2017-2018学年套餐之物理人教版选修3-4讲义第十三章光7~

7光的颜色色散8激光[学习目标]1.知道白光是由多种色光组成的，知道光的色散及光谱的概念.2.能说明薄膜干涉条纹的特点，能解释薄膜干涉的成因.3.理解折射时的色散，知道不同色光的折射率不同.4.了解激光的特点和应用，了解全息照相的原理．一、光的颜色色散[导学探究]用单色光做双缝干涉实验时，光屏上出现明暗相间的条纹，而用不同的色光，条纹间距不同，这说明什么？用白光做双缝干涉实验时光屏上出现了彩色条纹，这又说明什么？答案在双缝干涉实验中，不同颜色的光的条纹间距不同，如红光条纹间距比黄光大，蓝光条纹间距比黄光小．这说明不同颜色的光的波长不同；白光干涉条纹是彩色的，说明白色是由多种色光组成的，发生干涉时白光被分解了．[知识梳理]色散光谱光的颜色1．白光是由多种色光组成的，各色光的波长不同．红到紫七色光中波长依次减小，频率依次变大．2．色散：含有多种颜色的光被分解为单色光的现象．3．光谱：含有多种颜色的光被分解后，各种色光按其波长的有序排列．4．光从一种介质传播到另一种介质，波长发生变化，频率不变，颜色不变(填“变化”或“不变”)，因此光的颜色由频率决定．[即学即用]判断下列说法的正误．(1)白光是由多种不同颜色的色光组成的．(√)(2)光的波长决定光的颜色．(×)(3)光从真空进入介质，频率和颜色不会变化，波长和波速变小．(√)(4)光的折射、衍射和干涉现象都会发生光的色散．(√)(5)在真空中传播时，红光波速大于紫光波速．(×)二、薄膜干涉中的色散[导学探究]在酒精灯的灯芯上撒一些食盐，灯焰就能发出明亮的黄光．把铁丝圈在肥皂水中蘸一下，让它挂上一层薄薄的液膜．把这层液膜当做一个平面镜，用它观察灯焰的像如图1所示．这个像与直接看到的灯焰有什么不同？如果用白光做实验情况又会如何？图1答案灯焰的像由明暗相间的水平条纹组成．如果用白光做实验，肥皂膜上会出现彩色水平条纹．[知识梳理]对薄膜干涉的理解1．薄膜干涉的原理：光经薄膜前后两个面反射的光的路程差等于膜厚度的2倍，某些位置，两列波叠加后相互加强，于是出现亮条纹；在另一些位置，叠加后相互削弱，于是出现暗条纹．2．薄膜干涉是经薄膜前后面反射的两束光叠加的结果：出现亮条纹的位置，两束光的路程差Δr＝kλ(k＝0,1,2，3…)，出现暗条纹的位置，两束光的路程差Δr＝eq\f(2k＋1,2)λ(k＝0,1,2,3…)．3．用单色光照射得到明暗相间的条纹，用白光照射得到彩色条纹．4．薄膜干涉的应用(1)用干涉法检查平面的平整度．(2)光学仪器上的增透膜．[即学即用]判断下列说法的正误．(1)肥皂泡上呈现彩色条纹是光的干涉现象．(√)(2)水面上的油膜呈现彩色条纹，是油膜表面反射光与入射光叠加的结果．(×)(3)观察肥皂液膜的干涉现象时，观察者应和光源在液膜的同一侧．(√)(4)只有厚度不均匀的楔形薄膜，才会发生干涉现象．(×)(5)增透膜的厚度等于入射光在真空中波长的eq\f(1,4).(×)三、衍射和折射时的色散[导学探究]1．拔一根鸡翅膀上的羽毛(鹅、鸭的羽毛也可以)，白天隔羽毛观看太阳，可见七色光芒向外四射，你能解释这种现象吗？答案阳光透过羽毛上密集的羽丝间的小缝隙(光栅)而出现衍射现象，衍射时不同色光的亮条纹的位置不同，于是各种色光就区分开了．2.如图2所示为光线通过三棱镜的光路图，在光线进入棱镜时是远离法线还是靠近法线？光线从棱镜射出时，是远离法线还是靠近法线？用白光做实验，会观察到什么现象？图2答案进入棱镜时，靠近法线，离开棱镜时，远离法线．用白光做实验，会看到屏上出现彩色光带．[知识梳理]1．衍射时的色散用白光进行衍射实验时，得到的是彩色条纹，这是由于白光中包含各种颜色的光，不同色光亮条纹的位置不同．2．折射时的色散(1)光线经过棱镜后将向它的横截面的底边方向偏折．(2)不同色光经棱镜后的偏折程度不同，红光偏折程度最小，紫光偏折程度最大．同一介质对于不同色光折射率n不同，λ越小，频率f越大，n越大．