知識(shí)清單：第三章光及其應(yīng)用（解析版）

學(xué)而優(yōu)教有方主題3光及其應(yīng)用1光的反射和折射一、反射定律和折射定律1.光的反射(1)反射現(xiàn)象：光從第1種介質(zhì)射到它與第2種介質(zhì)的分界面時(shí)，一部分光會(huì)返回到第1種介質(zhì)的現(xiàn)象.(2)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.(3)在光的反射現(xiàn)象中，光路是可逆的.2.光的折射(1)折射現(xiàn)象：光從第1種介質(zhì)射到它與第2種介質(zhì)的分界面時(shí)，一部分光會(huì)進(jìn)入第2種介質(zhì)的現(xiàn)象.(2)折射定律(如圖1所示)圖1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，即eq\f(sinθ1,sinθ2)＝n12(式中n12是比例常數(shù)).(3)在光的折射現(xiàn)象中，光路是可逆的.二、折射率1.定義光從真空射入某種介質(zhì)發(fā)生折射時(shí)，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(duì)折射率，簡(jiǎn)稱折射率.即n＝eq\f(sinθ1,sinθ2).2.折射率與光速的關(guān)系某種介質(zhì)的折射率，等于光在真空中的傳播速度c與光在這種介質(zhì)中的傳播速度v之比，即n＝eq\f(c,v).(1)光在介質(zhì)中的傳播速度v跟介質(zhì)的折射率n有關(guān)，由于光在真空中的傳播速度c大于光在任何其他介質(zhì)中的傳播速度v，所以任何介質(zhì)的折射率n都大于1.(2)某種介質(zhì)的折射率越大，光在該介質(zhì)中的傳播速度越小.3.理解由于c＞v，故任何介質(zhì)的折射率n都大于(填“大于”“小于”或“等于”)1.2全反射一、全反射1.光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)(1)光疏介質(zhì)：折射率較小(填“大”或“小”)的介質(zhì).(2)光密介質(zhì)：折射率較大(填“大”或“小”)的介質(zhì).(3)光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)是相對(duì)(填“相對(duì)”或“絕對(duì)”)的.2.全反射現(xiàn)象(1)全反射：光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，同時(shí)發(fā)生折射和反射.若入射角增大到某一角度，折射光線完全消失，只剩下反射光線的現(xiàn)象.(2)臨界角：剛好發(fā)生全反射，即折射角等于90°時(shí)的入射角.用字母C表示，光從介質(zhì)射入空氣(真空)時(shí)，發(fā)生全反射的臨界角C與介質(zhì)的折射率n的關(guān)系是sinC＝eq\f(1,n).(3)全反射發(fā)生的條件①光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì).②入射角等于或大于臨界角.二、全反射棱鏡1.形狀：截面為等腰直角三角形的棱鏡.2.全反射棱鏡的特點(diǎn)(1)當(dāng)光垂直于它的一個(gè)界面射入后，都會(huì)在其內(nèi)部發(fā)生全反射，與平面鏡相比，它的反射率很高.(2)反射面不必涂敷任何反光物質(zhì)，反射時(shí)失真小.三、光導(dǎo)纖維1.原理：利用了光的全反射.2.構(gòu)造：由內(nèi)芯和外套兩層組成.內(nèi)芯的折射率比外套的大，光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射.3.光纖通信的優(yōu)點(diǎn)是容量大、衰減小、抗干擾性強(qiáng)等.4.光導(dǎo)纖維除應(yīng)用于光纖通信外，還可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上的內(nèi)窺鏡等.5.構(gòu)造及傳播原理(1)構(gòu)造：光導(dǎo)纖維是一種透明的玻璃纖維絲，直徑只有幾微米到一百微米，如圖1所示，它是由內(nèi)芯和外套兩層組成的，內(nèi)芯的折射率大于外套的折射率圖1(2)傳播原理：光由一端進(jìn)入，在兩層的界面上經(jīng)過多次全反射，從另一端射出，光導(dǎo)纖維可以遠(yuǎn)距離傳播光信號(hào)，光信號(hào)又可以轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)而變?yōu)槁曇?、圖像.6.光導(dǎo)纖維的折射率設(shè)光導(dǎo)纖維的折射率為n，當(dāng)入射角為θ1時(shí)，進(jìn)入光導(dǎo)纖維的光線傳到側(cè)面恰好發(fā)生全反射，則有：sinC＝eq\f(1,n)，n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)，C＋θ2＝90°，由以上各式可得：sinθ1＝eq\r(n2－1).