高中物理 選修1 第四章 光(折射反射干涉衍射偏振)（2024人教版）

選修1

第四章光陽光照在水面，以下哪項會發(fā)生？它反射回空氣中。它折射到水中去。它被水吸收，并轉(zhuǎn)成熱能。

第一節(jié)光的反射和折射法線一、反射定律：反射光線與入射光線、法線處在同一平面內(nèi)，反射光線與入射光線分別位于法線的兩側(cè)；反射角等于入射角。光由空氣射入玻璃入射角反射角光從空氣射到玻璃上，在界面上一部分光發(fā)生反射，回到空氣中；另一部分光射入玻璃中，并改變了原來的傳播方向．

二、光從一種介質(zhì)進入到另一介質(zhì)，叫做光的折射．θ1θ2空氣玻璃NN'AOBθ1入射光線和法線的夾角——入射角θ2折射光線和法線的夾角——折射角1.荷蘭數(shù)學(xué)家斯涅耳在分析了大量實驗數(shù)據(jù)后，找到了兩者之間的關(guān)系，并把它總結(jié)為光的折射定律（refractionlaw）：折射光線與入射光線、法線處在同一平面內(nèi)，折射光線與入射光線分別位于法線的兩側(cè)；入射角的正弦與折射角的正弦成正比2.公式：sinθ1sinθ2=n12n12為比例常數(shù)玻璃OABNN'θ1θ2空氣3.在折射現(xiàn)象中光路可逆。它與入射角、折射角的大小無關(guān)，只與兩種介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)

4.特例：當(dāng)入射角為0時，折射角也為0（即光線垂直入射時，不改變方向）與折射定律并不矛盾。玻璃AB空氣NON'

sin0sin0=n12三、折射率——光從真空射入某介質(zhì)發(fā)生折射時，入射角的正弦與折射角的正弦之比，叫做這種介質(zhì)的絕對折射率，簡稱折射率nsinθ1sinθ2=n12折射率n研究表明：第二種媒質(zhì)對第一種媒質(zhì)的相對折射率等于光在第一種媒質(zhì)中的傳播速度V1與光在第二種媒質(zhì)中的傳播速度V2之比C—真空中光速V—介質(zhì)中光速任何介質(zhì)的折射率n都大于1真空的折射率為1，

空氣的折射率近似為1

注意：1.空氣的折射率是1.00028，通常情況下認(rèn)為光從空氣射入某種介質(zhì)時入射角正弦與折射角正弦之比就是那種介質(zhì)的折射率。幾種介質(zhì)的折射率2.密度大的介質(zhì)，其折射率不一定大，因為密度和折射率反映的物理性質(zhì)是不同的。一個儲油桶的底面直徑與高均為d．當(dāng)桶內(nèi)沒有油時，從某點A恰能看到桶底邊緣B．當(dāng)油的深度等于桶高的一半時，仍沿AB方向看去，恰好看到桶底上的點C，C、B兩點相距d/4。求：（1）油的折射率n

（2）光在油中傳播的速度折射應(yīng)用1：

人在水上看到物體的像，比實際物體位置偏上，感覺水比較淺。從上向下看,折射應(yīng)用2、光的色散1.復(fù)色光在介質(zhì)中由于折射率不同而分解成單色光的現(xiàn)象2.光的色散現(xiàn)象說明：*白光實際上是由各種單色光組成的復(fù)色光。*介質(zhì)材料對不同色光的折射率不同。色光紫靛藍(lán)綠黃橙紅折射率1.5321.5281.5191.5171.5141.513*各種色光在同一種介質(zhì)中傳播的速度不同。紅光在介質(zhì)中的速度比其他色光大，紫光在介質(zhì)中的速度最小，大介質(zhì)中速度小紫光：頻率大，n大，偏折程度大在粗略的討論中可以忽略色散效應(yīng)。請思考：用屏接收和用眼直接對著出射光看，看到的光譜有沒有區(qū)別？紅光在上面，紫光在下面。紅光在下面，紫光在上面。看到的是虛像

