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(共48张PPT)
1.光的折射定律
第四章
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
随堂练习
课标定位
素养阐释
1.通过实验,理解光的折射定律,知道法线、入射角、折射角等概念。
2.知道折射率的定义及物理意义,会测量材料的折射率。
3.知道介质的折射率与光速的关系。
1.认识光的反射及折射现象,知道法线、入射角、反射角、折射角的含义,形成正确物理观念。
2.理解折射定律,会利用折射定律解释相关光现象和计算有关问题,培养科学思维。
3.理解折射率的概念及与光速的关系,形成正确物理观念。
自主预习 新知导学
一、光的折射定律
1.实验探究
(1)实验器材:半圆柱形玻璃砖,光反射、折射演示仪。
(2)实验步骤:
①将演示仪平放在桌面上,半圆柱形玻璃砖放在演示仪上,让玻璃砖的圆心与演示仪的圆心重合,圆心为光线的入射点。
②旋转玻璃砖,直到其直边与演示仪面板上的一条直径重合,作为玻璃与空气的界面,与该界面垂直且过圆心的另一条直径为法线。
③用激光笔贴着演示仪面板表面,从空气中对着圆心发出光束射入玻璃砖中,从板面上读出入射角i和折射角r。
④改变入射角的大小,重复实验步骤③。
2.折射定律(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,即 =n12(式中n12是比例常数)。
3.在光的折射现象中,光路是可逆的。
二、介质的折射率
1.定义:光从真空射入某种介质发生折射时,入射角i的正弦值与折射角r的正弦值的比,叫作这种介质的折射率。用符号n表示,即n= 。
2.折射率与光速的关系:某种介质的折射率,等于光在真空中的传播速度c与光在这种介质中的传播速度v之比,即n= 。
3.物理意义:折射率是反映介质的光学性质的物理量。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)光从一种介质进入另一种介质时,传播方向一定发生变化。(　　)
(2)光从空气斜射入水中时,入射角发生变化,折射角和反射角都发生变化。(　　)
(3)光由一种介质进入另一种介质时,增大入射角,折射角一定增大,入射角与折射角成正比。(　　)
(4)光由空气射入某介质时折射角大于入射角。(　　)
(5)介质的折射率越大,光在这种介质中传播速度越快。(　　)
(6)由折射率的定义式n= 得出,介质的折射率与入射角i的正弦值成正比,与折射角r的正弦值成反比。(　　)
√
×
×
×
×
×
2.右图是一束光从空气射向某介质在界面上发生反射和折射现象的光路图,下列判断正确的是(　　)
A.AO是入射光线,OB为反射光线,OC为折射光线
B.BO是入射光线,OC为反射光线,OA为折射光线
C.CO是入射光线,OB为反射光线,OA为折射光线
D.条件不足,无法确定
答案:C
解析:法线与界面垂直,根据反射角等于入射角,折射光线和入射光线位于法线两侧,可知CO为入射光线,OB为反射光线,OA为折射光线。
3.某同学通过实验测量半圆柱形玻璃砖的折射率n。如图(a)所示,O是圆心,MN是法线,AO、BO分别表示某次测量时光线在空气和玻璃砖中的传播路径。该同学测得多组入射角i和折射角r,作出sin i-sin r图像如图(b)所示。则(　　)
(a)
(b)
A.光由A经O到B,n=1.5
B.光由B经O到A,n=1.5
C.光由A经O到B,n=0.67
D.光由B经O到A,n=0.67
答案:B
解析:介质折射率等于空气中角度的正弦值和介质中角度的正弦值之比,空气中角度较大,对应正弦值较大,对应题图(b)中折射角r,故OA为折射光线,
合作探究 释疑解惑
知识点一
折射定律的理解与应用
问题引领
插在水中的筷子,看上去好像在水面处折断了;盛了水的碗,看上去好像变浅了,这是什么原因
提示:这是发生了光的折射现象,即光从一种介质射入到另一种介质时,传播方向发生改变的现象。
归纳提升
1.光的方向
光从一种介质进入另一种介质时,传播方向一般要发生变化(斜射)。并非一定变化,当光垂直界面入射时,传播方向就不发生变化。
2.光的传播速度
光从一种介质进入另一种介质时,传播速度一定发生变化,当光垂直界面入射时,光的传播方向虽然不变,但也属于折射,因为光传播的速度发生了变化。
3.对折射现象的理解
(1)特殊情况:当光垂直于界面入射时,虽然光的传播方向不变,但光速变了,因此也属于折射。
(2)光线的偏折方向:光线从折射率小的介质斜射入折射率大的介质,折射光线向法线偏折,反之将偏离法线。
(3)光路可逆性:光由介质射入空气或真空时,折射角r大于入射角i。根据光路可逆,可认为光由空气或真空以入射角r入射,对应的折射角为i。
4.解决光的折射问题的方法
(1)根据题意准确、规范地画出光路图,确定好界面和法线。
(2)在光路图中找出入射角、反射角和折射角,利用几何关系确定光路图中的边、角关系,与折射定律n= 中的各量准确对应。结合数学的三角函数的知识进行运算,必要时可利用光路可逆原理辅助解题。
(1)应用折射定律和反射定律解题的关键是确定入射角和折射角。画出正确的光路图是解题的必要前提。
(2)入射角、折射角、反射角均以法线为标准来确定,注意法线与界面的区别。
【例题1】 如图所示,一小孩站在宽6 m的河边,在他正对面的岸边有一距离河面高度为3 m的树,树的正下方河底有一块石头,小孩向河面看去,可同时看到树顶和石头两者的像,并发现两个像重合,若小孩的眼睛离河面高为
答案:5.3 m
典型例题
解析:树顶反射和石头折射成像的光路图如图所示。
根据题意,正确作出光路图,明确入射角、反射角、折射角间的关系是解答此题的关键。
【变式训练1】 光线以60°的入射角从空气射入玻璃中,折射光线与反射光线恰好垂直。(真空中的光速c=3.0×108 m/s)
(1)画出折射光路图。
(2)求出玻璃的折射率和光在玻璃中的传播速度。
(3)当入射角变为45°时,折射角的正弦值为多大
(4)当入射角增大或减小时,玻璃的折射率是否变化
答案:(1)见解析图
解析:(1)光路图如图所示,其中AO为入射光线,OB为折射光线。
(4)不变化,因为折射率是由介质和入射光频率共同决定的物理量,与入射角的大小无关。
知识点二
折射率的理解与计算
问题引领
下表是在探究光由真空射入某种透明介质发生折射的规律时得到的实验数据。请在表格基础上思考以下问题:
入射角i(°) 折射角r(°)
10 6.7 1.49 1.49
20 13.3 1.50 1.49
30 19.6 1.53 1.49
40 25.2 1.59 1.51
50 30.7 1.63 1.50
60 35.1 1.71 1.51
70 38.6 1.81 1.50
80 40.6 1.97 1.51
(1)随着入射角的增大,折射角怎样变化
(2)当入射角与折射角发生变化时,有没有保持不变的量(误差允许范围内)
提示:(1)折射角增大。
(2)入射角的正弦值和折射角的正弦值之比保持不变。
归纳提升
1.物理意义
折射率是一个反映介质的光学性质的物理量。由n= 可知:当i一定时,n越大,r越小,此时光线的偏折角Δθ=i-r就越大。
2.对折射率的理解
(1)折射率。
n= ,θ1为真空中的光线与法线的夹角,不一定为入射角;而θ2为介质中的光线与法线的夹角,也不一定为折射角。
(2)折射率n是反映介质光学性质的物理量,它的大小由介质本身和光的频率共同决定,与入射角、折射角的大小无关,与介质的密度没有必然联系。
(1)光在介质中的传播速度v跟介质的折射率n有关,由于光在真空中的传播速度c大于光在任何其他介质中的传播速度v,所以任何介质的折射率n都大于1。
(2)某种介质的折射率越大,光在该介质中的传播速度越小。
(1)垂直界面入射的光线,折射光线与入射光线在同一直线上,如图(a)所示。
(2)过半圆柱形玻璃砖圆心的光线在圆弧处不偏折,如图(b)所示。
(a)
(b)
典型例题
【例题2】 右图为一个半径为R的透明介质球体,M、N两点关于球心O对称,且与球心的距离均为2R,一细束单色光从M点射向透明介质球体,穿过后到达N点,真空中的光速为c。
(1)若介质的折射率为n0,光线沿MON传播到N点,光传播的时间t为多少
过球体折射后传播到N点,那么球体的折射率n等于多少
(取sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)
(2)光路图如图所示
其中θ=60°
所以α=30°
又β=θ+α=90°
根据折射定律有sin β=nsin θ
无论光从玻璃射向空气还是从空气射向玻璃,在表示介质的折射率时,一定是空气中的光线和法线的夹角的正弦与介质中的光线和法线的夹角的正弦的比值,也就是说介质的折射率一定大于1。
【变式训练2】 两束平行的细激光束垂直于半圆柱形玻璃砖的平面射到半圆柱形玻璃砖上,如图所示。已知其中一束光沿直线穿过玻璃,它的入射点是O,另一束光的入射点为A,穿过玻璃后两条光线交于P点。已知玻璃半
解析:画出光路图如图所示。其中一束光沿直线穿过玻璃,可知O点为圆心。另一束光从A点沿直线进入玻璃,在半圆面上的入射点为B,设入射角为i,折
知识点三
视深的计算与判断
问题引领
有经验的渔民叉鱼时,不是正对着看到的鱼去叉,而是对着所看到鱼的下方叉,如图所示。你知道这是为什么吗
提示:从鱼身上反射的光线由水中进入空气时,在水面上发生折射,折射角大于入射角,折射光线进入人眼,人眼会逆着折射光线的方向看去,就会觉得鱼变浅了,眼睛看到的是鱼的虚像,在鱼的上方,所以叉鱼时要瞄准像的下方,如图所示。
归纳提升
1.视深是人眼看透明物质内部某物点时像点离界面的距离。在中学阶段,一般都是沿着界面的法线方向去观察,在计算时,由于入射角很小,折射角
典型例题
【例题3】 河中有条小鱼,某时刻小鱼的实际深度为H,一人从水面正上方往水中看,他感觉到小鱼的深度为多大 设水的折射率为n。
解析:人观察水中的鱼时,鱼所反射的光线在水面处发生偏折,折射光线远离法线,进入人眼,人眼逆着折射光线的反向延长线看到的是鱼的虚像。画出光路如图所示。设小鱼在S处,从鱼反射出的光线SO垂直水面射出,光线SO1与SO间的夹角很小。因一般人的瞳孔的线度为2~3 mm;i、r为一组对
【变式训练3】 (多选)如图所示,把由同种材料(玻璃)制成的厚度为d的立方体A和半径为d的半球体B分别放在报纸上,从正上方(对B来说是最高点)竖直向下分别观察A、B中心处报纸上的字,下面的说法正确的是(　　)
A.看到A中的字比B中的字高
B.看到B中的字比A中的字高
C.看到A、B中的字一样高
D.A中的字比没有玻璃时的高,B中的字和没有玻璃时的一样
答案:AD
解析:如图所示,放在B中的字反射的光线经半球体向外传播时,传播方向不变,故人看到的字的位置是字的真实位置。而放在A中的字经折射,人看到的位置比真实位置要高。
课堂小结
随堂练习
1.(对折射率的理解)(多选)关于折射率,下列说法正确的是(　　)
D.同一频率的光由真空进入不同介质时,折射率与光在介质中的波长成反比
答案:CD
