選修3-4光學復習學案

2/13光學【重點知識整合】一、幾何光學的常見現(xiàn)象項目內容折射定律(1)三線共面(2)分居兩側(3)入射角正弦與折射角正弦之比為常數(shù)eq\f(sinθ1,sinθ2)＝n折射率定義式:光從真空進入介質時n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)折射率決定式:n＝物理意義:描述透明介質對光線的偏折作用,n越大,折射光線偏離入射方向的夾角越大全反射發(fā)生條件:(1)從光密介質進入光疏介質(2)入射角大于或等于臨界角,即θ1≥C臨界角：sinC＝光的色散產(chǎn)生原因：(1)太陽光是復色光；(2)不同的色光折射率不同規(guī)律:光的頻率越大,折射率越大紅光→紫光:折射率逐漸增大,在介質中的速度逐漸減小;(3)臨界角逐漸減小;波長逐漸減小常見光學元件的特點平行玻璃板:(1)出射光線與入射光線平行;(2)出射光線發(fā)生側移棱鏡:(1)光線向底邊偏折;(2)能發(fā)生色散全反射棱鏡:(1)垂直于直角邊射入,出射光線方向改變90°;(2)垂直于斜邊射入,出射光線方向改變180°二、光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象項目內容光的干涉雙縫干涉產(chǎn)生條件:兩光源頻率相等,相位差恒定出現(xiàn)明暗條紋的條件:路程差Δs＝nλ,明條紋;Δs＝(n＋)λ,暗條紋相鄰條紋間距:Δx＝λ光的干涉薄膜干涉產(chǎn)生原因：同一束光分別經(jīng)薄膜的前后表面反射的光疊加而成規(guī)律:經(jīng)薄膜上厚度相等的位置反射的光疊加后在同一干涉條紋上,相鄰條紋間距與波長成正比,與斜面傾角成反比應用:(1)光干涉法檢查平面的平整度(2)在光學鏡頭上涂增透膜d＝λ光的衍射明顯衍射條件障礙物或孔的尺寸跟光的波長差不多或者比光的波長小衍射現(xiàn)象單縫衍射:中間條紋亮、寬;兩側條紋暗、窄;波長越長,條紋越寬,間距越大圓孔衍射:明暗相間的圓形條紋圓板衍射:圓形陰影的外側是明暗相間的圓形條紋,中間是亮斑(泊松亮斑)光的偏振偏振片有特定的透振方向,自然光通過后成為偏振光,兩偏振光片平行時透過的光最強,垂直時最弱【特別提醒】(1)光的干涉和衍射現(xiàn)象說明光具有波動性,光的偏振現(xiàn)象說明光是橫波.(2)光的干涉條紋和光的衍射條紋的最大區(qū)別是研究條紋間距是否均勻,中央條紋和兩側條紋的亮度是否相同.三、光電效應及光的波粒二象性項目內容光電效應概念金屬在光(包括不可見光)的照射下發(fā)射電子的現(xiàn)象規(guī)律(1)每種金屬都有一個極限頻率,ν≥ν0時才會發(fā)生光電效應(2)光電子的最大初動能與光強無關,隨ν的增大而增大(3)光電效應的產(chǎn)生幾乎是瞬時的(4)飽和光電流與光強成正比 光電效應解釋光子說:(1)光在傳播時是一份一份的,每份叫一個光子;(2)光子能量E＝hν,h＝6.63×10－34J·s逸出功:電子脫離金屬時克服原子核引力做功的最小值W＝hν光強:P＝nhν光電效應方程:Ek＝hν－W物質波每個實物粒子對應一種波,叫物質波物質波的波長λ＝波粒二象性概率波:只能預測粒子在某區(qū)域出現(xiàn)的概率,概率符合波動規(guī)律【高頻考點突破】考點一光的折射和全反射的應用1．確定研究的光線2．找入射點，確認界面，并畫出法線．3．明確兩介質折射率的大小關系(1)若光疏→光密：定有反射、折射光線(2)若光密→光疏：如果入射角大于或等于臨界角，一定發(fā)生全反射．