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(共34张PPT)
第69课时　实验十七:测定玻璃的折射率
学习目标:1.掌握测量折射率的原理及方法。
2.会用插针法测量玻璃的折射率。
1.实验目的
会用插针法测定玻璃的折射率,掌握光发生折射时,入射角和折射角的确定方法。
2.实验原理
如图所示,abb'a'为一个两面平行的玻璃砖,入射角为θ1,折射角为θ2,根据n=计算出玻璃的折射率。
3.实验器材
白纸、图钉、大头针、长方体玻璃砖、直尺、铅笔、量角器、木板。
4.实验过程
(1)如图所示,将白纸用图钉按在绘图板上,先在白纸上画出一条直线aa'作为界面。过aa'上的一点O画出界面的法线NN',并画一条线段AO作为入射光线。
(2)把长方体玻璃砖平放在白纸上,使它的一条长边跟aa'对齐,画出玻璃砖的另一条长边bb'。
(3)在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2,透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像,调整视线的方向,直到P1的像被P2挡住。再在观察的这一侧插两枚大头针P3、P4,使P3挡住P1、P2的像,P4挡住P3及P1、P2的像,记下P3、P4的位置。
(4)移去大头针和玻璃砖,过P3、P4引直线O'B,与bb'交于O',直线O'B就代表了沿AO方向入射的光线透过玻璃砖后的传播方向。连接OO',入射角θ1=∠AON,折射角θ2=∠O'ON'。
(5)用量角器量出入射角和折射角,查出它们的正弦值,将数据填入自己设计的表格中。
(6)改变入射角,用上述方法分别求出折射角,查出它们的正弦值,填入表格中。
(7)根据n=求得每次测得的折射率,然后求出平均值。
5.数据处理
(1)计算法:用量角器测量入射角θ1和折射角θ2,并查出其正弦值sin θ1和sin θ2。算出不同入射角时的,并取平均值。
(2)图像法:改变不同的入射角θ1,测出不同的折射角θ2,作出sin θ1-sin θ2的图像,由n=可知图像应是过原点的直线,如右图所示,其斜率为折射率。
(3)“单位圆”法:以入射点O为圆心,以一定的长度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',如下图所示,sin θ1=,sin θ2=,OE=OE'=R,则n=。只要用刻度尺量出EH、E'H'的长度就可以求出n。
命题分析
1.考规范:实验步骤、实际操作等的规范与否。
2.考运算:算折射率、入射角、入射点坐标等。
3.考推导:折射率的表达式。
4.考光路图:绘制部分光路图或判断光路图正误。
5.考误差分析:玻璃砖的移动、画线的偏差等导致折射率测量值与真实值的偏差(偏大、偏小)及其原因。
注意事项
1.入射角θ1不要定的太小,如果θ1太小,θ2会更小,用量角器测量角度时,相对误差较大。
2.在入射光线上插上大头针或确定O'B时插的大头针都要竖直。P1与P2及P3与P4的距离要适当大一些。
3.要先画直线aa',放上玻璃砖后再画bb'直线,不要放上玻璃砖后再画aa',以免入射点O的位置有误差。
4.画好界面bb'后,实验中不要再碰动玻璃砖,以免改变入射角和折射角,使测量结果出现错误。
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。
实验误差
1.确定入射光线、折射光线时会造成误差,故入射侧、折射侧所插两枚大头针间距应大一些。
2.入射角和折射角的测量造成误差,故入射角应适当大些,以减小测量的相对误差。
考点一　教材原型实验
典例1　如图所示,某同学用“插针法”测量两面平行玻璃砖的折射率,他先在纸上紧贴玻璃砖画出参考线aa'bb',钉上大头针P1、P2,然后继续实验。并画出光路图,则下列说法正确的是(　　)
A.入射角i尽量小一些,可以减小误差
B.P1、P2及P3、P4之间的距离取的小
一些,可以减小误差
C.若在钉大头针P3不小心使玻璃板
平移到了虚线框位置,则最终测得的
折射率偏大
D.若把bb'误画在了cc',其他操作均正确,
则测得的折射率偏小
D
解析 入射角如果尽量小一些小些,折射角也会小些,折射现象不明显,角度的相对误差会大些,故A错误;折射光线是通过隔着玻璃观察成一条直线确定的,大头针间的距离太小,引起的角度误差会较大,故P1、P2及P3、P4之间的距离适当大些,可以提高精确度,故B错误;不小心把玻璃砖平移到了虚线框位置,则入射角和折射角都不会改变,不会影响折射率的测量,故C错误;若把bb'误画在了cc',导致折射角变大,所以测得的折射率就会偏小,故D正确。故选D。
典例2　如图所示,某同学在“测量玻璃的折射率”的实验中,先将白纸平铺在木板上并用图钉固定,玻璃砖平放在白纸上,然后在白纸上确定玻璃砖的界面aa'和bb',O为直线AO与aa'的交点,在直线OA上竖直地插上P1、P2两枚大头针。