解析:介质的折射率是一个反映介质光学性质的物理量,由介质本身和光的频率共同决定,与入射角、折射角无关,故选项A、B均错误;由于真空中的光速c是个定值,故折射率n与传播速度v成反比,选项C正确;由于v=λf,当频率f一定时,速度v与波长λ成正比,又折射率n与速度v成反比,故折射率n与波长λ也成反比,选项D正确。
2.(折射率的计算)如图所示,玻璃三棱镜ABC的顶角A为30°,一束光线垂直于AB面射入棱镜,从AC面射出进入空气,测得出射光线与入射光线的夹角为30°,则棱镜的折射率为(　　)
答案:C
解析:如图所示,∠A=30°,则入射角∠MON=30°,
3.(折射定律的应用)人的眼球可简化为如图所示的模型。折射率相同、半径不同的两个球体共轴。平行光束宽度为D,对称地沿轴线方向射入半径为R的小球,会聚在轴线上的P点。取球体的折射率为
求光线的会聚角 α。(示意图未按比例画出)
答案:30°(共35张PPT)
2.实验:测定玻璃的折射率
第四章
内容索引
01
02
03
实验探究 新知导学
典例精讲 释疑解惑
随堂练习
课标定位
素养阐释
1.知道测定玻璃的折射率的原理、方法、步骤。
2.掌握测定玻璃折射率数据处理的方法。
3.能结合几何光路作图,分析实验中误差来源。
1.知道测定玻璃的折射率的原理、方法、步骤。知道实验误差产生的原因和减小误差的方法。形成正确物理观念。
2.学会规范作图,会确定入射光线和折射光线,并会测定入射角和折射角。会计算折射率及折射率的平均值。形成科学思维与科学探究能力。
实验探究 新知导学
一、实验原理
用插针法确定光路,找出与入射光线相应的出射光线,就能在玻璃砖中画出对应的折射光线,从而可以测出一组对应的入射角i和折射角r,根据折射定
二、实验器材
截面为矩形的玻璃砖、白纸、木板、大头针(4枚)、图钉(3~4枚)、量角器、刻度尺或三角板、铅笔。
三、实验操作
1.如图所示,先在白纸上画一条直线EE',代表两种介质的分界面;再画出一条直线段AB代表入射光线,然后画出分界面上的B点处的法线NN'。
2.把截面为矩形的玻璃砖放在白纸上,使它的一条长边与EE'对齐,用刻度尺或三角板轻靠在玻璃砖的另一长边,按住刻度尺或三角板不动,将玻璃砖取下,画出直线FF'代表玻璃砖另一边。
3.在直线AB上竖直地插上两枚大头针G1、G2,放回玻璃砖,然后透过玻璃砖观察大头针G1、G2的像,调整视线方向,直到G1的像被G2的像挡住。
4.再在观察的这一侧先后竖直地插上两枚大头针G3、G4,用G3挡住G1、G2的像,再用G4挡住G3以及G1、G2的像。
5.移去大头针和玻璃砖,过G3、G4的插点画直线CD,与FF'相交于C点,直线CD就表示沿直线AB入射的光线透过玻璃砖后的出射光线。连接BC,BC就是折射光线在玻璃砖内的路径。
6.用量角器量出入射角i和相应的折射角r,查出它们的正弦值。改变入射角i的数值,多次重复实验,例如入射角分别取15°、30°、45°、60°、75°等。
四、数据处理
1.计算法:通过测量入射角和折射角,然后查数学用表,得出入射角和折射角的正弦值,再代入n= 中求多次不同入射角时n的值,然后取其平均值,即为玻璃砖的折射率。
2.图像法:求出多组对应的入射角与折射角的正弦值,作出sin i-sin r图像,由n= 可知,图像应为直线,如图(a)所示,其斜率为折射率。
(a)
3.单位圆法:在不使用量角器的情况下,可以用画单位圆法。
(1)以入射点O为圆心,以一定长度R为半径画圆,交入射光线OA于E点,交折射光线OO'于E'点,过E作NN'的垂线EH,过E'作NN'的垂线E'H',如图(b)所示。
(b)
五、注意事项
1.实验时,尽可能将大头针竖直插在纸上,且大头针之间及大头针与光线转折点之间的距离要稍大一些。
2.入射角i应适当大一些,以减小测量角度的误差,但入射角不宜太大。
3.在操作时,手不能触摸玻璃砖的光洁面,更不能把玻璃砖界面当尺子画界线。
4.在实验过程中,玻璃砖与白纸的相对位置不能改变。
5.玻璃砖应选用宽度较大的,宜在5 cm以上,若宽度太小,则测量误差较大。
六、误差分析
1.入射光线和出射光线画得不够精确。因此,要求插大头针时两大头针间距应稍大。
2.入射角、折射角测量不精确。为减小测角时的相对误差,入射角要稍大些,但不宜太大,入射角太大时,反射光较强,折射光会相对较弱。
典例精讲 释疑解惑
【例题1】 在“测定玻璃的折射率”的实验中,在白纸上放好玻璃砖,aa'和bb'分别是玻璃砖与空气的两个界面,如图所示。在玻璃砖的一侧插上两枚大头针P1和P2,用“+”表示大头针的位置,然后在另一侧透过玻璃砖观察,并依次插上大头针P3和P4。
(1)在插P3和P4时,应使　　　　(选填选项前的字母)。
A.P3只挡住P1的像
B.P4只挡住P3
C.P3同时挡住P1、P2的像
D.P4挡住P3及P1、P2的像
(2)按(1)中的做法确定大头针P3和P4的位置,请将光路图补充完整,并在图中标出需要测量的量,则玻璃砖的折射率可表示为n=　　　　　　(用图中标出的测量量表示)。
答案:(1)CD
(2)见解析图(需要测量的量是图中i和r)
解析:(1)实验的过程中,要先在白纸上放好玻璃砖,在玻璃砖的一侧插上两枚大头针P1和P2,然后在玻璃砖另一侧观察,调整视线使P1的像被P2的像挡住,接着在眼睛所在一侧相继插上两枚大头针P3、P4,使P3挡住P1、P2的像,使P4挡住P3和P1、P2的像,故C、D正确。
(2)光路图如图所示,根据折射定律可知需要测量入射角和折射角,即测量
课本上用截面为矩形的玻璃砖做实验,但并不是说,只能用截面为矩形的玻璃砖做实验,其实用截面为梯形、三角形、半圆形等形状的玻璃砖都可以,只要方法正确即可。
【例题2】 在“测定玻璃的折射率”的实验中,
(1)小朱同学在实验桌上看到方木板上有一张白纸,白纸上有如图(a)所示的实验器材,他认为除了缺刻度尺还少了一种器材,请你写出所缺器材的名称:　　　　　。老师将器材配齐后,他进行实验,图(b)是他在操作过程中的一个状态,请你指出第四枚大头针应在图(b)中的位置　　　　(选填“A”“B”或“C”)。
(2)小红利用方格坐标纸测定玻璃的折射率,如图(c)所示,AO是画在纸上的直线,她在直线AO适当位置竖直插上P1、P2两枚大头针,放上半圆柱形玻璃砖,使其圆心与O重合,然后插上P3、P4两枚大头针,以确定折射光线。其中她确定P3大头针位置的方法应当是　　　　　　　　。操作完成后,她用圆规作了一个以O为圆心、半径与玻璃砖半径相同的半圆[如图(c)中虚线所示],则她测出玻璃的折射率n=　　　　。
(a)
(b)
(c)
答案:(1)大头针　B
(2)挡住P1P2的像　1.5
解析:(1)在实验桌上看到方木板上有一张白纸,白纸上有如图(a)所示的实验器材,还缺少刻度尺、大头针;依据光的折射定律,及玻璃砖上下表面平行,那么出射光线与入射光线相互平行,因此第四枚大头针应在图(b)中的位置B处,如图所示。
(2)透过玻璃砖看,P3大头针挡住P1、P2两枚大头针的像;
如图,作出法线,过圆与入射光线和折射光线的交点作法线的垂线CA和DB,由数学知识得入射角和折射角的正弦值分别为
【例题3】 学校开展研究性学习,某研究小组的同学根据所学的光学知识,设计了一个测量液体折射率的仪器,如图所示。在一圆盘上,过其圆心O作两条互相垂直的直径BC、EF,在半径OA上,垂直盘面插下两枚大头针P1、P2,并保持P1、P2位置不变。每次测量时让圆盘的下半部分竖直浸入液体中,而且总使得液面与直径BC相平,EF作为界面的法线。而后在图中右上方区域观察P2、P1的像,并在圆周上插上大头针P3,使P3正
好挡住P1、P2。同学们通过计算,预先在圆周EC部分刻好了折射率的值,这样只要根据P3所插的位置,就可直接读出液体折射率的值,则:
(1)若∠AOF=30°,OP3与OC的夹角为30°,则P3处所对应的折射率的值为　　　　。
(2)图中P3、P4两位置　　　　处所对应的折射率大。
(3)作AO的延长线交圆周于K,K处所对应的折射率值应为　　　　。
(2)P4
(3)1
(2)图中P4对应的入射角大于P3所对应的入射角,所以P4对应的折射率大。
(3)因A、O、K在一条直线上,入射角等于折射角,所以K处对应的折射率为1。
在“测定玻璃的折射率”实验中,也可以用三棱镜、半圆柱形玻璃砖等进行测量。实验中只要利用“插针法”定出入射光线和出射光线,其与界面的交点就是入射点和出射点,连接入射点和出射点就能作出折射光线,一样可以测出折射率。光路图如图所示。
随堂练习
1.(实验数据处理)甲、乙两同学用插针法做“测定玻璃的折射率”的实验中,分别得到如图所示(a)(b)两种实验记录。在(a)中,已画好玻璃砖两界面直线aa'和bb'后,不小心将玻璃砖稍稍向上平移了,如(a)图中虚线所示。若之后的其他操作无误,则测得的折射率n　　　　(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。在(b)中,玻璃砖上界面直线aa'正确,而画的表示下界面的bb'稍稍向上平移了,如(b)图中虚线所示。若之后的其他操作无误,则测得的折射率n将　　　　(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
(a)
(b)
答案:不变　偏大
(a)
(b)
2.(实验原理与操作)做“测定玻璃的折射率”的实验时,先在白纸上放玻璃砖,在玻璃砖的一侧插上两枚大头针P1和P2,然后在玻璃砖的另一侧观察,该同学接下来要完成必要步骤,并在纸上标出的大头针位置和玻璃砖轮廓如图所示。
(1)该同学接下来要完成的必要步骤有　　　　。
A.插上大头针P3,使P3仅挡住P2的像
B.插上大头针P3,使P3挡住P1的像和P2的像
C.插上大头针P4,使P4仅挡住P3的像
D.插上大头针P4,使P4挡住P3和P1、P2的像
(2)在图中画出所需的光路。
(3)计算折射率的公式是n=　　　　。
(4)该同学在实验中将玻璃砖界面AB、CD间距画得过宽。若其他操作正确,则折射率的测量值　　　　(选填“大于”“小于”或“等于”)准确值。
答案:(1)BD
(2)图见解析
解析:(1)由于P3挡住P1、P2的像,P4挡住P3和P1、P2的像,故通过P1、P2的光线折射后通过P3、P4,故B、D正确,A、C错误。
(2)作出光路图,如图所示。
(4)作出实际的光路图如图实线所示,作出作图时的光路图如图虚线所示。
该同学在实验中将玻璃砖界面AB、CD间距画得过宽,若其他操作正确,可知,折射角的测量值将偏大,入射角没有误差,所以根据折射定律n= ,可知测得的折射率将偏小,即测量得到的折射率小于真实值。
3.(实验数据处理)某同学利用“插针法”测定平行玻璃砖的折射率,在坐标纸上记录的情况如图所示,虚线为以入射点O为圆心作出的圆,由此计算出玻璃砖的折射率为　　　　,光在玻璃中的传播速度为　　　　 m/s。(光在真空中的传播速度为c=3.0×108 m/s,结果均保留两位有效数字)
答案:1.5　2.0×108(共50张PPT)
3.光的全反射
第四章
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
随堂练习
课标定位
素养阐释
1.知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角等概念。
