2012高考物理 专题复习精品 光的直线传播 光的反射（学生版）

用心 爱心 专心 1 光学光学 第一节第一节 光的直线传播 光的反射光的直线传播 光的反射 一 光源一 光源 1 定义 能够自行发光的物体 2 特点 光源具有能量且能将其它形式的能量转化为光能 光在介质中传播就是能量的传 播 二 光的直线传播二 光的直线传播 1 光在同一种均匀介质中沿直线传播 各种频率的光在真空中传播速度 C 3 108m s 各种频率的光在介质中的传播速度均小于在真空中的传播速度 即 v C 说明说明 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 如从空气进入水中 不是同一种介质 海市蜃楼 现象 介质不均匀 同一种频率的光在不同介质中的传播速度是不同的 不同频率的光在同一种介质中传播 速度一般也不同 在同一种介质中 频率越低的光其传播速度越大 根据爱因斯坦的相 对论光速不可能超过C 当障碍物或孔的尺寸和波长可以相比或者比波长小时 发生明显的衍射现象 光线可以 偏离原来的传播方向 2 小孔成像 影 日食 月食等都是光的直线传播 一 光的直线传播一 光的直线传播 例例 1 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 C 变加速直线运动 D 匀减速直线运动 第二节第二节 光的折射 全反射光的折射 全反射 基础知识基础知识 一 光的折射 1 折射现象 光从一种介质进入另一种介质 传播方向发生改变的现象 2 折射定律 折射光线 入射光线跟法线在同一平面内 折射光线 入射光线分居法线两 侧 入射角的正弦跟折射角的正弦成正比 3 在折射现象中光路是可逆的 二 折射率 1 定义 光从真空射入某种介质 入射角的正弦跟折射角的正弦之比 叫做介质的折射 率 注意 光从真空射入介质 2 公式 n sini sin 0 sin 1 Cv c 折射率总大于 1 即 n 1 3 各种色光性质比较 红光的n最小 最小 在同种介质中 除真空外 v最大 最大 从同种介质射向真空时全反射的临界角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 4 两种介质相比较 折射率较大的叫光密介质 折射率较小的叫光疏介质 例例 2 2 一束光从空气射向折射率 n 2的某种玻璃的表面 如图所示 i 表示入射角 则 l S A h x vt 用心 爱心 专心 2 A 无论入射角 i 有多大 折射角 r 都不会超过 450 B 欲使折射角 r 300 应以 i 450的角度入射 C 当入射角 i arctan2时 反射光线与折射光线恰好互相垂直 D 以上结论都不正确 三 全反射三 全反射 1 全反射现象 光照射到两种介质界面上时 光线全部被反射回原介质的现象 2 全反射条件 光线从光密介质射向光疏介质 且入射角大于或等于临界角 3 临界角公式 光线从某种介质射向真空 或空气 时的临界角为 C 则 sinC 1 n v c 例例 3 3 潜水员在折射率为2的透明的海水下 hm 深处 向上观察水面 能看到的天穹和周围的 景物都出现在水面上 的一个圆形面积为 S 的区域内 关于圆面积 S 和深度 h 的关系正确的 是 A S 与水深 h 成正比 B S 与水深 h 成反比 C S 与水深 h 的平方成正比 D S 与水深 h 的平方成反比 例例 4 4 完全透明的水中某深处 放一点光源在水面上可见到一个圆形的透光平面 如果透光圆 面的半径匀速增大 则光源正在 A 加速上升 B 加速下沉 C 匀速上升 D 匀速下沉 四 棱镜与光的色散四 棱镜与光的色散 1 1 棱镜对光的偏折作用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 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 在光屏上形 成七色光带 称光谱 红光偏折最小 紫光偏折最大 在同一介质中 七色光与下面几个 物理量的对应关系如表所示 色光红橙黄绿蓝靛紫 折射率小 大 偏向角小 大 频率小 小 速度大 小 例例 5 5 公园里灯光喷泉的水池中有处于同一深度若干彩灯 在晚上观察不同颜色彩灯的深度和 水面上被照亮的面积 下列说法正确的是 A 红灯看起来较浅 红灯照亮的水面面积较小 B 红灯看起来较深 红灯照亮的水面面积较小 C 红灯看起来较浅 红灯照亮的水面面积较大 D 红灯看起来较深 红灯照亮的水面面积较大 2 2 全反射棱镜全反射棱镜 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 例例 6 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 用心 爱心 专心 3 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 3 3 玻璃砖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 例例 7 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 