選修3-4《光》基礎知識歸納

第十二章光第1課時光的折射、全反射基礎知識歸納光的直線傳播在同一均勻介質中光沿直線傳播?當光從一種介質進入另一種介質時,傳播方向改變?當障礙物或孔的尺寸和波長相等或者比波長小時，將發(fā)生明顯的衍現象，光線將偏離原來的方向.光的反射、平面鏡成像光的反射定律.光從一種介質射到另一種介質的分界面時發(fā)生反射，反射光線、入射光線和法線處在同一平面內，反射光線、入射光線分居法線的兩側，反射角等于入射角.平面鏡成像的特點：正立等大的虛像，物與像關于鏡面對稱.在反射現象中，光路是」^的，常用到這一特點及邊緣光線作圖來確定視場的范圍.光的折射折射定律折射光線、入射光線、法線處于』平面內，折射光線與入射光線分別位于法線兩側，入射角的正弦與折射角的正弦的比值是定值(注意兩角三線的含義).折射率折射率定義：光從真空或空氣中射入介質中發(fā)生折射時，入射角的正弦與折射角的正弦之比，叫做這種介質的折射率.折射率是反映介質折射光的本領大小的一個物理量.折射率的定義表達式：n=血知(其中久為真空或空氣中的角度).sin02折射率的其他各種計算表達形s式：n=c=二= (其中c、、為光在真空或空氣中的光速、波長;sinCv、久為介質中的光速、波長；C為光發(fā)生全反射時的臨界角).折射率大小的決定因素： 介質、光源(主要是頻率),注意：介質的折射率n>l.折射光路是可逆的.光的全反射光疏介質和光密介質：兩種介質比較，折射率小的介質叫光疏介質,折射率大的介質叫光密介質；“光疏”和“光密”具有相對性?全反射現象：光從光密介質入射到光疏介質的分界面上時，當入射角增大到一定程度時，光全部反射回光密介質，這一現象叫全反射現象.臨界角：折射角等于90。時對應的入射角叫做臨界角，用C表示,C=arcsin1 ?n發(fā)生全反射的條件：①光從光密介質入射到光疏介質；②入射角大于等于臨界角.光導纖維：實際用的光導纖維是非常細的特制玻璃絲，直徑只有幾微米到一百微米之間，在內芯和外套的界面上發(fā)生全反射?其中內芯是光密介質，外套是光疏介質，它對光具有傳導作用?光的色散三棱鏡：橫截面為三角形的三棱柱透明體稱三棱鏡.三棱鏡對光線的作用：光密三棱鏡：當光線從一側面射入，從另一側面射出時，光線兩次均向底面偏折.物體經棱鏡成像向頂角偏移.光疏三棱鏡：當光線從一側面射入，從另一側面射出時，光線兩次均向頂角—偏折.全反射棱鏡(等腰直角棱鏡):當光線從一直角邊垂直射入時，在斜邊發(fā)生全反射，從另一直角邊垂直射出.當光線垂直于斜邊射入時，在兩直角邊都發(fā)生全反射后又垂直于斜邊射出.三棱鏡成像：當物體發(fā)出的光線從三棱鏡的一側面射入，從另一側面射出時，逆著出射光

線可以看到物體的虛像光的色散：白光通過三棱鏡后，出射光束變?yōu)榧t、橙、黃、綠、藍、靛、紫七色光束.含有多種顏色的光被分解成單色光的現象叫做光的色散.各種色光按其波長的有序排列叫做光譜.各種色光性質比較：可見光中紅光的折射率n最小，頻率u最小，在同種介質中(除真空外)傳播速度v最大，波長九最大，從同種介質射向真空時發(fā)生全反射的臨界角C最大，以相同入射角在介質間發(fā)生折射時的偏折角最小(注意區(qū)分偏折角和折射角).第2課時光的干涉、衍射激光基礎知識歸納光的干涉現象光的干涉兩列光波在空間相遇時發(fā)生疊加，在某些區(qū)域總加強，在另一區(qū)域總減弱，從而出現明暗相間的條紋的現象叫光的干涉.干涉的條件相干光源：頻率相同、相差恒定(步調差恒定)的兩束光.相干光源采用將一束光一分為二的方法獲得，或者采用人造激光.楊氏雙縫干涉相干條件：如圖若S]、S2光振動情況完全相同，則符合S=r2—r1=Lx=nX(n=0,1,2,3?)