高中物理 第十三章 光 第7、8節(jié) 光的顏色 色散 激光教學(xué)案 新人教版選修3-4

1、第7、8節(jié) 光的顏色_色散_激光1.光的顏色由頻率決定，不同顏色的光波長不同。2含有多種顏色的光被分解為單色光的現(xiàn)象叫做光的色散，這些單色光按波長的有序排列就是光譜。3能使光色散的方法有：(1)薄膜干涉色散；(2)衍射色散；(3)折射色散。4在同一種物質(zhì)中，不同波長的光波的傳播速度不一樣，波長越短，波速越慢。5激光是人工產(chǎn)生的，具有相干性好、平行度好、亮度高的特點(diǎn)。一、光的顏色色散1光的顏色與波長：不同顏色的光，波長不同。圖13712光的色散：含有多種顏色的光被分解為單色光的現(xiàn)象。如圖1371。3光譜：含有多種顏色的光被分解后，各種色光按其波長的有序排列。4幾種色散現(xiàn)象(1)薄膜干涉中的色散薄

2、膜干涉中相干光的獲得光照射到薄膜上，在薄膜的前后兩個(gè)面反射的光是由同一個(gè)實(shí)際的光源分解而成的，它們具有相同的頻率，恒定的相位差。薄膜干涉的原理光照在厚度不同的薄膜上時(shí)，在薄膜的不同位置，前后兩個(gè)面的反射光的路程差不同，在某些位置兩列波疊加后相互加強(qiáng)，于是出現(xiàn)亮條紋；在另一些位置，兩列波相遇后被相互削弱，于是出現(xiàn)暗條紋。(2)衍射時(shí)的色散用白光做衍射實(shí)驗(yàn)時(shí)，得到的條紋是彩色的。這是因?yàn)檠苌鋾r(shí)不同色光的亮條紋的位置不同，于是各種色光就區(qū)分開了。這種現(xiàn)象是光在衍射時(shí)的色散。(3)折射時(shí)的色散圖1372如圖1372說明白光通過棱鏡折射后，由上到下的色光順序?yàn)椋杭t、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，這說明白光是由

3、七色光組成的。5在同一種物質(zhì)中，不同波長的光波的傳播速度不一樣，波長越短，波速越慢。二、激光1激光的特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn)性質(zhì)應(yīng)用相干性激光具有頻率單一、相位差恒定、偏振方向相同的特點(diǎn)，是人工產(chǎn)生的相干光，具有高度的相干性光纖通信平行度激光的平行度非常好，傳播很遠(yuǎn)的距離仍能保持一定的強(qiáng)度精確的測距；讀取光盤上記錄的信息等高亮度它可以在很小的范圍和很短的時(shí)間內(nèi)集中很大的能量用激光束切割、焊接，醫(yī)學(xué)上可以用激光做“光刀”，激發(fā)核反應(yīng)等2全息照相(1)與普通照相技術(shù)的比較：普通照相技術(shù)所記錄的只是光波的強(qiáng)弱信息，而全息照相技術(shù)還記錄了光波的相位信息。(2)原理：全息照相的拍攝利用了光的干涉原理，使參考光和物

4、光在底片上相遇，發(fā)生干涉，形成復(fù)雜的干涉條紋。這要求參考光和物光必須具有很高的相干性。(3)觀察全息照片時(shí)要用激光照射照片，從另一側(cè)面觀察。1自主思考判一判(1)色散現(xiàn)象表明白光是復(fù)色光。()(2)單色光通過棱鏡后也能發(fā)生色散。()(3)某單色光在不同介質(zhì)中傳播時(shí)光的頻率、波長均不同。()(4)激光可以進(jìn)行光纖通信是利用了相干性好的特點(diǎn)。()(5)激光可用做“光刀”來切開皮膚是利用激光的相干性好。()(6)全息照相技術(shù)只能記錄光波的強(qiáng)弱信息。()2合作探究議一議(1)雨后天空出現(xiàn)的彩虹是怎樣形成的？提示：由于光的折射發(fā)生了色散現(xiàn)象形成的。(2)利用激光測量地球到月球的距離，應(yīng)用了激光哪方面的性