2.知道光的全反射现象及其产生的条件。
3.初步了解光纤的工作原理、光纤技术在生产生活中的应用。
1.知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角等概念,形成正确物理观念。
2.理解光的全反射的条件,能判断是否发生全反射,并能解决有关的问题,形成科学思维。
3.了解光纤的原理及其应用,形成科学思维。
自主预习 新知导学
一、全反射现象
1.光密介质和光疏介质
(1)对于两种介质来说,光在其中传播速度较小的介质,即折射率较大的介质叫作光密介质;光在其中传播速度较大的介质,即折射率较小的介质叫作光疏介质。
(2)光疏介质和光密介质是相对的。
2.全反射:光从光密介质射到光疏介质的界面时,全部被反射回原介质的现象。
3.当光从一种介质传播到另一种介质一定能发生全反射吗
答案:不一定。只有光从光密介质向光疏介质传播时才能发生全反射。
二、发生全反射的条件
1.临界角
(1)定义:光从某种介质射向真空或空气、折射角为90°时的入射角,称作这种介质的临界角。
2.全反射的条件
(1)光需从光密介质射至光疏介质的界面上。
(2)入射角必须等于或大于临界角。
3.当光从水中射入玻璃的交界面时,只要入射角足够大就会发生全反射,这种说法正确吗 为什么
答案:不正确。要发生全反射必须使光从光密介质射入光疏介质,而水相对玻璃是光疏介质,所以不管入射角多大都不可能发生全反射。
三、全反射的应用——光导纤维
1.光纤的工作原理:由于有机玻璃的折射率大于空气的折射率,当光从有机玻璃棒的一端射入时,可以沿着有机玻璃棒的曲面发生多次全反射,从另一端射出。
2.光纤构造
由内芯和外套两层组成,内芯的折射率比外套的大,光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射(如图所示)。
3.光纤通信的优点:容量大、衰减小、抗干扰性强等。
4.光纤的应用:光纤除应用于光纤通信外,还可应用于医学上的内窥镜等。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)光从一种介质进入另一种介质时,只要入射角足够大就一定会发生全反射现象。(　　)
(2)折射率大的介质就是光密介质。(　　)
(3)光由介质进入空气,介质的折射率越大,临界角越小。(　　)
(4)光发生全反射时,依然遵守反射定律。(　　)
(5)光在光导纤维中传播的速度小于光在真空中的光速c。(　　)
(6)光导纤维内芯的折射率大于外套的折射率,光传播时在内芯和外套的界面上发生全反射。(　　)
√
×
×
√
√
√
2.关于光的全反射现象,下列说法错误的是(　　)
A.只有光从光疏介质射入光密介质时,才可能发生全反射
B.全反射临界角和介质的折射率有关
C.全反射反射率比平面镜反射率高
D.“光纤通信”就是利用了全反射的原理
答案:A
解析:根据全反射发生的条件可知,只有光从光密介质射入光疏介质时,才有可能发生全反射,故A错误;由临界角公式sin C= 知,全反射临界角和介质的折射率有关,故B正确;全反射反射率比平面镜反射率高,故C正确;“光纤通信”就是利用了全反射的原理,故D正确。
3.光导纤维的结构如图所示,其内芯和外套材料不同,光在内芯中传播。以下关于光导纤维的说法正确的是(　　)
A.内芯的折射率比外套的大,光传播时在内芯与
外套的界面上发生全反射
B.内芯的折射率比外套的小,光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射
C.内芯的折射率比外套的小,光传播时在内芯与外套的界面上发生折射
D.内芯的折射率与外套的相同,外套的材料有韧性,可以起保护作用
答案:A
解析:光导纤维内芯的折射率大于外套的折射率,光在由内芯射向外套时,在其界面处发生全反射,从而使光在内芯中传播,A正确。
合作探究 释疑解惑
知识点一
对全反射的理解
问题引领
夏季的早晨,从某一方向看植物叶子上的露珠会格外明亮,玻璃中的气泡从侧面看也是特别明亮,这是什么道理呢
提示:光照射露珠或经玻璃照射气泡时,一部分光会发生全反射,有更多的光反射到人的眼睛中,光的能量大了,人就会感觉特别明亮。
归纳提升
1.光疏介质和光密介质
(1)不同介质的折射率不同,我们把折射率较小的介质称为光疏介质,折射率较大的介质称为光密介质。光疏介质和光密介质是相对的。
(2)光疏介质和光密介质的比较
比较项 光疏介质 光密介质
折射率 小 大
光的传播速度 大 小
相对性 若n甲>n乙,则甲是光密介质,乙是光疏介质; 若n甲(1)全反射的条件:
①光由光密介质射入光疏介质。
②入射角大于或等于临界角。
(2)全反射遵循的规律:①发生全反射时,光全部返回原介质,入射光与反射光遵循光的反射定律。②全反射的临界角C和折射率n的关系:sin C= 。
(3)从能量角度来理解全反射:当光从光密介质射入光疏介质时,随着入射角增大,折射角也增大。同时折射光线强度减弱,能量减小,反射光线强度增强,能量增加,当入射角达到临界角时,折射光线强度减弱到零,反射光线的能量等于入射光线的能量。
不同色光的临界角
由于不同颜色(频率不同)的光在同一介质中的折射率不同。频率越大的光,折射率也越大,所以不同颜色的光由同一介质射向空气或真空时,频率越大的光的临界角越小,越易发生全反射。
典型例题
【例题1】 (多选)如图所示,半圆形玻璃砖放在空气中,三条同一颜色、强度相同的光线,均由空气沿半圆半径方向射入玻璃砖,到达玻璃砖的圆心位置。下列说法正确的是(　　)
A.假若三条光线中只有一条在O点发生了全反射,
那一定是光线aO
B.假若光线bO能发生全反射,那么光线cO一定能发生全反射
C.假若光线bO能发生全反射,那么光线aO一定能发生全反射
D.假若光线aO恰能发生全反射,则光线bO的反射光线比光线cO的反射光线的亮度大
答案:ACD
解析:三条光线沿着指向圆心的方向由空气射向玻璃砖,在玻璃砖界面,它们的入射角为零,均不会偏折。在玻璃砖直径界面,光线aO的入射角最大,光线cO的入射角最小,它们都是从光密介质射向光疏介质,都有发生全反射的可能。如果只有一条光线发生了全反射,那一定是光线aO,因为它的入射角最大,所以选项A正确;假若光线bO能发生全反射,说明它的入射角等于或大于临界角,光线aO的入射角更大,所以光线aO一定能发生全反射,光线cO的入射角可能大于或等于临界角,也可能小于临界角,因此,光线cO不一定能发生全反射,所以选项B错误,C正确;假若光线aO恰能发生全反射,则光线bO和光线cO都不能发生全反射,但光线bO的入射角更接近于临界角,所以光线bO的反射光线较光线cO的反射光线强,即光线bO的反射光线亮度较大,所以选项D正确。
(1)光的反射和全反射均遵循光的反射定律,光路均是可逆的。
(2)光线射向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。入射角等于临界角时,折射角等于90°,实际上已经没有折射光线了。
【变式训练1】 很多公园的水池底都装有彩灯,若已知n蓝>n红,当一细束由红、蓝两色光组成的灯光从水中斜射向空气时,关于光在水面发生的反射和折射现象,下列光路图可能正确的是(　　)
答案:C
解析:红光、蓝光都要发生反射,水对红光的折射率较小,所以蓝光发生全反射的临界角比红光小,蓝光发生全反射时,红光不一定发生,故只有C正确。
知识点二
全反射的计算
问题引领
如图所示,自行车后面有尾灯,它虽然本身不发光,但在夜间行驶时,从后面开来的汽车发出的强光照在尾灯上时,会有较强的光被反射回去,使汽车司机注意到前面有自行车。那么自行车的尾灯利用了什么原理
提示:利用了全反射的原理。
归纳提升
应用全反射解决实际问题的基本方法
(1)确定光是由光疏介质进入光密介质还是从光密介质进入光疏介质。
(2)若光由光密介质进入光疏介质时,根据sin C= 确定临界角,看是否发生全反射。
(3)根据题设条件,画出入射角等于临界角的“临界光路”。
(4)运用几何关系(如三角函数、反射定律等)进行判断推理、运算及变换。
典型例题
【例题2】 一厚度为h的大平板玻璃水平放置,其下表面贴有一半径为r的圆形发光面。在玻璃板上表面放置一半径为R的圆纸片,圆纸片与圆形发光面的中心在同一竖直线上。已知圆纸片恰好能完全遮挡住从圆形发光面发出的光线(不考虑反射),求平板玻璃的折射率。
解析:如图所示,从圆形发光面边缘的A点发出的一条光线射到玻璃上表面
【变式训练2】 如图所示,在某种液体内,有一横截面为正三角形的薄壁透明圆锥罩ABC,底面水平,罩内为空气。发光点D位于AB中点,发出的垂直于BC的光恰好不能射出液面。下列说法正确的是(　　)
A.D发出的光照射到CB界面时可能发生全反射
B.液面上方能够看到透明罩所有位置都被照亮
答案:C
解析:发出的光照射到CB界面时,是从光疏介质向光密介质入射,不能发生全反射,故A错误;发光点D发出的垂直于BC的光垂直于BC恰好不能射出液面,可知点D发出的垂直于BC的光垂直于BC以下的部分不能射出界面,所以在液面上方不能够看到透明罩所有位置都被照亮,故B错误;由几何关系可知,发光点D发出的垂直于BC的光垂直于BC进入液体后,在上边的界面处的入射角等于60°,恰好不能射出液面,则临界角为60°,所以折射率
【变式训练3】 如图所示,三棱镜的横截面为直角三角形ABC,
∠A=30°,∠B=60°。一束平行于AC边的光线自AB边的P点射入三棱镜,在AC边发生反射后从BC边的M点射出,若光线在P点的入射角和在M点的折射角相等。
(1)求三棱镜的折射率。
(2)在三棱镜的AC边是否有光线射出,写出分析过程。(不考虑多次反射)
解析:(1)光路图如图所示,图中N点为光线在AC边发生反射的入射点。设光线在P点的入射角为i、折射角为r,在M点的入射角为r'、折射角依题意也为i。
有i=60°
由折射定律有sin i=nsin r
nsin r'=sin i
解得r=r'
OO'为过M点的法线,
∠C为直角,OO'∥AC
由几何关系得∠MNC=r'
由反射定律可知∠PNA=∠MNC
解得∠PNA=r
由几何关系得r=30°
(2)设在N点的入射角为i″,由几何关系得i″=60°
此三棱镜的全反射临界角满足nsin θC=1
则i″>θC
此光线在N点发生全反射,三棱镜的AC边没有光线射出。
知识点三
全反射的应用——光导纤维
问题引领
右图是光导纤维的结构示意图,其内芯和外套由两种光学性能不同的介质构成。内芯和外套的两种介质,哪种折射率大 为什么
提示:内芯的折射率大。因为当内芯的折射率大于外套的折射率时,光在传播时能发生全反射,光线经过多次全反射后能从一端传到另一端。
归纳提升
1.构造及传播原理
(1)构造:光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝,直径只有几微米到一百微米,如图所示,它是由内芯和外套两层组成的,内芯的折射率大于外套的折射率。
(2)传播原理:光由一端进入,在两层的界面上经过多次全反射,从另一端射出,光导纤维可以远距离传播光信号,光信号又可以转换成电信号,进而变为声音、图像。
2.光导纤维的折射率
设光导纤维的折射率为n,当入射角为θ1时,进入光导纤维的光线传到侧面