時,1221d出現亮條紋；若S]、S2光振動情況完全相同，則符合S=r2—r]=Lx=(2n+1)一(n=]22]d20,1,2,3?)時，出現暗條紋.(注意：振動情況完全相反的加強減弱條件)其中d是兩狹縫之間的距離,L是兩狹縫到屏的距離，九是光波的波長.相鄰亮條紋(或相鄰暗條紋)之間的中央間距：Ax=L九d雙縫干涉圖樣單色光：中央為明條紋，兩邊為等間距對稱分布明暗相間條紋；復合光：中央為明條紋，兩邊為等間距對稱分布彩色條紋.白光：中央為白色明條紋.薄膜干涉薄膜干涉的成因：由薄膜的前、后表面反射的兩列光波疊加而形成.生活實例及應用：a.液膜干涉：劈形薄膜干涉可產生平行明暗相間的條紋.b.固膜干涉：增透膜.膜的厚度：增反膜：d丄2c.氣膜干涉：檢查平整程度.待檢平面和標準平面之間的楔形空氣薄膜，用單色光進行mm單色光照射，入射光從空氣膜的上、下表面反射出兩列光波，形成干涉條紋，待檢平面若是平的，空氣膜厚度相同的各點就位于一條直線上，干涉條紋是平行的；反之，干涉條紋有彎曲現象.2.光的衍射現象光的衍射光遇到障礙物時，偏離直線傳播方向而照射到陰影區(qū)域的現象叫做光的衍射.明顯衍射的條件從理論上講衍射是無條件的，但需發(fā)生明顯的衍射現象的條件：當孔或障礙物的尺寸比光波的波長小，或者跟光波的波長相差不多時，光才發(fā)生明顯的衍射現象.衍射圖樣

①單縫衍射：單色光：中央是最寬的亮條紋，兩側為不等間隔的明暗相間的條紋;復合光：中央是最寬的亮條紋，兩側為不等間隔的彩色條紋，最靠近中央的是紫光，最遠離中央的是紅光.注意：與雙縫干涉的干涉條紋不同的是：干涉條紋均勻分布，而衍射條紋的中央明紋較寬、較亮②圓孔衍射：明暗相間的不等距圓環(huán).泊松亮斑光照射到一個半徑很小的圓板后在圓板的陰影中心出現丄丄，這是光能發(fā)生』^的有力證據之一?注意泊松亮斑與圓孔衍射條紋的區(qū)別：圖甲是泊松亮斑，圖乙是圓孔衍射條紋.光的衍射的應用用衍射光柵測定光波波長.光的偏振自然光、偏振光自然光：從光源(如太陽、亮著的燈等)直接發(fā)出的光，包含著在垂直于傳播方向的一切方向振動的光，而且沿著各個方向振動的光波的強度都相同.偏振光：①自然光通過偏振片后，在跟光傳播方向垂直的平面內，光振動在某一方向較強而在另一些方向振動較弱，這樣的光叫偏振光.②自然光射到兩種介質的界面上，如果光的入射方向合適,使反射和折射光之間的夾角恰好是90。，這時的反射光和折射光就都是偏振光,且它們的偏振方向互相垂直我們通?？吹降慕^大多數光都是偏振光.光的偏振的物理意義光的偏振現象充分表明光波是橫波?因為偏振現象是橫波所特有的現象.偏振光的應用全息照相、立體電影等.激光激光的特點主要特點有：相干性好；平行度好；亮度很高激光是一種人工相干光，兩束相同的激光在相遇區(qū)域疊加時，產生非常明顯的干涉現象；激光具有非常好的平行度，激光在傳播很遠的距離后仍然保持一定的強度；激光具有很強的亮度，激光可以在很小的空間和很短的時間內集中很大的能量.激光的重要應用應用：通信、測距、光盤讀取、切割等.由于激光是相干光，便于調制，常用來傳遞信息，光纖通信就是激光和光導纖維相結合的產物；激光測距雷達、激光刻錄光盤等都是根據激光的」行匚好的原理制成的；利用激光在很短的時間內集中很大的丄基的性質，用激光來切割各種物體、焊接金屬及在硬質材料上打孔、醫(yī)學上用激光做“光刀”來切開皮膚、切除腫瘤、“焊接”剝落的視網膜等，利用激光產生的高溫高壓引起核聚變.第3課時波粒二象性基礎知識歸納光的本性學說的發(fā)展史牛頓的微粒說：認為光是高速粒子流，它能解釋光的直進、光的反射現象，不能解釋光的干涉、衍射現象.惠更斯的波動說：認為光是某種」以波的形式向四周傳播，它能解釋光的干涉、衍射現象，不能解釋光電效應、光的直進.麥克斯韋的電磁說：認為光是電磁波，實驗依據是電火花實驗，證明了光與電磁波在真空中傳播速度相等，且都為橫波，能夠解釋光在真空中的傳播、光的干涉、衍射，不能解釋光電效應.