4 4 光导纤维光导纤维 全反射的一个重要应用就是用于光导纤维 简称光纤 光纤有内 外两层材料 其中内 层是光密介质 外层是光疏介质 光在光纤中传播时 每次射到内 外两层材料的界面 都 要求入射角大于临界角 从而发生全反射 这样使从一个端面入射的光 经过多次全反射能 够没有损失地全部从另一个端面射出 例例 8 8 如图所示 一条长度为L 5 0m 的光导纤维用折射率为n 2的材料制成 一细束激光 由其左端的中心点以 45 的入射角射入光导 纤维内 经过一系列全反射后从右端射出 求 该激光在光导纤维中的速度v是多大 该激光在 光导纤维中传输所经历的时间是多少 五 各光学元件对光路的控制特征五 各光学元件对光路的控制特征 1 光束经平面镜反射后 其会聚 或发散 的程 度将不发生改变 这正是反射定律中 反射角等于入射角 及平面镜的反射面是 平面 所共同决定的 2 光束射向三棱镜 经前 后表面两次折射后 其传播光路变化的特征是 向着底边偏 折 若光束由复色光组成 由于不同色光偏折的程度不同 将发生所谓的色散现象 3 光束射向前 后表面平行的透明玻璃砖 经前 后表面两次折射后 其传播光路变化 的特征是 传播方向不变 只产生一个侧移 4 光束射向透镜 经前 后表面两次折射后 其传播光路变化的特征是 凸透镜使光束 会聚 凹透镜使光束发散 规律方法规律方法 一一 用光的折射解释自然现象用光的折射解释自然现象 现象一现象一 星光闪烁与光折射星光闪烁与光折射 由于重力的影响 包围地球的大气密度随高度而变化 另外 由于气候的变化 大气层 的各处又在时刻不断地变化着 这种大气的物理变化叫做大气的抖动 由于大气的抖动便引 起了空气折射率的不断变化 我们观望某一星星时 星光穿过大气层进入眼睛 于是看到了 星光 之后由于大气的抖动 使空气折射率发生变化 星光传播的路径便发生了改变 这时 星光到达另一地点 我们站在原来的地方就看不见它的光了 便形成一次闪烁 大气的抖动 是时刻不停的 并与气候密切相关 一般大气抖动明显地大气折射率而形成一次闪烁的时间 a b 用心 爱心 专心 4 间隔是 1 4 秒 所以 我们观望星空时 看到的星光是闪烁的了 现象二现象二 蓝天 红日与光散射蓝天 红日与光散射 光在传播过程中 遇到两种均匀媒质的分界面时 会产生反射和折射现象 但当光在不 均匀媒介质中传播时 情况就不同了 由于一部分光线不能直线前进 就会向四面八方散射 开来 形成光的散射现象 地球周围由空气形成的大气层 就是这样一种不均匀媒质 因此 我们看到的天空的颜色 实际上是经大气层散射的光线的颜色 科学家的研究表明 大气对 不同色光的散射作用不是 机会均等 的 波长短的光受一的散射最厉害 当太阳光受到大 气分子散射时 波长较短的蓝光被散射得多一些 由于天空中布满了被散射的蓝光 地面上 的人就看到天空呈现出蔚蓝色 空气越是纯净 干燥 这种蔚蓝色就越深 越艳 如果天空 十分纯净 没有大气和其他微粒的散射作用 我们将看不到这种璀璨的蓝色 比如在 2 万米 以上的高空 空气气体分子特别稀薄 散射作用已完全消失 天空也会变得暗淡 同样道理 旭日初升或日落西山时 直接从太阳射来的光所穿过的大气层厚度 比正午 时直接由太阳射击来的光所穿过的大气层厚度要厚得多 太阳光在大气层中传播的距离越长 被散射掉的短波长的蓝光就越多 长波长的红光的比例也显著增多 最后到达地面的太阳光 它的红色成分也相对增加 因此 才会出现满天红霞和血红夕阳 实际上 发光的太阳表面 的颜色却始终没有变化 现象三现象三 光在大气中的折射光在大气中的折射 光在到达密度不同的两层大气的分界面时 会发生光的折射 气象学告诉我们 空气的密 度的大小主要受气压和气温两个条件的影响 气压指得是单位面积空气柱的重量 大气层包 围在地球表面 因此在大气层的低层气压较高 越向上气压越低 气压高则空气密度大 气 压低则空气密度小 因此 正常情况下 总是贴近地面的空气密度最大 越向上空气密度越 小 温度对空气密度的影响和气压则刚好相反 气温越高 空气的体积越膨胀 空气的密度 越小 温度越低 空气收缩 则空气的密度变大 一般越接近地面温度越高 逆温层是个例 外 根据实测所得 在大多数情况下 温度的上下差别不是太大 而气压上下的差别却很显著 因此气压对空气密度的垂直分布所产生的影响远比气温的影响大 这就使得空气密度经常是 越向上越小的 当然减小的情况并不是一成不变的 由于地球上空气的密度随高度的变化 折射率随密度减小而正比例地减 小 因此光在大气中传播时 通过一层层密度不同的大气 在各层的分界 面处会发生折射 使光线不沿直线传播而是变弯曲 这样当太阳和其他星 体的光线进入大气以后 光线就会拐弯 这种现象称天文折射 这使在地 面观测得的天体视位置 S 比实际位置 S 高 例例 9 9 假设地球表面不存在气层 那么人们观察到日出时刻与实际存在大气层的情况相比 A 将提前 B 将延后 C 在某些地区将提前 在另一些地区将延后 D 不变 二二 光的色散问题的分析光的色散问题的分析 例例 10 10 一束白光从顶角 的三棱镜的一侧以较大的入射角 i 射入 棱镜后 经棱镜折射在光屏 P 上可得到彩色光带 如图 47 A 9 所 示 当入射角 i 逐渐减小到零的过程中 假如屏上的彩色光带先后 消失 则 A 红光最先消失 紫光最后消失 