光的本性學(xué)習(xí)指導(dǎo)

1、光的本性學(xué)習(xí)指導(dǎo)上海師范大學(xué)附屬中學(xué) 李樹祥一、學(xué)習(xí)要求內(nèi)容主題知識內(nèi)容學(xué)習(xí)水平要求說明光的本性光的干涉 光的衍射B拓展觀察光的干涉現(xiàn)象和衍射現(xiàn)象（學(xué)生實(shí)驗）B拓展光的電磁說A拓展光電效應(yīng) 光子說A拓展對光本性的認(rèn)識過程A拓展光的波粒二象性A拓展二、人類對光本性的認(rèn)識發(fā)展過程 1.微粒說：牛頓提出，認(rèn)為光是一種從光源發(fā)出的物質(zhì)微粒，在均勻的介質(zhì)中以一定的速度沿直線傳播。它成功解釋了光的直線傳播、光的反射現(xiàn)象。困難問題是無法解釋光的獨(dú)立傳播規(guī)律、光的直線傳播只是近似規(guī)律、光在兩種媒質(zhì)分界面同時發(fā)生的反射、折射現(xiàn)象等。 2.波動說：惠更斯提出，認(rèn)為光是在空間傳播的一種波（機(jī)械波）。它成功解釋了光的

2、獨(dú)立傳播規(guī)律、兩種媒質(zhì)界面同時發(fā)生的反射、折射現(xiàn)象，以及后來發(fā)現(xiàn)的光的干涉和衍射。困難是解釋光的直線傳播，以及光在真空中的傳播 （1）光的干涉：兩列頻率相同的光波在空中相遇時發(fā)生疊加，在某些區(qū)域總加強(qiáng)，在另外一些區(qū)域總減弱，出現(xiàn)明暗相間的條紋或者是彩色條紋的現(xiàn)象叫做光的干涉1。雙縫干涉： 由英國物理學(xué)家托馬斯.楊首次在實(shí)驗室完成。相干光源的獲得：光從第一狹縫S到達(dá)同距離對稱的雙狹縫S1、S2，通過這兩個狹縫的光由于來自同一束光，因此從S1、S2射出的光具有相同的振動情況，即為兩個相干光源?，F(xiàn)象是出現(xiàn)中央明條紋，兩邊等距分布的明暗相間條紋。在相同的實(shí)驗裝置條件下，相鄰的明（或暗）條紋中央之間距離

3、與波長成正比；在波長相同的條件下，相鄰條紋間的距離與兩孔的距離成反比，與狹縫與光屏之間的距離成正比。當(dāng)用白光做雙縫干涉實(shí)驗時，除中央條紋為白光外，其余為彩色條紋。薄膜干涉：相干光源的形成：薄膜的前后表面產(chǎn)生的兩束反射光相遇后成為相干光波(注意：用單色光照射時，出現(xiàn)明暗相間的條紋；用白光照射時，出現(xiàn)彩色條紋。觀察到的干涉條紋實(shí)際上是等厚線，即同一個條紋上各處膜的厚度是相等的。由于是兩列反射波相遇疊加形成的干涉圖樣，因而應(yīng)當(dāng)從光源的一側(cè)觀察薄膜的干涉圖樣（讓反射光線進(jìn)入眼睛！）。（2）光的衍射：光偏離了直線前進(jìn)的方向而繞到障礙物陰影區(qū)域的現(xiàn)象，叫做光的衍射。障礙物或小孔的尺寸越接近光的波長或小于光

4、的波長，光的衍射現(xiàn)象越明顯。小孔衍射：用點(diǎn)光源照射圓孔，當(dāng)孔徑由大到小逐漸減小到零的過程中，依次出現(xiàn)：亮圓；亮圓的面積逐漸減小；光源的燈絲的像（以上的現(xiàn)象都是光的直線傳播的結(jié)果）；衍射圓環(huán)（形狀是中間為亮圓，外面是圓環(huán)；如果實(shí)驗用白光照射圓孔，圖樣將是中間為白色亮圓、外面是彩色圓環(huán)）；衍射圓環(huán)逐漸變大，亮度逐漸減弱；全部暗下來。單縫衍射：光源照射狹縫，當(dāng)狹縫很寬時，衍射現(xiàn)象極不明顯，光沿直線傳播，在屏上產(chǎn)生一條跟縫寬度相當(dāng)?shù)牧辆€；但當(dāng)縫的寬度調(diào)到很窄，可以跟光波相比擬時，光通過縫后就明顯偏離了直線傳播方向，照射到屏上相當(dāng)寬的地方，并且出現(xiàn)了明暗相間的衍射條紋，條紋的寬度不同，中央亮條紋最寬；紋

5、縫越小，衍射范圍越大，衍射條紋越寬，但亮度越來越暗。：小圓板衍射：光照射不透明的很小的小圓板時，在黑影中央（直線傳播形成的影）有一個極小的亮斑泊松亮斑。3.光的電磁說：麥克斯韋提出，認(rèn)為光是一種電磁波。（1）麥克斯韋的電磁場理論：變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場產(chǎn)生磁場，周期性變化的電場和磁場形成一個統(tǒng)一體，叫做電磁場。電磁場由發(fā)生區(qū)域向外傳播，就形成電磁波。電磁波在真空中的光速等于光在真空中的速度。（2）電磁波譜：頻率由低到高：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、倫琴（X）射線、g射線。部分波段頻率有交叉。（3）電磁波的特點(diǎn)：電磁波的傳播不需要介質(zhì)；電磁波是橫波（電場、磁場、傳播方向三者相互垂直