(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P2的像和P1的像
C.插上大头针P4,使P4仅挡住P3
D.插上大头针P4,使P4挡住P3和P2、P1的像
BD
(2)过P3、P4作直线交bb'于O',过O作垂直于aa'的直线NN',连接OO'测量图
中角α和β的大小,则玻璃砖的折射率n=　　　　。
(3)如果在实验过程中不小心将玻璃砖向上平移了一些,bb'移到图中虚线位置,而在作光路图时aa'不变,则所测得的折射率将　　　　(选填“偏大” “偏小”或“不变”)。
(4)若所使用的玻璃砖的界面bb'与aa'不平行,其他操作无误,则所测得的折射率将　　　　(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
偏大
不变
典例3　在“测定玻璃的折射率”实验中,某同学经正确操作插好了4枚大头针,如图甲所示。
(1)下列做法正确的是　　　　　。
A.入射角越大,误差越小
B.在白纸上放好玻璃砖后,用铅笔贴着光学面
画出界面
C.实验时既可用量角器,也可用圆规和直尺等
工具进行测量
D.判断像与针是否在同一直线时,应该观察大头针的头部
C
(2)请在图乙中画出完整的光路图。
(3)对你画出的光路图进行测量和计算,求得该玻璃砖的折射率n=
(保留3位有效数字)。
1.54
(4)为了观测光在玻璃砖不同表面的折射现象,某同学做了两次实验,经正确操作插好了8枚大头针,如图丙所示。图丙中P1和P2是同一入射光线上的2枚大头针,其对应折射光线上的2枚大头针是P3和　 　(选填“A”或“B”)。
A
解析 (1)入射角尽量大些,折射角也会大些,折射现象较明显,角度的相对误差会减小,但要注意并不是入射角越大越好,应适度,故A错误;为了防止弄脏玻璃砖,不能用铅笔贴着光学面画界面,故B错误;实验中需要测角度时既可用量角器,也可用圆规和直尺等工具进行测量,故C正确;判断像与针是否在同一直线时,应该观察大头针的整个部分,不能只观察其头部,故D错误。
(2)光路图如图所示。
(3)由图可知,取小方格的边长为单位长度,
则sin i=≈0.804、sin r=≈0.521、n=≈1.54。
(4)光线经由P1P2射入后光路图如图所示。
第一次折射时入射角大于折射角,第二次折射在玻璃砖内向空气中折射,折射角要大于入射角,出射光线要远离法线,由图可知经由P3A的出射光线符合事实,而经由P3B的出射光线靠近法线,不符合事实。故对应的出射光线上的2枚大头针是P3和A。
典例4　如图所示,一束光沿AO从空气射入介质中,以O点为圆心画一个圆,与折射光线的交点为B,过B点向两介质的交界面作垂线,交点为N,BN与AO的延长线的交点为M。以O点为圆心,OM为半径画另一圆。则以下线段长度的比值等于水的折射率的是(　　)
A B
C D
C
考点二　拓展创新实验
实验设计的创新

利用激光笔结合标尺分析光点的位置变化替代插针法
数据处理的创新

1.实验器材选用三角形玻璃砖
2.光路图结合圆的几何特性求解折射率n=
实验目的的创新

用测液体的折射率替代测玻璃砖的折射率
典例5　某同学测量玻璃砖的折射率,准备了下列器材:激光笔、直尺、刻度尺、一面镀有反射膜的平行玻璃砖。如下图所示,直尺与玻璃砖平行放置,激光笔发出的一束激光从直尺上O点射向玻璃砖表面,在直尺上观察到A、B两个光点,读出OA间的距离为20.00 cm,AB间的距离为6.00 cm,测得图中直尺到玻璃砖上表面的距离d1=10.00 cm,玻璃砖厚度d2=4.00 cm,则该玻璃的折射率n=　　　　,光在该玻璃中传播速度v=　　　　 m/s(光在真空中传播速度c=3.0×108 m/s,结果均保留两位有效数字)。
1.2
2.5×108
典例6　某同学在做“测定玻璃折射率”的实验时已经画好了部分图线,如图所示,并在入射光线AO上插上大头针P1、P2,现需在玻璃砖下表面折射出的光线上插上大头针P3和P4,便能确定光在玻璃砖中的折射光线。
(1)确定P3位置的方法正确的是　　　　;
A.透过玻璃砖,P3挡住P2的像
B.先插上P4大头针,在靠近玻璃砖一侧P3挡住P4的位置
C.透过玻璃砖观察,使P3挡住P1、P2的像
C
(2)作出光线在玻璃砖中和出射后光线的光路图,并画出玻璃砖中光线的折射角θ2;
(3)经过多次测量作出sin θ1-sin θ2的图像如图,玻璃砖的折射率为
　　　　(保留三位有效数字);
(4)若该同学在确定P4位置时,被旁边同学碰了一下,不小心把P4位置画的偏左了一些,则测出来的折射率　　　　(选填“偏大”“偏小”或“不变”);
1.50
偏小
(5)该同学突发其想用两块同样的玻璃直角棱镜ABC来做实验,两者的AC面是平行放置的,插针P1、P2的连线垂直于AB面,若操作无误,则在图中右边的插针应该是　　　。
A.P3P6 B.P3P8
C.P5P6 D.P7P8
C
解析 (1)确定P3位置的方法正确的是,透过玻璃砖观察,使P3挡住P1、P2的像,故选C。
(2)光路如图所示。
(3)根据n=可知,图像sin θ1-sin θ2的斜率等于折射率,由图像可知玻璃砖的折射率为n==1.50。