5、質(zhì)？提示：應(yīng)用了“平行度”非常好的性質(zhì)。對光的色散的理解1折射時(shí)的色散 (1)我們把射出棱鏡的光線與入射光線方向的夾角叫通過棱鏡的偏向角，如圖1373所示，實(shí)驗(yàn)表明，白光色散時(shí)，紅光的偏向角最小，紫光的偏向角最大。這說明玻璃對不同色光的折射率是不同的。紫光的最大，紅光的最小。圖1373(2)由于介質(zhì)中的光速v，故在同種介質(zhì)中折射率大的光速小，各種色光在同種介質(zhì)中的光速依次為v紫v藍(lán)v橙v紅，即紅光的速度最大，紫光的速度最小。(3)如圖1373所示，白光經(jīng)過三棱鏡后，在光屏上呈現(xiàn)七色光帶；若從棱鏡的頂角向底邊看，由紅到紫依次排列，紫光最靠近底邊，光的色散實(shí)質(zhì)上是光的折射現(xiàn)象。2雙縫干涉中的色散用

6、不同的單色光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，得到的條紋之間的距離不一樣，但都是明暗相同的單色條紋。由x知，紅光波長最長，x最大，紫光波長最短，x最小。白光干涉時(shí)的條紋是彩色的，即白光是由多種色光組成的復(fù)色光，發(fā)生干涉時(shí)，白光發(fā)生了色散現(xiàn)象。典例(多選)如圖1374，一束光沿半徑方向射向一塊半圓柱形玻璃磚，在玻璃磚底面上的入射角為，經(jīng)折射后射出a、b兩束光線。則()圖1374A在玻璃中，a光的傳播速度小于b光的傳播速度B在真空中，a光的波長小于b光的波長C玻璃磚對a光的折射率小于對b光的折射率D若改變光束的入射方向使角逐漸變大，則折射光線a首先消失E分別用a、b光在同一個(gè)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置上做實(shí)驗(yàn)，a光的干涉條紋

7、間距大于b光的干涉條紋間距解析a光的折射角更大，則玻璃磚對a光的折射率大于對b光的折射率，在玻璃中a光的傳播速度小于b光的傳播速度，在真空中，a光的波長小于b光的波長，A、B項(xiàng)正確，C項(xiàng)錯(cuò)誤；玻璃對a光的折射率大于對b光的折射率，a光的臨界角小，改變光束的入射方向使角變大，則折射光線a首先消失，D項(xiàng)正確；a光的波長小于b光的波長，a光的干涉條紋間距小于b光的干涉條紋間距，E項(xiàng)錯(cuò)誤。答案ABD光的色散的物理意義(1)光譜的產(chǎn)生表明，白光是各種單色光組成的復(fù)色光。由于各種單色光通過棱鏡時(shí)偏折的角度不同，所以產(chǎn)生了色散現(xiàn)象。(2)色散現(xiàn)象表明，棱鏡材料對不同色光的折射率是不同的。紫光經(jīng)棱鏡后偏折程度

8、最大，紅光偏折程度最小，所以棱鏡材料對紫光的折射率最大，對紅光的折射率最小。(3)由折射率的定義n可知，在棱鏡中紫光的速度最小，紅光的速度最大。 1.如圖1375所示，一個(gè)小的光源S發(fā)出白光，經(jīng)三棱鏡分光。若人沿著折射光線的反方向觀察，通過棱鏡可以看到()圖1375A白光點(diǎn)B光點(diǎn)上部紅色，下部紫色C光點(diǎn)上部紫色，下部紅色D看不到光源的像解析：選C由于各種單色光中，紫光的折射率最大，偏折角也最大，成的像最高，紅光的折射率最小，偏折角也最小，成的像最低，故C正確。2.如圖1376所示，一束白光通過玻璃棱鏡發(fā)生色散現(xiàn)象，下列說法正確的是()圖1376A紅光的偏折最大，紫光的偏折最小B紅光的偏折最小，

