高三物理二輪練習教學案光的本性

1、2019高三物理二輪練習教學案光的本性 知識絡 高考考點考綱要求：知識點要求說明光本性學說的發(fā)展簡史光的干涉現(xiàn)象，雙縫干涉，薄膜干涉，雙縫干涉的條紋間距與波長的關系 光的衍射光的偏振現(xiàn)象 光譜和光譜分析，紅外線、紫外線、x射線、射線以及它們的應用，光的電磁本性，電磁波譜光電效應，光子，愛因斯坦光電效應方程光的波粒二象性，物質波激光的特性及應用復習指導：“光的本性”的內容基本上是按照人類對光的本性的認識過程展開的。光的干涉和衍射實驗的成功證明了光具有波動性，并推動了光的波動學說的發(fā)展。光的電磁說揭示了光現(xiàn)象的電磁本質。光電效應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，又確鑿無疑地說明了光還具有粒子性，最終使人們認識到光具有波

2、粒二象性。在歷年的高考試題中，有關“光的本性”的內容多以選擇或填空題的形式出現(xiàn)。在所列的知識與幾何光學中的知識結合起來進行考查。 要點精析 光的波動性：（一）光的干涉1干涉是波的特有現(xiàn)象：只有相干波源才能產生穩(wěn)定的干涉現(xiàn)象，光若具有波動性則必能觀察到它的干涉現(xiàn)象，但必須要有產生干涉現(xiàn)象的相干光源。2相干光源：振動情況（指描述振動的物理量頻率、相位、振幅以及振動方向）總是相同。由于物質發(fā)光的特殊性，任何兩個獨立的光源發(fā)出的光相疊加均不能產生干涉現(xiàn)象，只有采用特殊的方法從同一光源分離出兩列頻率相同的光波相疊加，才可能發(fā)生干涉現(xiàn)象。雙縫干涉、薄膜干涉等都是采用這種“分光”方法而獲得相干光源的。3典型

3、干涉實驗：楊氏雙縫干涉實驗、薄膜干涉實驗。（二）雙縫干涉1實驗結果：用單色光源在屏上出現(xiàn)明暗相間的等距干涉條紋；若用白光做該實驗則屏上出現(xiàn)彩色的干涉條紋。2實驗分析：當屏上某點到雙縫S1、S2的路程差是光波波長的整數(shù)倍時，在這些地方出現(xiàn)亮紋；當屏上某點到雙縫S1、S2的路程差是光波半波長的奇數(shù)倍時，在這些地方出暗紋；干涉條紋是等間距的；同樣條件的雙縫實驗，用紅光和紫光得到的相鄰暗條紋間的寬度不等，紅光的寬度大。3結論：相鄰明暗相間條紋間的距離 ；同一實驗中，任意兩個相鄰的亮紋間的距離是相等的；x與、d、三因素有關，當、d相同條件下x與成正比，所以紅光和紫光分別做實驗得到的條紋間隔是不同的，紅光

4、的波長比紫光的波長長，因而紅光干涉條紋比紫光寬。（三）薄膜干涉1成因：薄膜前表面和后表面分別反射的兩列波疊加，這兩列波是同一光源發(fā)出的，所以是相干波，由于同一水平線上的薄膜厚度近似相同，所以干涉后能產生水平的明暗條紋，由于光波波長極短，因此做薄膜干涉實驗所用介質膜應足夠薄，才能觀察到干涉條紋。2如果膜的厚度為d，折射率為n的前后表面的反射光的光程差為2d，則：當2d是光波半波長的偶數(shù)倍時，在這些地方出現(xiàn)亮紋；當2d是光波半波長的奇數(shù)倍時，在這些地方出現(xiàn)暗紋；3如果膜的厚度均勻變化，若用單色光照射，相鄰的條紋間的距離是相等的；若用白光照射，則在薄膜某一厚度的地方某一波長的光反射后增強，而另一些波