(4)P4P3的连线与bb'的交点偏右,测得的折射角θ2偏大,则根据n=可知,测出来的折射率偏小。
(5)光路图如图所示,根据光路图可知,经过P1P2的光线经两块玻璃砖的分界处向下偏转,然后射入右侧玻璃砖后平行射出,所以在图中右边的插针应该是P5P6,故选C。(共34张PPT)
第71课时　实验十八:用双缝干涉测量光的波长
学习目标:1.掌握用Δx=测量光的波长的原理,并会测单色光波长。
2.观察单色光的双缝干涉图样,掌握测量头测量条纹间距的方法。
1.实验目的
(1)了解光产生稳定干涉现象的条件。
(2)观察白光及单色光的双缝干涉图样。
(3)掌握用测量头测量条纹间距的方法。
(4)测量单色光的波长。
2.实验原理
(1)光源发出的光经滤光片后成为单色光,单色光通过单缝后,相当于线光源,再经双缝射出的两束光即为相干光,在光屏上产生稳定的干涉图样。
(2)由条纹间距公式Δx=,得λ=x,可以计算出光的波长,其中双缝间距d是已知的,双缝到屏的距离l可以用刻度尺测出,条纹间距Δx用测量头测出。
3.实验器材
双缝干涉仪(光具座、单缝、双缝、滤光片、遮光筒、屏、光源、测量头)、电源、导线、刻度尺。
4.实验过程
(1)安装双缝干涉仪
①先将光源(线状光源)、遮光筒、光屏依次放于光具座上,如图所示,调整光源的高度,使它发出的一束光沿着遮光筒的轴线把屏照亮。
a.光源、单缝、双缝三者的中心位于遮光筒的轴线上。
b.双缝与单缝平行。
c.调整分划板位置,使分划板中心刻线位于光屏中央。
②将单缝和双缝安装在光具座上,在遮光筒有光屏的一端安装测量头,如图所示。
(2)观察双缝干涉图样
①调节单缝的位置,使单缝和双缝间距离保持在 5~10 cm,使缝相互平行,中心大致位于遮光筒的轴线上,这时通过测量头上的目镜观察干涉条纹,若干涉条纹不清晰,可通过遮光筒上的调节长杆轻轻拨动双缝,即可使干涉条纹清晰明亮。在屏上就会看到白光的双缝干涉图样。
②将红色(或绿色)滤光片套在单缝前面,通过目镜可看到单色光的双缝干涉条纹。
③改变滤光片的颜色和双缝的距离,观察干涉图样的变化。
(3)测量单色光的波长
①转动测量头上的手轮,使分划板中心刻线对齐某一条亮条纹中心,记下手轮上的读数a1;转动手轮,使分划板中心刻线对齐另一条亮条纹中心,记下手轮上的读数a2。
②测出n条亮纹间的距离a,进而求出相邻两条亮条纹间的距离Δx=。
③双缝间的距离d是已知的,双缝到屏的距离l用米尺测出,利用表达式λ=x求单色光的波长。
④换用不同颜色的滤光片重复上述步骤,并求出相应的波长。
命题分析
1.考装置:器材摆放的次序、装配的正误。
2.考操作:增加观察到的条纹数目、增强条纹清晰度等的实际操作。
3.考读数:手轮的读数、条纹间隔数等的读取。
4.考运算:算波长、条纹间距等。
5.考推导:由已知的物理量推导波长的表达式,更换不同频率的色光、不同缝宽导致条纹间距的变化。
6.考误差分析:条纹间隔数读取的错误等引起的波长测量值与真实值的偏差(偏大或偏小)。
注意事项
1.调节双缝干涉仪时,要注意调整光源的高度,使它发出的光束能够沿着遮光筒的轴线把屏照亮。
2.放置单缝和双缝时,缝要相互平行,中心大致位于遮光筒的轴线上。
3.调节测量头时,应使分划板中心刻线和亮条纹的中心对齐,记下此时手轮上的读数,转动手轮,使分划板中心刻线和另一相邻亮条纹的中心对齐,再次记下此时手轮上的读数。两次读数之差就表示这两条亮条纹间的距离Δx。
4.不要直接测Δx,要测多条亮条纹的间距再计算得到Δx,这样可以减小误差。
5.白光的干涉观察到的是彩色条纹,其中白色在中央,红色在最外层。
误差分析
1.刻度尺和测量头出现的读数误差对实验结果的影响很大;因此采取多测几条亮条纹间距和多次测量取平均值的办法减小误差。
2.单缝、双缝不是严格相互平行,其中心没有位于遮光筒的轴线上以及单缝到双缝的距离不是严格相等造成误差。应尽量把单缝、双缝调平行,调节单缝到双缝的距离相等并使它们的中心大致位于遮光筒的轴线上。
考点一　教材原型实验
典例1　在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中,实验装置如图所示。某同学以线状白炽灯为光源,对实验装置进行调节并观察实验现象,下列说法正确的是(　　)
A.干涉条纹与双缝垂直
B.单缝和双缝应相互平行放置
C.取下滤光片,光屏上观察不到白光的干涉图样
D.将单缝向双缝靠近,从目镜中观察到的条纹条数增加
B
解析 在双缝干涉实验中,单缝和双缝相互平行放置,且与干涉条纹平行,B正确,A错误;滤光片的作用是得到单色光,产生单色光的干涉图样,取下滤光片可观察到白光彩色的干涉图样,C错误;根据相邻明条纹中心间距公式Δx=λ可知,条纹间距Δx跟单缝到双缝间的距离无关,改变单、双缝间距离,从目镜中观察到的条纹条数将不变,D错误。
典例2　如图甲所示,为“用双缝干涉测光的波长”的实验装置。
甲 乙
(1)如图乙为拨杆,下列安装和操作都正确的是　　　。
A.拨杆A处Y字叉套在单缝所在处的支柱,手持拨杆的C端,通过左右拨动来调节B小孔套住的双缝