4.根據(jù)反射定律、折射定律作出光路圖,結合幾何關系,具體求解.例1、如圖12－1所示，空氣中有一折射率為eq\r(2)的玻璃柱體，其橫截面是圓心角為90°、半徑為R的扇形OAB.一束平行光平行于橫截面，以45°入射角照射到OA上，OB不透光．若【變式探究】如圖12－3,半圓形玻璃磚置于光屏PQ的左下方.一束白光沿半徑方向從A點射入玻璃磚,在O點發(fā)生反射和折射,折射光在光屏上呈現(xiàn)七色光帶.若入射點由A向B緩慢移動,并保持白光沿半徑方向入射到O點,觀察到各色光在光屏上陸續(xù)消失.在光帶未完全消失之前,反射光的強度變化以及光屏上最先消失的光分別是()圖12－3A．減弱，紫光B．減弱，紅光C．增強，紫光D．增強，紅光解析：選C.因n紅<n紫，再由臨界角公式sinC＝eq\f(1,n)可得，C紅>C紫，因此當增大入射角時，紫光先發(fā)生全反射，紫光先消失，且當入射光的入射角逐漸增大時，折射光強度會逐漸減弱，反射光強度會逐漸增強，故應選C.考點二光的干涉現(xiàn)象分析1．光的干涉要分析的幾個問題(1)干涉條件：頻率相同、相差恒定、振動方向在同一直線上．(2)明暗條紋形成條件：δ＝kλ，k＝1,2，…——亮條紋δ＝(2k－1)λ/2，k＝1,2，…——暗條紋(3)條紋間距Δx＝lλ/d，用雙縫干涉測光的波長的原理：λ＝d·Δx/l.2．關于薄膜干涉要弄清的幾個問題(1)哪兩列光波發(fā)生干涉；(2)應該從哪個方向去觀察干涉圖樣；(3)條紋會向哪個方向側移；(4)同一亮紋光程差相同(為什么劈尖干涉的條紋是直線，而牛頓環(huán)是圓形)．圖12－5(2)由條紋間距公式Δx＝eq\f(L,d)λ，(6分)由圖可知d＝2a，所以Δx＝eq\f(L,2a)λ.(8分)【答案】(1)如圖12－5所示(2)Δx＝eq\f(L,2a)λ【變式探究】登山運動員在登雪山時要注意防止紫外線的過度照射，尤其是眼睛更不能長時間被紫外線照射，否則將會嚴重地損傷視力．有人想利用薄膜干涉的原理設計一種能大大減小紫外線對眼睛傷害的眼鏡．他選用的薄膜材料的折射率為n＝1.5，所要消除的紫外線的頻率為ν＝8.1×1014Hz，(1)他設計的這種“增反膜”所依據(jù)的原理是___.(2)這種“增反膜”的厚度是多少？(3)請判斷以下有關薄膜干涉的說法正確的是___.A.薄膜干涉說明光具有波動性B.如果薄膜的厚度不同,產(chǎn)生的干涉條紋一定不平行C．干涉條紋一定是彩色的是1.23×10－7m.考點三光電效應的應用1.光電效應方程中的Ekν圖線.(如圖12－6)(1)縱截距：W；(2)橫截距：ν0；(3)斜率：h.圖12－62.掌握兩條線索,明確各概念間的對應關系由上圖可知兩條線索:一是光的頻率線,二是光的強度線．兩條線索對應關系是：(1)光強―→光子數(shù)目多―→發(fā)射光電子多―→光電流大；(2)光子頻率高―→光子能量大―→產(chǎn)生光電子的最大初動能大．例3、(1)研究光電效應的電路如圖12－7所示.用頻率相同、強度不同的光分別照射密封真空管的鈉極板(陰極K),鈉極板發(fā)射出的光電子被陽極A吸收,在電路中形成光電流.下列光電流I與A、K之間的電壓UAK的關系圖象中,正確的是______.圖12－7圖12－8【變式探究】愛因斯坦因提出了光量子概念并成功地解釋光電效應的規(guī)律而獲得1921年諾貝爾物理學獎．某種金屬逸出光電子的最大初動能Ekm與入射光頻率ν的關系如圖12－9所示，其中ν0為極限頻率．從圖中可以確定的是()圖12－9A．