高考物理第11讲　光学　波粒二象性 【正文】听课

第11讲光学波粒二象性【网络构建】【关键能力】了解光本质的认知过程,高中物理光学内容主要包括三部分:第一部分是几何光学,把光的传播抽象成光线模型并遵循直线传播原理、反射定律、折射定律;第二部分是波动光学,是在光的干涉、光的衍射、光的偏振等现象分析基础上把光传播本质理解为电磁波模型;第三部分在光电效应现象、康普顿效应等现象基础上理解光的波粒二象性.题型1几何光学1.基本知识:两个公式与常见光学元件模型(1)公式:折射定律:sinθ1sinθ2=n(2)常见光学元件模型:平行玻璃砖、等腰三棱镜、小水珠形成彩虹等.2.解题思路(1)根据题意画出正确的光路图,注意光路可逆和对称性,特别注意全反射的临界光线.(2)利用几何知识和正弦定理,确定光路中的边、角关系.(3)利用折射定律和全反射求解.例1[2024·海南卷]一正三角形OPQ玻璃砖,某束光线垂直于OP射入,恰好在PQ界面发生全反射,则玻璃砖对该光线的折射率为 ()A.2 B.3C.233 D【技法点拨】本题为玻璃砖全反射类试题,解题关键在于根据折射率找到全反射的临界光线.例2[2022·广东卷]一个水平放置的圆柱形罐体内装了一半的透明液体,液体上方是空气,其截面如图所示.一激光器从罐体底部P点沿着罐体的内壁向上移动,它所发出的光束始终指向圆心O点.当光束与竖直方向成45°角时,恰好观察不到从液体表面射向空气的折射光束.已知光在空气中的传播速度为c,求液体的折射率n和激光在液体中的传播速度v.【迁移拓展】1.[2024·江苏卷]现有一光线以相同的入射角θ打在两杯不同浓度的NaCl溶液中,折射光线如图所示(β1<β2),已知折射率随浓度增大而变大,则()A.该光线在甲溶液中的折射率较大B.甲溶液浓度较小C.该光线在甲溶液中的传播速度较大D.该光线在甲溶液中的临界角较大2.[2023·福建卷]如图所示,一教师用侧面开孔的透明塑料瓶和绿光激光器演示“液流导光”实验.瓶内装有适量清水,水从小孔中流出后形成了弯曲的液流.让激光水平射向小孔,使光束与液流保持在同一竖直平面内,观察到光束沿着弯曲的液流传播.下列操作中,有助于光束更好地沿液流传播的是 ()A.减弱激光强度B.提升瓶内液面高度C.改用折射率更小的液体D.增大激光器与小孔之间的水平距离3.[2024·海南海口模拟]如图所示,一束由两种单色光混合的复色光沿SO方向射向一上、下表面平行的玻璃砖,下表面观察到两束出射光线A、B,光路图如图所示,下列说法正确的是 ()A.玻璃对B光的折射率大于对A光的折射率B.B光在玻璃中的传播速度小于A光在玻璃中的传播速度C.A光、B光互相平行D.增大入射角θ,A光和B光在下表面可能发生全反射4.[2023·全国乙卷]如图,一折射率为2的棱镜的横截面为等腰直角三角形ABC,AB=AC=l,BC边所在底面上镀有一层反射膜.一细光束沿垂直于BC方向经AB边上的M点射入棱镜.若这束光被BC边反射后恰好射向顶点A,求M点到A点的距离.题型2光的波动性1.光的干涉(1)双缝干涉中确定明暗条纹的方法是看单色光从该处到双缝的路程差,满足路程差是半波长奇数倍的对应暗条纹,满足路程差是半波长的偶数倍的对应亮条纹.(2)薄膜干涉的两个考查点:①利用薄膜干涉条纹间距来检验“薄膜”的厚度变化,厚度变化越快,则干涉条纹间距越小,条纹越窄;②利用薄膜厚度是单色光的波长的四分之一来制作干涉相消的增透膜.2.光的衍射(1)判断衍射现象是否明显的方法是比较障碍物或小孔(缝)的尺寸与光的波长的大小关系,尺寸比波长小得越多,衍射现象越明显.(2)衍射条纹和干涉条纹的区分:条纹间距相等的是干涉条纹,条纹间距从中央往两侧变小的是衍射条纹.(3)衍射条纹和干涉条纹的共性:缝越小,光的波长越小,则条纹间距越大.例3[2024·山东卷]检测球形滚珠直径是否合格的装置如图甲所示,将标准滚珠a与待测滚珠b、c放置在两块平板玻璃之间,用单色平行光垂直照射平板玻璃,形成如图乙所示的干涉条纹.若待测滚珠与标准滚珠的直径相等为合格,下列说法正确的是 ()A.滚珠b、c均合格B.滚珠b、c均不合格C.滚珠b合格,滚珠c不合格D.滚珠b不合格,滚珠c合格例4[2024·辽宁卷]某同学自制双缝干涉实验装置:在纸板上割出一条窄缝,于窄缝中央沿缝方向固定一根拉直的头发丝形成双缝,将该纸板与墙面平行放置,如图所示.用绿色激光照射双缝,能够在墙面上观察到干涉条纹.下列做法可以使相邻两条亮条纹中心间距变小的是 ()A.换用更粗的头发丝B.换用红色激光照双缝C.