B.拨杆B处小孔套在双缝所在处的支柱,手持拨杆的C端,通过手的左右拨动来调节A处Y字叉套住的单缝
C.拨杆B处小孔套在双缝所在处的支柱,手持拨杆的C端,通过手的上下拨动来调节A处Y字叉套住的单缝
B
(2)若想增加从目镜中观察到的条纹个数,该同学可以　　　。
A.将单缝向双缝靠近
B.将屏向靠近双缝的方向移动
C.将屏向远离双缝的方向移动
D.使用两缝之间间距更小的双缝
B
典例3　某学习小组利用图甲所示装置测量某种单色光的波长,已知双缝间距离为0.20 mm,双缝到屏间的距离为75.0 cm。
(1)实验时,移动分划板,第1条亮条纹对应的游标卡尺读数如图乙所示,第5条亮条纹的游标卡尺读数如图丙所示,丙图中游标卡尺上的读数为
　　　　mm,该单色光的波长为　　 　　m。
9.6
6.2×10-7
(2)在写实验报告时,需将目镜中所观察到的现象描绘出来。小明、小华分别画了转动手轮时所观察到的初、末两个视场区的示意图如图丁、戊所示,可判断　　　　(选填“小明”或“小华”)的图样存在问题。
丁 戊
小华
解析 (1)由图丙可知,实验中使用的是10分度的游标卡尺,且游标的第6个刻度与主尺刻度对齐,因此游标卡尺的读数为x2=9 mm+0.1×6 mm=9.6 mm,图乙的读数为x1=0.1×3 mm=0.3 mm,由题意知4Δx=x2-x1=9.3 mm,得Δx=2.325 mm,由于Δx=,得λ= m=6.2×10-7 m。
(2)由图戊可看到初末条纹是同一条纹,所以小华的图样存在造假现象。
典例4　在英国物理学家托马斯·杨的双缝干涉实验中,利用双缝干涉可以测量光的波长。某同学想利用双缝干涉实验来测量某种单色光的波长,该同学所使用的装置如图甲所示,光具座上放置的光学元件依次为光源、透镜、M、N、P、遮光筒、毛玻璃、目镜。
(1)M、N、P三个光学
元件依次为　　　　。
A.滤光片、单缝、双缝
B.单缝、滤光片、双缝
C.单缝、双缝、滤光片
D.滤光片、双缝、单缝
甲
A
(2)该同学通过测量头的目镜观察单色光的干涉图样时,发现分划板的中心刻线与亮条纹未对齐,如图乙所示,下列操作中可使中心刻线与亮条纹对齐的是　　　　。
乙
A.仅转动目镜 B.仅转动双缝
C.仅转动手轮 D.仅转动测量头
D
(3)通过调整,该同学从目镜中看到如图丙所示的图像,转动测量头的手轮,使分划板中心刻线对准a,此时,手轮的读数x1=1.002 mm,继续转动手轮,使分划板中心刻线对准b,此时,手轮的读数如图丁所示,x2=　　　　 mm。
丙 丁
9.762
(4)计算通过单缝的光的波长的表达式为λ=　　　　,若已知双缝间距d=2.0×10-4 m,双缝到屏的距离l=1.0 m,则待测光的波长为　　　　nm(结果保留三位有效数字)。
(5)若想减少从目镜中观察到的条纹个数,该同学可以　　　　。
A.将单缝向双缝靠近
B.将屏向靠近双缝的方向移动
C.将屏向远离双缝的方向移动
D.使用间距更大的双缝
438
C
(6)下列现象中能够观察到的是　　　　。
A.将滤光片由蓝色的换成红色的,干涉条纹间距变窄
B.去掉滤光片后,干涉现象消失
C.换一个缝宽较大的单缝片,干涉条纹间距变宽
D.换一个两缝间距较大的双缝片,干涉条纹间距变窄
D
解析 (1)由题图甲可知,M、N、P三个光学元件依次为滤光片、单缝、双缝。故选A。
(2)当分划板的中心刻线与亮条纹不平行时,应该转动测量头,将图中分划板调到竖直方向并与干涉条纹平行。故选D。
(3)由题图丁可得,读数为x2=9.5 mm+26.2×0.01 mm=9.762 mm。
(4)由Δx=得,波长表达式为λ=,由题意得Δx=×10-3 m=2.19×10-3 m,所以波长为λ= m=4.38×10-7 m =438 nm。
(5)若想减少从目镜中观察到的条纹个数,则应该增大条纹间距,由Δx=知,应该将屏向远离双缝的方向移动从而增大l,或者减小双缝间距d。故选C。
(6)由Δx=知,将滤光片由蓝色的换成红色的,光的波长变大,则干涉条纹间距变宽,故A错误;去掉滤光片后,得到的是白光的干涉条纹,即彩色干涉条纹,故B错误;由Δx=知,干涉条纹间距与单缝片的缝宽没有关系,若换一个两缝间距较大的双缝片,干涉条纹间距变窄,故C错误,D正确。
考点二　拓展创新实验
实验器材的创新
该实验中测量头用游标卡尺替代了螺旋测微器
实验方法的创新
1.应用双缝干涉装置观测干涉条纹;
2.应用条纹间距公式定性分析有关问题
实验情境的创新
应用牛顿环装置观察光的薄膜干涉现象
典例5　劳埃德在1834年提出了一种更简单的观察干涉的装置。如图所示,单色光从单缝S射出,一部分入射到平面镜后反射到屏上,另一部分直接投射到屏上,在屏上两光束交叠区域里将出现干涉条纹。单缝S通过平面镜成的像是S'。
(1)通过劳埃德镜在光屏上可以观察到明暗相间的干涉条纹,这和双缝干涉实验得到的干涉条纹一致。如果S被视为其中的一个缝,　　　　相当于另一个“缝”。
S'