由图可知,当θ1增大时,θ2增大,由光导纤维射向空气的光线的入射角θ减小,当θ1=90°时,若θ=C,则所有进入光导纤维中的光线都能发生全反射,即解得
以上是光从光导纤维射向真空时得到的折射率,由于光导纤维包有外套,外套的折射率比真空的折射率大,因此折射率要比 大些。
典型例题
【例题3】 如图所示,AB为一直光导纤维,A、B之间距离为s,使一光脉冲信号从光导纤维中间入射,射入后在光导纤维与空气的界面上恰好发生全反射,由A点传输到B点所用时间为t,求光导纤维所用材料的折射率n。(已知光在真空中的传播速度为c)
解析:设光导纤维所用材料的折射率为n,则有
(1)发生全反射的条件是光由光密介质射向光疏介质,且入射角大于或等于临界角。
(2)光导纤维利用了光的全反射,所以内芯的折射率一定大于外套的折射率。
【变式训练4】 光纤通信利用光的全反射将大量信息高速传输。如图所示,一条圆柱形的光导纤维,长为L,玻璃芯的折射率为n1,外层材料的折射率为n2,光在空气中的传播速度为c,若光从它的一端射入经全反射后从另一端射出所需的最长时间为t,则下列说法正确的是(图中所示的φ为全反射的
答案:B
解析:刚好发生全反射的条件是入射角等于临界角,且光从光密介质射到光
课堂小结
随堂练习
1.(全反射的认识)(多选)关于全反射,下列说法正确的是(　　)
A.发生全反射时,仍有折射光线,只是折射光线非常弱,因此可以认为不存在折射光线而只有反射光线
B.光线从光密介质射向光疏介质时,一定会发生全反射
C.光线从光疏介质射向光密介质时,不可能发生全反射
D.水或玻璃中的气泡看起来特别亮,是因为一部分光从水或玻璃射向气泡时,在界面发生了全反射
答案:CD
解析:光从光密介质射向光疏介质时,当入射角增大到某一角度后,折射光线完全消失,只剩下反射光线的现象叫全反射,故选项A、B错误,C正确;光从水或玻璃射向气泡时,一部分光线在界面发生了全反射,即反射光增强,透射光减弱,就使气泡看起来特别亮,选项D正确。
2.(全反射的应用)自行车上的红色尾灯不仅是装饰品,也是夜间骑车的安全指示灯,它能把来自后面的光照反射回去。某种自行车尾灯可简化为由许多整齐排列的等腰直角棱镜(折射率n> )组成,棱镜的横截面如图所示。一平行于横截面的光线从O点垂直AB边射入棱镜,先后经过AC边和BC边反射后,从AB边的O'点射出,则出射光线是(　　)
A.平行于AC边的光线①
B.平行于入射光线的光线②
C.平行于CB边的光线③
D.平行于AB边的光线④
答案:B
解析:因为折射率n> ,该棱镜为全反射棱镜,入射光线在AC边和CB边经过两次全反射,方向改变180°,出射光线为②,选项B正确。
3.(全反射的应用)如图所示,一束单色光沿半圆柱形玻璃砖的半径垂直ab面入射,有光线从ab面射出。以O点为圆心,将玻璃砖缓慢转过θ角时,恰好没有光线从ab面射出,则该玻璃砖的折射率为(　　)
答案:B
解析:玻璃砖转过θ角,法线也转过θ角。则光线的入射角为θ,此时恰好发生
4.(光导纤维的原理)下图为一光导纤维(可简化为一长玻璃丝)的示意图,玻璃丝长为L,折射率为n,AB代表端面。已知光在真空中的传播速度为c。
(1)为使光线能从玻璃丝的AB端面传播到另一端面,求光线在端面AB上的入射角应满足的条件。
(2)求光线从玻璃丝的AB端面传播到另一端面所需的最长时间。
解析:(1)设光线在端面AB上C点的入射角为i,折射角为r,光路图如图所示。
由折射定律有sin i=nsin r①
设该光线射向玻璃丝内壁D点的入射角为α,为了使该光线可在此光导纤维中传播,应有α≥θ②
式中θ是光线在玻璃丝内发生全反射的临界角,
它满足nsin θ=1③
由几何关系得α+r=90°④
光速在玻璃丝轴线上的分量为vx=vsin α⑦
光线从玻璃丝端面AB传播到其另一端面所需时间为
光线在玻璃丝中传播,在刚好发生全反射时,光线从端面AB传播到其另一端面所需的时间最长,此时(共46张PPT)
4.光的干涉
第四章
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
随堂练习
课标定位
素养阐释
1.观察光的干涉现象,了解这些现象产生的条件,知道其在生产生活中的应用。
2.知道薄膜干涉现象,明确薄膜干涉的条件。
1.通过实验观察认识光的干涉现象,知道从光的干涉现象说明光是一种波,知道产生干涉条纹的条件,形成正确物理观念。
2.掌握光的双缝干涉现象是如何产生的,何处出现亮条纹,何处出现暗条纹,培养科学思维。
3.了解薄膜干涉现象,知道薄膜干涉条纹的特点。
自主预习 新知导学
一、双缝干涉
1.双缝干涉实验。
让一束平行的单色光投射到一个有两条狭缝S1和S2的挡板上,狭缝S1和S2相距很近,狭缝就成了两个波源,它们的频率、相位和振动方向总是相同的。这两个波源发出的光在挡板后面的空间互相叠加,发生干涉现象,挡板后面的屏上得到明暗相间的条纹。这种现象证明光是一种波。
2.干涉图样。
(1)若用单色光作光源,则干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹。
(2)若用白光作光源,则干涉条纹是彩色条纹,且中间条纹是白色的。
3.出现明暗条纹的条件。
(1)出现亮条纹的条件:如图所示,屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍。即
k=0时,PS1=PS2,此时P点位于屏上的O处,为亮条纹,此处的条纹叫中央亮条纹或零级亮条纹。k为亮条纹的级次。
(2)出现暗条纹的条件:屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是半波长的奇数倍。
k为暗条纹的级次,从第1级暗条纹开始向两侧展开。
4.如果光是一种波,要观察到光的干涉现象需要满足什么条件
答案:发生干涉现象需要两列光波的频率、振动方向总是相同,相位差恒定等条件。
二、薄膜干涉
1.薄膜干涉:由薄膜两个面反射的光波相遇而产生的干涉现象。
2.应用
(1)检查平面的平整程度。
(2)光学镜头上的增透膜。
3.薄膜干涉是哪两个面的光线叠加形成的
答案:薄膜的前后或上下两个面反射的光线在第一个反射面处叠加形成的。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)用单色光做双缝干涉实验时,在屏幕上出现明暗相间的条纹。(　　)
(2)中央亮条纹处到两缝的路程差为零,因此不管光的波长为多大,此处总为亮条纹。(　　)
(3)当双缝间距一定时,屏幕上的条纹宽度与光的颜色没有关系。(　　)
(4)用白光做双缝干涉实验时,因为不同色光在不同位置加强,故出现彩色条纹。(　　)
(5)用白光照射薄膜时,会出现彩色条纹。(　　)
(6)薄膜干涉是通过两个表面折射的光线产生的。(　　)
√
×
√
√
√
×
2.从两只相同的手电筒射出的光,当它们在某一区域叠加后,看不到干涉图样,这是因为(　　)
A.手电筒射出的光不是单色光
B.干涉图样太细小看不清楚
C.周围环境的光太强
D.这两束光为非相干光源
答案:D
解析:两束光为非相干光源,不满足干涉产生的条件。
3.下图是用干涉法检查某块厚玻璃板的上表面是否平整的装置,所用单色光是用普通光源加滤光片产生的,检查中所观察到的干涉条纹是由下列哪两个表面反射的光线叠加而成的(　　)
A.a的上表面和b的下表面
B.a的上表面和b的上表面
C.a的下表面和b的上表面
D.a的下表面和b的下表面
答案:C
解析:干涉法的原理是利用单色光的薄膜干涉,这里的薄膜指的是样板与待测玻璃板之间的空气层。在空气层的上表面和下表面分别反射的光会发生干涉,观察干涉后形成的条纹是否为平行直线,可以断定厚玻璃板的上表面是否平整。因此选项C正确。
合作探究 释疑解惑
知识点一
干涉区域出现亮、暗条纹的条件
问题引领
右图为双缝干涉的示意图,单缝发出的单色光投射到相距很近的两条狭缝S1和S2上,狭缝就成了两个波源,发出的光向右传播。两条狭缝起什么作用 具备什么条件两狭缝发出的光才能发生干涉
提示:光线照到两狭缝上,两狭缝成为振动情况完全相同的光源。两光源发出的光的频率相同、振动步调一致时能发生干涉。
归纳提升
1.双缝干涉的实验装置示意图
实验装置如图所示,有光源、单缝、双缝和光屏。
(1)单缝的作用:获得一个线光源,使光源有唯一的频率和振动情况。也可用激光直接照射双缝。
(2)双缝的作用:一束光被分成两束频率相同和振动情况完全一致的相干光。
2.产生干涉的条件
两列光的频率相同、相位相同、振动方向相同。实验中可用“一分为二”的方法获得两个相干光源。
3.分析双缝干涉中明暗条纹问题的步骤
(1)由题设情况根据λ真=nλ介,求得光在真空(或空气)中的波长。
(2)由屏上出现明暗条纹的条件判断光屏上出现的是亮条纹还是暗条纹。
(3)根据亮条纹的判断式Δs=kλ(k=0,1,2,…)或暗条纹的判断式
4.双缝干涉图样的特点
(1)单色光的干涉图样
若用单色光作光源,则干涉条纹是明暗相间的条纹,且条纹间距相等。中央为亮条纹,两相邻亮纹(或暗纹)间距离与光的波长有关,波长越大,条纹间距越大。
(2)白光的干涉图样
若用白光作光源,则干涉条纹是彩色条纹,且中央条纹是白色的。这是因为:①从双缝射出的两列光波中,各种色光都形成明暗相间的条纹,各种色光都在中央条纹处形成亮条纹,从而复合成白色条纹。②两侧条纹间距与各色光的波长成正比,即红光的亮纹间宽度最大、紫光的亮纹间宽度最小,即除中央条纹以外的其他条纹不能完全重合,这样便形成了彩色干涉条纹。
用白光做干涉实验,从红光到紫光其波长由大到小,它们的干涉条纹间距也是从大到小,屏中央各色光都得到加强,混合成白色,但两侧因条纹间距不同而分开成彩色,而且同一级条纹内紫外红。
典型例题
【例题1】 下图是双缝干涉实验装置,使用波长为600 nm的橙色光源照射单缝S,在光屏中央P处观察到亮条纹,在位于P点上方的P1点出现第一条亮条纹中心(即P1到S1、S2的路程差为一个波长)。现换用波长为400 nm 的紫光源照射单缝,则(　　)
A.P和P1仍为亮条纹
B.P为亮条纹,P1为暗条纹
C.P为暗条纹,P1为亮条纹
D.P、P1均为暗条纹
答案:B
解析:从单缝S射出的光波被S1、S2两缝分成两束相干光,由题意知屏中央P点到S1、S2距离相等,即分别由S1、S2射出的光到P点的路程差为零,因此中央是亮条纹,因此,无论入射光是什么颜色的光,波长多大,P点都是中央亮条纹。而分别由S1、S2射出的光到P1点的路程差刚好是橙光的一个波长,即|P1S1-P1S2|=600 nm=λ橙。当换用波长为400 nm的紫光时,|P1S1-P1S2|=600 nm= λ紫,则两列光波到达P1点时振动情况完全相反,即分别由S1、S2射出的光到达P1点时相互削弱,因此,在P1点出现暗条纹。综上所述,选项B正确。
判断屏上某点为亮条纹还是暗条纹,要看该点到两个光源(双缝)的路程差与波长的比值,要记住路程差等于波长整数倍处出现亮条纹,等于半波长奇数倍处出现暗条纹,还要注意这一结论成立的条件是两个光源情况完全相同。
【变式训练1】 用一束单色光做杨氏双缝干涉实验,经双缝后光照射到光屏上,可观察到的图像是图中的(　　)
答案:D