由圖2可知：當(dāng)θ1增大時(shí)，θ2增大，由光導(dǎo)纖維射向空氣的光線的入射角θ減小，當(dāng)θ1＝90°時(shí)，若θ＝C，則所有進(jìn)入光導(dǎo)纖維中的光線都能發(fā)生全反射，即解得n＝eq\r(2).圖2以上是光從光導(dǎo)纖維射向真空時(shí)得到的折射率，由于光導(dǎo)纖維包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此折射率要比eq\r(2)大些.四、解決全反射問題的思路(1)確定光是由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)還是由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì).(2)若光由介質(zhì)進(jìn)入空氣(真空)時(shí)，則根據(jù)sinC＝eq\f(1,n)確定臨界角，看是否發(fā)生全反射.(3)根據(jù)題設(shè)條件，畫出入射角等于臨界角的“臨界光路”.(4)運(yùn)用幾何關(guān)系、三角函數(shù)關(guān)系、反射定律等進(jìn)行判斷推理、運(yùn)算及變換并進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析或定量計(jì)算.3光的干涉一、楊氏干涉實(shí)驗(yàn)1.1801年，英國物理學(xué)家托馬斯·楊成功地觀察到了光的干涉現(xiàn)象，人們開始認(rèn)識(shí)到光具有波動(dòng)性.2.雙縫干涉實(shí)驗(yàn)(1)實(shí)驗(yàn)過程：讓一束單色光投射到一個(gè)有兩條狹縫S1和S2的擋板上，兩狹縫相距很近，兩狹縫就成了兩個(gè)波源，它們的頻率、相位和振動(dòng)方向總是相同的，兩個(gè)光源發(fā)出的光在擋板后面的空間互相疊加發(fā)生干涉現(xiàn)象.(2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在屏上得到明暗相間等間距的條紋.(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：光是一種波.(4)雙縫干涉的裝置示意圖實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，有光源、單縫、雙縫和光屏.(5)單縫的作用：獲得一個(gè)線光源，使光源有唯一的頻率和振動(dòng)情況，也可用激光直接照射雙縫.(5)雙縫的作用：將一束光分成兩束頻率相同且振動(dòng)情況完全一致的相干光.3.光產(chǎn)生干涉的條件兩束光的頻率相同、相位差恒定、振動(dòng)方向相同，楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是靠“一分為二”的方法獲得兩個(gè)相干光源的.4.干涉圖樣(1)單色光的干涉圖樣：干涉條紋是等間距的明暗相間的條紋.(2)白光的干涉圖樣：中央條紋是白色的，兩側(cè)干涉條紋是彩色條紋.二、決定條紋間距的條件1.干涉條件：兩波源的頻率、振動(dòng)方向都相同，相位差恒定.2.出現(xiàn)明暗條紋的判斷(1)亮條紋：當(dāng)兩個(gè)光源與屏上某點(diǎn)的距離之差等于半波長(zhǎng)的偶(填“奇”或“偶”)數(shù)倍時(shí)，出現(xiàn)亮條紋.(2)暗條紋：當(dāng)兩個(gè)光源與屏上某點(diǎn)的距離之差等于半波長(zhǎng)的奇(填“奇”或“偶”)數(shù)倍時(shí)，出現(xiàn)暗條紋.4實(shí)驗(yàn)：用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)一、實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，兩縫之間的距離為d，每個(gè)狹縫都很窄，寬度可以忽略.圖1兩縫S1、S2的連線的中垂線與屏的交點(diǎn)為P0，雙縫到屏的距離OP0＝l.則相鄰兩個(gè)亮條紋或暗條紋的中心間距：Δx＝eq\f(l,d)λ.若已知雙縫間距，再測(cè)出雙縫到屏的距離l和條紋間距Δx，就可以求得光波的波長(zhǎng).二、實(shí)驗(yàn)器材雙縫干涉儀，即光具座、光源、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒、毛玻璃屏、測(cè)量頭.另外，還有學(xué)生電源、導(dǎo)線、刻度尺等.三、實(shí)驗(yàn)步驟1.將光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上，如圖2所示.圖22.接好光源，打開開關(guān)，使燈絲正常發(fā)光.3.