(2)实验中已知单缝S到平面镜的垂直距离h=0.15 mm,单缝到光屏的距离D=1.2 m,观测到第3条亮条纹中心到第12条亮条纹中心的间距为22.78 mm,则该单色光的波长λ=　　　　 m(结果保留一位有效数字)。
(3)以下哪些操作能够增大光屏上相邻两条亮条纹之间的距离　　　　(多选)。
A.将平面镜稍向上移动一些
B.将平面镜稍向右移动一些
C.将光屏稍向右移动一些
D.将光源由红色光改为绿色光
(4)实验表明,光从光疏介质射向光密介质界面发生反射时,在入射角接近90° 时,反射光与入射光相比,相位有π的变化,即半波损失。如果把光屏移动到和平面镜接触,接触点P处是　　　　　(选填“亮条纹”或“暗条纹”)。
6×10-7
AC
暗条纹
解析 (1)通过劳埃德镜在屏上可以观察到明暗相间的干涉条纹,这和双缝干涉实验得到的干涉条纹一致。如果S被视为其中的一个缝,S'相当于另一个“缝”。
(2)第3条亮条纹中心到第12条亮条纹中心的间距为22.78 mm,则相邻亮条
纹间距为Δx= m≈2.53×10-3 m,等效双缝间的距离为d=2h=0.30 mm=3.0×10-4 m,根据双缝干涉条纹间距Δx=λ则有λ=Δx= m≈6×10-7 m。
(3)根据双缝干涉条纹间距Δx=λ可知,仅增大D、仅减小d或仅增大波长λ都能够增大光屏上相邻两条亮条纹之间的距离,所以A、C正确。
(4)根据题意可知,把光屏移动到和平面镜接触,光线经过平面镜反射后将会有半波损失,因此接触点P处是暗条纹。(共32张PPT)
第70课时　光的干涉、衍射和偏振
学习目标:1.知道什么是光的干涉、衍射和偏振。
2.掌握双缝干涉中出现亮、暗条纹的条件。
3.知道发生明显衍射的条件。
√
√
×
√
√
×
解析
1.√　产生稳定干涉图样的必要条件包括频率相同、相位差恒定、振动方向相同。
2.√
3.×　该现象是小孔成像,属于光的直线传播。光的衍射图样通常是不均匀的明暗条纹。
4.√
5.√　任何光波遇到障碍物时都会发生衍射,这是普遍存在的。当障碍物或孔的尺寸与光的波长相近时,衍射现象会变得显著。
6.×　自然光包含垂直于传播方向的所有方向的振动,且各个方向振幅相同。偏振光只在特定方向振动。
考点一　光的干涉现象
1.光的干涉
(1)定义:在两列光波叠加的区域,某些区域相互加强,出现　　条纹,某些区域相互减弱,出现　　条纹,且加强区域和减弱区域相互　　　　的现象。
(2)条件:两束光的频率　　　　、相位差　　　　、振动方向　　　　。
2.双缝干涉
(1)双缝干涉图样的特点:单色光照射时,形成明暗相间的　　　　的干涉条纹;白光照射时,中央为　　　　条纹,其余为　　　　条纹。
(2)条纹间距:Δx= ,其中l 是双缝到　　　的距离,d 是　　　间的距离,λ 是入射光波的　　　。
亮
暗
间隔
相同
恒定
相同
等间距
白色亮
彩色
屏
双缝
波长
(3)亮暗条纹的判断方法:
如图所示,光源S1、S2发出的光到屏上P'点的路程差为Δr=r2-r1。
当Δr=kλ(k=0,1,2,…)时,光屏上P'处出现亮条纹。
当Δr=(2k+1)(k=0,1,2,…)时,光屏上P'处出现暗条纹。
3.薄膜干涉
(1)利用薄膜(如肥皂液薄膜)　　　　　　反射的光叠加而形成的。图样中同一条亮(或暗)条纹上所对应薄膜厚度　　　　。
(2)形成原因:如图所示,竖直的肥皂薄膜,由于重力的作用,形成上薄下厚的楔形,光照射到薄膜上时,从膜的前表面AA'和后表面BB'分别反射回来,形成两列频率　　　　的光波,并且叠加。
前后表面
相同
相同
(3)亮暗条纹的判断方法:两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr 等于薄膜厚度的　　　倍,光在薄膜中的波长为λ。
在P1 、P2 处,Δr=nλ(n=1,2,3,…),薄膜上出现　　　条纹。
在Q 处,Δr=(2n+1)(n=1,2,3,…),薄膜上出现　　　条纹。
(4)应用:增透膜、检查平面的平整度。
2
明
暗
考向1　双缝干涉的理解
典例1　某一质检部门利用干涉原理测定矿泉水的折射率。如图所示,单缝S0、屏上的P0点位于双缝S1和S2的中垂线上,当双缝与屏之间的介质为空气或矿泉水时,屏上的干涉条纹间距分别为Δx1与Δx2。当介质为矿泉水时,屏上P点处是P0上方第2条亮纹的中心。
则(　　)
A.Δx2大于Δx1
B.该矿泉水的折射率为
C.当介质为空气时,P0上方第2条亮条纹的中心在P点的下方
D.仅将S0水平向左移动少许,就不能观察到干涉图样了
B
解析 由Δx=λ可知,干涉条纹间距正比于波长,设入射光在矿泉水中的波长为λ',矿泉水的折射率为n,则有λ'=,可得该矿泉水的折射率为n=,所以有Δx1>Δx2,故A错误,B正确;当介质为空气时,由Δx=λ可知,条纹的间距变大,P0上方第2条亮条纹的中心在P点的上方,故C错误;水平向左移动S0对观察结果没有影响,故D错误。
对点演练 　如图所示,某兴趣小组用洛埃镜实验装置研究光的波长,S为红色光源,M为平面镜。在光屏上某区域出现了明暗相间的条纹,要使得条纹间距变大,下列措施可行的是(　　)
A.将光屏向左移动 B.将平面镜向左平移
