2024-2025學(xué)年高中物理第十三章光7光的顏色色散8激光學(xué)案新人教版選修3-4

PAGE15-7光的顏色色散8激光一、光的顏色與色散1．雙縫干涉試驗中，條紋之間的距離與光波的波長成正比，用白光做試驗時，得到彩色條紋，說明不同顏色的光，波長不同．2．光的色散與光譜(1)光的色散：含有多種顏色的光被分解為單色光的現(xiàn)象．(2)光譜：含有多種顏色的光被分解后，各種色光按其波長的有序排列．二、薄膜干涉中的色散豎直放置的肥皂薄膜受到重力作用，下面厚，上面薄，因此在膜上不同的位置，來自前后兩個面的反射光，頻率相同，但路程差不同，在某些位置，這兩列波疊加后相互加強，出現(xiàn)亮條紋；在另一些位置，疊加后相互減弱，出現(xiàn)暗條紋．小摯友吹出的肥皂泡、熱菜湯表面的油花、公路上積水表面的油膜，都會看到彩色的條紋，你知道這些彩色條紋是如何形成的嗎？提示：由薄膜干涉造成的．白光照耀在肥皂泡膜、油膜表面，被薄膜前、后表面反射的兩列反射波疊加，形成干涉條紋．由于白光中的各色光波長不同，干涉后的條紋間距不同，薄膜上就會出現(xiàn)彩色條紋．三、衍射時的色散用白光進行衍射試驗時，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造成的．四、折射時的色散如圖說明通過棱鏡折射后，由上到下的色光依次為：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫，這說明：(1)透亮物質(zhì)對真空中波長λ不同的光的偏折程度不同，折射率n也不一樣，λ越小，n越大．(2)又依據(jù)n＝eq\f(c,v)，在同一種物質(zhì)中，不同波長的光波的傳播速度不一樣，波長越短，波速越小．當大雨蕩滌了空中的塵埃，陽光重新普照大地，漂亮的彩虹會出現(xiàn)于海上，或者出現(xiàn)于沙漠，間或還會出現(xiàn)于鬧市，有時也會出現(xiàn)于流水激起的水霧中．飛流直下的瀑布撞擊巖石、水面，形成水霧，在陽光照耀下，彩虹若隱若現(xiàn)，給大自然增加了無比的俏麗與奇妙，你知道彩虹是如何形成的嗎？提示：彩虹，又稱天虹，簡稱虹，是氣象中的一種光學(xué)現(xiàn)象．當太陽光照耀到空氣中的水滴，光線被折射及反射，在天空上形成拱形的七彩光譜，雨后常見．形態(tài)彎曲，色調(diào)明麗．彩虹是因為陽光射到空中接近圓形的小水滴，造成光的色散及反射而成的．陽光射入水滴時會同時以不同角度入射，在水滴內(nèi)也是以不同的角度反射，其中以40～42度的反射最為劇烈，形成我們所見到的彩虹．其實只要空氣中有水滴，而陽光正在視察者的背后以低角度照耀，便可能產(chǎn)生可以視察到的彩虹現(xiàn)象．彩虹最常在下午，雨后剛轉(zhuǎn)天晴時出現(xiàn)．這時空氣內(nèi)塵埃少而充溢小水滴，天空的一邊因為仍有雨云而較暗．而視察者頭上或背后已沒有云的遮擋而可見陽光，這樣彩虹便會較簡單被看到．虹的出現(xiàn)與當時天氣變更相聯(lián)系，一般我們從虹出現(xiàn)在天空中的位置可以推想將出現(xiàn)晴天或雨天．東方出現(xiàn)虹時，本地是不太可能下雨的，而西方出現(xiàn)虹時，本地下雨的可能性卻很大．五、激光1．激光的特點和應(yīng)用(1)相干性與應(yīng)用①相干性：只有頻率相同、相位差恒定、偏振方向一樣的光才是相干光，激光是一種人工產(chǎn)生的相干光，具有高度的相干性．②應(yīng)用：用來傳播信息．光纖通信就是激光和光導(dǎo)纖維相結(jié)合的產(chǎn)物，電磁波的頻率越高，它所攜帶的信息量越大，所以激光可以比無線電波攜帶更多的信息．