9、紫光的偏折最大C玻璃對紅光的折射率比紫光大D玻璃中紫光的傳播速度比紅光大解析：選B白光中紅光的頻率最低，在玻璃中的折射率最小，由n可知，紅光的傳播速度最大，紫光的頻率最高，在玻璃中的折射率最大，傳播速度最小，經(jīng)過棱鏡發(fā)生色散時(shí)，偏折最大，綜上所述，A、C、D均錯(cuò)誤，B正確。3.如圖1377所示，在水中有一厚度不計(jì)的薄玻璃片制成的中空三棱鏡，里面是空氣，一束光A從棱鏡的左邊射入，從棱鏡的右邊射出時(shí)發(fā)生了色散，射出的可見光分布在a點(diǎn)和b點(diǎn)之間，則()圖1377A從a點(diǎn)射出的是紅光，從b點(diǎn)射出的是紫光B從a點(diǎn)射出的是紫光，從b點(diǎn)射出的是紅光C從a點(diǎn)和b點(diǎn)射出的都是紅光，從ab中點(diǎn)射出的是紫光D從a點(diǎn)

10、和b點(diǎn)射出的都是紫光，從ab中點(diǎn)射出的是紅光解析：選B由紅光的折射率小于紫光的折射率知，紫光偏離原來方向比紅光嚴(yán)重，并且向頂端偏折，光路圖如圖所示，所以從a點(diǎn)射出的是紫光，從b點(diǎn)射出的是紅光，選項(xiàng)B正確。薄膜干涉的應(yīng)用1用干涉法檢查平面平整度如圖1378甲所示，兩板之間形成一層空氣膜，用單色光從上向下照射，如果被檢測平面是光滑的，得到的干涉圖樣必是等間距的。如果被測表面某處凹下，則對應(yīng)亮條紋(或暗條紋)提前出現(xiàn)，如圖乙中P條紋所示；如果某處凸起來，則對應(yīng)條紋延后出現(xiàn)，如圖乙中Q所示，即亮條紋在凹陷處向空氣膜較薄處彎曲，在凸起處向空氣膜較厚處彎曲。(注：“提前”與“延后”不是指在時(shí)間上，而是指由

11、左到右的位置順序上)圖13782增透膜為了減少光學(xué)裝置中的反射光的損失，可在元件表面涂一層透明薄膜，一般是氟化鎂。圖1379如圖1379所示，在增透膜的前后表面反射的兩列光波形成相干波，相互疊加，當(dāng)路程差為半波長的奇數(shù)倍時(shí)，在兩個(gè)表面反射的光反向，相互抵消，從而使反射的兩列光波產(chǎn)生相消干涉，反射光的能量幾乎等于零。一般取最小厚度d滿足2d(此波長為光在該種介質(zhì)中的波長)，由于白光中含有多種波長的光，所以增透膜只能使其中一定波長的光相消。因?yàn)槿藢G光最敏感，一般選擇對綠光起增透作用的膜，所以在反射光中綠光強(qiáng)度幾乎為零，而其他波長的光并沒有完全抵消，所以增透膜呈現(xiàn)淡紫色。典例(多選)如圖13710

12、甲所示，用單色光照射透明標(biāo)準(zhǔn)板M來檢查平面N的上表面的平滑情況，觀察到的圖像如圖乙所示的條紋中的P和Q的情況，這說明()圖13710AN的上表面A處向上凸起B(yǎng)N的上表面B處向上凸起CN的上表面A處向下凹陷DN的上表面B處向下凹陷解析利用光的薄膜干涉來檢查平面的情況，就是由標(biāo)準(zhǔn)樣板平面和被檢查平面間形成一個(gè)楔形的空氣薄層，用單色光從上面照射，入射光在空氣層的上、下表面反射形成的兩列光波發(fā)生干涉。如果被檢測的面是平的，那么空氣層的厚度相同的各點(diǎn)的干涉條紋在一條直線上。若是被檢測平面的某處凹下去了，這時(shí)干涉條紋就不是直線，在凹處的干涉條紋將向楔形膜中薄的一側(cè)彎曲。這是因?yàn)榘继幍膬墒瓷涔獾穆烦滩钭兇?/p>