假設(shè)地球表面不存在大氣層,那么人們觀察到的日出時刻與存在大氣層的情況相比,A.將提前

B.將延后C.在某些地區(qū)將提前,在另一些地區(qū)將延后

D.不變應(yīng)用3：有大氣，看到太陽更早沒有大氣，將遲一些看到太陽

鉆石為何如此璀璨奪目？

水中的氣泡為何晶瑩閃亮？

聽說過光線會拐彎嗎？

海市蜃樓是否真實存在？第二節(jié)全反射

演示實驗：光線的全反射現(xiàn)象一、光疏和光密：1、折射率小——光疏2、折射率大——光密光疏——真空（或空氣），C最大，角度大若光從介質(zhì)進空氣，折射角>入射角若光從空氣進介質(zhì)，入射角>折射角二、全反射1、當(dāng)光由光密進入光疏，且入射角增大到某一個角度（臨界角），使折射角到90o，折射光消失,只剩下反射光線2、反生全反射條件：（1）由光密進入光疏（2）入射角大等于臨界角3、臨界角C臨sinC臨=1/n例：水中的潛水員看岸上所有景物都在一個頂角約為θ的圓錐里，為什么，求θ？（水的折射率n=1.33）三、全反射的實例：1、全反射棱鏡：與平面鏡相比，它的反射率高，幾乎可達(dá)100%。

動手做一做

演示實驗：荔枝球C=48.8°C建立模型，理論推導(dǎo)，得到結(jié)論：內(nèi)層四分之三看到的是氣泡內(nèi)的情景；外層的四分之一是全反射的“鏡面”！氣泡為何晶瑩閃亮鉆石為何璀璨奪目切割前切割后1966年，33歲的華裔科學(xué)家高錕提出：光通過直徑僅幾微米的玻璃纖維就可以用來傳輸大量信息。高錕因此獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎。

2、光導(dǎo)纖維演示：漏水實驗、光導(dǎo)纖維內(nèi)芯——外套——光密，折射率大光疏，折射率小應(yīng)用：內(nèi)窺鏡、光纖通信做一做（消失的硬幣，試管“銀鏡反應(yīng)”等）

想一想：前方湖泊？3、海市蜃樓路面積水？遠(yuǎn)方都市？光是在空間傳播的某種波光是一種物質(zhì)微粒，在均勻的介質(zhì)中以一定的速度傳播惠更斯1629－1669牛頓光的本質(zhì)是什么？第三節(jié)光的干涉干涉現(xiàn)象是波獨有的特征，假設(shè)光真的是一種波，就必然會觀察到光的干涉現(xiàn)象．機械波干涉條件是什么？相干條件1801年，英國物理學(xué)家托馬斯·楊在實驗室里成功的觀察到了光的干涉．托馬斯·楊1773~1829如果要觀察到光的干涉現(xiàn)象需要什么條件？相同的兩個光源發(fā)出的光－－這樣的光叫相干光束一、光的雙縫干涉1、滿足干涉條件：

頻率相同、相位差恒定、振動方向相同單色激光束擋板屏明暗相間等距的條紋雙縫干涉示意圖2、單色光入射在屏能觀察到：S1S2S1S2P1ΔSΔs=P1S2－P1S1光程差（光程差為半波長偶數(shù)倍——亮條紋）單色激光束3、產(chǎn)生亮暗條紋的條件：若若（光程差為半波長奇數(shù)倍——暗條紋）4、干涉條紋和光的波長之間的關(guān)系θ雙縫間距——d縫屏間距——L入射光波長——λ條紋間距：Δ利用雙縫干涉實驗，測量L、d、△x可測單色光的波長你能否根據(jù)所學(xué)的知識，設(shè)計一測量某種可見光波長的方案？實例：雙縫的間距d＝0.18mm光屏到擋板間的距離L＝90cm相鄰兩條亮條紋的間距Δx＝3.50mm則此單色光的波長為多大？各色光在真空中的波長光的顏色波長nm光的顏色波長nm紅770－620綠580－490橙620－600藍(lán)－靛490－450黃600－580紫450－400紅光波長最大，紫光波長最小思考：復(fù)色光源做揚氏雙縫干涉實驗，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？白光＋紅光蘭光用白光做雙縫干涉實驗，亮暗相間彩色條紋．…………光的干涉實驗最早是英國物理學(xué)家托馬斯·楊在1801