(2)平行度及應(yīng)用①平行度：激光的平行度特別好，所以它在傳播很遠的距離后仍能保持肯定的強度．②應(yīng)用：進行精確的測距．多用途的激光雷達不僅可以測量距離，而且能依據(jù)多普勒效應(yīng)測出目標的運動速度．(3)亮度及應(yīng)用①亮度高，它可以在很小的空間和很短的時間內(nèi)集中很大的能量．②可用激光束來切割、焊接以及在很硬的材料上打孔，醫(yī)學(xué)上可以用激光做“光刀”來切開皮膚、切除腫瘤．2．全息照相(1)與一般照相技術(shù)的比較：一般照相技術(shù)所記錄的只是光波的能量強弱信息，而全息照相技術(shù)還記錄了光波的相位信息．(2)原理：全息照相的拍攝利用了光的干涉原理，使參考光和物光在底片上相遇，發(fā)生干涉，形成困難的干涉條紋．這要求參考光和物光必需具有很高的相干性．(3)視察全息照片時要用激光照耀照片，從另一側(cè)面視察．1960年5月15日，在休斯公司的一個探討室里，年輕的美國物理學(xué)家梅曼正在進行一項重要的試驗．他的試驗裝置里有一根人造紅寶石棒，突然，一束深紅色的亮光從裝置中射出——從今一項宏大的獨創(chuàng)誕生了，它比太陽表面還要亮4倍！這就是激光．在日常生活中，我們可以隨時感受到激光的存在．如在超級市場里，你會看到用激光在商品的條形碼上掃描，結(jié)算賬目(如圖所示)，你能再舉幾個生活中應(yīng)用激光的例子嗎？提示：如：用CD或VCD播放影片，電視或網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸光纜，激光測距等．考點一光的顏色色散1．光的顏色光的顏色由光的頻率確定，由λ＝eq\f(c,f)可知不同顏色的光波長不同．【實例精講】雙縫干涉試驗中，各種顏色的光的條紋間距不一樣，說明不同顏色的光波長不同．2．白光的組成白光由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色的光組成．【實例精講】白光干涉、衍射時，條紋是彩色的，說明白光是復(fù)色光．3．光的色散含有多種顏色的光被分散為單色光的現(xiàn)象叫光的色散．4．光譜含有多種顏色的光被分解后，各色光按其波長的有序排列就叫光譜．考點二色散的幾種狀況1．雙縫干涉時的色散(1)用不同的單色光作雙縫干涉試驗，得到的條紋之間的距離不一樣，但都是明暗相間的單色條紋．由Δx＝eq\f(l,d)λ知，不同顏色的光，波長不同．紅光波長最長，Δx最大；紫光波長最短，Δx最?。?2)用白光作雙縫干涉試驗得到的是彩色條紋，發(fā)生了色散．可把白光通過雙縫想象成由七種顏色的光同時通過雙縫發(fā)生干涉，由于條紋間距不一樣，就形成了彩色條紋．2．單縫衍射時的色散(1)用不同的單色光作單縫衍射的試驗，得到的條紋寬度不一樣，紅光的條紋最寬，紫光的條紋最窄．(2)用白光作單縫衍射試驗得到的是彩色條紋，發(fā)生了色散．3．薄膜干涉時的色散(1)薄膜干涉中相干光的獲得光照耀到薄膜上，在薄膜的前后兩個面反射的光是由同一個實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)豎直肥皂膜干涉條紋特點及成因①如圖所示，豎直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用使下面厚、上面薄，因此在薄膜上不同的地方，從膜的前、后表面反射的兩列光波疊加，若兩列波疊加后相互加強，則出現(xiàn)亮紋；在另一些地方，疊加后相互減弱，則出現(xiàn)暗紋．