(3)根据n＝eq\f(c,v)，在同一种介质中，不同波长的光波的传播速度不一样，波长越短，波速越慢．各种色光在同种介质中的速度从小到大排序依次为v紫＜v蓝＜…＜v橙＜v红，即红光的速度最大，紫光的速度最小．[即学即用]判断下列说法的正误．(1)白光通过单缝的衍射条纹是彩色的，说明白光衍射后可以改变颜色．(×)(2)白光通过三棱镜时会发生色散现象，说明各种色光在玻璃中的折射率不同．(√)(3)各种色光在介质中的折射率不同说明各种色光在介质中的光速不同．(√)(4)各种色光通过三棱镜时，红光偏折的角度最小，紫光偏折的角度最大．(√)(5)红光做单缝衍射条纹比紫光条纹宽，这是因为红光比紫光的波长长．(√)四、激光的特点及应用[导学探究]激光作为一种人造光源在科研、通迅、工业生产、军事科技等领域都有着广泛应用，如激光干涉仪、激光切割机、激光炮等．激光的应用如此广泛，激光到底具有哪些特性？答案相干性强、平行度好、亮度高．[知识梳理]1．激光的特点及应用特点应用相干性强：激光具有频率相同、相位差恒定、偏振方向一致的特点，是人工产生的相干光，具有高度的相干性光纤通信平行度好：激光的平行度非常好，传播很远的距离后仍能保持一定的强度激光会聚一点，读取光盘上记录的信息，激光测距等亮度高：它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量用激光束切割、焊接，医学上可以用激光做”光刀”，激发核聚变等2.全息照相(1)普通照相技术所记录的只是光波的强弱信息，而全息照相技术还可以记录光波的相位信息．(2)原理：全息照片的拍摄利用了光的干涉原理．[即学即用]判断下列说法的正误．(1)激光是自然界普遍存在的一种光．(×)(2)激光是一种人工产生的相干光．(√)(3)用激光做双缝干涉实验这是应用了激光具有高度的相干性的特点．(√)(4)激光精确测距利用激光的平行度好的特点．(√)(5)激光切割利用激光平行度好的特点．(×)(6)全息照相利用了激光的相干性强的特点．(√)一、薄膜干涉1．检查平面平整度的原理光线经空气薄膜的上下两面的反射，得到两束相干光，如果被检测平面是光滑的，得到的干涉条纹是等间距的．如果被检测平面某处凹下，则对应条纹提前出现，如果某处凸起，则对应条纹延后出现．2．增透膜的原理在增透膜的前后表面反射的两列光波形成相干波，当路程差为半波长的奇数倍时，两光波相互削弱，反射光的能量几乎等于零．图3例1用如图3所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象．图(a)是点燃的酒精灯(在灯芯上撒些盐)，图(b)是竖立的附着一层肥皂液薄膜的金属线圈．将金属线圈在其所在的竖直平面内缓慢旋转，观察到的现象是()A．当金属线圈旋转30°时，干涉条纹同方向旋转30°B．当金属线圈旋转45°时，干涉条纹同方向旋转90°C．当金属线圈旋转60°时，干涉条纹同方向旋转30°D．干涉条纹保持不变答案D解析在本实验中肥皂液薄膜之所以产生干涉条纹，是因为在重力作用下肥皂液薄膜的竖截面是梯形，前后两面的反射光叠加而形成的，金属线圈在其所在平面内缓慢旋转并不能影响肥皂液薄膜的竖截面，故金属线圈在其所在平面内旋转时干涉条纹保持不变．例2(多选)如图4甲所示，用单色光照射透明标准板M来检查平面N的上表面的平滑情况，观察到如图乙所示条纹中的P和Q情况，这说明()图4A．N的上表面A处向上凸起B．N的上表面B处向上凸起C．N的上表面A处向下凹陷D．N的上表面B处向下凹陷答案BC解析空气厚度从左向右依次增大，则两表面的反射光的路程差自左向右依次增大．当|Δr|＝kλ(k＝0,1,2…)时，出现亮条纹，当|Δr|＝eq\f(2k＋1,2)λ(k＝0,1,2…)时，出现暗条纹．同一条纹上的各点对应的厚度相同(类比于地理上的等高线)，当条纹向左弯曲(P)说明等高线向左移动，即现在N板A处相对M板的高度和A处右边点相对M板的高度相同，即相对高度变大，A处下凹．