B 紫光最先消失 红光最后消失 C 红光最先消失 黄光最后消失 D 红光最先消失 黄光最后消 失 三 折射定律的应用三 折射定律的应用 A B C D 47图图A 9 用心 爱心 专心 5 例例 11 11 直角三棱镜的顶角 15 棱镜材料的折射率n 1 5 一细束单色光如图所示垂直 于左侧面射入 试用作图法求出该入射光第一次从棱镜中射出的光线 例例 12 12 用相同玻璃制成厚度为 d 的正方体 A 和半径亦为 d 的半球体 B 分别放在报纸上 且让半球的凸面向上 从正上方 对 B 是从最高点 竖直向下分别观察 A B 中心处报纸上 的文字 下面的观察记录正确的是 A 看到 A 中的字比 B 中高 B 看到 B 中的字比 A 中高 C 看到 A B 中的字一样高 D 看到 B 中的字和没有放玻璃球时一样高 例例 13 13 如图 47 B 4 所示 两种同种玻璃制成的棱镜 顶角 1略大于 2 两束单色光 A B 分别垂直于三棱镜 从一个侧面射入后 从第二个侧面射出的两条折射光线与第二个侧 面的夹角 1和 2且 1 2 则下列说法正确的是 A A 光的频率比 B 光的高 B 在棱镜中 A 光的波长比 B 光的波长短 C 在棱镜中 A 光的传播速度比 B 光的小 D 把两束光由水中射向空气中均可能发生全反射 但 A 光的临界角比 B 大 2 全反射应用与棱镜 例例 14 14 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 课后作业课后作业 1 1 2010 2010 全国卷全国卷 20 20 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 其光路如右图所示 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 2 2 2010 2010 北京北京 14 14 对于红 黄 绿 蓝四种单色光 下列表述正确的是 A 在相同介质中 绿光的折射率最大B 红光的频率最高 C 在相同介质中 蓝光的波长最短 D 黄光光子的能量最小 3 3 2010 2010 新课标新课标 33 33 1 1 如图 一个三棱镜的截面为等腰直角 ABC A 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 y a x o A B 47图图B 4 用心 爱心 专心 6 全反射 该棱镜材料的折射率为 填入正确选项前的字母 A 6 2 B 2 C 3 2 D 3 4 4 0606 北京北京 16 水的折射率为 n 距水面深 h 处有一个点光源 岸上的人看到水面被该光源 照亮的圆形区域的直径为 A 2 h tan arc sin n 1 B 2 h tan arc sin n C 2 h tan arc cos n 1 D 2 h cot arc cos n 第三节第三节 光的波动性光的波动性 基础知识基础知识 一 光的干涉一 光的干涉 1 1 产生相干光源的方法产生相干光源的方法 必须保证 f 相同 利用激光 将一束光分为两束 2 2 托马斯杨做的杨氏双缝干涉实验的定 托马斯杨做的杨氏双缝干涉实验的定量分析量分析 如图所示 缝屏间距 L 远大于双缝间距 d O 点与双缝 S1和 S2等 间距 则当双缝中发出光同时射到 O 点附近的 P 点时 两束光波的 路程差为 r2 r1 若光波长为 上述条纹间距表达式提供了一种测量光波长的方法 结论 结论 由同一光源发出的光经两狭缝后形成两列光波叠加产生 当 这两列光波到达某点的路程差为波长的整数倍时 即 k 该处 的光互相加强 出现亮条纹 当到达某点的路程差为半波长奇数倍时 既 12 2 n 该点光互相消弱 出现暗条纹 条纹间距离与单色光波长成正比 d l x 所以用 白光作双缝干涉实验时 屏的中央是白色亮纹 两边是彩色条纹 离中央白色亮纹最近的是 紫色亮纹 双缝干涉形成的条纹间距双缝干涉形成的条纹间距 x x d L 例例 14 14 在双缝干涉实验中 双缝到光屏上 P 点的距离之差 0 6 m 若 分别用频率为 f1 5 01014Hz 和 f2 7 51014Hz 的单色光垂直照射双缝 则 P 点出现明 暗条纹的情况是 A 单色光 f1和 f2分别照射时 均出现明条纹 B 单色光 f1和 f2分别照射时 均出现暗条纹 c 单色光 f1照射时出现明条纹 单色光 f2照射时出现略条纹 D 单色光 f1照射时出现暗条纹 单色光 f2照射时出现明条纹 3 3 薄膜干涉 薄膜干涉 由薄膜前 后表面反射的两列光波叠加而成 劈形薄膜干涉可产生平行相间 条纹 两列反射波的路程差 T 等于薄膜厚度 d 的两倍 即 T 2d 由于膜上各处厚度不 同 故各处两列反射波的路程差不等 若 S 1 S 2 d S S a c b 用心 爱心 专心 7 T 2d n n 1 2 则出现明纹 T 2d 2n 1 2 n 1 2 则出现暗纹 应注意 干涉条纹出现在被照射面 例例 15 15 如图所示 一束白光从左侧射入肥皂薄膜 下列说法中正确的是 A 人从右侧向左看 可看到彩色条纹 B 人从左侧向右看 可看到彩色条纹 C 彩色条纹平行排列 D 彩色条纹竖直排列 薄膜干涉应用 薄膜干涉应用 1 