2013年高考物理第十七章 光的波动性.doc

第十七章 光的波动性光到底是什么？17世纪，牛顿主张微粒说，认为光是从光源发出的一种物质微粒；另一种观点是惠更斯提出的波动说，认为光是在空间传播的某种波。微粒说能较好地解释光的直线传播、光的反射等现象，甚至也能解释光的折射现象，但对于光在两种介质分界面上同时发生反射现象和折射现象、以及两束光交叉相遇后仍然各自独立传播等现象束手无策。由于早期的波动说不能用数学作严格的表达和分析，也未能观察到波动现象的特征现象干涉和衍射，再加上牛顿在物理学界的威望，微粒说一直占上风。到了19世纪，人们在实验中观察到了光的干涉和衍射，从而确立了光的波动性，但这时还认为光是象声波一样的机械波；19世纪60年代，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并认为光也是一种电磁波，此后赫兹在实验中证实了这种假说，这样，光的电磁说使光的波动理论发展到相当完善的地步。19世纪末，人们又发现了光电效应现象，这种现象无法用波动说解释，爱因斯坦于20世纪初提出了光子说，认为光具有粒子性，从而解释了光电效应不过，这里所说的光子完全不同于牛顿所说的“微粒”。现在人们认识到，光既具有波动性，又具有粒子性，即具有波粒二象性。少数光子的行为主要表现为粒子性，大量光子的行为则表现出明显的波动性，所以，光是一种概率波。一、光的干涉 产生稳定干涉的条件：（1）两个光源发出的光频率相同；（2）相差恒定 这样的光源称为相干光源。两个振动情况完全相同的光源就是相干光源。普通光源，例如白炽灯，灯丝中的每个原子在什么时刻发光，朝哪个方向发光，都是不确定的，发光的频率也不一样，这样的光在叠加时，一会在空间的某点相互加强，一会又在这点相互削弱，不能形成稳定的亮区和暗区，所以不能干涉，因此普通光源不是相干光源。问：若某房间中亮着两只完全相同的白炽灯，在墙壁上将看见什么现象？获得相干波源的方法有两种：a 利用激光；b 设法将同一束光分为两束光。1、双缝干涉英国物理学家托马斯杨首先在实验室中观察到了光的干涉现象。L2L1说明：若光源为激光源，则不需要放置单缝。说明：在普通光源前方放置单缝，从而使得从S1、S2发出的光是从同一束光分成的两束光，因此是相干光，在重叠区域将干涉。若在干涉区域放置光屏，可在光屏上看见明暗条纹。激光S1S2普通光源SS1S2PO（1）光程差 n0，1，2 亮纹光程差 n0，1，2 暗纹在光屏中心O处，所以O处必为亮纹。距离屏幕中心越远，光程差越大，光程差依次将等于、，光屏上依次出现暗纹、亮纹（2）可以证明，Ld时，相邻两条亮纹（或暗纹）间的距离 d双缝间的距离，L缝与光屏的距离。由此可见：a 条纹间距相等加强区与减弱区的宽度相同，但能引起视觉的亮纹与不能引起视觉的暗纹的宽度不一定相同，与光强度有关；b 越长，条纹间距越大；c 根据双缝干涉现象可以测波长。（3）双缝干涉实验现象表明：红光条纹间距大于紫光条纹间距，所以红光的波长大于紫光的波长，再由Cf可知，红光的频率小于紫光的频率。可见光波长的数量级：107m，频率的数量级：1014Hz（4）如果用白光做双缝干涉实验，由于各种色光条纹间距不同，亮纹位置相互错开，因此将出现彩色条纹，但中央亮纹仍是白色细致地说，中央亮纹是白色，但镶红边。必须注意：彩色条纹的出现不是由于红光与紫光之间相互干涉，红光和紫光由于频率不同，它们之间不可能干涉。问：做双缝干涉实验时，光源发出白光，但在双缝S1放置有红色滤光片，在S2上放置有紫色滤光片，这时，在光屏上看见什么现象？2、薄膜干涉 薄膜很薄。从薄膜前后表面反射的来自于同一束入射光的两束反射光满足相干条件，因此将干涉。厚度不同的位置光程差不同，从而分别形成亮纹或暗纹，劈形薄膜干涉可产生平行相间的干涉条纹。在白光照射下，由于各色光波长不同，因此亮纹位置不同，因此将出现彩色条纹。干涉法检查表面的平整度：（测量精度可达到106cm）单色光样板薄片被检查平面问：取两块平玻璃板，用手指把它们紧紧捏在一起，会从玻璃板上看到许多彩色花纹。改变手指用力的大小，花纹的颜色和形状也随着改变。为什么？答：将玻璃紧紧捏在一起，当玻璃板间空气层足够薄时将产生薄膜干涉现象，相互干涉的是从空气薄膜前后分界面反射的两束反射光。