第十四章 光（原卷版）

光1、理解光的折射定律，理解折射率的概念2、知道光的全反射现象及其产生的条件，并学会全反射的条件进行计算3、了解光纤的工作原理、4、知道什么是光的干涉、衍射和偏振，了解这些现象产生的条件，会根据干涉条纹进行简单的计算一、光的折射定律折射率1．折射定律(1)内容：如图所示，折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比。(2)表达式：eq\f(sinθ1,sinθ2)＝n12。(3)在光的折射现象中，光路是可逆的。2．折射率(1)折射率是一个反映介质的光学性质的物理量。(2)定义式：n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)。(3)计算公式：n＝eq\f(c,v)，因为v＜c，所以任何介质的折射率都大于1。(4)当光从真空(或空气)斜射入某种介质时，入射角大于折射角；当光由介质斜射入真空(或空气)时，入射角小于折射角。(5)折射率的大小不仅反映了介质对光的折射本领，也反映了光在该介质中传播速度的大小v＝eq\f(c,n).(6)折射率的大小不仅与介质本身有关，还与光的频率有关．①同一种介质中，频率越大的光折射率越大，传播速度越小．②同一种光，在不同介质中虽然波速、波长不同，但频率相同．二、全反射光导纤维1．定义：光从光密介质射入光疏介质，当入射角增大到某一角度时，折射光线将全部消失，只剩下反射光线的现象叫作全反射。2．条件(1)光从光密介质射入光疏介质。(2)入射角大于或等于临界角。3．临界角：折射角等于90°时的入射角。若光从光密介质(折射率为n)射向真空或空气时，发生全反射的临界角为C，则sinC＝eq\f(1,n)。介质的折射率越大，发生全反射的临界角越小。4．全反射的理解(1)如果光从光疏介质进入光密介质，则无论入射角多大，都不会发生全反射现象。(2)光的全反射遵循光的反射定律，光路是可逆的。(3)当光射到两种介质的界面上时，往往同时发生光的折射和反射现象，但在全反射现象中，只发生反射，不发生折射。当折射角等于90°时，实际上已经没有折射光了。(4)从能量角度理解全反射现象：当光由光密介质射向光疏介质时，在入射角逐渐增大的过程中，反射光的能量逐渐增强，折射光的能量逐渐减弱，当入射角等于临界角时，折射光的能量减弱为零，这时就发生了全反射。5．全反射的有关现象海水浪花呈白色、玻璃或水中的气泡看起来特别亮、沙漠蜃景、海市蜃楼、钻石的光彩夺目、水下的灯不能照亮整个水面等。6．全反射的应用(1)全反射棱镜：用来改变光的方向。(2)光导纤维(简称光纤)①结构：是一种透明的玻璃纤维丝，直径在几微米到一百微米之间，由内芯和外套两层组成，内芯的折射率大于外套的折射率，即内芯是光密介质，外套是光疏介质。②原理：光在光纤的内芯中传播，每次射到内芯和外套的界面上时，入射角都大于临界角，从而发生全反射。三、平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制特点平行玻璃砖三棱镜圆柱体(球)对光线的作用通过平行玻璃砖的光线不改变传播方向，但要发生侧移通过三棱镜的光线经两次折射后，出射光线向棱镜底面偏折圆界面的法线是过圆心的直线，光线经过两次折射后向圆心偏折四、光的干涉1．如果两列光的频率相同、相位差恒定、振动方向相同，就会发生干涉现象。2．光的双缝干涉(1)原理如图2所示。(2)出现亮、暗条纹的条件①光的路程差r2－r1＝±kλ(k＝0,1,2…)，光屏上出现亮条纹。②光的路程差r2－r1＝±(2k＋1)eq\f(λ,2)(k＝0,1,2…)，光屏上出现暗条纹。(3)相邻两条亮条纹或暗条纹的中心间距公式：Δx＝eq\f(l,d)λ。