秒到达底片的光子数为 如果光子是依次到达底片的 则光束中相邻两光子到达底片的时间间隔是 两相邻光子间平均距离为 2 由 1 的计算结果可知 两光子间距有 2 4 102m 而箱子长只有 1 2 m 所以在箱子 里一般不可能有两个光子同时在运动 这样就排除了光的衍射行为是光子相互作用的可能性 因 此 衍射图形的出现是许多光子各自独立行为积累的结果 在衍射条纹的亮区是光子到达可能性 较大的区域 而暗区是光子到达可能性较小的区域 这个实验支持了光波是几率波的观点 点评 点评 此类信息题 应认真阅读题目提取有用信息 结合已学的知识解决新问题 需要较高的创新 思维能力和文字组织能力 12 例题例题 6 6 阅读如下资料并回答问题 自然界中的物体由于具有一定的温度 会不断向外辐射电磁波 这种辐射因与温度有关 称 为热辐射 热辐射具有如下特点 辐射的能量中包含各种波长的电磁波 物体温度越高 单 位时间从物体表面单位面积上辐射的能量越大 在辐射的总能量中 各种波长所占据百分比不 同 处于一定温度的物体在向外辐射电磁能量的同时 也要吸收由其他物体辐射的电磁能量 如 果它处于平衡状态 则能量保持不变 若不考虑物体表面性质对辐射与吸收的影响 我们定义一 种理想的物体 它能 100 地吸收入射到其表面的电磁辐射 这样的物体称为黑体 单位时间内从 黑体表面单位面积辐射的电磁波的总能量与黑体绝对温度的四次方成正比 即 P0 T4 其中常量 5 67 10 8 W m2 K4 在下面的问题中 把研究对象都简单地看作黑体 有关数据及数学公式 太阳半径 R 696 000 km 太阳表面温度 T 5770 K 球面积 S 4 R2 其中 R 为球半径 1 太阳热辐射能量的绝大多数集中在波长为 2 10 7m 1 10 5 m 范围内 求相应的频率 范围 2 每小时从太阳表面辐射的总能量为多少 解析 解析 1 由于 所以 辐射的频率范围为 3 1013 1 5 1015 Hz 2 每小时从太阳表面辐射的总能量为 点评 点评 波长 波速与频率 或周期 之间的关系式 v 是物理中使用频率很高的一个公式 不 要记反或记错 13 例题例题 7 7 下图为 X 射线管的结构示意图 E 为灯丝电源 要使射线管发出 X 射线 需在 K A 两电极间加上几万伏的直流高压 A 高压电源正极应接在 P 点 X 射线从 K 极发出 B 高压电源正极应接在 P 点 X 射线从 A 极发出 C 高压电源正极应接在 Q 点 X 射线从 K 极发出 D 高压电源正极应接在 Q 点 X 射线从 A 极出发 解析 解析 因 X 射线是由原子内层电子跃迁辐射的电磁波 要使原子内层电子跃迁 必须用高能粒子轰 击原子才能使其内层电子受激发而跃迁 X 射线管 K A 两电极间加高电压 目的就为使由 K 发射 的电子被加速而成为高能粒子去轰击对阴极 A 使 A 中原子内层电子跃迁而辐射出 X 射线 所以 Q 点应接高压电源正极 即 D 正确 点评 点评 正确区别高 低压电源及电子流与 X 射线 反馈练习反馈练习 一 选择题一 选择题 1 在下列各组的两个现象中都表现出光具有波动性的是 A 光的折射现象 色散现象 B 光的反射现象 干涉现象 C 光的衍射现象 偏振现象 D 光的直线传播现象 光电效应现象 2 用绿光照射一个光电管能发生光电效应 欲使光电子从阴极逸出的最大初动能增大 下列 方法中可行的是 A 增大光电管上的加速电压 B 增大绿光的强度 C 延长绿光的照射时间 D 改用强度较小的紫光照射 3 A 和 B 两种单色光均垂直照射到同一条直光纤的端面上 A 光穿过光纤的时间比 B 光穿过 的时间长 现用 A 和 B 两种光照射同种金属 都能发生光电效应 则下列说法正确的是 A 光纤对 B 光的折射率大 B A 光打出的光电子的最大初动能一定比 B 光的大 14 C A 光在单位时间内打出的电子数一定比 B 光的多 D B 光的波动性一定比 A 光显著 4 双缝干涉实验装置如下图所示 绿光通过单缝 S 后 投射到具有双缝的挡板上 双缝 S1 和 S2与单缝 S 的距离相等 光通过双缝后在与双缝平行的屏上形成干涉条纹 屏上 O 点距双缝 S1 和 S2的距离相等 P 点是距 O 点最近的第一条亮条纹 如果将入射的单色光换成红光或蓝光 讨 论屏上 O 点及其上方的干涉条纹的情况是 O 点是红光的亮条纹 红光的第一条亮条纹在 P 点 的上方 O 点不是蓝光的亮条纹 蓝光的第一条亮条纹在 P 点的上方 其中正确的是 A 只有 正确 B 只有 正确 C 只有 正确 D 只有 正确 5 如下图所示 a b 二束平行细光束垂直射入直角三棱镜的 AB 面 对应的折射光线为 a b a b 有发散的趋势 比较 a b 二束光 下列说法正确的是 A 光束 a 在棱镜中的传播速度快 B 若 b 光束能使某一金属产生光电效应 则 a 光束同样能使该金属产生光电效应 C 在完全相同的条件下做双缝干涉实验 a 光对应的干涉条纹较宽 D 在其它条件不变的情况下 当顶角 A 增大时 一定是折射光束 b 先消失 6 抽制细丝时可用激光监控其粗细 如下图所示 激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮 光板的同样宽度的窄缝规律相同 则 15 A 这是利用光的干涉现象 B 这是利用光的偏振现象 C 如果屏上条纹变宽 表明抽制的丝粗了 D 如果屏上条纹变宽 表明抽制的丝细了 7 频率为 的光子 具有的能量为 h 动量为 h c