13、，它只能與膜厚一些位置的兩反射光的路程差相同而形成同一級(jí)的條紋(路程差相同的干涉條紋為同一級(jí)，一般路程差大的干涉條紋級(jí)別高，路程差小的干涉條紋級(jí)別低)，顯然凹處的級(jí)別增大，將與膜厚一些位置的干涉條紋形成同一級(jí)別的條紋，故B、C正確。答案BC被測平面凹下或凸起的形象判斷法被測平面凹下或凸起的形象判斷法矮人行走法。即把干涉條紋看成“矮人”的行走軌跡。讓一個(gè)小矮人在兩板間沿著一條條紋直立行走，始終保持腳踏被測板，頭頂樣板，在行走過程中：若遇一凹下，他必向薄膜的尖端去繞，方可按上述要求過去，即條紋某處彎向薄膜尖端，該處為一凹下；若遇一凸起，他必向薄膜的底部去繞，方可按上述要求過去，即條紋某處彎向薄膜底

14、部，該處為一凸起。1.如圖13711所示是用干涉法檢查某塊厚玻璃塊的上表面是否平整的裝置。所用單色光是用普通光源加濾光片產(chǎn)生的，檢查中所觀察到的干涉條紋是由下列哪兩個(gè)表面反射的光線疊加而成的()圖13711Aa的上表面和b的下表面Ba的上表面和b的上表面Ca的下表面和b的上表面Da的下表面和b的下表面解析：選C樣板和厚玻璃之間存在楔形空氣薄膜，用單色光從這個(gè)空氣薄膜表面照射，入射光從空氣薄膜的上、下表面反射回的兩列光波形成干涉條紋?？諝獗∧さ纳稀⑾卤砻婢褪莂的下表面和b的上表面，故選項(xiàng)C正確。2.用如圖13712所示的實(shí)驗(yàn)裝置觀察光的薄膜干涉現(xiàn)象。圖(a)是點(diǎn)燃的酒精燈(在燈芯上撒些鹽)，圖(

15、b)是豎立的附著一層肥皂液薄膜的金屬絲圈。將金屬絲圈在其所在的豎直平面內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn)，觀察到的現(xiàn)象是()圖13712A當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)30時(shí)干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)30B當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)45時(shí)干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)90C當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)60時(shí)干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)30D干涉條紋保持原來狀態(tài)不變解析：選D豎直肥皂膜是由于重力作用產(chǎn)生的上薄下厚的薄膜，所以金屬絲圈的緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，改變不了肥皂液膜的上薄下厚的形狀，由干涉原理可知，同一厚度處的干涉條紋在同一級(jí)次上，所形成的干涉條紋都是水平的，與金屬絲圈在該豎直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)無關(guān)，仍然是水平的干涉條紋，D正確。3關(guān)于薄膜干涉，下列說法中正確的是()A只有厚度均勻的薄膜才會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)

16、象B只有厚度不均勻的楔形薄膜，才會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象C厚度均勻的薄膜會(huì)形成干涉條紋D觀察肥皂液膜的干涉現(xiàn)象時(shí)，觀察者應(yīng)和光源在液膜的同一側(cè)解析：選D當(dāng)光從薄膜的一側(cè)照射到薄膜上時(shí)，只要前后兩個(gè)面反射回來的光波的路程差滿足振動(dòng)加強(qiáng)的條件，就會(huì)出現(xiàn)明條紋，滿足振動(dòng)減弱的條件就會(huì)出現(xiàn)暗條紋。這種情況在薄膜厚度不均勻時(shí)才會(huì)出現(xiàn)；當(dāng)薄膜厚度均勻時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)干涉條紋，但也發(fā)生干涉現(xiàn)象，如果是單色光照射，若滿足振動(dòng)加強(qiáng)的條件，整個(gè)薄膜前方都是亮的，否則整個(gè)薄膜的前方都是暗的。如果是復(fù)色光照射，某些顏色的光因干涉而振動(dòng)加強(qiáng)，另一些顏色的光會(huì)因干涉而振動(dòng)減弱，減弱的光透過薄膜，加強(qiáng)的光被反射回來，這時(shí)會(huì)看到薄膜的顏色