(4)干涉条纹的特点①单色光：形成明暗相间的条纹，中央为亮条纹，如图3所示。②白光：光屏上出现彩色条纹且中央亮条纹是白色，即发生色散，如图4所示。3．薄膜干涉(1)原理：如图5所示，不同位置的薄膜，厚度不同，因此在膜上不同的位置，来自前后两个面的反射光的路程差不同，叠加后出现明暗相间的条纹。(2)应用①增透膜和增反膜。②利用薄膜干涉的原理对镜面或其他精密的光学平面的平滑度进行检测。五、光的衍射1．几种典型衍射条纹的特点(1)单缝衍射：①单色光的衍射图样中间为宽且亮(填特点)的单色条纹，两侧是明暗相间的条纹，条纹宽度比中央窄且暗；单色光的波长越长，单缝越窄，中央亮纹越宽。如图7所示。②白光的衍射图样中间为宽且亮的白条纹，两侧是渐窄且暗的彩色条纹。其中最靠近中央的色光是紫光，离中央最远的是红光，如图8所示，这是光在衍射时的色散。(2)圆孔衍射：如图9所示，中央是大且亮的圆形光斑，周围分布着明暗相间的不等距圆环，且越靠外，亮圆环越窄越暗。(3)圆盘衍射(泊松亮斑)：如图10所示，当光照到不透明的半径很小的小圆盘上时，对于一定的波长，在适当的距离上，圆盘的阴影中心出现亮斑，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。2．发生明显衍射的条件在障碍物或狭缝的尺寸与光的波长相当，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象才会十分明显。在任何情况下都可以发生衍射现象，只是明显与不明显的差别。六、光的偏振1．偏振在横波中，各点的振动方向总与波的传播方向垂直。不同的横波，即使传播方向相同，振动方向也可能是不同的，这个现象称为“偏振现象”。横波的振动方向称为“偏振方向”。2．自然光太阳以及日光灯、发光二极管等普通光源发出的光，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都相同，这种光叫作自然光。如图11所示。3．偏振光在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定方向振动的光，叫作偏振光。光的偏振证明光是横波。自然光通过偏振片后，就得到了偏振光。偏振光并不罕见。除了从太阳、白炽灯等光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光，都是不同程度的偏振光。自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时，反射光和折射光都是偏振光(如图12所示)，入射角变化时偏振的程度也有变化。七、电磁波的产生、发射、传播和接收1．麦克斯韦电磁场理论：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场(如图13所示)。2．电磁场：变化的电场和变化的磁场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一的电磁场。3．电磁波(1)产生：变化的电场和磁场由近及远地向周围传播，形成了电磁波。(2)电磁波是横波，在空间传播不需要介质。(3)电磁波的波速：真空中电磁波的波速与光速相同，c＝3.0×108m/s。(4)v＝λf对电磁波同样适用。(5)电磁波能产生反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象。(6)赫兹在人类历史上首先捕捉到了电磁波，并证实了麦克斯韦的电磁场理论。4、对电磁波的理解(1)电磁波是横波，电磁波的电场、磁场、传播方向三者两两垂直，如图所示。