單色光照耀下，就出現(xiàn)了明暗相間的干涉條紋．②白光干涉圖樣是彩色的：由于不同顏色的光的波長不同，從前后兩個表面反射的光，在不同的位置被加強，換句話說，不同顏色的光對應(yīng)亮條紋的位置不同，不能完全重合，因此看起來是彩色的．③條紋是水平方向的：因為在同一水平高度處，薄膜的厚度相同，從前后兩表面反射的光的路程差均相同，假如此時兩反射光相互加強，則此高度水平方向各處均加強，因此，明暗相間的干涉條紋應(yīng)為水平方向．4．折射中的色散(1)棱鏡①定義：光學(xué)探討中常用棱鏡的橫截面為三角形，有的棱鏡的橫截面為梯形，通常都簡稱為棱鏡．②光學(xué)作用：光通過棱鏡后向它的橫截面的底邊方向偏折，如右圖中所示的θ為光的偏向角，光的偏向角越大，棱鏡對光的偏折程度越大．棱鏡對光的傳播方向的變更遵循光的折射定律．(2)光折射時的色散一束白光通過三棱鏡后擴展成由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫各色光組成的光帶，這種現(xiàn)象稱為折射時的色散．從右圖中可以看出，紅光(波長較長)通過棱鏡后偏折的程度比其他顏色的光要小，而紫光(波長較短)偏折的程度比其他顏色的光要大．【說明】①光譜的產(chǎn)生表明，白光是各種單色光組成的復(fù)色光．由于各種單色光通過棱鏡時偏折的角度不同，所以產(chǎn)生了色散現(xiàn)象．②色散現(xiàn)象表明，棱鏡材料對不同色光的折射率是不同的．紫光經(jīng)棱鏡后偏折程度最大，紅光偏折程度最小，所以棱鏡材料對紫光的折射率最大，對紅光的折射率最?。塾烧凵渎实亩xn＝eq\f(c,v)可知，在棱鏡中紫光的速度最小，紅光的速度最大．【例1】劈尖干涉是一種薄膜干涉，其裝置如圖甲所示．將一塊平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夾入兩張紙片，從而在兩玻璃表面之間形成一個劈形空氣薄膜．當光垂直入射后，從上往下看到的干涉條紋如圖乙所示．干涉條紋有如下特點：(1)隨意一條明條紋或暗條紋所在位置下面的薄膜厚度相等；(2)隨意相鄰明條紋或暗條紋所對應(yīng)的薄膜厚度差恒定，現(xiàn)若在圖甲裝置中抽去一張紙片，則當光垂直入射到新劈形空氣薄膜后，從上往下視察到的干涉條紋將如何變更？【導(dǎo)思】1.劈尖干涉條紋是哪兩個面的反射光產(chǎn)生的？2．干涉條紋的疏密與什么因素有關(guān)？【解析】光線在空氣膜的上下表面上反射，并發(fā)生干涉，從而形成干涉條紋．設(shè)空氣膜頂角為θ，d1、d2處為兩相鄰明條紋，如圖所示，則兩處光的路程差分別為δ1＝2d1，δ2＝2d2，因為δ2－δ1＝λ，所以d2－d1＝eq\f(1,2)λ.設(shè)條紋間距為Δl，則由幾何關(guān)系得eq\f(d2－d1,Δl)＝tanθ，即Δl＝eq\f(λ,2tanθ).當抽去一張紙片時θ減小，Δl增大，即條紋變疏．【答案】條紋變疏【點撥】干涉現(xiàn)象中路程差為波長整數(shù)倍時出現(xiàn)亮條紋，對于劈尖干涉兩玻璃間的空氣層很薄，出現(xiàn)亮條紋對應(yīng)的路程差應(yīng)為λ，暗條紋對應(yīng)的路程差應(yīng)為eq\f(λ,2).干涉條紋是由空氣層上下兩表面的反射光疊加而產(chǎn)生的．(多選)如圖所示是在一次對精密加工面采納光學(xué)手段檢查所得到的光的干涉圖樣，下列說法正確的是(BC)A．干涉條紋是a的上表面和b的下表面的反射光波疊加而成的B．干涉條紋是a的下表面和b的上表面的反射光波疊加而成的C．d處加工面上凸D．