增大纸板与墙面的距离D.减小光源与纸板的距离【迁移拓展】1.[2024·河北保定模拟]把酒精灯火焰放在铁丝圈上的竖立的肥皂膜前.发现在肥皂膜上观察到火焰的反射像上有彩色条纹,且上疏下密分布,如图.由此推测肥皂膜竖直方向侧向截面图可能是()ABCD2.[2023·江苏卷]用某种单色光进行双缝干涉实验,在屏上观察到的干涉条纹如图甲所示,改变双缝间的距离后,干涉条纹如图乙所示,图中虚线是亮纹中心的位置.则双缝间的距离变为原来的()A.13 B.1C.2倍 D.3倍3.[2024·湖北武汉模拟]太阳光照射一块遮光板,遮光板上有一个大的三角形孔,太阳光透过这个孔,在光屏上形成一个三角形光斑.当遮光板上三角形孔的尺寸不断减小时,光屏上会呈现:①圆形光斑;②三角形光斑;③明暗相间的衍射条纹.则()A.光屏上先后呈现的图样顺序是①②③B.光屏上先后呈现的图样顺序是①③②C.由于光的直线传播产生的图样有①②D.由于光的直线传播产生的图样有②③4.[2024·山东青岛模拟]某同学做双缝干涉实验时,用波长为λ0的激光照射双缝,墙上的P点出现第3级亮条纹(中央亮条纹为第0级亮条纹).当他改用另一种激光照射双缝时,P点变为第4级亮条纹,则该激光的波长为 ()A.34λ0 B.λC.14λ0 D.43题型3波粒二象性1.光电效应两条对应关系(1)光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大;(2)光照强度大(同种频率的光)→光子数目多→发射光电子多→光电流大.2.定量分析时应抓住三个关系式爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0最大初动能与遏止电压的关系Ek=eUc逸出功与截止频率的关系W0=hνc3.对光电效应的特别提醒(1)能否发生光电效应,不取决于光的强度而取决于光的频率.(2)光电效应中的“光”不是特指可见光,也包括不可见光.(3)逸出功的大小由金属本身决定,与入射光无关.(4)光电子不是光子,而是电子.4.对波粒二象性的理解(1)光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间相互作用产生的,光的波动性不同于宏观概念的波.(2)德布罗意提出物质波的观点被实验证实,表明电子、质子、原子等粒子不但具有粒子的性质,而且具有波的性质.例5(多选)[2024·湖南长沙模拟]波粒二象性是微观世界的基本特征.下列对波粒二象性的实验及说法正确的是 ()A.光的衍射(图甲)揭示了光具有粒子性B.光电效应(图乙)揭示了光的波动性,同时表明光子具有能量C.康普顿效应(图丙)揭示了光的粒子性,同时表明光子除了有能量还有动量D.电子束穿过铝箔后的衍射图样(图丁),证实了电子的波动性,质子、中子及原子、分子均具有波动性【技法点拨】本题考查波粒二象性,记住典型的粒子性现象和波动性现象:光电效应、康普顿效应揭示了粒子性,干涉、衍射、偏振揭示了波动性.例6(多选)[2024·云南昆明模拟]我们用如图所示的电路研究光电效应时,当开关闭合后,微安表有一定示数,以下说法正确的是 ()A.如图所示的电路连接可用于测量遏止电压B.更换电源的正负极,可以使微安表示数减小C.把滑动变阻器滑片向左滑动,微安表示数一定减小D.仅增大入射光强度时,微安表示数一定增大【技法点拨】本题关键是会分析光电效应实验规律、探究电路,开关闭合后,电压为正向电压,光电子会加速,加反向电压光电子减速,由此判断出微安表示数的变化;光电流的大小与光子数量相关,光强越大光子数量越多,光电流越大.【迁移拓展】1.(多选)[2024·辽宁卷]X射线光电子能谱仪是利用X光照射材料表面激发出光电子,并对光电子进行分析的科研仪器.用某一频率的X光照射某种金属表面,逸出了光电子,若增加此X光的强度,则 ()A.该金属的逸出功增大B.X光的光子能量不变C.逸出的光电子最大初动能增大D.单位时间逸出的光电子数增多2.[2022·河北卷]如图是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压Uc与入射光频率ν的实验曲线,该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程,并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h.由图像可知 ()A.钠的逸出功为hνcB.钠的截止频率为8.5×1014HzC.图中直线的斜