透镜增透膜 透镜增透膜的厚度应是透射光在薄膜中 波长的 1 4 倍 使薄膜前后两面的反射光的光程差为波长的一半 T 2d 得 d 故反射光叠加后减弱 从能量的角度分析 E入 E反 E透 E吸 在介质膜吸收能量不变的前提 下 若 E反 0 则 E透最大 增强透射光的强度 2 用干涉法检查平面 如图所示 两板之间形成一层空气 膜 用单色光从上向下照射 如果 被检测平面是光滑的 得到的干涉 图样必是等间距的 例例 16 16 劈尖干涉是一种薄膜干涉 其装置如图 1 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 从上往下看到干涉条纹如图 2 所示 干涉条纹有如下特点 1 任意一条明条纹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 现若在图 1 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 从上往下看到的干涉条纹 A 变疏 B 变密 C 不变 D 消失 解析 由薄膜干涉的原理和特点可知 干涉条纹是由膜的上 下表面反射的光叠加干涉 而形成的 某一明条纹或暗条纹的位置就由上 下表面反射光的路程差决定 且相邻明条纹 或暗条纹对应的该路程差是恒定的 而该路程差又决定于条纹下对应膜的厚度差 即相邻明 条纹或暗条纹下面对应的膜的厚度差也是恒定的 当抽去一纸片后 劈形空气膜的劈尖角 上 下表面所夹的角变小 相同的厚度差对应的水平间距离变大 所以相邻的明条纹或暗 条纹间距变大 即条纹变疏 答案 A 正确 例例 17 17 市场上有种灯具俗称 冷光灯 用它照射物品时能使被照物品处产生的热效应大大降 低 从而广泛地应用于博物馆 商店等处 这种灯降低热效应的原因之一是在灯泡后面放置 的反光镜玻璃表面上镀了一层薄膜 例如氟化镁 这种膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来 的热效应最显著的红外线 以 表示此红外线的波长 则所镀薄膜的厚度最小应为 A 8 B 4 C 2 D 4 4 光的波长 波速和频率的关系 光的波长 波速和频率的关系 V V f f 光在不同介质中传播时 其频率 f 不变 其波长 与光在介质中的波速 V 成正比 色光的颜色由频率决定 频率不变则色光的颜色也不变 用心 爱心 专心 8 二 光的衍射 二 光的衍射 1 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 障碍物阴影里去的现象 这种现象叫 光光的的衍衍射射 包括 单缝衍射 圆孔 衍射 圆板衍射及泊松亮斑 2 泊松亮斑 当光照到不透光的极小圆板上时 在圆板的阴影中心出现的亮斑 当形成泊松亮斑时 圆板阴影的边缘是模糊的 在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆 环 3 各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射 4 产生明显衍射的条件 障碍物或孔的尺寸可以跟 光 的 波 长相比或比光的波长小 小结 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 小结 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 单色光的衍射条纹与干涉条纹都是明暗相间分布 但衍射条纹中间亮纹最宽 两侧条纹 逐渐变窄变暗 干涉条纹则是等间距 明暗亮度相同 白光的衍射条纹与干涉条纹都是彩 色的 例例 18 18 某同学以线状白炽灯为光源 利用游标卡尺两脚间形成的狭缝观察光的衍射现象后 总结出以下几点 你认为正确的是 A 若狭缝与灯泡平行 衍射条纹与狭缝平行 B 若狭缝与灯泡垂直 衍射条纹与狭缝垂直 C 衍射条纹的疏密程度与狭缝的宽度有关 D 衍射 条纹的间距与光的波长有关 例例 19 19 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 三三 光的偏振光的偏振 1 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 2 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只沿一个特定的方向振 动 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 90 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 3 只有横波才有偏振现象 光的偏振也证明了光是一种波 而且是横波 各种电磁波中 电场E的方向 磁场B的方向和电磁波的传播方向之间 两两互相垂直 4 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 光振动垂 直于纸面 光振动 在纸面 自然光自然光 用心 爱心 专心 9 例例 20 20 如图所示 让太阳光或白炽灯 光通过偏振片 P 和 Q 以光的传播方 向为轴旋转偏振片 P 和 Q 可以看到 