(2)电磁波与机械波的比较名称项目电磁波机械波产生由周期性变化的电场、磁场产生由质点(波源)的振动产生波的特点横波纵波或横波波速在真空中等于光速c＝3×108m/s；在介质中波速较小在空气中不大(如声波波速在空气中约为340m/s)；在液体和固体中较大是否需要介质不需要介质(在真空中仍可传播)必须有介质(真空中不能传播)传播能量电磁能机械能八、电磁波谱1．定义按电磁波的波长大小或频率高低的顺序把它们排列成谱，叫作电磁波谱。将电磁波按波长从长到短排列顺序是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。2．电磁波谱的特性、应用电磁波谱频率/Hz真空中波长/m特性应用递变规律无线电波小于3×1011大于10－3波动性强，易发生衍射无线电技术红外线1011～101510－3～10－7eq\x(\s\up1(02))热效应红外线遥感可见光101510－7引起视觉照明、摄影紫外线1015～101710－7～10－9化学效应、eq\x(\s\up1(03))荧光效应、能杀菌医用消毒、防伪X射线1016～101910－8～10－11穿透能力强检查、医用透视γ射线大于1019小于10－11穿透能力最强工业探伤、医用治疗一、单选题1．将两支铅笔并排放在一起，中间留一条狭缝，通过这条狭缝去看与其平行的日光灯，能观察到彩色条纹，这是光的（）现象A．色散 B．折射 C．干涉 D．衍射2．图示为通过3D眼镜看电脑显示屏的照片，下列说法正确的是（）A．左侧镜片上涂有增反膜B．右侧镜片上涂有增透膜C．两侧镜片为透振方向不同的偏振片D．电脑显示屏发出的光为自然光3．如图所示为一束红光经过狭缝装置得到的图样，下列说法正确的是（）A．图为干涉图样B．图为衍射图样C．只减小狭缝宽度，中央亮纹宽度会变窄D．当狭缝宽度调到很窄时，中央亮条纹亮度升高4．如图所示，一束白光通过三棱镜发生色散，a、b是其中的两束单色光，这两束光相比较（）A．在真空中，a光的速度大B．在真空中，a光的波长大C．三棱镜对b光的折射率小D．光从三棱镜中射向空气，b光的临界角大5．如图所示，一束红光以30°入射角射向半圆玻璃砖的平直边，在玻璃砖与空气的分界面上发生了反射和折射。若保持入射光方向不变，以过圆心O垂直玻璃砖的轴顺时针缓慢旋转玻璃砖60°的过程中（

）A．反射角变小 B．反射光的亮度不变C．折射光的亮度不变 D．折射光会消失6．关于光在竖直肥皂液薄膜上产生的干涉条纹，下列说法正确的是（

）A．若明暗相间的条纹相互平行，说明薄膜厚度均匀B．薄膜上的干涉条纹基本上是竖直的C．用紫光照射薄膜产生的干涉条纹间距比用红光照射时大D．干涉条纹是光在薄膜前、后两个表面反射后叠加的结果7．如图所示，a、b两种单色光从三棱镜的左侧射入，恰好从右侧的同一点O射出，并照射到光屏上的P点。则（

）A．a光在三棱镜中的折射率比b光的大B．a光在真空中传播的速度比b光的大C．a光在三棱镜中传播的速度比b光的大D．a光的波长比b光的波长大8．某光学仪器中有一半径为R的圆形玻璃砖，其截面图如图所示。C为圆弧上一点，圆弧AC的长度是圆弧BC长度的2倍，一束单色光以平行于AO的方向照射到C点，从BO边上的D点出射，出射光线与CO平行，光在真空中传播速度为c。下列说法正确的是（）A．出射光线与入射光线的偏向角为30° B．光在玻璃砖中的传播速度大小为C．玻璃砖对光的折射率为 D．光从C点传播到D点所用的时间为9．一半圆柱形玻璃砖的横截面如图所示，一束复色光从点沿半径射入，在圆心点分成三束光。则（）A．该复色光一定由三种单色光组成B．该复色光可能由两种单色光组成C．与两束光比较，前者在玻璃砖中的折射率较大D．与两束光比较，后者在玻璃砖中的速率较大10．某实验小组利用双缝干涉实验装置分别观察a、b两单色光的干涉条纹，发现在相同的条件下光屏上a光相邻两亮条纹的间距比b光的小。