C.将光源S向下移动 D.将S换成绿色光源
C
解析 光源到屏的距离L可看作双缝到屏的距离,光源S与S在平面镜中虚像的间距2d可看作双缝的间距,根据双缝干涉条纹公式知相邻条纹之间的距离Δx=λ,将光屏向左移动,L减小,条纹间距变小,A错误;将平面镜向左平移,L、d不变,条纹间距不变,B错误;将光源S向下移动,d减小,条纹间距增大, C正确;将S换成绿色光源,绿光的波长比红光短,条纹间距变小,D错误。
考向2　双缝干涉的计算
典例2　如图所示,在双缝干涉实验中,S1和S2为双缝,P是光屏上的一点,已知P点与S1和S2距离之差为2.1×10-6 m,今分别用A、B两种单色光在空气中做双缝干涉实验,问P点是亮条纹还是暗条纹
(1)已知A光在折射率为n=1.5的介质中波长为4×10-7 m;
(2)已知B光在某种介质中波长为3.15×10-7 m,当B光从这种介质射向空气时,临界角为37°(sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)。
答案 (1)暗条纹　(2)亮条纹
解析 (1)设A光在空气中波长为λ1,在介质中波长为λ2,由n=,得λ1=nλ2=1.5×4×10-7 m=6×10-7 m,根据路程差Δx=2.1×10-6 m,所以N1==3.5,由此可知,从S1和S2到P点的路程差Δx是波长λ1的3.5倍,所以P点为暗条纹。
(2)根据临界角与折射率的关系sin C=得,这种介质的折射率n'=。设B光在空气中波长为λ3,则λ3=n'λ介=×3.15×10-7 m=5.25×10-7 m,所以N2==4,可见,用B光做光源,P点为亮条纹。
考向3　薄膜干涉的理解
典例3　劈尖干涉是一种薄膜干涉,如图所示,将一块平板玻璃a放置在另一平板玻璃b上,在一端夹入两张纸片,当单色光从上方入射后,从上往下可以看到干涉条纹。则(　　)
A.干涉条纹是由a、b上表面反射的光叠加产生的
B.相邻的暗条纹对应位置下方的空气膜厚度差不同
C.若抽去一张纸片,条纹变密
D.若某亮条纹发生弯曲,该亮条纹对应位置的空气膜厚度仍相等
D
解析 干涉条纹是由于a下表面和b上表面反射光叠加产生的,故A错误;劈尖干涉条纹特点,任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等,任意相邻的明条纹或者暗条纹对应的薄膜厚度差恒定,故B错误,D正确;干涉条纹光程差Δx=2d,即光程差为空气层厚度的2倍,当满足Δx=nλ时,表现为亮条纹,故相邻亮条纹间的空气厚度差为,若抽去一张纸倾角减小,故亮条纹之间距离增大,因此干涉条纹变疏,故C错误。
考向4　薄膜干涉的应用
典例4　利用如图甲所示的装置可以测量待测圆柱形金属丝与标准圆柱形金属丝的直径差,T1、T2是标准平面玻璃,A0为标准金属丝,直径为D0,A为待测金属丝,直径为D。两者中心间距为L。用波长为λ的单色光垂直照射玻璃表面,干涉条纹如图乙所示,相邻亮条纹的间距为ΔL。则(　　)
A.D与D0相差越大,ΔL越大
B.轻压T1的右端,若ΔL变小,有DC.相邻亮条纹对应的空气薄膜厚度差为λ
D.图乙可能是D与D0相等时产生的条纹
甲
乙
B
解析 设标准平面玻璃之间的夹角为θ,由题设条件,则tan θ=,由空气薄膜干涉条件,则有2ΔLtan θ=λ,即ΔL=,由此可知D与D0相差越大,θ越大,ΔL越小,A错误;轻压T1的右端,若ΔL变小,由ΔL=可知,θ变大,因为压的是右侧,说明右侧直径小,即有D考点二　光的衍射现象
1.明显衍射的条件:只有当障碍物的尺寸与光的波长　　　　　　,甚至比光的波长　　　　的时候,衍射现象才会明显。
2.三类常见衍射现象
泊松亮斑(圆盘衍射):当光照射到不透明的　　　　　　　　　上时,在圆盘的阴影中心出现　　　　,在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。(如图丙所示)
相差不多
还小
半径很小的小圆盘
亮斑
3.对光的衍射的理解
(1)波长越长,衍射现象越明显。在任何情况下都可以发生衍射现象,只是明显与不明显的差别。
(2)衍射现象说明“光沿直线传播”只是一种特殊情况,只有在光的波长比障碍物小得多时,光才可以看作是沿直线传播的。
典例5　如图所示的4种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)。在下面的4幅图中从左往右排列,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
B
解析 双缝干涉条纹是等间距的,而单缝衍射条纹除中央亮条纹最宽、最亮之外,两侧条纹亮度、宽度都逐渐减小,因此1、3为双缝干涉条纹,2、4为单缝衍射条纹。相邻亮条纹间距Δx=λ,红光波长比蓝光波长长,则红光干涉条纹间距大于蓝光干涉条纹间距,即1、3分别对应红光和蓝光。而在单缝衍射中,当单缝宽度一定时,波长越长,衍射越明显,即中央条纹越宽越亮,黄光波长比紫光波长长,即2、4分别对应紫光和黄光。综上所述,1、2、3、4四幅图中亮条纹的颜色依次是红、紫、蓝、黄,B正确。