透射光的强度会发生变化 这是光的 偏振现象 这个实验表明 A 光是电磁波 B 光是一种横波 C 光是一种纵波 D 光是概率波 例例 21 21 有关偏振和偏振光的下列说法中正确的有 A 只有电磁波才能发生偏振 机械波不能发生偏振 B 只有横波能发生偏振 纵波不能发生偏振 C 自然界不存在偏振光 自然光只有通过偏振片才能变为偏振光 D 除了从光源直接发出的光以外 我们通常看到的绝大部分光都是偏振光 四 光的电磁说 四 光的电磁说 1 1 光的干涉与衍射充分地表明光是一种波 光的偏振现象又进一步表明光是横波 麦克斯 韦对电磁理论的研究预言了电磁波的存在 并得到电磁波传播速度的理论值 3 11 108m s 这和当时测出的光速 3 15 108m s 非常接近 在此基础上麦克斯韦提出了 光在本质上是一种电磁波 这就是所谓的光的电磁说 赫兹用实验证实了电磁波的存在 并测出其波长与频率 进而得到电磁波的传播速度 用实验证实了光的电磁说 2 2 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 X 射级 射线 除可见光外 相邻波段都有重叠 3 3 无线电波是自由电子振荡产生的 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 x 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 4 4 红外线 紫外线 X 射线的性质及应用 种 类产 生主要性质应用举例 电磁波种类无线电波红外线可见光紫外线伦琴射线 射线 频率 Hz 104 3 1012 1012 3 9 1014 3 9 1014 7 5 1014 7 5 1014 5 1016 3 1016 3 1020 3 1019 以上 真空中波长 m 3 1014 10 4 3 104 7 7 10 7 7 7 10 7 4 10 7 4 10 7 6 10 9 10 8 10 12 10 11以下 观察方法无线电技 术 利用热效应 激发荧光 利用贯穿本领 照相底片感光 化学效应 核技术 产生方式产生方式LCLC 电路中电路中 自由电子自由电子 的的振荡的的振荡 原子的外层电子受到激发原子的外层电子受到激发原子的内原子的内 层电子受层电子受 到激发到激发 原子核受原子核受 到激发到激发 用途用途通讯 广通讯 广 播 导航播 导航 加热烘干 加热烘干 遥测遥感 遥测遥感 医疗 导医疗 导 向等向等 照明 照照明 照 相 加热相 加热 日光灯 日光灯 黑光灯手黑光灯手 术室杀菌术室杀菌 消毒 治消毒 治 疗皮肤病疗皮肤病 等等 检查探测 检查探测 透视 治透视 治 疗等疗等 探测 治探测 治 疗等疗等 用心 爱心 专心 10 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 VD2 X 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 例例 22 22 关于电磁波 下列说法中哪些是正确的 A 电磁波中最容易表现出干涉 衍射现象的是无线电波 B 红外线 可见光 紫外线是原子外层电子受激发后产生的 C 射线是原子内层电子受激发后产生的 D 红外线的波长比红光波长长 它的显著作用是热作用 五 光谱和光谱分析五 光谱和光谱分析 可用光谱管和分光镜观察 由色散形成的 按频率的顺序排列而成的彩色光带叫做光谱 1 1 发射光谱 发射光谱 1 连续光谱 包含一切波长的光 由炽热的固体 液体及高压气体发光产生 2 明线光谱 又叫原子光谱 只含原子的特征谱线 由稀薄气体或金属蒸气发光产生 2 2 吸收光谱 吸收光谱 连续光通过某一物质被吸收一部分光后形成的光谱 能反映出原子的特征谱 线 3 3 每种元素都有自己的特征谱线 根据不同的特征谱线可确定物质的化学组成 光谱分析 既可用明线光谱 也可用吸收光谱 例例 23 23 关于光谱和光谱分析 下列说法中正确的是 A 太阳光谱和白炽灯光谱都是明线光谱 B 霓虹灯和煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气产生的光谱都是明线光谱 C 进行光谱分析时 可以利用明线光谱 不能用连续光谱 D 我们观察月亮射来的光谱 可以确定月亮的化学组成 六 六 激光的主要特点及应用激光的主要特点及应用 1 激光是人工产生的相干光 可应用于光纤通信 2 平行度非常好 应用于激光测距雷达 可精确测距 s c t 2 测速等 3 亮度高能量大 可切割各种物质 打孔和焊接金属 医学上用激光作 光刀 来做外科 手术 七 注意问题七 注意问题 1 知道反映光具有波动性的实验及有关理论 2 光的干涉只要求定性掌握 要能区分光的干涉和衍射现象 凡是光通单孔 单缝或 多孔 多缝所产生的现象都属于衍射现象 只有通过双孔 双缝 双面所产生的现象才属于 干涉现象 干涉条纹和衍射条纹虽然都是根据波的叠加原理产生的 但两种条纹有如下区别 以明暗相同的条纹为例 干涉纹间距相等 亮条纹亮度相同 衍射条纹 中央具有宽而 明亮的亮条纹 两侧对称地排列着一系列强度较弱 较窄的亮条纹 规律方法规律方法 1 1 理解光的波动性理解光的波动性 例例 24 24 