他们又将a、b光以相同的入射角由水斜射入空气，发现a光的折射角比b光的大，则（）A．在空气中传播时，a光的波长比b光的大B．在水中传播时，a光的速度比b光的大C．在水中传播时，a光的频率比b光的小D．由水射向空气时，a光的全反射临界角比b光的小11．白光通过三棱镜会发生色散现象，如图所示，一细白光束通过玻璃三棱镜折射后，在光屏上得到一条彩色光带，a、b是这条光带的最上面和最下面的两条光线，关于这条彩色光带，下列说法正确的是（）A．光线a为紫光，光线b为红光B．光线a在玻璃中的传播速度最大C．光线a的折射率最大D．光线a、b分别通过同一双缝干涉仪，b光线产生的干涉条纹的间距大12．以下四幅图都源自教材插图，下列说法正确的是（）

A．图甲为一定波长的光照射到不透明圆盘上，在圆盘后得到的衍射图样B．图乙为双缝干涉示意图，双缝间距越大，则相邻亮条纹间距越大C．图丙为光导纤维工作原理示意图，内芯的折射率比外套的折射率小D．图丁为自然光照射两个竖直放置的偏振片，若只旋转其中一个偏振片，光屏上的亮度不变13．某同学在学习光学时，对神奇的光现象产生了兴趣，但对光现象的理解有一项是错误的，请帮他指出（）A．可以利用X射线衍射探测晶体的结构B．利用激光平行度好的特性，可以较准确的测量地球到月球的距离C．光纤通信及医用纤维式内窥镜都利用了光的全反射原理D．拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加增透膜二、多选题14．下列关于光现象或实验结果说法正确的是（

）A．光的干涉和衍射现象说明光是一种波B．3D电影是利用了光的衍射现象，说明光是一种纵波C．水较容易绕过较大障碍物发生衍射，而光波不能，说明光波的波长比水波的波长长D．用同一装置观测红光和绿光双缝干涉条纹，绿光条纹间距较窄，说明绿光波长较短15．下列有关光学现象的描述正确的是（）A．如图甲，光导纤维能够使光在有机玻璃内传播，内芯的折射率比外套大B．图乙是圆孔衍射所形成的图样C．图丙是劈尖干涉，右侧垫块是两张纸片，当抽去一张纸片后条纹间距变大D．如图丁，相机使用偏振滤光片能减弱玻璃表面反射光的影响，说明光是横波16．关于光的干涉、衍射及偏振，下列说法中正确的是（）A．分别用蓝光和红光在同一装置上做双缝干涉实验，蓝光的条纹间距宽B．光传播不需要介质，其偏振现象说明光是横波C．光的双缝干涉条纹的中间是宽度最大且最亮的明纹D．抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细，主要应用的是光的衍射现象E．水面上油膜、肥皂泡的彩色条纹是由于光的干涉而形成的现象17．以下说法中不正确的是（）A．图甲可知，系统发生共振时驱动力的频率为f0B．图乙是双缝干涉示意图，若只将光源由红色光改为绿色光，两相邻亮条纹间距离增大C．图丙是用干涉法检测工件表面平整程度时得到的干涉图样，若只增大薄片的厚度，条纹间距将变大D．图丁中的M、N是偏振片，P是光屏。当M固定不动，缓慢转动N时。从图示位置开始转动90°时，光屏P上的光亮度最暗三、实验题18．“用双缝干涉实验测量光的波长”实验装置如图甲所示（1）某次测量中，分划板中心刻线对齐某一条亮纹的中心时，游标卡尺的游标尺位置如图乙所示，该读数为mm；（2）下列说法中正确的是（填选项前的字母）；A．去掉滤光片后，光屏上的干涉条纹消失B．去掉单缝后，光屏上仍然呈现清晰的干涉条纹C．实验中要注意使单缝与双缝相互平行，以便在光屏上得到清晰的干涉条纹（3）若双缝间距为d，测出双缝与光屏间的距离L及n条亮纹中心间的距离x，则计算该单色光波长的表达式为λ＝（用题中所给字母表示）。四、解答题19．如图所示，一种光学传感器是通过接收器Q接收到光的强度变化而触发