6、）；真空中電磁波的傳播速度與光速相等（介質(zhì)中的傳播速度由介質(zhì)和電磁波的頻率共同決定）；波速、波長、頻率的關(guān)系式仍然成立；電磁波可以脫離電荷而獨(dú)立存在。（4）電磁波的頻率范圍、實(shí)際用途。電磁波種類無線電波紅外線可見光紫外線倫琴射線射線頻率（Hz）1043×101210123.9×10143.9×10147.5×10147.5×10145×10163×10163×10203×1019以上用途通訊，廣播，導(dǎo)航加熱烘干、遙測遙感，醫(yī)療，導(dǎo)向等照明，照相，加熱殺菌消毒，熒光效應(yīng)，治療皮膚病等檢查探測，透視，治療等探

7、測，治療等4.光子說：愛因斯坦提出，認(rèn)為在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份稱為一個光子，光子的能量與頻率成正比，即E=hn。h=6.63´10-34Js，稱為普朗克常數(shù)。（1）光電效應(yīng)現(xiàn)象：光照射到物體，從物體表面逸出電子的現(xiàn)象，叫做光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。（2）光電效應(yīng)的四個規(guī)律：對于任何一種金屬，入射光的頻率必須大于某一極限頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng)，低于這個極限頻率，無論強(qiáng)度如何，無論照射時間多長，也不能產(chǎn)生光電效應(yīng)；只要入射光的頻率高于金屬極板的極限頻率，無論其強(qiáng)度如何，光電子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時的，不超過109s.發(fā)射出的光電子的最大初動能與入射光強(qiáng)度無關(guān)，只

8、隨入射光頻率的增大而增大； 在單位時間里從金屬極板中發(fā)射出的光電子數(shù)跟入射光的強(qiáng)度成正比；經(jīng)典的電磁理論對光電效應(yīng)的前三個規(guī)律無法做出合理的解釋，于是愛因斯坦借用了普朗克的量子假設(shè)提出的光子說5.光的波粒二象性：光的波動說表明光是一種波，光的電磁說表明光是電磁波，而光電效應(yīng)現(xiàn)象和光子說同時也說明光具有粒子性，但光子說并沒有排斥電磁說，因為光子的能量與頻率成正比，而頻率是反映波的特性的物理量。后來的科學(xué)研究表明，光既具有波動性，又具有粒子性，這就是光的波粒二象性。光既不是宏觀世界中的機(jī)械波，也不是宏觀世界中的粒子。光的波動性是指光在傳播過程中，光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的機(jī)會多少，因此，大量的光子表現(xiàn)出

9、波動性，這就是概率波（不是機(jī)械波）。光的粒子性是指光與物質(zhì)作用時，是“一份一份”進(jìn)行的，每一份叫一個“光子”，而且這種粒子的運(yùn)動是沒有規(guī)則的（是不可預(yù)測的，即所謂的“不確定性”）。少量光子表現(xiàn)出粒子性（無規(guī)則），大量光子表現(xiàn)出波動性（顯示概率）。因此，大量的光子以及在光傳播的過程中顯示出波動性；少量的光子以及光與其它物質(zhì)相互作用的時候顯示出粒子性。三、典型例題1、光的干涉例1. 在點(diǎn)燃的酒精燈（在燈芯上灑些鹽）旁豎立附著一層肥皂液薄膜的金屬線圈，將金屬線圈在其所在的平面內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn)，觀察到的現(xiàn)象是（）A當(dāng)金屬線圈旋轉(zhuǎn)30°時，干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)30°B當(dāng)金屬線圈旋轉(zhuǎn)45

10、76;時，干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)90°C當(dāng)金屬線圈旋轉(zhuǎn)60°時，干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)30°D干涉條紋保持不變解析：肥皂液薄膜被照射形成薄膜干涉，薄膜由于是緩慢轉(zhuǎn)動，所以由于重力的作用，會使膜總是上薄下厚，由于同一條紋對應(yīng)同一厚度，所以形成的條紋都是水平的。因此答案選D2、光的衍射例2、下列現(xiàn)象哪些是光衍射產(chǎn)生的（），A著名的泊松亮斑B陽光下茂密樹蔭中地面上的圓形亮斑C光照到細(xì)金屬絲上后在其后面屏上的陰影中間出現(xiàn)亮線D陽光經(jīng)凸透鏡后形成的亮斑解析：光線通過小圓盤，則會在屏上出現(xiàn)中心有亮斑，說明光線也偏離原來的直線方向傳播，所以屬于光的衍射，故A正確；陽光下茂密樹蔭中地面上

11、的圓形亮斑，是屬于小孔成像現(xiàn)象，故B錯誤；光照到細(xì)金屬絲后，在其后面屏上的陰影中間亮線，是光傳播到了“陰影”區(qū)域，屬于光的衍射現(xiàn)象，故C正確；太陽光通過三棱鏡產(chǎn)生彩色條紋，是由于光發(fā)生了色散現(xiàn)象即屬于光的折射現(xiàn)象，故D錯誤。故選AC圖13、光電效應(yīng)例3.如圖1所示，用導(dǎo)線把驗電器與鋅板相連接，當(dāng)用紫外線照射鋅板時，發(fā)生的現(xiàn)象是( )A有光子從鋅板逸出 B有電子從鋅板逸出C驗電器指針張開一個角度 D鋅板帶負(fù)電解析：用紫外線照射鋅板是能夠發(fā)生光電效應(yīng)的，鋅板上的電子吸收紫外線的能量從鋅板表面逸出，稱之為光電子，故A錯誤，B正確；鋅板與驗電器相連，帶有相同電性的電荷，鋅板失去電子應(yīng)該帶正電，且失去電子越多，帶正電的電荷量越多，驗電器指針張角越大，故C正確，D錯誤。4.光的波粒二象性圖2例4.用極微弱的可見光做雙縫干涉實(shí)驗，