解析:单色光做双缝干涉,得到的是等宽的明、暗相间的直条纹,故D正确。
【变式训练2】 如图所示,用频率为f的单色光(激光)垂直照射双缝,在光屏的P点出现第3条暗条纹,已知光速为c,则P到双缝S1、S2的路程差|r1-r2|应为(　　)
答案:D
知识点二
薄膜干涉及其应用
问题引领
小朋友吹出的肥皂泡、热菜汤表面的油花、马路上积水表面的油膜,都会看到彩色的条纹,这些彩色条纹是如何形成的呢
提示:由薄膜干涉造成的。白光照射在肥皂泡膜、油膜表面,被薄膜前、后表面反射的两列反射光叠加,形成干涉条纹。由于白光中的各色光波长不同,干涉后的条纹间距不同,薄膜上就会出现彩色条纹。
归纳提升
1.薄膜干涉的成因
(1)如图(a)所示,竖直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用,下面厚、上面薄。因此,在薄膜上不同的地方,从膜的前、后表面反射的两列光波叠加,在某些位置,这两列波叠加后互相加强,出现亮条纹;在另一些地方,叠加后互相削弱,出现暗条纹。
(a)
(2)在单色光照射下,就出现了明暗相间的干涉条纹。若在白光照射下,则出现彩色干涉条纹。
(3)当光程差等于该光在薄膜中波长的整数倍时,两列反射光叠加会加强。当光程差等于半波长的奇数倍时,两列光叠加会互相减弱。
2.薄膜干涉的特点
如图(b)甲所示,两板之间形成一层空气膜,用单色光从上向下照射,如果被检测平面是平滑的,得到的干涉图样必是等间距的。如果被测表面某处凹下,则对应亮条纹(或暗条纹)提前出现,如图(b)乙中P条纹所示;如果某处凸起来,则对应条纹延后出现,如图(b)乙中Q所示。
(b)
(注:“提前”与“延后”不是指在时间上,而是指由左到右的位置顺序上)
3.薄膜干涉现象的应用
(1)等倾法检查平面平整度
原理:如图(c)所示,在被测平面上放一个透明的样板,在样板的一端垫一个薄片,使样板的标准平面与被测平面之间形成一个楔形空气薄层。用单色光照射时,空气层的上、下两个表面反射的两列光波发生干涉。空气厚度相同的地方,两列波的路程差相同,两列波叠加时互相加强或减弱的情况相同,因此若被测面是平的,干涉条纹就是一组平行的直线,如果干涉条纹是弯曲的,就表明被测平面不平整,如图(d)所示。
(2)增透膜
为了减少光学装置中的反射光的损失,可在元件表面涂一层透明薄膜,一般是氟化镁。如图(e)所示,在增透膜的前后表面反射的两列光波形成相干波,相互叠加,当路程差为半波长的奇数倍时,在两个表面反射的光相互抵消,反射光几乎等于零。
(e)
一般取最小厚度d满足2d= (此波长为光在该种介质中的波长)。由于白光中含有多种波长的光,所以增透膜只能使其中一定波长的光相互抵消。因为人对绿光最敏感,一般选择对绿光起增透作用的膜,所以在反射光中绿光强度几乎为零,而其他波长的光并没有完全抵消,所以增透膜呈现淡紫色。
典型例题
【例题2】 图(a)为用薄膜干涉检查某块厚玻璃板的上表面是否平整的装置。待检板的上表面平整,则当平行的单色光照射到标准板上时,可从标准板上方观察到平行的、明暗相间的干涉条纹。若观察到的条纹如图(b)所示,则说明待检板的上表面(　　)
(a)
(b)
A.有一个凸起的圆台
B.有一个凹陷的圆坑
C.有一个沿ab方向凸起的高台
D.有一个沿ab方向凹陷的沟
答案:B
解析:由薄膜干涉原理知,如果被检玻璃板表面是平整的,则干涉条纹疏密均匀,薄膜同一厚度处出现同一条纹,相邻干涉条纹的路程差等于入射光的波长。从题图(b)所示情况来看,明条纹向左弯曲,说明弯曲处路程差与该条纹上其他位置的路程差相同,因此弯曲处比原薄膜厚,即玻璃表面向下凹陷,A、C错误;如果有一个沿ab方向凹陷的沟,那么所有条纹都应向同一方向弯曲,因此D错误,B正确。
被测平面凹下或凸起的判断方法
把干涉条纹看成“矮人”的行走轨迹。让一个小矮人在两板间沿着一条条纹直立行走,始终保持脚踏被测板,头顶样板,在行走过程中:若遇凹下,他必向薄膜的尖端去绕,方可按上述要求行走,即条纹某处弯向薄膜尖端,该处为一凹下;若遇一凸起,他必向薄膜的底部去绕,方可按上述要求行走,即条纹某处弯向薄膜底部,该处为一凸起。
【变式训练3】 如图(a)、(b)所示,将一块平板玻璃ABCD放置在另一平板玻璃之上,在CD下夹入两张纸片,当光竖直向下射入后,从上往下看,下列说法正确的是(　　)
A.观察到的条纹如图(c)所示
B.干涉条纹由空气薄膜上下两个表面反射的光线叠加而成
C.抽去一张纸片,干涉条纹变密
D.更换波长较长的光,重新观察,干涉条纹变密
答案:B
解析:任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等,故干涉条纹如题图(d)所示,故A错误;劈尖干涉是由空气薄膜上下两个表面反射的光线叠加而成,故B正确;抽去一张纸片后,空气薄膜的厚度变化范围减小,以致干涉时的光程差的变化范围减小,故条纹数减少,条纹变疏,故C错误;同理,更换波长较长的光后,干涉时的光程差的变化范围减小,故条纹数减少,条纹变疏,故D错误。
【变式训练4】 (多选)如图所示,用单色光照射透明标准板M来检查平面N的上表面的平滑情况,观察到如图所示条纹中的P和Q情况,这说明(　　)
A.N的上表面A处向上凸起
B.N的上表面B处向上凸起
C.N的上表面A处向下凹陷
D.N的上表面B处向下凹陷
答案:BC
解析:空气厚度从左向右依次增大,则两表面的反射光的路程差自左向右依次增大。同一条纹上的各点对应的厚度相同(类比于地理上的等高线),当条纹向左弯曲(P)说明等高线向左移动,即现在A处的高度和A处右边点的高度相同,因此高度变大,A处下凹。当条纹向右弯曲(Q),说明等高线右移,即现在B处的高度和左边点的高度相同,B处上凸。B、C正确。
课堂小结
随堂练习
1.(双缝干涉实验)在双缝干涉实验中,如果(　　)
A.用白光作为光源,屏上将呈现黑白相间的条纹
B.用红光作为光源,屏上将呈现红黑相间的条纹
C.若仅将入射光由红光改为紫光,则条纹间距一定变大
D.用红光照射一条狭缝,用紫光照射另一条狭缝,屏上将呈现彩色干涉条纹
答案:B
解析:用白光做双缝干涉实验,屏上将呈现彩色条纹,A错误;用红光作为光源,屏上将呈现红色亮条纹与暗条纹(即黑条纹)相间的条纹,B正确;若仅将入射光由红光改为紫光,波长变小,条纹间距变小,C错误;红光和紫光频率不同,不能产生干涉条纹,D错误。
2.(决定条纹间距的条件)下图为双缝干涉实验中产生的条纹图样,图(a)为绿光进行实验的图样,图(b)为换用另一种单色光进行实验的图样,则以下说法正确的是(　　)
A.(b)图可能是用红光进行实验产生的条纹,表明
红光波长较长
B.(b)图可能是用紫光进行实验产生的条纹,表明
紫光波长较长
C.(b)图可能是用紫光进行实验产生的条纹,表明紫光波长较短
D.(b)图可能是用红光进行实验产生的条纹,表明红光波长较短
答案:A
解析:题图(b)中条纹的间距比题图(a)大,故题图(b)中光的波长较长,即比绿光的波长长。红光的波长比绿光长,紫光的波长比绿光短,A正确。
3.(决定条纹间距的条件)如图所示,用单色光做双缝干涉实验,P处为第二条暗条纹,改用频率较低的单色光重做上述实验(其他条件不变,屏足够大),则同侧第二条暗条纹的位置(　　)
A.仍在P处
B.在P点上方
C.在P点下方
D.要将屏向双缝方向移近一些才能看到
答案:B
4.(亮、暗条纹的判断)在双缝干涉实验中,双缝到光屏上P点的距离之差为0.6 μm,若分别用频率为f1=5.0×1014 Hz和f2=7.5×1014 Hz的单色光垂直照射双缝,则P点出现亮、暗条纹的情况是(　　)
A.用单色光f1和f2分别照射时,均出现亮条纹
B.用单色光f1和f2分别照射时,均出现暗条纹
C.用单色光f1照射时出现亮条纹,用单色光f2照射时出现暗条纹
D.用单色光f1照射时出现暗条纹,用单色光f2照射时出现亮条纹
答案:C(共35张PPT)
5.实验:用双缝干涉测量光的波长
第四章
内容索引
01
02
03
实验探究 新知导学
典例精讲 释疑解惑
随堂练习
课标定位
素养阐释
1.知道光是横波,会用双缝干涉实验测量光的波长。
2.了解“双缝干涉测量光的波长”的实验原理和实验器材,掌握测量头的读数方法。
1.理解双缝干涉的原理,能安装和调试仪器,培养科学探究能力。
2.掌握相邻亮条纹(或暗条纹)间距的计算公式Δx= λ及推导过程,培养科学思维。
实验探究 新知导学
一、实验目的
1.理解双缝干涉的原理,能安装和调试仪器。
2.掌握相邻亮条纹(或暗条纹)间距的计算公式Δx= λ及推导过程。
3.观察双缝干涉图样,掌握实验方法。
二、实验原理
1.相邻亮条纹(或暗条纹)间的距离Δx与入射光波长λ之间的定量关系:如图所示,双缝间距d,双缝到屏的距离l。双缝S1、S2的连线的中垂线与屏的交点为P0。对屏上与P0距离为x的一点P,两缝与P的距离PS1=r1,PS2=r2。在线段PS2上作PM=PS1,则S2M=r2-r1,因d l,三角形S1S2M可看作直角三角形。有r2-r1=dsin θ(令∠S2S1M=θ)①
因为x≈ltan θ≈lsin θ②
2.干涉图样的获得:光源发出的光经滤光片成为单色光,单色光通过单缝后相当于线光源,经双缝后产生稳定的干涉图样,通过屏可以观察到明暗相间的干涉条纹,如果用白光通过双缝可以观察到彩色条纹。
3.光的波长的测量:若双缝到屏的距离用l表示,双缝间的距离用d表示,相邻两亮条纹间的距离用Δx表示,则入射光的波长为λ= 。实验中d是已知的,测出l、Δx即可测出光的波长λ。
4.测量Δx的方法:测量头由分划板、目镜、手轮等构成,如图(a)所示,测量时先转动测量头,让分划板中心刻线与干涉条纹平行,然后转动手轮,使分划板向左(或向右)移动至分划板的中心刻线与条纹的中心对齐,如图(b)所示,记下此时读数x1,再转动手轮,用同样的方法测出n条亮条纹时的游标卡尺读数xn,则可求出相邻两亮条纹间的距离
(a)
(b)
三、实验器材
双缝干涉仪,即光具座、光源、透镜、滤光片、单缝、双缝、拨杆、遮光管、毛玻璃屏、测量头,另外还有学生电源、导线、刻度尺。
四、实验操作
1.把遮光管架在支架环上,其轴线与光具座的导轨基本平行。
2.在遮光管的一端装上双缝,并转动双缝座,使缝与水平面垂直。再装好单缝管,使单缝与双缝平行。
3.让灯泡灯丝及透镜中心与单缝中心等高。灯丝与单缝之间的距离约为25 cm。点亮灯泡,先把透镜移近单缝,直至在单缝面上形成一放大的灯丝像,若灯丝的放大像不在单缝中心,则上下或左右调节灯泡,反复调节几次,使灯丝的放大像及缩小像均成在单缝中心。
4.在遮光管的另一端装上测量头。在单缝管上装上拨杆,边观察,边调节单缝与双缝平行,直至看到白光的干涉条纹最清晰,这时看到彩色干涉条纹的特征是:中央为一条白色亮条纹,称为零级亮条纹;其余各级亮条纹都是彩色的,彩色条纹的排列以零级亮条纹为中心左右对称。在第一级亮条纹中,红色在最外侧。
5.测量单色光波长时,在单缝前面加上红色或绿色滤光片即可看到红黑相间的干涉条纹,再调节目镜,就能同时清晰地看到分划线和干涉条纹,然后绕光轴转动测量头,使分划线与干涉条纹平行,固定好测量头后即可进行测量。
6.先移动测量头上的手轮,把分划板对准最左边的一条干涉亮条纹(或暗条纹),并记下它在游标卡尺上的读数x1,然后转动手轮,把分划线移向右边,并对准第n条干涉亮条纹(或暗条纹)。这时游标卡尺的读数为xn,则相邻两条