年成功完成的。托馬斯·楊的時代沒有激光。他用日光照亮一條狹縫，通過這條狹縫的光再通過雙縫，發(fā)生干涉。

這就是歷史上著名的楊氏雙縫干涉實驗，它有力地證明了光是一種波

實驗：雙縫干涉測光波長二、薄膜干涉1、肥皂膜的薄膜干涉2、利用薄膜干涉檢查平整度3、增透膜膜的厚度為光在介質(zhì)中波長的1/44、牛頓環(huán)

光可以發(fā)生干涉，也可以發(fā)生衍射嗎？為什么在日常生活中我們觀察不到光的衍射，而且常常說

“光沿直線傳播”呢？

發(fā)生明顯衍射的條件是什么?激光束調(diào)節(jié)狹縫寬窄像屏一、光的衍射

1、現(xiàn)象：

光離開直線路徑繞過障礙物而進入陰影區(qū)的現(xiàn)象叫做光的衍射現(xiàn)象。

2、明顯衍射的條件

障礙物或狹縫的尺寸比波長小或者跟波長相差不多

3、物理意義：光的衍射現(xiàn)象證明光是一種波

第五節(jié)光的衍射1、單縫衍射條紋的特征二、單縫衍射

A、中央亮紋寬而亮．B、兩側(cè)條紋亮紋較窄、較暗，具有對稱性．觀察下列衍射圖樣，分析衍射規(guī)律：不同縫寬的單縫衍射不同色光的單縫衍射

A、波長一定時，單縫窄的中央條紋寬，各條紋間距大．

B、單縫不變時，光波波長的（紅光）中央亮紋越寬，條紋間隔越大．

C、白光的單縫衍射條紋為中央亮，兩側(cè)為彩色條紋，且外側(cè)呈紅色，靠近光源的內(nèi)側(cè)為紫色．2、單縫衍射規(guī)律3、干涉條紋與衍射條紋的區(qū)別

干涉：等距的明暗相間的條紋衍射：中央有一條較寬亮條紋，兩邊是對稱不等間距的明暗相間的條紋ABS

孔較大時——屏上出現(xiàn)清晰的光斑（直線傳播）

孔較小時——屏上出現(xiàn)衍射花樣三、圓孔衍射實驗或者視頻

不只是狹縫和圓孔，各種不同形狀的物體都能使光發(fā)生衍射，以至使影的輪廓模糊不清，其原因是光通過物體的邊緣而發(fā)生衍射的結(jié)果．歷史上曾有一個著名的衍射圖樣——泊松亮斑．圓屏衍射圓孔衍射鋼針的衍射四、泊松亮斑區(qū)分：圓孔衍射和圓屏衍射（泊松亮斑）1818年，法國的巴黎科學(xué)院為了鼓勵對衍射問題的研究，懸賞征集這方面的論文。一位年輕的物理學(xué)家菲涅耳在論文中按照波動說深入研究了光的衍射。

當(dāng)時的另一位法國科學(xué)家泊松是光的波動說的反對者，他按照菲涅耳的理論計算了光在圓盤后的影的問題，發(fā)現(xiàn)對于一定的波長、在適當(dāng)?shù)木嚯x上，影的心會出現(xiàn)一個亮斑！泊松認(rèn)為這是荒謬可笑的，并認(rèn)為這樣就倒了光的波動說。

但是，就在競賽的關(guān)鍵時刻，評委阿拉果在實驗中觀察到了

這個亮斑（圖4.5-6），這樣，泊松的計算反而支持了光的波動說。

后人為了紀(jì)念這個有意義的事件，把這個亮斑稱為泊松亮斑，

稱為阿拉果亮斑

衍射光柵是由許多等寬的狹縫等距離的排列起來形成的光學(xué)儀器?？煞譃橥干涔鈻藕头瓷涔鈻叛苌涔鈻?a)N=1(b)N=2(c)N=3(d)N=4例：下面四種現(xiàn)象中，哪些不是光的衍射現(xiàn)象造成的：