当条纹向右弯曲(Q)，说明等高线右移，即现在B处相对的高度和B处左边点的相对高度相同，B处上凸．B、C正确．被测平面凹下或凸起的形象判断法被测平面凹下或凸起的形象判断法——矮人行走法．即把干涉条纹看成“矮人”的直立行走轨迹．让一个小矮人在两板间沿着一条条纹直立行走．始终保持脚踏被测板，头顶样板，在行走过程中：(1)若遇一凹下，他必向薄膜的尖端去绕，方可按上述要求过去，即条纹某处弯向薄膜尖端，该处为凹下．(2)若遇一凸起，他必向薄膜的底部去绕，方可按上述要求过去，即条纹某处弯向薄膜底部，该处为凸起．因此，条纹向薄膜尖端弯曲时，说明下凹，反之，上凸．二、折射时的色散1．同一介质对不同的色光有不同的折射率，介质对频率大、波长短的光折射率大，按折射率从小到大依次排列为：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫．2．在同一介质中，不同色光的传播速度不同，红光的折射率小，传播速度大；紫光的折射率大，传播速度小．例3如图5所示，从点光源S发出的一细束白光以一定的角度入射到三棱镜的表面，经过三棱镜的折射后发生色散现象，在光屏的ab间形成一条彩色光带．下面的说法中正确的是()图5A．a侧是红色光，b侧是紫色光B．在真空中a侧光的波长小于b侧光的波长C．三棱镜对a侧光的折射率小于对b侧光的折射率D．在三棱镜中a侧光的传播速度大于b侧光的传播速度答案B解析红光的折射率小于紫光的折射率，经过三棱镜，红光的偏折角小于紫光的偏折角，则a侧是紫色光，b侧是红色光，A错；由题图知a侧光的偏折角大，三棱镜对a侧光的折射率大，a侧光的波长小，B对，C错；三棱镜对a侧光的折射率大，由v＝eq\f(c,n)知，在三棱镜中a侧光的传播速度小于b侧光的传播速度，D错．针对训练如图6，一束光经玻璃三棱镜折射后分为两束单色光a、b，波长分别为λa、λb，该玻璃三棱镜对单色光a、b的折射率分别为na、nb，则()图6A．λa＜λb，na＞nbB．λa＞λb，na＜nbC．λa＜λb，na＜nbD．λa＞λb，na＞nb答案B三、激光的特点和应用例4关于激光的应用问题，下列说法中正确的是()A．光纤通信是应用激光平行度非常好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中传递信息的B．光驱内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光相干性好的特点C．医学中用激光作“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点D．“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点答案C解析由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用了激光的相干性，A错误．光驱内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的平行度好，B错误．医学中的激光“光刀”利用了激光的亮度高的特点，C正确．激光测距雷达利用的是激光的平行度和方向性好的特点，D错误.1．关于薄膜干涉，下列说法正确的是()A．干涉条纹的产生是由于光在膜的前、后两表面反射，形成的两列光波叠加的结果B．干涉条纹中的暗条纹是由于上述两列反射光的波谷与波谷叠加的结果C．干涉条纹是等间距的平行线时，说明膜的厚度处处相等D．观察薄膜干涉条纹时，人应在入射光的另一侧答案A解析薄膜前、后两个面反射的光波的路程差不同，一些地方，波峰(波谷)与波峰(波谷)相遇，相互加强，出现亮条纹；在另一些地方，波峰(波谷)与波谷(波峰)相遇，相互削弱，出现暗条纹．干涉条纹是等间距的平行线时，说明膜是理想的劈．人眼观察到的条纹是膜前、膜后反射光波叠加的结果，因此人应与入射光在同一侧．2．