7.改变双缝中心距离d,重复上面的步骤,再测一次。
8.请自己设计表格,把测量数据记录在表中,算出波长并对结果进行分析。
五、注意事项
1.单缝、双缝应相互平行,其中心大致位于遮光筒的中心轴线上,双缝到单缝的距离应相等。
2.测双缝到屏的距离l时,用毫米刻度尺测多次取平均值。
典例精讲 释疑解惑
【例题1】 (1)如图(a)所示,在“用双缝干涉测光的波长”实验中,
(a)
光具座上放置的光学元件依次为①光源、②　　　　　　　、③　　　　　　、④　　　　　　　、⑤遮光筒、⑥光屏。对于某种单色光,为增加相邻亮条纹(暗条纹)间的距离,可采取___________________　　　　　　　　　　　　　　　　　或　　　　　　　　　　　　　　　的方法。
(2)转动测量头的手轮,使分划板中心刻线对准第1条亮条纹,读出手轮的读数如图(b)所示。继续转动手轮,使分划板中心刻线对准第10条亮条纹,读出手轮的读数如图(c)所示。则相邻两亮条纹的间距是　　　　 mm。
(b)
(c)
(3)如果已经量得双缝的间距是0.30 mm、双缝和光屏之间的距离是900 mm,则待测光的波长是　　　　 m(取三位有效数字)。
答案:(1)滤光片　单缝　双缝　增大双缝到光屏间的距离(或选用较长的遮光筒)　换用双缝之间距离较小的双缝
(2)1.610
(3)5.37×10-7
知,要增加相邻亮条纹(或暗条纹)间的距离,可采取的办法有:
①增大双缝到光屏间的距离(或选用较长的遮光筒);
②换用双缝之间距离较小的双缝。
解答此题应注意以下几点
(1)螺旋测微器的读数方法,注意半格线是否露出。
【例题2】 现有毛玻璃屏A、双缝B、白光光源C、单缝D和透红光的滤光片E等光学元件,要把它们放在如图(a)所示的光具座上组装成双缝干涉装置,用来测量红光的波长。
(1)将白光光源C放在光具座最左端,依次放置其他光学元件,由左至右,表示各光学元件的字母排列顺序应为C、　　　、A。
(a)
(2)本实验的步骤有:
①取下遮光筒左侧的元件,调节光源高度,使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮;
②按合理顺序在光具座上放置各光学元件,并使各元件的中心位于遮光筒的轴线上;
③用毫米刻度尺测量双缝到屏的距离;
④用测量头(其读数方法同螺旋测微器)测量数条亮条纹间的距离。
在操作步骤②时除了注意单缝和双缝间距为5~10 cm,还应注意　。
(3)将测量头的分划板中心刻线与某亮条纹中心对齐,将该亮条纹定为第1条亮条纹,此时手轮上的示数如图(b)所示。然后同方向转动测量头,使分划板中心刻线与第6条亮条纹中心对齐,记下此时图(c)中手轮上的示数
　 　　　mm,求得相邻亮条纹的间距Δx为　　　　 mm。
(b)
(c)
(4)已知双缝间距d为2.0×10-4 m,测得双缝到屏的距离l为0.700 m,则所测红光波长为　　　　 nm。
答案:(1)E、D、B
(2)使单缝与双缝平行
(3)13.870　2.310
(4)660
解析:(1)排列顺序为C、E、D、B、A。
(2)操作步骤②时还要注意使单缝与双缝平行。
(3)图(b)读数为2 mm+32.0×0.01 mm=2.320 mm,图(c)读数为13.5
手轮的读数误区
(1)手轮的读数与螺旋测微器读数相同,注意半格线是否露出,一定要估读,注意有效数字的位数。
(2)一个条纹间距是指两相邻亮(或暗)条纹中心的距离。
随堂练习
1.(实验原理与操作)在“用双缝干涉测量光的波长”实验中(实验装置如图),下列说法错误的是(　　)
A.调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在屏中心时,应放上单缝和双缝
B.测量某条干涉亮条纹位置时,应使测量头分划板中心刻线与该亮条纹的中心对齐
C.为了减小测量误差,可用测量头测出n条亮条纹间的距离a,求出相邻两条
D.将滤光片放在单缝与双缝之间不改变实验结果
答案:A
解析:调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在屏中心时,不需放单缝和双缝,故A错误;测量某条干涉亮条纹位置时,应使测量头分划板中心刻线与该亮条纹的中心对齐,故B正确;n条亮条纹之间有n-1个间距,相邻两条亮条纹的间距Δx= ,故C正确;根据实验原理知D正确。
2.(实验原理与操作)(多选)利用如图所示装置研究双缝干涉现象并测量光的波长时,有下面几种说法,其中正确的是(　　)
A.实验装置中的①②③元件分别为滤光片、单缝、双缝
B.将滤光片由紫色的换成红色的,干涉条纹间距变宽
C.将单缝向双缝移动一小段距离后,干涉条纹间距变宽
D.测量过程中,把5个条纹间距数成6个,导致波长测量值偏小
答案:ABD
3.(实验数据处理)在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中,装置如图(a)所示。双缝间的距离d=3 mm。
(a)
若测量红光的波长,选用红色的滤光片,实验中测得双缝与屏之间的距离为0.70 m,通过测量头(与螺旋测微器原理相似,手轮转动一周,分划板前进或后退0.500 mm)观察第1条亮条纹的位置如图(b)甲所示,其读数为　　　　 mm;观察第5条亮条纹的位置如图(b)乙所示,其读数为　　　　 mm。则可求出红光的波长λ=　　　　 m。
(b)
答案:0　0.640　6.86×10-7
解析:由测量头的数据可知a1=0,a2=0.640 mm,
4.(实验数据处理)在“用双缝干涉测量光的波长”实验中,选用红色滤光片和间距为0.20 mm的双缝,双缝与屏的距离为600 mm。某同学正确操作后,在目镜中看到如图(a)所示的干涉条纹。换成紫色滤光片正确操作后,使测量头分划板刻线与第k条暗条纹中心对齐,在目镜中观测到的是图(b)中的　　　　(填字母),此时测量头的读数为25.70 mm。沿同一方向继续移动测量头使分划板刻线与第k+5条暗条纹中心对齐,此时测量头标尺如图(c)所示,其读数是　　　　　 mm,紫光的波长等于　　　　 nm。
(a)
答案:D　19.40　420(共55张PPT)
6.光的衍射与偏振　7.激光
第四章
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
随堂练习
课标定位
素养阐释
1.知道光的衍射现象、光的偏振现象;知道明显衍射现象的条件,衍射条纹的特点; 知道偏振光和自然光的区别。
2.了解日常见到的光多数是偏振光,了解偏振光在生产生活中的一些应用。
3.了解激光的特性。举例说明激光技术在生产生活中的应用。
1.知道光的衍射现象、光的偏振现象,知道衍射条纹的特点及产生明显衍射现象的条件;知道偏振光和自然光的区别。形成正确的物理观念。
2.能运用偏振知识来解释生活中的一些常见光学现象。通过观察光的偏振实验,了解光的偏振现象,加深对偏振的理解,形成科学思维。
3.了解激光的特性和应用,知道激光的科学技术上的应用,培养科学思维。
自主预习 新知导学
一、光的衍射
1.光的衍射。
光通过很小的狭缝(或圆孔)时,明显地偏离了直线传播方向,在屏上散开到相当大的范围,这种现象叫作光的衍射。
2.衍射图样。
(1)定义:衍射时产生的明暗的图样。
(2)单缝衍射图样的特点
①单色光:中央有一条较宽较亮的条纹,两边是对称且明暗相间的条纹,亮条纹的强度向两边很快减弱。
②白光:中央是一条白色条纹,两边是很快减弱的彩色条纹。
二、光的偏振
1.偏振片。
由特定的材料制成,每个偏振片都有一个特殊的方向,叫作“透光方向”,只有振动方向与透光方向平行的成分才能通过偏振片。
2.自然光和线偏振光。
(1)线偏振光:如果光振动的方向限在一个平面,这种光叫线偏振光。
(2)自然光:通常光源发出的光(包括太阳光)是由大量的、振动方向不同而互不相干的线偏振光组成的,称为自然光。
(3)光的偏振现象表明光是一种横波。
3.纵波有偏振现象吗
答案:没有。偏振现象是横波特有的现象,纵波没有偏振现象。
三、激光
1.激光的特性。
(1)强度大:激光的强度可达1017 W/cm2。
(2)方向性好:光束方向性的好坏,是由光束的发散角的大小来量度的。激光光束的发散角在10-3 rad数量级。
(3)单色性好。
(4)相干性好:一束激光中所有光子的频率是相同的,振动情况也完全相同,所以激光是最好的相干光。
(5)覆盖波段而且可调谐。
2.激光的应用。
(1)激光加工。
(2)激光全息照相。
(3)激光检测。
(4)激光通信。
(5)激光医学。
(6)激光照排。
(7)激光的其他一些新技术、新应用。
①人类第一次实际探测到引力波。
②中国首次发现激光驱动流体新技术。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)光的衍射现象完全否定了光的直线传播结论。(　　)
(2)衍射条纹图样是光波相互叠加的结果。(　　)
(3)白光的单缝衍射图样是白黑相间的直条纹。(　　)
(4)偏振光沿各个方向振动的光波的强度都相同。(　　)
(5)自然界不存在偏振光,自然光只有通过偏振片才能变为偏振光。(　　)
(6)激光是自然界普遍存在的一种光。(　　)
(7)激光是一种人工产生的相干光。(　　)
√
×
×
×
×
×
√
2.(多选)激光火箭的体积小,却可以装载更大、更重的卫星或飞船,激光由地面激光站或空间激光动力卫星提供,通过一套装置,像手电筒一样,让激光束射入火箭发动机的燃烧室,使推进剂受热而急剧膨胀,于是形成一股高温高压的燃气流,以极高的速度喷出,产生巨大的推力,把卫星或飞船送入太空。激光火箭利用了激光的(　　)
A.单色性好 B.平行度好
C.高能量 D.相干性好
答案:BC
解析:由于激光站与火箭相距较远,为了减少能量损失,必须要求激光具有很好的平行度,同时利用激光的高能量特点。
3.在一次观察光的衍射的实验中,观察到如图所示的清晰的明暗相间的图样(黑线为暗条纹),那么障碍物应是(　　)
A.很小的不透明的圆板
B.很大的中间有大圆孔的不透明的圆板
C.很大的不透明的圆板
D.很大的中间有小圆孔的不透明的圆板
答案:D
解析:由题图可知中央是大且亮的圆形亮斑,周围分布着明暗相间的同心圆环,且越向外,圆形条纹宽度越小,可判断此图样为圆孔衍射图样,故选项D正确;很小的不透明的圆板产生的图样中心也是亮点,但其周围有一个大的阴影
区,在阴影区的边缘有明暗相间的圆环,它与圆孔衍射的图样是不同的。
4.(多选)如图所示,一束自然光通过起偏振器照射到光屏上,则图中光屏上发亮的有(起偏振器上用箭头表示其透射方向)(　　)
答案:ABD
解析:自然光通过起偏振器后成为偏振光,当偏振光的振动方向与起偏振器的透振方向平行时能够通过,垂直时不能通过,所以A、B、D正确,C错误。
合作探究 释疑解惑
知识点一
光的衍射的理解
问题引领
(1)让一束激光照射在游标卡尺两个卡脚之间的缝上,逐渐减小两个卡脚之间的距离,使缝越来越小,观察照在屏幕上光斑的变化。缝宽大约多大时屏幕上出现条纹 缝间距变小时,条纹有什么变化
(2)用针尖在一张厚纸上扎一个很小的小孔,用眼睛通过小孔观察太阳光,会观察到什么现象