d處加工面下凹解析：d處相當于條紋間距變大，空氣層的厚度變薄，即d處加工面凸起．【例2】如圖所示，在水中有一厚度不計的薄玻璃片制成的中空三棱鏡，里面是空氣，一束光A從棱鏡的左邊射入，從棱鏡的右邊射出時發(fā)生了色散，射出的可見光分布在a點和b點之間，則()A．從a點射出的是紅光，從b點射出的是紫光B．從a點射出的是紫光，從b點射出的是紅光C．從a點和b點射出的都是紅光，從ab中點射出的是紫光D．從a點和b點射出的都是紫光，從ab中點射出的是紅光【導(dǎo)思】1.題目中給出的中空三棱鏡與在空氣中放置的玻璃三棱鏡有什么不同？2．水對紅光和紫光的折射率相同嗎？對誰的折射率大？折射率大折射角肯定小嗎？【解析】由紅光的折射率小于紫光的折射率知，紫光偏離原來方向比紅光嚴峻，并且向頂端偏折，光路圖如右圖所示，所以從a點射出的是紫光，從b點射出的是紅光，選項B正確．此類問題要抓住折射的實質(zhì)，不能與空氣中的玻璃三棱鏡相混，出現(xiàn)偏向底邊的錯誤．【答案】B發(fā)出白光的細線光源ab，長度為l0，豎直放置，上端a恰好在水面處，如圖所示．現(xiàn)考慮光源ab發(fā)出的靠近圖中虛線的細光束經(jīng)水面折射后所成的像，由于水對光有色散作用，若以l1表示紅光成的像的長度，l2表示紫光成的像的長度，則(D)A．l1<l2<l0 B．l1>l2>l0C．l2>l1>l0 D．l2<l1<l0解析：光源發(fā)出的光從水中進入空氣而偏折，折射角大于入射角，所以l1<l0，l2<l0；又因介質(zhì)對紫光折射率大，紫光偏折更明顯，紫光成的像最小，所以l2<l1，故D對．考點三激光的產(chǎn)生和特點1．激光的產(chǎn)生激光是人類在試驗室里激發(fā)出的在自然界中沒有的光．激光是一種特別的光，自然界中的發(fā)光體不能發(fā)出激光．2．激光的特點(1)激光是人工產(chǎn)生的相干光激光的頻率單一，相干性特別好，激光可以像無線電波那樣進行調(diào)制，用來傳遞信息，光纖通信就是激光和光導(dǎo)纖維相結(jié)合的產(chǎn)物．(2)激光束的平行度和方向性特別好激光的光束高度平行，這樣，激光的能量就不簡單發(fā)散，激光在傳播很遠距離后仍能保持肯定的強度．(3)激光的強度大，亮度高激光可以在很小的空間和很短的時間內(nèi)集中很大的能量，可使被照耀物體在不到千分之一秒的時間內(nèi)產(chǎn)生幾千萬度的高溫．(4)激光單色性很好激光的頻率范圍極窄，顏色幾乎是完全一樣的．【例3】(多選)對激光的相識，下列說法中正確的是()A．一般光源發(fā)出的光都是激光B．激光是自然界普遍存在的一種光C．激光是一種人工產(chǎn)生的相干光D．激光已經(jīng)深化到我們生活的各個方面【導(dǎo)思】1.激光與自然光有什么區(qū)分？2．激光是怎么產(chǎn)生的？【解析】要知道激光的產(chǎn)生、特點及應(yīng)用．【答案】CD(多選)關(guān)于激光與自然光，下列說法中正確的是(AC)A．激光只含一種頻率的光，而自然光含有各種頻率的光，所以激光的相干性好B．自然光是由物質(zhì)的原子放射出來的，而激光是人工產(chǎn)生的，所以激光不是由物質(zhì)的原子放射出來的C．激光和自然光都具有相同的電磁本質(zhì)，它們都是電磁波D．激光與自然光沒有區(qū)分