如图7所示是用干涉法检查某块厚玻璃板的上表面是否平整的装置，所用单色光为普通光加滤光片产生的，检查中所观察到的条纹是由下列哪两个表面反射的光线叠加而成的()图7A．a的上表面和b的下表面B．a的上表面和b的上表面C．a的下表面和b的上表面D．a的下表面和b的下表面答案C解析关键是找到使光线发生干涉的薄膜，本题中a是样本，b是被检查的对象，而形成干涉的两束反射光是a、b间的空气薄膜反射的．3．(多选)如图8所示，一束复色光从空气中沿半圆形玻璃砖半径方向射入，从玻璃砖射出后分成a、b两束单色光．则()图8A．玻璃砖对a光的折射率为eq\r(2)B．玻璃砖对a光的折射率为1.5C．b光的频率比a光的频率大D．b光在玻璃中的传播速度比a光在玻璃中的传播速度大答案AC解析a光的折射率n＝eq\f(sin45°,sin30°)＝eq\r(2)，故A正确，B错误．由题图可知，a光的偏折程度比b光的小，所以a光的频率小，折射率也小，由n＝eq\f(c,v)可得v＝eq\f(c,n)，a光在玻璃中的传播速度比b光的大，故C正确，D错误．4．(多选)激光火箭的体积小，却可以装载更大、更重的卫星或飞船，激光由地面激光站或空间激光动力卫星提供，通过一套装置，像手电筒一样，让激光束射入火箭发动机的燃烧室，使推进剂受热而急剧膨胀，于是形成一股高温高压的燃气流，以极高的速度喷出，产生巨大的推力，把卫星或飞船送入太空．激光火箭利用了激光的()A．单色性好B．平行度好C．高能量D．相干性好答案BC解析由于激光站与火箭相距较远，为了减少能量损失，必须要求激光具有很好的平行度，同时利用激光的高能量特点．一、选择题1．下列现象中可以用薄膜干涉来解释的是()A．雨后的彩虹B．水面上的油膜在阳光照射下呈彩色C．透过昆虫的翅膀看阳光呈彩色D．荷叶上的水珠在阳光下晶莹透亮答案B解析雨后的彩虹是色散现象，故选项A错误；透过昆虫的翅膀看阳光呈彩色是衍射现象，故选项C错误；水珠在阳光下晶莹透亮是全反射的结果，故选项D错误；油膜在阳光照射下呈彩色是薄膜干涉的结果，故选项B正确．2.如图1所示为一显示薄膜干涉现象的实验装置，P是附有肥皂泡薄膜的铁丝圈，S是一点燃的酒精灯，往火焰上撒些盐后，在肥皂膜上观察到的干涉图样应是图中的()图1答案D解析酒精灯发出的光在肥皂膜前、后两个表面上反射后叠加，形成干涉图样，两列反射光叠加时的路程差与肥皂膜的厚度有关，相同厚度处路程差相同，而同一条亮条纹(或暗条纹)上路程差也相同，肥皂膜竖起时同一水平线的膜厚度相同，故肥皂膜上的亮(暗)条纹是一些水平的平行直线，即正确选项为D.3．光在科学技术、生产和生活中有着广泛的应用，下列说法正确的是()A．用透明的标准平面样板检查光学平面的平整程度是利用光的偏振现象B．用三棱镜观察白光看到的彩色图样是利用光的衍射现象C．在光导纤维束内传送图象是利用光的色散现象D．光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象答案D解析用透明的标准平面样板检查光学平面的平整程度是利用了光的干涉，A错；用三棱镜观察白光看到彩色图样是利用了光的色散现象，B错；在光导纤维束内传送图象是利用了光的全反射，C错；光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象，D正确．4．“冷光灯”照射物体时能使被照物体处产生的热效应大大降低，其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)，这种膜能消除玻璃表面反射回来的产生热效应最显著的红外线，以λ表示此红外线在薄膜中的波长，则所镀薄膜的厚度最小应为()A.eq\f(λ,8) B.eq\f(λ,4)C.eq\f(λ,2) D．λ答案B解析当薄膜的最小厚度为红外线在薄膜中波长的eq\f(1,4)时，从两表面反射的光的路程差恰好为eq\f(λ,2)，两反射光叠加时，相互抵消，这样就减小了反射光的强度．5.一个半径较大的透明玻璃球体，若截去其上面的大部分，然后将这一部分放到标准的水平面上，现让单色光竖直射向截面，如图2所示，从玻璃球截面中看到的是()图2A．