平玻璃板其实并不平整，空气薄膜各种厚度不同，因此一些位置出现亮纹，一些位置出现暗纹，在白光的照射下，各色光亮纹位置不同，所以看见彩色条纹。改变用力的大小，薄膜厚度将发生改变，所以花纹的颜色和形状也随着改变。二、光的衍射衍射：波绕过障碍物进入沿直线传播不可能到达的几何阴影区的现象。明显衍射的条件：障碍物或孔的尺寸比波长小或差不多障碍物越小，或波长越长（亦即频率越小），越容易明显衍射。单缝衍射：当缝较宽时，光看上去沿直线传播，其实阴影区边界线是模糊的，这是由于光衍射的结果，但总体说来，这时的衍射现象极不明显，可认为光沿直线传播；逐渐缩小缝的宽度，光沿直线传播能到达的区域越小，所以光屏上亮斑宽度减小；进一步缩小缝宽，到一定程度时（缝宽在0.5mm以下），随着缝宽减小，光屏上亮斑的宽度将反而增大，同时在原来的阴影区将出现明暗条纹，在白光的照射下出现的是彩色条纹，即发生了明显的衍射现象；缝宽越小，亮纹越宽、条纹间距越大、光能到达的区域越远，即衍射现象越明显，另一方面，缝越窄，通过缝的光的能量越少，且被分散得越开，所以亮斑亮度越弱。（问：缝宽减小到零时，光屏上看见什么现象？）单缝衍射与双缝干涉条纹的主要区别：单缝衍射条纹中央亮纹最宽，而双缝干涉条纹宽度各处相同（dL）圆孔衍射：中央亮斑最大，周围是明暗相间的间距不等的同心圆环。圆盘衍射：中央阴影中心有一亮斑（称为泊松亮斑），周围也是间距不等的同心圆环。三、光的电磁说 麦克斯韦的电磁理论认为光是一种电磁波，赫兹用实验证实了光的电磁本性。 麦克斯韦的主要为 （1）光波与电磁波的传播都不需要介质； （2）光波与电磁波在真空中传播速度相同； （3）光波与电磁波都是横波。 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、金属探伤例 如图所示是产生X射线的装置，叫做X射线管。图中的K是阴极，A是阳极，通电时，由阴极发出的电子加速射到阳极上，从而使阳极激发出X射线(也称X光)。设X光光子能量的最大值等于电子到达阳极时的动能。己知阴极与阳极之间的电势差为U、普朗克恒量为h、电子电荷量为e、光速为c，阴极发射的电子初速度不计，则A 高压电源必须是直流电源，且a端为正极 B 灯丝电源可以是交流电源C X射线管发出的X光的最长波长为hc/eUD X射线管发出的X光的最短波长为hc/eU高压电源AK阳极X射线ba灯丝电源四、光的偏振光的偏振现象不仅表明光是一种波，而且是横波。（1）自然光：从光源（如太阳、电灯）直接发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度相同，这种光叫做自然光。（2）偏振光：自然光通过偏振片后，只有振动方向跟偏振片透振方向一致的光波才能通过，这时的光只沿着一个特定的方向振动，这种光就叫做偏振光。当自然光射到两种介质的界面时，如果入射光的方向适当，使反射光与折射光相互垂直，这时，反射光和折射光都是偏振光，而且偏振方向相互垂直反射光振动方向垂直于入射光与法线所在的平面，折射光振动方向与入射光和法线所在的平面平行。 观看立体电影，就是应用光的偏振现象的一个例子。拍摄日落时水面下的景物、玻璃橱窗里的物品时，也常在镜头前装一偏振片，使其透振方向与反射光的偏振方向垂直，就可以减弱反射光而使景物清晰。五、激光这是一种自然界中没有的光（1）激光是人类在实验室制造的具有完全相同的频率、发射方向、偏振态、位相和速度的强光束、是通过辐射所引起的原子受激发射而实现的光放大（2）激光的特点和应用a 激光是相干光。两束相同的激光在相遇区域叠加时，产生明显的干涉现象；利用激光的相干性，便于调制，用来传递信息。光纤通信是激光和光导纤维相结合的产物。b 激光具有非常好的平行度。激光测距雷达、激光刻录光盘等都是利用激光平行度好的原理制成的。c 激光具有很强的亮度。激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量，利用此特点来切割各种物体、焊接金属及在硬质材料上打孔，医学上用激光作“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤、“焊接”剥落的视网膜等。六、实验用双