愛因斯坦的光子說：認為光的傳播是一份一份的，每一份叫做光子，其能量與頻率成正比，即E=hu，能夠解釋光電效應、光的直進、光的反射，不能解釋光的干涉、衍射.德布羅意的波粒二象性：認為光既有粒子性，又有波動性，個別光子表現粒子性，大量光子表現波動性；光子頻率大的粒子性明顯,頻率小的波動性明顯.能夠解釋所有光現象.光的電磁說內容：光的本質是電磁波.意義：光的電磁說說明了光的電磁本質，使人們認識到光波與機械波的本質不同，把光學和電磁學統(tǒng)一起來.依據：光和電磁波的傳播都不需要介質；光和電磁波在真空中的傳播速度相同，即c=3xlO8m/s.光電效應現象：在光的照射下，物體發(fā)射電子的現象，叫做光電效應.光電效應的規(guī)律：①任何一種金屬都有發(fā)生光電效應的極限頻率，入射光的頻率必須大于這個頻率才能產生光電效應；②光電子的最大初動能與入射光的強度無關,隨入射光的頻率增大而增大；③光電效應的產生幾乎是瞬時的，一般不超過10-9s；④當入射光的頻率大于金屬極限頻率時，光電流強度與入射光的強度成正比.光子說：在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份稱為一個光子，光子的能量與其頻率成正比，即E=hv.光電效應方程：①逸出功：使電子脫離某種金屬所做功的最小值，即W=hu0；②光電效應方程： Ek=hu_W.康普頓效應康普頓效應：即當Y射線或X射線打在物質上，與物質中原子的核外電子發(fā)生相互作用，作用后產生散射光子和反沖電子的效應；其作用過程為：當入射X(丫)光子和原子內一個軌道電子發(fā)生相互作用時，光子損失一部分能量，并改變運動方向(散射光子)，電子獲得能量而脫離原子(反沖電子)，此種作用過程稱為康普頓效應?其結果是：產生了次級電子，反沖電子繼而將發(fā)生電子與物質的相互作用.意義：康普頓效應是驗證光的波粒二象性的重要物理實驗之一.愛因斯坦光子理論圓滿解釋了光電效應的實驗規(guī)律，而康普頓對康普頓效應進行了成功的解釋，使一光量子說得到了實驗的證明，更有力地證明了愛因斯坦光子理論的正確性.康普頓效應的解釋：經典解釋(電磁波的解釋)：單色電磁波作用于比波長尺寸小的帶電粒子上時，引起受迫振動，向各方向輻射同頻率的電磁波.經典理論解釋頻率不變的一般散射可以，但對康普頓效應不能做出合理解釋；光子理論的解釋：①光子不僅有能量hu,而且有動量h/久:②模型：X射線光子與靜止的自由電子發(fā)生彈性碰撞：③在碰撞過程中能量、動量守恒.康普頓效應進一步證實了光的粒子性.概率波在雙縫干涉圖樣中，不能肯定某個光子落在哪一點，即光子落在各點的概率是不一樣的?但光子落在明紋處的概率大，落在暗紋處的概率?光子在空間出現的概率可以通過波動規(guī)律確定，所以光波是一種概率波?光的波粒二象性光既具有波動性，又有粒子性；大量光子產生的效果顯示出波動性，個別光子產生的效果顯示出粒子性?光子和電子、質子等實物粒子一樣，具有能量和動量.與其他物質相互作用時，粒子性起主導作用；在光的傳播過程中，光子在空間各點出現的可能性的多少(概率)，由波動性起主導作用.對不同頻率的光，頻率低、波長長的光，波動性特征顯著;而頻率高、波長短的光，粒子性特征顯著.不確定關系式△xAp＞丄，其中Ax表示粒子位置的不確定量,Ap表示粒子在x4n方向上的動量的不確定量.不確定關系式表明：微觀粒子的坐標測得愈準確(Axf0)，動量就愈不準確(Apf^)；微觀粒子的動量測得愈準確(Apf0)，坐標就愈不準確(Axf^).但這里要注意，不確定關系不是說微觀粒子的坐標測不準；也不是說微觀粒子的動量測不準；更不是說微觀粒子的坐標和動量都測不準；而是說微觀粒子的坐標和動量不能同時測準.