5、長的光反射后減弱，這樣薄膜的像上就出現(xiàn)彩色條紋。4光的干涉在技術上的應用。（1）干涉法檢查鏡面：光的干涉在技術上可以檢查精密零件的表面質量，將被檢查平面和放在上面的透明標準樣板的一端墊一薄片，使樣板的標準平面和被檢查平面間形成一個楔形空氣薄層，單色光從上面照射，入射光在空氣層的上、下表面反映出兩列光波疊加情況，從反射光中看到干涉條紋，根據干涉條紋的形狀，來確定工件表面情況。（2）鏡片增透膜：在光學元件（透鏡、棱鏡）的表面涂一層薄膜，當薄膜的厚度是入射光在薄膜中波長的1/4時，在薄膜的兩個面上的反射光，光程差恰好等于半波長，因而相互抵消，達到減小反射光、增大透射光強度的作用。（四）光的衍射1光的

6、衍射：光離開直線路徑繞到障礙物陰影區(qū)域內的現(xiàn)象叫光的衍射。任何障礙物都可以使光發(fā)生衍射；2產生明顯衍射的條件：障礙物或小孔的尺寸跟光的波長相差不多或比光的波長??；3明顯衍射的現(xiàn)象：白光的單縫衍射：中央寬、亮的白色條紋；兩側窄、暗的彩色條紋；單色光的單縫衍射：中央寬、亮的亮條紋；兩側明暗相間的條紋，條紋間距向兩側越來越窄；4光的干涉條紋和衍射條紋都是光波疊加的結果，但存在明顯的區(qū)別：雙縫干涉條紋是等間距、等亮度的，而單縫衍射條紋除中央明條紋最寬、最亮外，兩側條紋亮度逐漸減小。（五）光的電磁說電磁波譜1光的電磁說：19世紀60年代，英國物理學家麥克斯韋提出電磁場的理論，預見了電磁波的存在，并提出電

7、磁波是橫波，傳播的速度等于光速，根據它跟光波的這些相似性，指出“光波是一種電磁波”光的電磁說。1888年赫茲用實驗證實了電磁波的存在，測得它傳播的速度等于光速，與麥克斯韋的預言符合得相當好，證實了光的電磁說是正確的。2電磁波譜：（1）紅外線：發(fā)現(xiàn)過程：1800年英國物理學家赫謝耳用靈敏溫度計研究光譜各色光的熱作用時，把溫度計移至紅光區(qū)域外側，發(fā)現(xiàn)溫度更高，說明這里存在一種不可見的射線，后來就叫做紅外線。特點：最顯著的是熱作用應用：紅外線加熱，這種加熱方式優(yōu)點是能使物體內部發(fā)熱，加熱效率高，效果好；紅外攝影（遠距離攝影、高空攝影、衛(wèi)星地面攝影），這種攝影不受白天黑夜的限制；紅外線成像（夜視儀），

8、可以在漆黑的夜間能看見目標；紅外遙感，可以在飛機或衛(wèi)星上勘測地熱，尋找水源、監(jiān)測森林火情，估計農作物的長勢和收成，預報臺風、寒潮。（2）紫外線：發(fā)現(xiàn)過程：1801年德國的物理學家里特，發(fā)現(xiàn)在紫外區(qū)放置的照相底板感光，熒光物質發(fā)光；特性：主要作用是化學作用，還有很強的熒光效應，殺菌消毒作用。應用：紫外照相，可辨別出很細微差別，如可以清晰地分辨出留在紙上的指紋；照明和誘殺害蟲的日光燈，黑光燈；醫(yī)院里病房和手術室的消毒；治療皮膚病。（3）倫琴射線：發(fā)現(xiàn)過程：1895年德國物理學家倫琴在研究陰極射線的性質時，發(fā)現(xiàn)陰極射線（高速電子流）射到玻璃壁上，管壁會發(fā)出一種看不見的射線，倫琴把它叫做X射線；產生條

9、件：高速電子流射到任體固體上，都會產生X射線；特性：穿透本領很強。應用：工業(yè)上金屬探傷；醫(yī)療上透視人體。此外還有比倫琴射線波長更短的電磁波，如放射性元素放出的射線。（4）電磁波譜無線電波、紅外線、可見光、紫外線、倫琴射線、射線合起來構成了范圍廣闊的電磁波譜。一方面，從無線電波到射線，都是本質相同的電磁波，它們的行為服從共同的規(guī)律，另一方面，由于頻率或波長的不同而又表現(xiàn)出不同的特性，如波長越長的無線電波，很容易表現(xiàn)出干涉、衍射等現(xiàn)象，隨波長越來越短的可見光、紫外線、x射線、射線要觀察到它們的干涉、衍射現(xiàn)象，就越來越困難了。（5）電磁波產生的機理：無線電波：產生于振蕩電路中；紅外線、可見光、紫外線