提示:(1)大约0.4 mm时会出现条纹,当缝间距变小时,屏幕上条纹间距逐渐变宽,但亮度逐渐减弱。
(2)会观察到中央为亮圆,周围为彩色的圆环。
归纳提升
1.单缝衍射图样的特点
(1)中央条纹最亮、越向两边越暗,条纹间距不等。中央条纹最宽,越靠外,条纹间距越窄。
(2)缝变窄,通过的光变少,而光分布的范围更宽,所以亮条纹的亮度降低。
(3)中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单缝宽度有关。入射光波长越长,单缝越窄,中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大。
(4)用白光做单缝衍射时,中央亮条纹是白色的,两边是彩色条纹,中央亮条纹仍然最宽最亮。
2.圆孔衍射
(1)圆孔衍射
如图(a)所示,当挡板AB上的圆孔较大时,光屏上出现图(b)所示的情形,无明显的衍射现象发生;当挡板AB上的圆孔很小时,光屏上出现图(c)所示的衍射图样,出现明暗相间的圆环。
(a)
(b)
(c)
(2)圆孔衍射的图样特征
①单色光的圆孔衍射图样:中央亮圆的亮度大,外面是明暗相间的不等距的圆环。越向外,圆(亮)环亮度越低。
②白光的圆孔衍射图样:中央亮圆为白色,周围是彩色圆环。
3.圆板衍射
(1)各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射,致使影的轮廓的边缘模糊不清,若在单色光(如激光)传播途中放一个较小的圆形障碍物,会发现在影的中心有一个亮斑,这就是著名的泊松亮斑,如图(d)所示。
(2)形成泊松亮斑时,圆板阴影的边缘是模糊的,在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。
(d)
只有圆孔足够小时,才能得到明显的衍射图样。在圆孔由较大直径逐渐减小的过程中,光屏依次得到几种不同现象——圆形亮斑(光的直线传播)、光源的像(小孔成像)、明暗相间的圆环(衍射图样)、完全黑暗。
典型例题
【例题1】 (多选)在单缝衍射实验中,下列说法正确的是(　　)
A.将入射光由黄光换成绿光,衍射条纹间距变窄
B.使单缝宽度变小,衍射条纹间距变窄
C.换用波长较长的光照射,衍射条纹间距变宽
D.增大单缝到屏的距离,衍射条纹间距变宽
答案:ACD
解析:当单缝宽度一定时,波长越长,衍射现象越明显,即光偏离直线传播的路径越远,条纹间距也越大,A、C正确;当光的波长一定时,单缝宽度越小,衍射现象越明显,条纹间距越大,B错误;光的波长一定、单缝宽度也一定时,增大单缝到屏的距离,衍射条纹间距也会变宽,D正确。
(1)衍射现象是否明显方面:入射光波长越长,障碍物、小孔和狭缝的尺寸越小,衍射现象越明显。
(2)衍射条纹的亮度方面:小孔和狭缝的尺寸越小,衍射条纹的亮度越小。
【变式训练1】 观察单缝衍射现象时,把缝宽由0.2 mm逐渐增大到0.8 mm,看到的现象是(　　)
A.衍射条纹的间距逐渐变小,衍射现象逐渐不明显
B.衍射条纹的间距逐渐变大,衍射现象越来越明显
C.衍射条纹的间距不变,只是亮度增强
D.以上现象都不会发生
答案:A
解析:由单缝衍射实验的调整与观察可知,狭缝宽度越小,衍射现象越明显,衍射条纹越宽,条纹间距也越大,本题是将缝调宽,现象向相反的方向变化,故选项A正确,B、C、D错误。
【变式训练2】 如图,(a)、(b)两图是由单色光分别入射到A圆孔和B圆孔形成的图像,由两图可以得出(　　)
A.图(a)是衍射图像,A孔直径小于B孔直径
B.图(a)是干涉图像,A孔直径大于B孔直径
C.图(b)是衍射图像,A孔直径小于B孔直径
D.图(b)是干涉图像,A孔直径大于B孔直径
答案:A
解析:由题图可知,图(a)为明暗相间、间隔不均匀的衍射图像,而图(b)是光的直线传播形成的图样;单色光通过小孔发生了衍射,小孔越小,衍射越显著。由题图知,图(a)衍射显著,所对应的小孔直径小,故A正确,B、C、D错误。
知识点二
单缝衍射和双缝干涉的比较
问题引领
在光的干涉实验中,若挡住双缝其中的一个缝,而让光通过另一个狭缝,屏上是否还能出现条纹 单缝由宽变窄,观察到的条纹发生怎样的变化 换用圆孔做实验,观察到的实验现象是什么
提示:仍然能观察到条纹,但不是等间距的。单缝变窄时,观察到中央亮条纹的宽度变大,两侧条纹更加明显。用圆孔做实验,在屏上观察到中央为亮圆,周围为明暗相间的圆环。
归纳提升
项目 单缝衍射 双缝干涉
不同点 产生 条件 障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多 频率、振动方向相同,相位差恒定的两列光波相遇叠加
不同点 条纹 宽度 条纹宽度不等,中央最宽 条纹宽度相等
条纹 间距 各相邻条纹间距不等,越靠外条纹间距越小 各相邻条纹等间距
亮度 中间条纹最亮,两边变暗 清晰条纹,亮度基本相等
相同点 成因 干涉、衍射都有明暗相间的条纹,条纹都是光波叠加时加强或者削弱的结果 意义 干涉、衍射都是波特有的现象,表明光是一种波 (1)单缝衍射可以理解为若干个光源的干涉,从而理解条纹相间排列。
(2)光波的波长增大,衍射条纹、干涉条纹的宽度都变大。
(3)复色光的衍射或干涉图样,可认为各单色光单独衍射或干涉所成图样的叠加。
典型例题
【例题2】 如图所示的四幅明暗相间的条纹,分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分表示亮条纹)。则在下面的四幅图中从左到右排列,亮条纹的颜色依次是(　　)
A.红、黄、蓝、紫 B.红、紫、蓝、黄
C.蓝、紫、红、黄 D.蓝、黄、红、紫
答案:B
解析:双缝干涉条纹平行等距,且波长越大,条纹间距越大,而红光波长大于蓝光波长,故第一幅图为红光,第三幅图为蓝光;又由于黄光波长比紫光波长大,故第四幅图为黄光的衍射图样,第二幅图为紫光的衍射图样。
衍射和干涉图样的认识
宽度上:双缝干涉的条纹是等宽等间距的,而单缝衍射的条纹是中央亮条纹最宽,两侧的条纹变窄。亮度上:双缝干涉条纹从中央往两侧亮度变化很小;而单缝衍射的中央条纹最亮,两侧逐渐变暗。
【变式训练3】 (多选)图(a)是做双缝干涉实验的示意图。先做操作1:用两块不同颜色的滤光片分别挡住双缝屏上下两半部分Ⅰ和Ⅱ;接着再做操作2:用不透明的挡板挡住b缝。若两块滤光片一块是红色,一块是蓝色,则(　　)
(a)
(b)
(c)
A.完成操作1后,光屏上出现的是图(b)图案,且甲是红色条纹,乙是蓝色条纹
B.完成操作1后,光屏上出现的是图(c)图案,且丙是蓝色条纹,丁是红色条纹
C.完成操作2后,光屏上出现的是图(b)图案,且甲是蓝色条纹,乙是红色条纹
D.完成操作2后,光屏上出现的是图(c)图案,且丙是红色条纹,丁是蓝色条纹
答案:AD
解析:题图(b)中的条纹为等间距明暗相间条纹,是干涉图样,再根据条纹宽度的有关因素分析即可。题图(c)为中间最宽且不等间距明暗相间条纹,是衍射条纹,再根据条纹宽度的有关因素进行分析即可。操作1是双缝干涉实验,故条纹间距相等,光屏上出现题图(b)图案,由图案知甲的波长大于乙的波长,故甲为红色条纹,乙为蓝色条纹,A正确;操作2是单缝衍射,条纹间距不相等,光屏上为题图(c)图案,再结合波长关系可知D正确。
知识点三
光的偏振
问题引领
如图所示,取一个偏振片P,让阳光通过偏振片P,在P的另一侧观察,可以看到偏振片是透明的;在偏振片P的后面再放置另一个偏振片Q,以光的传播方向为轴旋转偏振片Q,会看到什么现象 这说明什么
提示:会看到在旋转Q时光的亮度发生变化。
偏振片的作用类似于狭缝的作用,只有振动方向与透振方向一致的光才能通过。当偏振片Q与P的透振方向平行时,穿过Q的光最强;当Q与P的透振方向垂直时,光不能透过Q。
归纳提升
1.振动方向比较
自然光在垂直于光的传播方向的平面内,沿所有方向振动;偏振光在垂直于光的传播方向的平面内,沿某一特定的方向振动。
2.经过偏振片时现象比较
如图(a),自然光通过偏振片后变成偏振光,后面的屏是明亮的,转动偏振片时,偏振光的振动方向随之变化,但屏上亮度不变。
(a)
如图(b)甲、乙,偏振光经过偏振片时,若光的振动方向与偏振片的透光方向平行,屏是亮的;若光的振动方向与偏振片的透光方向垂直,屏是暗的;若既不平行也不垂直,屏的亮度介于两者之间,随着振动方向与透光方向的夹角变大,亮度逐渐变暗。
(b)
3.自然光、偏振光产生方式的比较
太阳、电灯等直接发出的光是自然光;自然光经偏振片后都是偏振光,自然光射到两种介质的交界面上,使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°,反射光和折射光都是偏振光,且偏振方向相互垂直。
(1)偏振现象在生活中非常普遍,并不是只有自然光通过偏振片后才变为偏振光,生活中除光源直接发出的光外,我们看到的绝大部分光都是偏振光,如自然光射到水面时的反射和折射光线,尤其是二者互相垂直时,都是典型的偏振光,并且是完全偏振光,振动方向相互垂直。(2)只有横波才能发生偏振现象,光是横波。
典型例题
【例题3】 (多选)如图所示,电灯S发出的光先后经过偏振片A和B,人眼在P处迎着入射光方向,看不到光亮,则(　　)
A.图中a光为偏振光
B.图中b光为偏振光
C.以SP为轴将B转过180°后,在P处将看到光亮
D.以SP为轴将B转过90°后,在P处将看到光亮
答案:BD
解析:自然光沿各个方向发散是均匀分布的,通过偏振片后,透射光是只有沿着某一特定方向振动的光。从电灯直接发出的光为自然光,则A错误;它通过A偏振片后,即变为偏振光,则B正确;设通过A的光沿竖直方向振动,则B偏振片只能通过沿水平方向振动的偏振光,则P处无光亮,将B转过180°后,P处仍无光亮,即C错误;若将B转过90°,则该偏振片将变为能通过竖直方向上振动的光的偏振片,则偏振光能通过B,即在P处有光亮,D正确。
本题考查自然光和偏振光的特征,以及偏振光的获得方法。开始时P处看不到光亮,是由于A、B两偏振片的偏振方向垂直,将A或B转过90°均可在P处看到光亮,其实在A或B转动过程中,P处都有光亮,只是当A或B转过90°时,P处光亮最大而已。本题易错之处主要表现在:其一是对自然光和偏振光的特征不熟悉;其二是对偏振片的作用不清楚。
【变式训练4】 关于光的偏振现象,下列说法正确的是(　　)
A.偏振光沿各个方向振动的光波的强度都相同
B.自然光在水面反射时,反射光和折射光都是一定程度的偏振光
C.光的偏振现象说明光是一种纵波
D.照相机镜头表面的镀膜是光的偏振现象的应用
答案:B
解析:自然光在垂直于传播方向上沿一切方向振动,且各个方向振动的光波强度都相同,而偏振光在垂直于传播方向上沿某个方向振动的光波强度最大,选项A错误;自然光在水面反射时,反射光和折射光的振动方向不同,但都是一定程度的偏振光,选项B正确;光的偏振现象说明光是一种横波,选项C错误;照相机的增透膜,使得光线因反射发生干涉现象从而增大透光性,属于光的薄膜干涉的应用,选项D错误。
知识点四
激光的特点及应用
问题引领
激光作为一种人造光源,在科研、通信、工业生产、军事科技等领域都有着广泛应用,如激光干涉仪、激光切割机等,激光的应用如此广泛,激光到底具有哪些特性