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于涉条纹 其它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 其它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 例例 25 25 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 用心 爱心 专心 11 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 例例 26 26 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 1 1014Hz 那么它设计的这种 增反膜 的厚度至少是多少 解 为了减少进入眼睛的紫外线 应该使入射光分别从该膜的前后两个表面反射形成的 光叠加后加强 因此光程差应该是波长的整数倍 因此膜的厚度至少是紫外线在膜中波长的 1 2 紫外线在真空中的波长是 c 3 7 10 7m 在膜中的波长是 n 2 47 10 7m 因此膜的厚度至少是 1 2 10 7m 2 2 理解电磁波的产生机理理解电磁波的产生机理 例例 27 27 图为 X 射线的结构示意图 E 为灯丝电源 要使射线管发出 X 射线 须在 K A 两电极 间加上几万伏的直流高压 且 A 高压电源正极应接在 Q 点 X 射线从 A 极发出 B 高压电源正极应接在 Q 点 X 射线从 K 极发出 C 高压电源正极应接在 P 点 X 射线从 A 极发出 D 高压电源正极应接在 P 点 X 射线从 K 极发出 解析 解析 X 射线管发出 X 射线要有两个条件 第一 灯丝 K 要发射电子 所以灯丝 K 的两端要接低压 电源 使灯丝能发射电子 第二 灯丝 K 发射的 电子在 K A 之间要加速获得很大的动能打在 A 上 从 A 发射出 X 射线 故 K A 之间要加直流高 压 基于以上两点 可知 A 选项正确 第十五章第十五章 波粒二象性波粒二象性 基础知识基础知识 一 光电效应一 光电效应 1 1 现象 现象 在光 包括不可见光 照射下物体发射出电子的现象叫光电效应现象 所发射 的电子叫光电子 光电子定向移动所形成的电流叫光电流 2 2 光电效应规律 光电效应规律 1 任何一种金属都有一个极限频率 又称截止频 率 入射光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 随着入射光的频率增大而增大 3 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 4 从光照射到产生光电流的时间不超过 10 9s 几乎是瞬时产生的 说明 说明 1 光电效应规律 光电流的强度与入射光的强度成正比 中 光电流的强度指的 是光电流的最大值 亦称饱和值 因为光电流未达到最大值之前 其值大小 不仅与入射 光的强度有关 还与光电管两极间的电压有关 只有在光电流达到最大以后才和入射光的强 度成正比 2 这里所说 入射光的强度 指的是单位时间内入射到金属表面单位面积上的光子的 总能量 在入射光频率不变的憎况下 光强正比于单位时间内照射到金属表面上单位面积的 光子数 但若换用不同频率的光照射 即使光强相同 单位时间内照射到金属表面单位面积 用心 爱心 专心 12 的光子数也不相同 因而从金属表面逸出的光电子数也不相同 形成的光电流也不同 例例 1 1 某种单色光照射某金属时不能产生光电效应 则下述措施中可能使金属产生光电效应的 是 A 延长光照时间散 B 增大光的强度 C 换用波长较短的光照射 D 换用频度较低的光照射 二 光子说二 光子说 1 光子说能很好地解释光电效应 光子说认为 1 空间传播的光不是连续的 而是一份一份的 每一份叫做一个光子 2 光子的能量跟它的频率成正比 即 E h hc 式中的 h 叫做普朗克恒量 h 6 610 34J s 爱因斯坦利用光子说解释光电效应过程 入射光照到 金属上 有些光子被电子吸收 有些没有被电子吸收 吸 收了光子的电子 a b c e g 动能变大 可能向各个 方向运动 有些电子射出金属表面成为光电子 b c g 有些没射出 a e 射出金属表面的电子克服金属中正电 荷引力做的功也不相同 只有从金属表面直接飞出的光电 子克服正电荷引力做的功最少 g 飞出时动能最大 如果入射光子的能量比这个功的最小值还小 那就不能发生光电效应 这就解释了极限 频率的存在 由于光电效应是由一个个光子单独引起的 因此从有光照射到有光电子飞出 的时间与照射光的强度无关 几乎是瞬时的 这就解释了光电效应的瞬时性 3 光子能量光子能量E h E h 光子动量 光子动量p p h h 频率 波长 联立还可得出联立还可得出 E E p p c c 3 3 爱因斯坦光电效应方程 爱因斯坦光电效应方程 E Ek k h h W W E Ek k是光电子的最大初动能 是光电子的最大初动能 W W是逸出功 既从金属是逸出功 既从金属 表面直接飞出的光电子克服正电荷引力所做的功 表面直接飞出的光电子克服正电荷引力所做的功 说明 1 