A．通過游標(biāo)卡尺觀測兩卡腳間狹縫中發(fā)光的日光燈管，會看到平行的彩色條紋；

B．不透光圓片后面的陰影中心出現(xiàn)一個亮斑；

C．太陽光照射下，架在空中的電線在地面上不會留下影子；

D．用點光源照射小圓孔，后面屏上會出現(xiàn)明暗相間的圓環(huán)．

第六節(jié)光的偏振腰橫別扁擔(dān)進不了城門一、偏振只有橫波能發(fā)生偏振現(xiàn)象實驗：偏振片光的偏振現(xiàn)象有很多應(yīng)用．如在拍攝日落時水面下的景物、池中的游魚、玻璃櫥窗里的陳列物的照片時，由于水面或玻璃表面的反射光的干擾，常使景像不清楚．如果在照相機鏡頭前裝一片偏振濾光片，讓它的透振方向與反射光的偏振方向垂直，就可以減弱反射光而使景像清晰．二、偏振的應(yīng)用不加偏振片拍攝，櫥窗中景物模糊不清加偏振片拍攝，景物變清晰液晶顯示電極反光板電極液晶偏振片偏振片上下兩極板沒有電壓（液晶有旋光性）自然光通過第一塊偏振片成為偏振光上下兩極板有一定大小的電壓（液晶無旋光性）有出射光線無出射光線自然光無無汽車車燈:汽車夜間在公路上行駛與對面的車輛相遇時，為了避免雙方車燈的眩目，司機都關(guān)閉大燈，只開小燈，放慢車速，以免發(fā)生車禍。如駕駛室的前窗玻璃和車燈的玻璃罩都裝有偏振片，而且規(guī)定它們的偏振化方向都沿同一方向并與水平面成45度角，那么，司機從前窗只能看到自已的車燈發(fā)出的光，而看不到對面車燈的光，這樣，汽車在夜間行駛時，即不要熄燈，也不要減速，可以保證安全行車。

另外，在陽光充足的白天駕駛汽車，從路面或周圍建筑物的玻璃上反射過來的耀眼的陽光，常會使眼睛睜不開。由于光是橫波，所以這些強烈的來自上空的散射光基本上是水平方向振動的。因此，只需帶一副只能透射豎直方向偏振光的偏振太陽鏡便可擋住部分的散射光。

未裝偏振照明燈的情景觀看立體電影:在拍攝立體電影時，用兩個攝影機，兩個攝影機的鏡頭相當(dāng)于人的兩只眼睛，它們同時分別拍下同一物體的兩個畫像，放映時把兩個畫像同時映在銀幕上。如果設(shè)法使觀眾的一只眼睛只能看到其中一個畫面，就可以使觀眾得到立體感。為此，在放映時，兩個放像機每個放像機鏡頭上放一個偏振片，兩個偏振片的偏振化方向相互垂直，觀眾戴上用偏振片做成的眼鏡，左眼偏振片的偏振化方向與左面放像機上的偏振化方向相同，右眼偏振片的偏振化方向與右面放像機上的偏振化方向相同，這樣，銀幕上的兩個畫面分別通過兩只眼睛觀察，在人的腦海中就形成立體化的影像了。

偏光鏡頭立體電影用偏光鏡消除了反射偏振光使玻璃門內(nèi)的人物清晰可見玻璃門表面的反光很強櫥窗設(shè)計激光發(fā)射器三、激光一、激光的特點1、相干性好（純凈）

2、平行度好3、亮度高光是從物質(zhì)的原子中發(fā)射出來的。原子獲得能量以后處于不穩(wěn)定狀態(tài)，它會以光的形式把能量發(fā)射出去。但是，普通的光源，例如白熾燈，燈絲中某個原子在什么時刻發(fā)光、在哪個方向偏振，完全是隨機的，發(fā)出的光傳播方向各異，頻率也不一定相同，這導(dǎo)致不同原子發(fā)出的光沒有確定的相位差。因此，普通光源發(fā)出的自然光是許多頻率、相位、偏振以及傳播方向各不相同的光的雜亂無章的混合。這導(dǎo)致兩個獨立的普通光源發(fā)出的光不會發(fā)生干涉。那么，能否制造出頻率、相位、偏振以及傳播方向等性質(zhì)都十分確定的“純凈”的光呢？1960年，美國物理學(xué)家梅曼率先在實驗室中制造出了傳播方向、偏振、相位等

性