考点三　光的偏振　激光
1.光的偏振
(1)自然光:包含着在垂直于传播方向上沿　　　　　　振动的光,而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同。
(2)偏振光:在垂直于光的传播方向的平面上,只沿着某个　　　　的方向振动的光。
(3)偏振光的两种形成方式
①让自然光通过　　　　形成偏振光。
②让自然光在两种介质的界面发生反射和　　　　,反射光和折射光可以成为部分偏振光或完全偏振光。
(4)光的偏振现象:说明光是一种　　　　。
(5)偏振光的应用:加偏振滤光片的照相机镜头、液晶显示器、立体电影、消除车灯眩光等。
一切方向
特定
偏振片
折射
横波
2.激光
(1)激光:是原子激发产生的光,是人工产生的光。
(2)激光的特点
①高度的相干性。可用于传递信息,如光通信,全息照相等。
②平行度非常好,激光束在相同距离的扩散较小。可用于精确测距、激光雷达、读盘等。
③亮度很高,它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。可用于医用激光刀,激光束切割、焊接等。
典例6　利用旋光仪这种仪器可以用来测量糖溶液的浓度,从而测定含糖量。其原理是偏振光通过糖的水溶液后,若迎着射来的光线看,偏振方向会以传播方向为轴线,旋转一个角度θ,这一角度称为“旋光角”,θ的值与糖溶液的浓度有关。将θ的测量值与标准值相比较,就能确定被测样品的含糖量了。如图所示,S是自然光源,A、B是偏振片,转动B,使到达O处的光最强,然后将被测样品P置于A、B之间,下列说法中错误的是(　　)
A.到达O处光的强度会明显减弱
B.到达O处光的强度不会明显减弱
C.将偏振片B转动一个角度,使得O处
光的强度最大,偏振片B转过的角度等于θ
D.将偏振片A转动一个角度,使得O处光的强度最大,偏振片A转过的角度等于θ
B(共28张PPT)
第十四章　光
知识网络
考点分布
光的折射　全反射 2025·江苏卷·T7(选择,4分)
2024·江苏卷·T6(选择,4分)
2023·江苏卷·T5(选择,4分)
2022·江苏卷·T12(计算,8分)
2021·江苏卷·T7(选择,4分)
光的干涉、衍射和偏振 2024·江苏卷·T2(选择,4分)
2021·江苏卷·T6(选择,4分)
实验:用双缝干涉测量光的波长 2023·江苏卷·T6(选择,4分)
第68课时　光的折射　全反射
学习目标:1.理解折射率的概念,掌握光的折射定律。
2.掌握发生全反射的条件并会用全反射的条件进行相关计算。
×
×
×
√
×
×
×
×
解析 1.×　光的反射、折射、衍射等都会改变光的传播方向。仅传播方向改变不能定义为折射。
2.×　全反射必须发生在光从光密介质射向光疏介质时。从光疏到光密介质不可能发生全反射。
3.×　光从空气进入水中,折射率n增大,由v=可知,传播速度减小。
4.√
5.×　折射率是介质本身的光学特性,由n=定义,但与折射角正弦无关。
6.×　由全反射临界角公式得n=。
7.×　发生全反射需满足两个条件:光从光密介质射向光疏介质,且入射角大于等于临界角。
8.×　光密介质与光疏介质由折射率大小决定,与介质密度无直接关系。
考点一　折射定律　折射率
1.折射现象
光从一种介质斜射入另一种介质时传播方向发生　　　　的现象,如图所示(以光从空气射入水中为例)。
改变
2.折射定律
(1)内容:折射光线与入射光线、法线处在　　　　　　内,折射光线与入射光线分别位于法线的　　　　;入射角的正弦与折射角的正弦成
　　　比。
(2)表达式:=n12
(3)在光的折射现象中,光路是　　　　的。
3.折射率
(1)折射率是衡量材料　　　　性能的重要指标。
(2)定义式:n12=　　　　。
(3)计算式:n=　　　　,因为v 同一平面
两侧
正
可逆
光学
大于
4.对折射率的理解
(1)公式n12=中,光不论是从真空射入介质,还是从介质射入真空,θ1总是真空中的光线与法线间的夹角,θ2总是介质中的光线与法线间的夹角。
(2)折射率由介质本身性质决定,与入射角的大小无关。
(3)折射率的大小不仅与介质本身有关,还与光的频率有关。同一种介质中,频率越大的色光折射率越大,传播速度越小。
(4)同一种色光,在不同介质中虽然波速、波长不同,但频率相同。
(5)折射率的大小不仅反映了介质对光的折射本领,也反映了光在介质中传播速度的大小v=。
考向1　折射率的理解
典例1　(2025南京、盐城一模)折射率是衡量材料光学性能的重要指标,下表是几种介质的折射率(λ=589.3 nm , t=20 ℃)。下列说法正确的是(　　)
介质 金刚石 二硫化碳 玻璃 水晶
折射率 2.42 1.63 1.5~1.8 1.55
A.同一种光在水晶中的频率大于在金刚石中的频率
B.一束单色光从水晶射入二硫化碳中,其传播速度将减小
C.光从金刚石射向玻璃,在分界面上一定会发生全反射现象
D.不同频率的光以相同的入射角从空气射入水晶,其折射角相同
B