提示:相干性强、平行度好、亮度高。
归纳提升
激光特性 激光应用
单色性好、相干性好 在各种干涉仪中作为相干光源,用于长度、频率、转角等物理量的精密计量,并用来记录和再现全息照相等
方向性好、平行度好 记录和读取各种光盘上的信息等
亮度高、能量大 切割、焊接各种材料,医学上可用激光刀切开皮肤、切除肿瘤等
典型例题
【例题4】 关于激光的应用问题,下列说法正确的是(　　)
A.光纤通信是应用激光平行度非常好的特点对信号进行调制,使其在光导纤维中传递信息
B.计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光有相干性的特点
C.医学中用激光做“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点
D.“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点
答案:C
解析:由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用了激光的相干性,A错误;计算机内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的平行度好,B错误;医疗中用激光做“光刀”利用了激光的亮度高的特点,C正确;激光测距利用的是激光的平行度好的特点,D错误。
【变式训练5】 让激光照到VCD机、CD机或计算机的光盘上,就可以读出盘上记录的信息,经过处理后还原成声音或图像,这是利用激光的(　　)
A.平行度好,可以会聚到很小的一点上
B.相干性好,可以很容易形成干涉图样
C.亮度高,可以在很短时间内集中很大的能量
D.波长长,很容易发生明显的衍射现象
答案:A
解析:激光的特点之一是平行度好,它可以会聚到一个很小的点上,DVD、VCD、CD唱机或电脑上的光驱及刻录设备就利用了激光的这一特点,选项A正确,B、C、D错误。
课堂小结
随堂练习
1.(光的衍射)(多选)对光的衍射现象的定性分析,正确的是(　　)
A.光的衍射是光在传播过程中绕过障碍物继续传播的现象
B.衍射图样是光波相互叠加的结果
C.光的衍射现象为光的波动说提供了有力的证据
D.光的衍射现象完全否定了光的直线传播结论
答案:ABC
解析:根据光的衍射现象的定义可知选项A正确;衍射图样中有亮、暗条纹,这是光波相互叠加的结果,加强区为亮条纹,减弱区为暗条纹,选项B正确;因为衍射也是波特有的现象,所以光的衍射现象的发现为光的波动说提供了有力证据,选项C正确;当障碍物较大时,光的衍射很弱,光几乎沿直线传播,即光的直线传播只是特殊情况下的近似,二者是统一的,选项D错误。
2.(光的偏振的应用)(多选)下面关于光的偏振现象的应用正确的是(　　)
A.自然光通过起偏振器后成为偏振光,利用检偏振器可以检验出偏振光的振动方向
B.立体电影利用了光的偏振现象
C.茶色眼镜利用了光的偏振现象
D.拍摄水面下的景物时,在照相机镜头前装一个偏振片可减弱水面反射光的影响
答案:ABD
3.(激光的认识)如果激光直接照射人的眼睛,聚于感光细胞时引起的蛋白质凝固变性是不可逆的损伤,会造成眼睛的永久失明。激光对人眼的危害如此之大的原因是(　　)
A.单色性好 B.高能量
C.相干性好 D.平行度好
答案:B
4.(光的衍射与干涉的比较)(多选)如图所示,(a)、(b)为单色光通过窄缝后形成的明暗相间的两种条纹图样。下列判断正确的是(图中黑色表示亮条纹)(　　)
A.(a)为单缝衍射的图样
B.(b)为双缝干涉的图样
C.(a)为双缝干涉的图样
D.(b)为单缝衍射的图样
答案:AB
解析:双缝干涉图样的条纹是等宽等间距的,单缝衍射的条纹是中间宽、两侧逐渐变窄,由此可见选项A、B正确。(共30张PPT)
本章整合
第四章
内容索引
01
02
知识网络 系统构建
重点题型 归纳剖析
知识网络 系统构建
光
光从光密介质射向光疏介质
入射角大于或等于临界角
相同
恒定
相同
明暗相间
间隔均匀
kλ(k=0,1,2,3,…)
相间
不均匀
单缝衍射
圆孔衍射
泊松亮斑　
横波
相干性好
平行度好
亮度高
重点题型 归纳剖析
一、几何光学的基本原理及应用
1.光的折射定律
折射光线与入射光线、法线在同一平面内,折射光线、入射光线分居在法线两侧;入射角的正弦与折射角的正弦成正比。公式:n12= ,其中θ1为入射光线与法线的夹角,θ2为折射光线与法线的夹角。
2.光的全反射规律
发生全反射的条件:
(1)由光密介质射向光疏介质;
3.光的可逆原理
在反射、折射和直线传播中,光路都是可逆的。
【例题1】 如图所示,一棱镜的截面为直角三角形ABC,∠A=30°,斜边AB=a。棱镜材料的折射率为 。在此截面所在的平面内,一条光线以45°的入射角从AC边的中点M射入棱镜。画出光路图,并求光线从棱镜射出的点的位置(不考虑光线沿原路返回的情况)。
答案:见解析
由已知条件及①式得θ2=30°②
如果入射光线在法线的右侧,光路图如图(a)所示。设出射点为F,由θ2=30°得
(a)
如果入射光线在法线的左侧,光路图如图(b)所示。
设折射光线与AB边的交点为D。由几何关系可知,在D点的入射角θ=60°④
由⑤式和已知条件得C=45°⑥
因此,光在D点发生全反射。
设此光线的出射点为E,由几何关系得
∠DEB=90°,BD=a-2AF⑦
BE=BDsin 30°⑧
(b)
求解几何光学的题目首先要画出光路图,然后利用相应的公式结合几何知识分析边、角关系。而光从光密介质射到光疏介质时,首先要判断是否发生了全反射。
【变式训练1】 如图所示,一个三棱镜的截面为等腰直角三角形ABC,腰长为a,∠A=90°。一束细光线沿此截面所在平面且平行于BC边的方向从真空射到AB边上的中点M,光在M点发生折射后射到AC边上,并刚好在AC边上发生全反射。已知真空中的光速为c,试求:
(1)该棱镜材料的折射率n;
(2)光从AB边到AC边的传播时间t。
解析:(1)设光从AB边射入时入射角为i,折射角为α,射到AC边上N点时入射角为β,作出光路图如图所示。
二、全反射和临界角的综合问题
分析光的全反射、临界角问题的一般思路
(1)确定光是由光疏介质进入光密介质,还是由光密介质进入光疏介质。
(2)若光是由光密介质进入光疏介质,根据公式sin C= 确定临界角。
(3)画出恰好发生全反射的光路图,利用几何知识分析边、角关系,找出临界角。
(4)以恰好发生全反射的光线为比较对象来判断其他光线是否发生全反射,从而画出其他光线的光路图。
【例题2】 如图所示,△ABC是一直角三棱镜的横截面,∠A=90°,
∠B=60°。一细光束从BC边的D点折射后,射到AC边的E点,发生全反射后经AB边的F点射出。EG垂直于AC交BC于G,D恰好是CG的中点。不计多次反射。
(1)求出射光相对于D点的入射光的偏角。
(2)为实现上述光路,棱镜折射率的取值应在什么范围
答案:(1)60°
解析:(1)光线在BC面上发生折射,由折射定律有sin i1=nsin r1①
式中,n为棱镜的折射率,i1和r1分别是该光线在BC面上的入射角和折射角。光线在AC面上发生全反射,由反射定律有i2=r2②
式中i2和r2分别是该光线在AC面上的入射角和反射角。光线在AB面上发生折射,由折射定律有nsin i3=sin r3③
式中i3和r3分别是该光线在AB面上的入射角和折射角。
由几何关系得i2=r2=60°,r1=i3=30°④
F点的出射光相对于D点的入射光的偏角为
δ=(r1-i1)+(180°-i2-r2)+(r3-i3)⑤
由①②③④⑤式得δ=60°。⑥
(2)光线在AC面上发生全反射,光线在AB面上不发生全反射,有
nsin i2≥nsin C>nsin i3⑦
式中C是全反射临界角,满足nsin C=1⑧
【变式训练2】 如图所示,ABC为一透明材料制成的柱形光学元件的横截
(1)从P点射出的光线的折射角;
(2)AB和BC横截面上没有光线射出部分的总长度。
答案:(1)60°
解析:(1)设射向P点的光线入射角为θ1,折射角为θ2,如图所示。
三、测折射率的方法
测折射率常见的方法有成像法、插针法、视深法及全反射法,不管哪种方法,其实质相同,由折射定律n= 知,只要确定出入射角i及折射角r即可测出介质的折射率。
1.成像法
原理:利用水面的反射成像和水的折射成像。
方法:如图(a)所示,在一盛满水的烧杯中,紧挨杯口竖直插一刻度尺,在刻度尺的对面观察水面,能同时看到刻度尺在水中的部分和露出水面部分的像,若从P点看到刻度尺在水下最低点的刻度B的像B'(折射
成像)恰好跟刻度尺在水面上刻度A的像A'(反射成像)重
合,读出AC、BC的长,量出烧杯内径
(a)
2.插针法
原理:光的折射定律。
方法:如图(b)所示,取一方木板,在板上画出互相垂直的两条线AB、MN,从它们的交点O处画直线OP(使∠PON<45°),在直线OP上的P、Q两点垂直插两枚大头针。把木板放入水中,使AB与水面相平,MN与水面垂直。在水面上观察,调整视线使P的像被Q的像挡住,再在木板
S、T处各插一枚大头针,使S挡住Q、P的像,T挡住S
及Q、P的像。从水中取出木板,画出直线ST,量出图
(b)
3.视深法
方法:在一盛水的烧杯底部放一粒绿豆,在水面上方吊一根针,如图(c)所示。调节针的位置,直到针尖在水中的像与看到的绿豆重合,测出针尖距水面的距离即为杯中水的视深h',再测出水的实际深度h,则水的折射率
(c)
4.全反射法
原理:全反射现象。
方法:在一盛满水的大玻璃缸下面放一发光灯泡,如图(d)所示。在水面上观察,看到一圆形发光面,量出发光面直径D及水深h,则水的折射率
(d)
【例题3】 某游泳池底部粘有一与池边垂直的米尺,其零刻线恰好位于池底边缘,小明同学站在泳池边上,所处位置与米尺共线在同一竖直平面内,如图所示。小明到泳池边的距离等于其身体高度时,恰好能看到米尺的刻度值为2 m,当池中注满水时,小明向后移动到距泳池边的距离为其身高的
倍时,恰好能看到米尺的刻度值为1.5 m。若不计人眼到头顶的距离,求:
(1)游泳池的深度;
(2)泳池中水的折射率。
答案:(1)2 m
解析:(1)设泳池未加水时小明恰好看到的刻度值为L,且L=2 m,其光路图如图所示
根据三角形的相似关系可得,所看到的米尺的刻度和游泳池的深度相等,即H=L=2 m。
(2)根据题意知游泳池充满水时,站在B点的人恰好看到的刻度值为L'=1.5 m
设池中的光线与竖直方向的夹角为r,在空气中的光线与竖直方向的夹角为i,人的高度为h,光路图如图所示
【变式训练3】 如图所示,平面镜M放置在某液体中,液体上方靠近液面处放置毛玻璃PQ,一束激光水平照射到M上O1点时,观察到在O1点正上方玻璃上O点有一个光点。使平面镜M绕垂直纸面的轴逆时针转过θ角时,玻璃上光点恰好消失。已知真空中光速为c,求:
(1)液体的折射率n;
(2)光在液体中的传播速度v。
解析:(1)根据题意可知平面镜M绕垂直纸面的轴逆时针转过θ角时,射到玻璃上的光恰好发生全反射,其光路图如图所示。
根据反射现象的相关规律可知,两种情况下的反射光线的夹角为2θ,所以C=2θ

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