逸出功與ν有關B．Ekm與入射光強度成正比C．當ν<ν0時，會逸出光電子D．圖中直線的斜率與普朗克常量有關解析：選D.由愛因斯坦的光電效應方程hν＝Ekm＋W得:Ekm＝hν－W,因此Ekmν圖象的斜率為h,故D正確;Ekm隨入射光頻率的增大而增大,B錯;逸出功是由金屬自身決定的,與ν無關,A錯,當ν<ν0,無光電子逸出,C錯.【難點探究】難點一光的折射與全反射問題利用折射定律和折射率公式解題時，應先根據(jù)題意畫出光路圖，確定入射角和折射角，然后應用折射定律、折射率公式求解，注意明確光從真空射入透明介質與光從透明介質射入真空時折射定律公式的區(qū)別．在遇到光從光密介質射入光疏介質的情況時，應考慮能否發(fā)生全反射問題，根據(jù)sinC＝求臨界角C.例1、如圖5－12－4所示，有一束平行于直角三角棱鏡截面ABC的單色光從空氣射向E點，并偏折到F點．已知入射方向與邊BC的夾角為θ＝30°，E、F分別為邊AB、BC的中點．下列說法中正確的是()圖5－12－4A．該棱鏡的折射率為eq\r(2)B．光在F點不發(fā)生全反射C．從邊AC出射的光束與邊AB平行D．光從空氣進入棱鏡，波長變大【答案】C【解析】由θ＝30°可知入射角i＝60°，又因E、F分別為AB、BC的中點，所以EF//AC，故折射角r＝30°，根據(jù)折射定律n＝eq\f(sini,sinr)＝eq\f(sin60°,sin30°)＝eq\r(3)，故選項A錯誤；在F點，入射角為60°，能發(fā)生全反射，故選項B錯誤；經(jīng)過F點反射后，到達邊AC時入射角為30°，折射角為60°并且與邊AB平行，故選項C正確；當光從空氣進入棱鏡，速度減小，頻率不變，故波長變小，選項D錯誤．【變式探究】△OMN為玻璃等腰三棱鏡的橫截面．a(chǎn)、b兩束可見單色光從空氣垂直射入棱鏡底面MN，在棱鏡側面OM、ON上反射和折射的情況如圖5－12－5所示．由此可知()圖5－12－5A．棱鏡內a光的傳播速度比b光的小B．棱鏡內a光的傳播速度比b光的大C．玻璃棱鏡對a光的折射率比對b光的大D．玻璃棱鏡對a光的折射率比對b光的小【答案】BD【解析】a、b兩束光射到OM、ON上的入射角是相同的，由圖可知b光已發(fā)生全反射，而a光仍有折射，說明b光的全反射臨界角比a光的全反射臨界角小，所以b光的折射率大于a光的折射率，即nb＞na，故D正確；在介質內的傳播速度v＝eq\f(c,n)，所以棱鏡內a光的傳播速度va比b光的傳播速度vb大，故B正確．難點二光的干涉現(xiàn)象1．雙縫干涉(1)雙縫的作用是將一束光分成頻率相同的兩束，獲得相干光源．(2)條紋間距與波長的關系：Δx＝eq\f(l,d)λ.(3)明暗條紋條件：某點到雙縫的距離之差Δx與波長的關系決定明暗條紋．亮條紋：Δx＝nλ(n＝0,1,2,3,4…)暗條紋：Δx＝(2n＋1)eq\f(λ,2)(n＝0,1,2,3,4…)2．薄膜干涉(1)形成：由透明薄膜(油膜、肥皂沫、空氣膜等)前后表面的反射光疊加形成干涉．(2)薄膜干涉為等厚干涉，同一條紋處薄膜厚度相同．增透膜的厚度為光在介質中波長的四分之一．例2、如圖5－12－6所示的雙縫干涉實驗，用綠光照射單縫S時，在光屏P上觀察到【點評】本題主要考查用雙縫干涉測光波波長的實驗的基本原理，即雙縫干涉條紋間距與相干光的波長、雙縫間距、縫屏間距的關系．下面的變式題則是對本實驗具體操作方法的考查．【變式探究】如圖5－12－7所示的4種明暗相間的條紋分別是紅光、藍光各自通過同一個雙縫干涉儀器形成的干涉圖樣以及黃光