对点演练1　(2023江苏卷)地球表面附近空气的折射率随高度降低而增大,太阳光斜射向地面的过程中会发生弯曲。下列光路图中能描述该现象的是(　　)
A
考向2　折射定律的应用
典例2　(2022江苏卷)如图所示,两条距离为D的平行光线,以入射角θ从空气射入平静水面,反射光线与折射光线垂直,求:
(1)水的折射率n;
(2)两条折射光线之间的距离d。
答案 (1)tan θ　(2)Dtan θ
对点演练2　如图,一棱镜的横截面为等腰三角形PMN,其中边长PM与PN相等,∠PMN=30°,PM边紧贴墙壁放置,现有一束单色光垂直于MN边入射,从PN边出射后恰好与墙面垂直(不考虑光线在棱镜内的多次反射),则该棱镜的折射率为(　　)
A B
C D
D
考点二　全反射
1.光密介质与光疏介质
介质 光密介质 光疏介质
折射率 大 小
光速 小 大
相对性 若n甲>n乙,则甲相对乙是　　　　介质 若n甲光密
光疏
2.全反射
(1)定义:光从　　　　介质射入　　　　介质时,当入射角增大到某一角度,使折射角达到90°时,折射光完全　　　　,只剩下反射光的现象。
说明:入射角增大的过程中,折射光的能量　　　　,反射光的能量　 　　,当发生全反射时,反射光的能量最强。
(2)条件:①光从　　　　介质射入　　　　介质。
②入射角　　　　　　临界角。
(3)临界角:折射角等于90°时的入射角。若光从光密介质(折射率为n)射向真空或空气时,发生全反射的临界角为C,由n=,得sin C=　　　　。介质的折射率越大,发生全反射的临界角越小。
光密
光疏
消失
减少
增加
光密
光疏
大于或等于
3.全反射的应用
(1)全反射棱镜
(2)光导纤维
说明:内芯相对于外套为光密介质,内芯的折射率大于外套的折射率。
考向1　光的全反射条件的理解
典例3　一个水平放置的圆柱形罐体内装了一半的透明液体,液体上方是空气,其截面如图所示。一激光器从罐体底部P点沿着罐体的内壁向上移动,它所发出的光束始终指向圆心O点。当光束与竖直方向成45°角时,恰好观察不到从液体表面射向空气的折射光束。已知光在空气中的传播速度为c,求液体的折射率n和激光在液体中的传播速度v。
答案 c
对点演练3　如图所示,OBCD为半圆柱体玻璃的横截面,OD为直径,一束由紫光和红光组成的复色光沿AO方向从真空射入玻璃,紫光和红光分别从B、C点射出。下列说法正确的是(　　)
A.紫光在半圆柱体玻璃中传播速度较大
B.紫光先从半圆柱体玻璃中射出
C.逐渐减小入射角i,紫光先发生全反射
D.逐渐减小入射角i,红光先发生全反射
D
解析 玻璃对紫光的折射率大于红光,根据v=,紫光在半圆柱体玻璃中传播速度较小,故A错误;设OD长度为d,折射角分别为θB、θC,连接BD、CD,如图,根据nB=,nC=,解得,光在玻璃中传播时间为t=,可解得tB=tC,故B错误;逐渐减小入射角i,在半圆柱体玻璃内部的紫光临界角较小,先发生全反射,故C正确,D错误。
考向2　光导纤维的全反射问题
典例4　以光纤通信为基础,我国千兆宽带已经进入很多家庭,在进入小区的光纤控制箱中,光纤绕成图示形状,已知光纤的折射率为n=,其直径为d。
(1)求该光纤的临界角;
(2)若平行轴线射入的一束光通过圆弧部分不发生漏光,求内圆弧半径的最小值
答案 (1)45°　(2)(+1)d
解析 (1)根据临界角公式sin C=,则该光纤的临界角为C=45°。
(2)如图所示,最内侧光线最容易漏光,则根据几何知识有sin θ=sin C=,故内圆弧半径的最小值为r=(+1)d。
考点三　光的折射和全反射的综合应用
分析光学综合问题的基本思路
1.根据题目条件进行光路分析。
(1)判断光线是从光疏介质进入光密介质还是从光密介质进入光疏介质。
(2)判断入射角是否大于或等于临界角,明确是否会发生全反射现象。
2.画出反射、折射或全反射的光路图,必要时还可应用光路的可逆性原理画出光路图,在光路图上分析并找出有关几何图形的边角关系。
3.根据光学的基本规律,结合几何关系(三角函数、勾股定理、正弦定理等)分析或求解相关问题。
典例5　如图为一个透明光学元件的截面图,左侧为矩形,AB间距L=15 cm,右侧边界是半径R=5 cm的半圆弧。一束单色光由空气从左边界中点P与中轴线成60°角射入光学元件,在元件内第一次到达边界的位置为B点。已知光在真空中的传播速度c=3×108 m/s,求:
(1)该元件的折射率n;
(2)光束从入射至第一次离开光学元件所用的时间。
答案 (1)　(2)3.5×10-9 s
解析 (1)设光线在P点射入元件后的折射角为α,由几何关系知tan α=,
所以α=30°,由折射定律得n=。
(2)设全反射的临界角为C,sin C=,
所以C<60°,
所以光束在B点会发生全反射,光路如图所示。
PB==2R,由几何关系可知光束在元件中的路程s=PB+BM+MN+NQ+QP=7R,光束在元件中的传播速度v=×108 m/s,光束从入射至离开光学元件所用的时间t==3.5×10-9 s。

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