平行的、明暗相间的干涉条纹B．环形的、明暗相间的干涉条纹C．只能看到同颜色的平行反射光D．一片黑暗答案B解析玻璃球体和标准水平面间形成一空气楔形膜，膜上、下表面的反射光在空间发生干涉，产生以球体与平面接触点为中心的环形干涉条纹，故B正确．6．虹和霓是太阳光在水珠内分别经过一次和两次反射后出射形成的，可用白光照射玻璃球来说明．两束平行白光照射到透明玻璃球后，在水平的白色桌面上会形成MN和PQ两条彩色光带，光路如图3所示．M、N、P、Q点的颜色分别为()图3A．紫、红、红、紫 B．红、紫、红、紫C．红、紫、紫、红 D．紫、红、紫、红答案A7.如图4所示，在水中有一厚度不计的薄玻璃片做成的中空三棱镜，里面是空气，一束白光A从棱镜的左边射入，从三棱镜的右边射出时发生色散，射出的可见光分布在a点和b点之间，则()图4A．从a点射出的是红光，从b点射出的是紫光B．从a点射出的是紫光，从b点射出的是红光C．从a点和b点射出的都是紫光，从ab中点射出的是红光D．从a点和b点射出的都是红光，从ab中点射出的是紫光答案B解析光从左边界面入射后，发生折射现象，此时光从光密介质射向光疏介质，由于水对紫光的折射率比对红光的大，所以在入射角相同的情况下，折射角不同，紫光的折射角大于红光，故从a点射出的为紫光，从b点射出的为红光．8.如图5所示，水面下的光源S向水面A点发射一束光线，反射光线为c，折射光线分成a、b两束，则()图5A．在水中a光的速度比b光的速度小B．由于色散现象，经水面反射的光线c也能分为两束C．用同一双缝干涉实验装置分别以a、b光做实验，a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距D．若保持入射点A位置不变，将入射光线顺时针旋转，则从水面上方观察，a光先消失答案C解析由题图看出a光的偏折程度小于b光的偏折程度，由折射定律分析可知，水对b光的折射率较大，由v＝eq\f(c,n)分析得知，a光在水中速度较大，故A错误．根据反射定律可知，所有反射光的反射角都等于入射角，所以反射的光线c不能分为两束，故B错误．由上面分析可知，水对b光的折射率较大，对a光的折射率较小，则a光的波长较大，b光的波长较小，根据干涉条纹的间距与波长成正比，则同样条件下，a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距，故C正确．由临界角公式sinC＝eq\f(1,n)分析可知，a光的临界角大于b光的临界角，当将入射光线顺时针旋转时，入射角增大，则b光的入射角先达到临界角，则b光先发生全反射，先从水面上方消失，故D错误．9.(多选)如图6所示，两束不同的单色光P和Q，以适当的角度射向半圆形玻璃砖，其射出光线都是从圆心O点沿OF方向射出，则下面说法正确的是()图6A．P光束在玻璃中折射率大B．Q光束的频率比P光束的频率大C．P光束穿过玻璃砖后频率变大D．Q光束穿过玻璃砖所需时间长答案BD解析由题图可知Q光经玻璃砖折射后偏折更多，故Q光束在玻璃中的折射率更大，A错；Q光的频率更大，B对；由于两光束在玻璃砖中的路程相等，又由v＝eq\f(c,n)，知Q光束速率小，则穿过的时间长，D对；P、Q光从玻璃砖进入空气中频率不变，但波长会变长，C错．10．(多选)关于光的色散、激光，下列说法正确的是()A．棱镜对红光的折射率比紫光大B．红光在棱镜中的速度比紫光大C．每种色光通过棱镜后都会分成几种颜色的光D．激光不能像无线电波那样用来传递信息E．激光治疗近视眼手术是对角膜进行切削答案BE解析色散现象表明棱镜对红光的折射率最小，由n＝eq\f(c,v)知，红光在棱镜中的速度最大，A错误，B正确；单色光经棱镜后不能发生色散，C错误；激光在光导纤维中传播时可以传递信息，D错误；激光手术不是修复视网膜，而是对角膜进行切削，改变角膜的形状，E正确．11．(多选)以下说法中正确的是()A．激