調(diào)節(jié)各器件的高度，使光源燈絲發(fā)出的光能沿軸線到達(dá)光屏.4.這時(shí)可觀察白光的干涉條紋.5.在單縫和光源間放上濾光片，觀察單色光的干涉條紋.四、數(shù)據(jù)處理1.安裝測(cè)量頭，調(diào)節(jié)至可清晰觀察到干涉條紋.2.使分劃板中心刻線對(duì)齊某條亮條紋的中心，記下手輪上的讀數(shù)a1，將該條紋記為第1條亮紋；轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使分劃板中心刻線移動(dòng)至另一亮條紋的中心，記下此時(shí)手輪上的讀數(shù)a2，將該條紋記為第n條亮紋，則相鄰兩亮條紋間距Δx＝eq\f(|a2－a1|,n－1).3.用刻度尺測(cè)量雙縫到光屏間的距離l(d是已知的).4.重復(fù)測(cè)量、計(jì)算，求出波長(zhǎng)的平均值.五、誤差分析1.光波的波長(zhǎng)很小，Δx、l的測(cè)量對(duì)波長(zhǎng)λ的影響很大.2.在測(cè)量l時(shí)，一般用毫米刻度尺；而測(cè)Δx時(shí)，用千分尺且采用“累積法”.3.多次測(cè)量求平均值.六、注意事項(xiàng)1.雙縫干涉儀是比較精密的儀器，應(yīng)輕拿輕放，不要隨便拆解遮光筒、測(cè)量頭等元件.2.濾光片、單縫、雙縫、目鏡等如有灰塵，應(yīng)用擦鏡紙輕輕擦去.3.安裝時(shí)，注意調(diào)節(jié)光源、濾光片、單縫、雙縫的中心均在遮光筒的中心軸線上，并使單縫、雙縫平行且豎直，間距大約5～10cm.4.調(diào)節(jié)的基本依據(jù)是：照在像屏上的光很弱.主要原因是燈絲與單縫、雙縫、測(cè)量頭與遮光筒不共軸線所致.干涉條紋不清晰的主要原因一般是單縫與雙縫不平行.5.測(cè)量頭在使用時(shí)應(yīng)使中心刻線對(duì)應(yīng)著亮(暗)條紋的中心.6.光源燈絲最好為線狀燈絲，并與單縫平行靠近.5光的衍射6光的偏振一、光的衍射1.用單色平行光照射狹縫，當(dāng)縫很窄時(shí)，光沒有沿直線傳播，它繞過了縫的邊緣，傳播到了相當(dāng)寬的地方.這就是光的衍射現(xiàn)象.2.各種不同形狀的障礙物都能使光發(fā)生衍射，致使影的輪廓模糊不清，出現(xiàn)明暗相間的條紋.3.發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件：在障礙物的尺寸可以跟光的波長(zhǎng)相比，甚至比光的波長(zhǎng)還小的時(shí)候，衍射現(xiàn)象十分明顯.4.衍射光柵(1)構(gòu)成：由許多等寬的狹縫等距離地排列起來形成的光學(xué)元件.(2)增加狹縫的個(gè)數(shù)，衍射條紋的寬度變窄，亮度增加.(3)種類：透射光柵和反射光柵.5.單縫衍射(1)單色光通過狹縫時(shí)，在屏幕上出現(xiàn)明暗相間的條紋，中央為亮條紋.中央條紋最寬最亮，兩側(cè)的亮條紋逐漸變暗變窄；通過狹縫時(shí)，在屏上出現(xiàn)彩色條紋，中央為白色條紋.(2)波長(zhǎng)一定時(shí)，單縫窄的中央條紋寬，各條紋間距大；單縫不變時(shí)，光波波長(zhǎng)大的中央條紋寬，條紋間距大.6.圓孔衍射：光通過小孔(孔很小)時(shí)，在光屏上出現(xiàn)中央是大且亮的圓形亮斑，周圍分布著明暗相間的同心圓環(huán).如圖1所示.圖1圖27.圓板衍射(泊松亮斑)(1)若在單色光(如激光)傳播途中放一個(gè)較小的圓形障礙物，會(huì)發(fā)現(xiàn)在影的中心有一個(gè)亮斑，這就是著名的泊松亮斑，衍射圖樣如圖2所示.(2)中央是亮斑，圓板陰影的邊緣是模糊的，在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環(huán).二、光的偏振1.偏振片由特定的材料制成，每個(gè)偏振片都有一個(gè)特定的方向，只有沿著這個(gè)方向振動(dòng)的光波才能順利通過偏振片，這個(gè)方向叫做“透振方向”.2.自然光和偏振光(1)自然光：太陽、電燈等普通光源發(fā)出的光，包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動(dòng)的光，而且沿各個(gè)方向振動(dòng)的光波的強(qiáng)度都相同.這種光是“自然光”.(2)偏振光：在垂直于傳播方向的平面上，沿著某個(gè)特定的方向振動(dòng)，這種光叫做偏振光.3.光的偏振現(xiàn)象說明光是一種橫波.4.偏振現(xiàn)象的應(yīng)用照相機(jī)鏡頭前的偏振濾光片、電子表的液晶顯示、立體電影、車燈眩光的消除等.三、單縫衍射與雙縫干涉的比較1.不同點(diǎn)(1)產(chǎn)生條件eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(單縫衍射：只要狹縫足夠小,雙縫干涉：頻率相同的兩列光波相遇疊加))(2)圖樣eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(單縫衍射的圖樣是中央為最寬最亮的亮條紋，兩側(cè)亮條紋變暗變窄,雙縫干涉的圖樣是亮度相同的等間距的條紋))2.