考點四激光的應(yīng)用1．激光的應(yīng)用舉例與對應(yīng)的特性特點性質(zhì)應(yīng)用相干性激光具有頻率單一、相位差恒定的特點，是人工產(chǎn)生的相干光，具有高度的相干性光纖通信，全息照相平行度激光的平行度特別好，傳播很遠的距離仍能保持肯定的強度精確的測距，讀取光盤上記錄的信息等亮度高它可以在很小的范圍和很短的時間內(nèi)集中很大的能量切割金屬，醫(yī)用激光，激發(fā)核反應(yīng)，激光育種，激光武器等2.全息照相右圖是拍攝全息照片的基本光路．同一束激光被分為兩部分，一部分干脆照耀究竟片上(稱為參考光)，另一部分通過被拍攝物反射后再到達底片(稱為物光)．參考光和物光在底片上相遇時會發(fā)生干涉，形成困難的干涉條紋．底片上某點的明暗程度反映了兩束光疊加后到達這點時間波的強弱．【例4】在演示雙縫干涉的試驗時，常用激光做光源，這主要是應(yīng)用激光的什么特性()A．亮度高 B．平行性好C．單色性好 D．波動性好【導(dǎo)思】1.光發(fā)生干涉的條件是什么？2．激光的什么特性與干涉條件相符合？【解析】頻率相同的兩束光相遇才能發(fā)生干涉，激光的單色性好，頻率單一，通過雙縫時能夠得到兩束相干光．故本題的正確選項是C.【答案】C(多選)下列說法中正確的是(BCD)A．假如地球表面沒有大氣層，太陽照亮地球的范圍要比有大氣層時略大些B．激光是一種人工產(chǎn)生的相干光，因此可對它進行調(diào)制來傳遞信息C．激光雷達能依據(jù)多普勒效應(yīng)測出目標的運動速度，從而對目標進行跟蹤D．從本質(zhì)上說激光是一種橫波解析：假如地球表面沒有大氣層，太陽照亮地球的范圍要比有大氣層時略小些；激光是一種人工產(chǎn)生的相干光，因此可對它進行調(diào)制來傳遞信息；激光雷達能依據(jù)多普勒效應(yīng)測出目標的運動速度，從而對目標進行跟蹤；激光是一種橫波，故B、C、D正確．1．紅光和紫光相比(B)A．在真空中傳播時，紫光的速度比較大B．在玻璃中傳播時，紅光的速度比較大C．玻璃對紅光的折射率較紫光大D．在玻璃中傳播時，紫光的速度比較大解析：因為各種色光在真空中的傳播速度都為3×108m/s，所以A錯誤．因為玻璃對紅光的折射率較玻璃對紫光的折射率小，依據(jù)n＝eq\f(c,v)得紅光在玻璃中的傳播速度比紫光大，所以B正確，C、D錯誤．2．(多選)納米科技是跨世紀新科技，將激光束寬度聚焦到納米范圍內(nèi)，可修復(fù)人體已損壞的器官，對DNA分子進行超微型基因修復(fù)，把尚令人類無奈的癌癥、遺傳疾病徹底根除．這是利用激光的(BC)A．單色性 B．方向性好C．高能量 D．粒子性解析：激光由于能把巨大能量高度集中地輻射出來，所以在醫(yī)學(xué)上用“光刀”切開皮膚、切除腫瘤或進行其他外科手術(shù)．3．市場上有種燈具俗稱“冷光燈”，用它照耀物品時能使在被照物品處產(chǎn)生的熱效應(yīng)大大降低，從而廣泛地應(yīng)用于博物館、商店等處．這種燈降低熱效應(yīng)的緣由之一是在燈泡后面放置的反光鏡玻璃表面上鍍了一層薄膜(例如氟化鎂)，這種膜能消退不鍍膜時玻璃表面反射回來的熱效應(yīng)最顯著的紅外線．以λ表示紅外線的波長，則所鍍薄膜的厚度最小應(yīng)為(B)A.eq\f(1,8)λB.eq\f(1,4)λC.eq\f(1,2)λD．λ解析：為減小反射的熱效應(yīng)顯著的紅外線，則要求紅外線在薄膜的前后表面反射后疊加作用減弱，即路程差為半波長的奇數(shù)倍，故膜的最小厚度為紅外線在該膜中波長的eq\f(1,4).4．登山運動員在登雪山時要留意防止紫外線的過度照耀，尤其是眼睛更不能長時間被紫外線照耀，否則將會嚴峻地損壞視力．有人想利用薄膜干涉的原理設(shè)計一種能大大減小紫外線對眼睛損害的眼鏡．他選用的薄膜材料的折射率為n＝1.5，所要消退的紫外線的頻率為8.1×1014