光电效应现象是金属中的自由电子吸收了光子的能量后 其动能足以克服金属 离子的引力而逃逸出金属表面 成为光电子 不要将光子和光电子看成同一粒子 2 对一定的金属来说 逸出功是一定的 照射光的频率越大 光子的能量越大 从金属 中逸出的光电子的初动能就越大 如果入射粒子的频率较低 它的能量小于金属的逸出功 就不能产生光电效应 这就是存在极限频率的原因 例例 2 2 用某种频率的紫外线分别照射铯 锌 铂三种金属 从铯中发射出的光电子的最大初 动能是 2 9eV 从锌中发射出的光电子的最大初动能是 1 4eV 铂没有光电子射出 则对 这三种金属逸出功大小的判断 下列结论正确的是 A 铯的逸出功最大 铂的逸出功最小 B 锌的逸出功最大 铂的逸出功最小 C 铂的逸出功最大 铯的逸出功最小 D 铂的逸出功最大 锌的逸出功最小 例例 3 3 入射光线照射到某金属表面上发生光电效应 若入射光的强度减弱 而频率保持不变 那么以下说法中正确的是 A 从光照到金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加 B 逸出的光电子的最大初动能减小 C 单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减小 D 有可能不发生光电效应 三 三 康普顿效应康普顿效应 光子在介质中和物质微粒相互作用 可能使得光的传播方向转向任何方向 不是反射 这种现象叫做光的散射 在研究电子对 X 射线的散射时发现 有些散射波的波长比 a b c d e f g 光子电子 电子 光子 散射前散射后 用心 爱心 专心 13 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 四 光的波粒二象性四 光的波粒二象性 1 干涉 衍射和偏振表明光是一种波 光电效应和康普顿效应表明光是一种粒子 因此现 代物理学认为 光具有波粒二象性 2 大量光子的传播规律体现为波动性 频率低 波长长的光 其波动性越显著 3 个别光子的行为体现为粒子性 频率越高 波长越短的光 其粒子性越显著 4 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 光既具有 波动性 又具有粒子性 为说明光的一切行为 只能说光具有波粒二象性 说明 光的波粒二象性可作如下解释 说明 光的波粒二象性可作如下解释 1 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 2 大量光子产生的效果往往显示出波动性 个别光子产生的效果往往显示出粒子性 频 率超低的光波动性越明显 频率越高的光粒子性越明显 3 光在传播过程中往往显示波动性 在与物质作用时往往显示粒子性 4 由E h p h 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 5 由以上两式和波速公式c 还可以得出 E p c 6 对干涉现象理解 对亮条纹的解释 波动说 同频率的两列波到达亮纹处振动情况相同 粒子说 光 子到达的几率大的地方 对暗条纹的解释 波动说 同频率的两列波到达暗纹振动情况相反 粒子说 光子 到达的几率小的地方 五 物质波 德布罗意波 五 物质波 德布罗意波 物质分为两大类 实物和场 既然作为场的光有粒子性 那么作为粒子的电子 质子等 实物是否也具有波动性 德布罗意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 该波的波长任何一个运动着的物体都有一种波与它对应 该波的波长 h p h p 人们又把这种波叫做德布罗意波 物质波也是概率波 例例 4 4 试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长 例例 5 5 为了观察到纳米级的微小结构 需要用到分辨率比光学显微镜更高的电子显微镜 下 列说法中正确的是 A 电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光短 因此不容易发生明显衍射 B 电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光长 因此不容易发生明显衍射 C 电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光短 因此更容易发生明显衍射 D 电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光长 因此更容易发生明显衍射 六六 氢原子中的电子云氢原子中的电子云 对于宏观质点 只要知道它在某一时刻的位置和速度以及受力情况 就可以应用牛顿定对于宏观质点 只要知道它在某一时刻的位置和速度以及受力情况 就可以应用牛顿定 律确定该质点运动的轨道 算出它在以后任意时刻的位置和速度 律确定该质点运动的轨道 算出它在以后任意时刻的位置和速度 对电子等微观粒子 牛顿定律已不再适用 因此不能用确定的坐标描述它们在原子中的 位置 玻尔理论中说的 电子轨道 实际上也是没有意义的 更加彻底的量子理论认为 我 们只能知道电子在原子核附近各点出现的概率的大小 在不同的能量状态下 