相同點(diǎn)(1)都有明暗相間的條紋，條紋都是光波疊加時(shí)加強(qiáng)或減弱的結(jié)果.(2)都是波特有的現(xiàn)象，表明光是一種波.7光的顏色色散8激光一、光的顏色色散1.光的顏色與波長(zhǎng)：不同顏色的光，波長(zhǎng)不同.2.光的色散：含有多種顏色的光被分解為單色光的現(xiàn)象.3.光譜：含有多種顏色的光被分解后，各種色光按其波長(zhǎng)的有序排列.二、色散1.薄膜干涉中的色散薄膜干涉的原理：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，兩列波疊加后相互削弱，于是出現(xiàn)暗條紋.2.衍射中的色散用白光進(jìn)行衍射實(shí)驗(yàn)時(shí)，得到的是彩色條紋，這是由于白光中包含各種顏色的光，不同色光亮條紋的位置不同.3.折射中的色散一束白光通過棱鏡折射后，在屏上的光斑是彩色的，是因?yàn)橥该魑镔|(zhì)對(duì)于波長(zhǎng)不同的光的折射率n不一樣，λ越小，n越大，波速v越慢(填“快”或“慢”).三、激光1.激光的特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn)應(yīng)用相干性強(qiáng)：激光具有頻率相同、相位差恒定、偏振方向一致的特點(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好：激光的平行度非常好，傳播很遠(yuǎn)的距離后仍能保持一定的強(qiáng)度激光會(huì)聚一點(diǎn)，讀取光盤上記錄的信息，激光測(cè)距等亮度高：它可以在很小的空間和很短的時(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)核聚變等2.全息照相(1)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)還可以記錄光波的相位信息.(2)原理：全息照片的拍攝利用了光的干涉原理.四、薄膜干涉中的色散1.薄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.2.薄膜干涉的原理光照在厚度不同的薄膜上時(shí)，前、后兩個(gè)面的反射光的路程差等于相應(yīng)位置膜厚度的2倍，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，疊加后相互削弱，于是出現(xiàn)暗條紋.3.薄膜干涉是經(jīng)薄膜前、后表面反射的兩束光疊加的結(jié)果出現(xiàn)亮條紋的位置，兩束光的路程差Δr＝kλ(k＝0，1，2，3…)，出現(xiàn)暗條紋的位置，兩束光的路程差Δr＝eq\f(2k＋1,2)λ(k＝0，1，2，3…).4.薄膜干涉的應(yīng)用(1)檢查平面平整度的原理光線經(jīng)空氣薄膜的上、下兩面的反射，得到兩束相干光，如果被檢測(cè)平面是光滑的，得到的干涉條紋是等間距的，如果被檢測(cè)平面某處凹下，則對(duì)應(yīng)條紋提前出現(xiàn)，如果某處凸起，則對(duì)應(yīng)條紋延后出現(xiàn).(2)增透膜的原理在增透膜的前、后表面反射的兩列光波形成相干波，當(dāng)路程差為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，兩光波相互削弱，反射光的能量幾乎等于零.實(shí)驗(yàn)：測(cè)定玻璃的折射率一、實(shí)驗(yàn)原理用插針法確定光路，找出與入射光線相應(yīng)的出射光線，就能在玻璃磚中畫出對(duì)應(yīng)的折射光線，從而可以測(cè)出一組對(duì)應(yīng)的入射角和折射角，根據(jù)折射定律，便可求出玻璃的折射率.二、實(shí)驗(yàn)器材玻璃磚、白紙、木板、大頭針?biāo)拿丁D釘(3～4枚)、量角器、直尺、鉛筆.三、操作步驟1.把白紙用圖釘釘在木板上.2.用直尺畫一條平行于玻璃磚一個(gè)面的一條線aa′作為界面，過aa′上一點(diǎn)O作垂直于aa′的直線NN′作為法線，過O點(diǎn)畫一條入射光線AO，使入射角θ1適當(dāng)大些，如圖1所示.圖13.在AO線上豎直地插兩枚大頭針P1、P2，在白紙上放上被測(cè)玻璃磚，使玻璃磚的一個(gè)面與aa′重合.4.沿玻璃磚的另一側(cè)面用直尺畫一條直線bb′.5.在玻璃磚的bb′一側(cè)白紙上豎直地立一枚大頭針P3，調(diào)整視線，同時(shí)移動(dòng)大頭針P3的位置，當(dāng)P3恰好能同時(shí)擋住玻璃磚aa′一側(cè)所插的大頭針P1、P2的像時(shí)，把大頭針P3插好.6.在玻璃磚bb′一側(cè)再豎直地插一枚大頭針P4，使P4能擋住P3本身，同時(shí)也能擋住P1、P2的像.7.記下P3、P4的位置，移去玻璃磚，拔去大頭針，過P3、P4連一條直線BO′交bb′于O′點(diǎn)，連