17、呈某種單色光的顏色，但不形成干涉條紋。故選D。激光1激光的產(chǎn)生激光是原子受激輻射產(chǎn)生的光，發(fā)光的方向、頻率、偏振方向均相同，兩列相同激光相遇可以發(fā)生干涉。激光是人工產(chǎn)生的相干光。2激光的特點(diǎn)(1)激光是人工產(chǎn)生的相干光，其單色性好，相干性好。激光的頻率單一，相干性非常好，顏色特別純。用激光做衍射、干涉實(shí)驗(yàn)，效果很好。(2)激光的平行度好。從激光器發(fā)出的激光具有極好的平行性，幾乎是一束方向不變、發(fā)散角很小的平行光。傳播幾千米后，激光斑擴(kuò)展范圍不過幾厘米，而探照燈的光束能擴(kuò)展到幾十米范圍。(3)亮度高。激光可以在很小的空間和很短的時(shí)間內(nèi)集中很大的能量。3激光的應(yīng)用(1)光纖通信。(2)激光測距。(

18、3)激光讀寫。(4)激光加工。(5)激光手術(shù)(亦稱光刀手術(shù))。(6)激光武器。(7)可控聚變反應(yīng)中的應(yīng)用。1對于激光的認(rèn)識(shí)，以下說法中正確的是()A普通光源發(fā)出的光都是激光B激光是自然界普遍存在的一種光C激光是一種人工產(chǎn)生的相干光D激光一定比普通光的強(qiáng)度大解析：選C激光是原子受激輻射產(chǎn)生的光，是人工產(chǎn)生的一種相干光，與普通光源發(fā)出的光不同，所以C正確，A、B錯(cuò)誤；用途不同，不同激光的強(qiáng)度大小并不相同，激光不一定比普通光的強(qiáng)度大，D錯(cuò)誤。2(多選)關(guān)于激光與自然光，下列說法正確的是()A激光的頻率單一，而自然光是含有各種色光頻率的光，所以激光的相干性好B自然光是由物質(zhì)的原子發(fā)射出來的，而激光是人

19、工產(chǎn)生的，所以激光不是由物質(zhì)的原子發(fā)射出來的C激光和自然光都具有相同的本質(zhì)，它們都是由原子的躍遷產(chǎn)生的D相干性好是激光與普通光的根本區(qū)別解析：選ACD激光的頻率單一，相干性很好，自然光中含有各種頻率的光，故A、D正確；激光和自然光都是由原子的躍遷產(chǎn)生的，故B錯(cuò)誤，C正確。1汽車行駛時(shí)常會(huì)滴下一些油滴，滴下的油滴在有水路面上會(huì)形成一層薄油膜，并顯現(xiàn)彩色，這是由于()A空氣的折射B膜的上、下表面反射形成光的干涉C光的衍射D水的折射解析：選B白光射到油膜上，從膜的上、下表面反射回來，形成相干光源。由于各種色光波長不同，所產(chǎn)生的干涉條紋的寬度不同，所以各色光在薄膜上形成干涉條紋呈現(xiàn)彩色，所以B項(xiàng)正確。