电子在各个位 置出现的概率是不同的 如果用疏密不同的点子表示电子在各个位置出现的概率 画出图来 就像一片云雾一样 可以形象地称之为电子云 用心 爱心 专心 14 七 能级七 能级 化学介绍了卢瑟福提出的原子的核式结构模型 认为电子绕核做圆周运动 好比地球绕 太阳做圆周运动 研究表明 卢瑟福的核式结构模型和经典电磁理论有矛盾 按照经典电磁理论 电子绕核做圆周运动会向外辐射同频率的电磁波 能量将减小 原子 将会不稳定 电子旋转半径减小的同时 频率将增大 因此辐射的电磁波频率也应该是连 续变化的 事实上原子是稳定的 原子辐射的电磁波的频率也是不变的 1 1 玻尔理论玻尔理论 为解决这个矛盾 玻尔将量子理论引入原子结构理论 大胆提出了三条假设 创建了玻 尔原子模型 能量定态假设 原子只能处于一系列的不连续的能量状态中 在这些状态中原子是稳定的 电子虽然绕核运动 但并不向外辐射能量 这些状态叫定态 原子跃迁假设 原子从一定态跃迁到另一种定态 它要辐射 或吸收 一定频率的光子 光子的能量由这两种定态的能量差值决定 即 h h E Em m E En n 轨道量子化假设 原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应 原子的 定态是不连续的 因此电子所处的可能轨道的分布也 是不连续的 对氢原子 轨道量子化 r1 0 53 10 10m n叫 量子数 能量量子化 2 1 n E En E1 13 6eV 这些能量值叫 能级 能量最低的状态 量子数n 1 叫基态 其他状 态叫激发态 根据玻尔理论画出了氢原子的能级图 2 2 光子的发射和接收光子的发射和接收 原子处于基态时最稳定 处于激发态时会自发地向较低能级跃迁 经过一次或几次跃迁 到达基态 跃迁时以光子的形式放出能量 所放出光子的频率满足 h Em En 原子吸收了光子后从低能级跃迁到高能级 或者被电离 处于基态或较低激发态的原子只能吸收两种光子 一种是能量满足h Em En的光子 一种是能量大于该能级电离能的光子 例例 6 6 用光子能量为E的单色光照射容器中处于基态的氢原子 停止照 射 后 发现该容器内的氢 能释放出三种不同频率的光子 它们的频率由 低 到高依次为 1 2 3 由此可知 开始用来照射容器的单色光的光 子能量可以表示为 h 1 h 3 h 1 2 h 1 2 3 以上表示式中 A 只有 正确 B 只有 正确 C 只有 正确 D 只有 正确 3 3 原子光谱原子光谱 在人们了解原子结构以前 就发现了气体光谱 和白光形成的连续光谱不同 稀薄气体 通电后发出的光得到的光谱是不连续的几条亮线 叫做线状谱 因为各种原子的能级是不同的 它们的线状谱也就不会完全相同 因此把这些线状谱叫 做原子光谱 利用原子光谱可以鉴别物质 分析物体的化学组成 玻尔理论能够很好地解释氢的原子光谱 根据h Em En计算出的频率跟实验中观察到 的线状谱对应的频率恰好相同 氢原子的能级图 n E eV 0 1 13 6 2 3 4 3 1 51 4 0 85 3 3 2 1 3 2 1 用心 爱心 专心 15 4 4 玻尔理论的局限性玻尔理论的局限性 玻尔理论成功地解释了氢光谱的规律 它的成功是因为引进了量子理论 轨道量子化 能量量子化 但用它解释其它元素的光谱就遇到了困难 它的局限性是由于它保留了过多 的经典物理理论 牛顿第二定律 向心力 库仑力等 5 5 量子力学量子力学 为了解决这种困难 需要建立更加彻底的量子理论 这就是量子力学 在量子力学种所 谓电子绕核运行的轨道 实际上只是电子出现概率密度较大的位置 如果用疏 密不同的点表示电子在各个位置出现的概率 画出的图形叫做电子云 规律方法规律方法 1 1 正确理解光电效应规律正确理解光电效应规律 例例 7 7 如图 当电键S断开时 用光子能量为 2 5eV 的一束光照射阴极K 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 例例 8 8 如图所示为伦琴射线管的示意图 K 为阴极钨丝 发射的电子初速度为 零 A 为对阴极 阳极 当 AK 之间加直流电压 U 30KV 时 电子初加速打在对阴极为上 使 之发出伦琴射线 设电子的动能全部转化为伦琴射线的能量 试求 1 电子到达对阴极的速度是多大 2 由对阴极发出的伦琴射线的最短波长是多大 3 若 AK 间的电流为 10 mA 那么每秒钟从对阴极归多能辐射 出多少个伦琴射线光子 电子电量 e 1 6 10 19C 质量 m 0 91 10 30kg 解析 1 qU Ek mV2 V 1 0 l08 m s 2 qU mV2 h hC qU 4 1 10 11 m 3 I q t ne t n It e 6 25 1016 个 2 2 应用光子说解决实际问题 应用光子说解决实际问题 例例 9 9 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 7 103kg 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 例例 10 10 太阳光垂直射到地面上时 地面上 1m2接受的太阳光的功率为 1 4kW 其中可见部分约 占 45 1 假如认为可见光的波长约为 0