第4課時實驗：1.用雙縫干涉測量光的波長測定玻璃的折射率基礎知識歸納一、用雙縫干涉測量光的波長實驗目的⑴了解光波產生穩(wěn)定的干涉現象的條件;觀察白光及單色光的雙縫干涉圖樣；測單色光的波長.實驗原理如果雙縫光源的相位相同，雙縫到屏上任意一點 P的路程差&二泳時，P點加強，出現亮條紋;卜x=(2n+1)—時，P點減弱，出現暗條紋.所以如果用單色光，光屏上2將出現明暗相間的條紋，如果用白光，光屏上將出現彩色條紋.光通過雙縫干涉儀上的單縫和雙縫后,得到振動情況完全相同的光，它們在雙縫后面空間互相疊加，發(fā)生干涉現象.由公式—=迪可以計算出光波的波長，其中雙縫間距d是已知的，雙L縫到屏的距離L可以用米尺測出，條紋間距Ax可以用測量頭測出.實驗器材光具座、單縫片、雙縫片、濾光片(紅、綠色濾光片各一片)、遮光筒、光源、測量頭(目鏡、游標尺、分劃板、滑塊、手輪)、米尺.4.實驗裝置如圖所示：4.實驗裝置如圖所示：光源濾光片單縫雙縫i~nj I ?C*十4 ? 1 遮光筒實驗步驟按照上圖所示的裝置安裝好儀器，調整光源的位置，使光源發(fā)出的光能平行地進入遮光筒并照亮光屏.放置單縫和雙縫，使縫—相互平行，調整各部件的間距，觀察白光的雙縫干涉圖樣.在光源和單縫間放置濾光片,使單一顏色的光通過后觀察單色光的雙縫干涉圖樣.用米尺測出雙縫到屏的距離L用測量頭測出相鄰的n條亮(暗)紋間的距離a；并利用公式△x=亠計算出Ax.n—1利用表達式九=，求單色光的波長.L換用不同顏色的濾光片重復(3)(4)(5)步驟，觀察干涉圖樣的異同，并求出相應的波長.注意事項單縫、雙縫應相互平行，其中心大致位于遮光筒的軸線上，雙縫到單縫的距離應相等；測雙縫到屏的距離L可以用米尺多次測量取平均值;測條紋間距Ax時，用測量頭測出相鄰n條亮(暗)紋之間的距離a,再求出相鄰的兩條亮(暗)紋之間的距離△x=亠.n—1誤差分析誤差來源本實驗誤差的主要來源：①米尺和測量頭出現的讀數誤差對實驗結果的影響很大；②單縫、雙縫沒有嚴格相互平行，其中心沒有位于遮光筒的軸線上；③單縫到雙縫的距離沒有嚴格相等.減小誤差的方法米尺測量單縫到雙縫的距離時多次測量取平均值，測量n條亮紋間距時多測幾條亮紋之間的間距和，多次測量取平均值；盡量把單縫、雙縫調平行，調節(jié)單縫到雙縫的距離相等，其中心大致位于遮光筒的中心.二、測定玻璃的折射率

實驗目的測定玻璃的折射率.實驗原理如圖所示，當光線AO以一定的入射角穿過兩面平行的玻璃磚時，通過插針法找出跟入射光線AO對應的出射光線OZ,從而求出折射光線OO，和折射角Y再根據n—■sin^算出玻璃的折射率.sin實驗器材一塊兩面平行的玻璃磚，白紙，木板，大頭針,量角器(或圓規(guī)、三角板)，刻度尺.實驗裝置如上圖所示.實驗步驟把白紙鋪在木板上.在白紙上畫一直線aaf作為界面，過aa，上的一點O畫出界面的法線NN,并畫一條線段AO作為入射光線.把長方形玻璃磚放在白紙上，并使其長邊與aa，重合，再用直尺畫出玻璃的另一邊bb.在線段AO上豎直地插上兩枚大頭針P］、P2.從玻璃磚bb一側透過玻璃磚觀察大頭針P］、P2的像，調整視線方向直到P1的像被P2的像擋住.再在bb一側插上大頭針P3、P4，使P