20、2以下說法正確的是()A真空中藍(lán)光的波長比紅光的波長長B天空中的彩虹是由光干涉形成的C光纖通信利用了光的全反射原理D機(jī)械波在不同介質(zhì)中傳播，波長保持不變解析：選C真空中藍(lán)光的波長比紅光的波長短，A項(xiàng)錯(cuò)誤；天空中的彩虹是由光的折射形成的，B項(xiàng)錯(cuò)誤；光纖利用了光的全反射傳遞信息，C項(xiàng)正確；機(jī)械波在不同的介質(zhì)中傳播時(shí)頻率不變，速度變化，因而波長會(huì)變化，D項(xiàng)錯(cuò)誤。3(多選)激光火箭的體積小，卻可以裝載更大、更重的衛(wèi)星或飛船。激光由地面激光站或空間激光動(dòng)力衛(wèi)星提供，通過一套裝置，像手電筒一樣，讓激光束射入火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室，使推進(jìn)劑受熱而急劇膨脹，于是形成一股高溫高壓的燃?xì)饬?，以極高的速度噴出，產(chǎn)生巨大

21、的推力，把衛(wèi)星或飛船送入太空。激光火箭利用了激光的()A單色性好B平行度好C高能量 D相干性好解析：選BC激光的平行度好且亮度高，可以在很小的空間和很短的時(shí)間內(nèi)集中很大的能量，這樣可以給火箭提供高能量，B、C正確。4登山運(yùn)動(dòng)員在登雪山時(shí)要注意防止紫外線的過度照射，尤其是眼睛更不能長時(shí)間被紫外線照射，否則將會(huì)嚴(yán)重地?fù)p傷視力。有人想利用薄膜干涉的原理設(shè)計(jì)一種能大大減小紫外線對眼睛的傷害的眼鏡。他選用的薄膜材料的折射率為n1.5，所要消除的紫外線的頻率f8.11014 Hz，那么他設(shè)計(jì)的這種“增反膜”的厚度至少是()A9.25108 m B1.85107 mC1.24107 m D6.18108 m

22、解析：選C由n得v m/s2108 m/s。根據(jù)波速公式vf，得 m2.47107 m。要實(shí)現(xiàn)“增反”的效果，薄膜的厚度至少為半個(gè)波長，那樣在薄膜的表面兩列反射光相互加強(qiáng)，從而使入射到眼睛的紫外線減弱，減輕紫外線對眼睛的傷害，故C選項(xiàng)正確。5.某物理興趣小組用實(shí)驗(yàn)探究光的色散規(guī)律，他們將半圓形玻璃磚放在豎直面內(nèi)，在其左方豎直放置一個(gè)很大的光屏P，讓一復(fù)色光束SA射向玻璃磚的圓心O后，有兩束單色光a和b射向光屏P，如圖1所示。他們根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出了以下四個(gè)猜想，你認(rèn)為正確的是()圖1A單色光a的波長小于單色光b的波長B在玻璃中單色光a的傳播速度大于單色光b的傳播速度C單色光a通過玻璃磚所需的時(shí)間

23、大于單色光b通過玻璃磚所需的時(shí)間D當(dāng)光束SA繞圓心O逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，在光屏P上最早消失的是a光解析：選B根據(jù)光的折射定律可知a光的折射率小于b光的折射率，則a光的頻率小于b光的頻率，由可知A項(xiàng)錯(cuò)誤；由v可知B項(xiàng)正確；由于復(fù)色光在玻璃磚中傳播距離相同，根據(jù)t可知C項(xiàng)錯(cuò)誤；由sin C可知D項(xiàng)錯(cuò)誤。6虹和霓是太陽光在水珠內(nèi)分別經(jīng)過一次和兩次反射后出射形成的，可用白光照射玻璃球來說明。兩束平行白光照射到透明玻璃球后，在水平的白色桌面上會(huì)形成MN和PQ兩條彩色光帶，光路如圖2所示。M、N、P、Q點(diǎn)的顏色分別為()圖2A紫、紅、紅、紫 B紅、紫 、紅、紫C紅、紫、紫、紅 D紫、紅、紫、紅解析：選A光在水珠中折射時(shí)，折射率越大，折射角越大，故選項(xiàng)A正確。7劈尖干涉是一種薄膜干涉，其裝置如圖3甲所示，將一塊平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夾入兩張紙片，從而在兩玻璃表面之間形成一個(gè)劈形空氣薄膜。當(dāng)光垂直入射后，從上往下