10、：原子的外層電子受到激發(fā)后產生的；倫琴射線：原子內層電子受到激發(fā)而產生的；射線：原子核受到激發(fā)后產生的。（6）電磁波譜圖： 光的粒子性（一）光電效應1在光（包括不可見光）照射下從物體發(fā)射出電子（即光電子）的現(xiàn)象叫做光電效應。2光電效應的規(guī)律：（1）任何一種金屬，都有一個極限頻率，入射光頻率必須大于這個極限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，只隨入射光頻率的增大而增大（線性關系）；（3）入射光照到金屬上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的，一般不超過109秒；（4）當入射光頻率大于極限頻率時，光電流的強度與入射光強度成正比。光電效應規(guī)律中，“光電流的強度”指的是光電流的飽和

11、值（對應從陰極發(fā)射出的電子全部被拉向陽極的狀態(tài)）。因為光電流未達到飽和值之前，其大小不僅與入射光的強度有關，還與光電管兩極間的電壓有關，只有在光電流達到飽和值以后才和入射光的強度成正比。金屬中的自由電子，由于受到晶格正離子的吸引，必須從外部獲得足夠能量才能從金屬中逸出。按照波動理論，光的能量是由光的強度決定的，而光的強度又是由光波的振幅決定的，跟頻率無關。因此無論光的頻率如何，只要光的強度足夠大或照射時間足夠長，都能使電子獲得足夠的能量產生光電效應，然而這跟實驗結果是直接矛盾的，所以無法用經典的波動理論來解釋光電效應。（二）光子說在普朗克（德國物理學家）認為電磁波的能量是不連續(xù)的基礎上，愛因斯

12、坦提出光子說即空間傳播的光是一份一份地進行的，每一份的能量等于h，每一份叫一個光子，是光的頻率。光子說對光電效應的解釋：光子照射到金屬上時，某個電子吸收光子的能量后動能變大，若電子的動能增大到足以克服原子核的引力時，便飛出金屬表面，成為光電子。（1）光子的能量和頻率有關，金屬的逸出功是一定的，光子的能量必須大于逸出功才能發(fā)生光電效應，這就是每一種金屬都存在一個極限頻率的原因；（2）光照射到金屬上時，電子吸收光子能量不需積累，吸收能量立刻增大動能，并逸出金屬表面成為光電子；（3）電子吸收光子能量后，從金屬表面逸出，其中金屬表面電子克服逸出功飛出金屬表面具有最大初動能，根據能量守恒有 該方程稱為愛

13、因斯坦光電方程，顯然最大初動能和入射光子的頻率有關。（三）光的波粒二象性光的干涉、衍射等現(xiàn)象說明光具有波動性，而光電效應又無可爭辯地說明光具有粒子性?，F(xiàn)在，人們認識到，光既具有波動性又具有粒子性，也就是說光具有波粒二象性，但是既不可把光當成宏觀觀念中的波，也不可把光當成微觀觀念中的粒子。從幾率波來理解：大量光子產生的效果往往顯示波動性；個別光子產生的效果往往顯示粒子性。從各種頻率電磁波的探測來理解：低頻率光子容易顯示波動性；高頻率光子容易顯示粒子性。要理解各種頻率的電磁波，就必須綜合運用波動觀點和粒子觀點，這是由于波動性與粒子性是光所具有的不可分割的屬性，即波粒二象性。（四）物質波定義：任何運

14、動著的物體，小到電子、質子，大到行星、太陽，都有一種波與它對應，這種波叫物質波，也叫德布羅意波。特點：宏觀物體的德布羅意波長比微觀粒子的波長小得多。波長公式 ，其中h6.63×1034J·s，p是運動物體的動量。物質波也是概率波。在光的衍射圖樣中，光子落到亮條紋處的概率較大，落到暗條紋處的概率較小。 光的偏振、激光：1波的偏振現(xiàn)象：橫波的振動矢量垂直于波的傳播方向振動時，偏于某個特定方向的現(xiàn)象?？v波只能沿著波的傳播方向振動，所以不可能有偏振。2自然光和偏振光：自然光：從普通光源直接發(fā)出的天然光是無數(shù)偏振光的無規(guī)則集合，所以直接觀察時不能發(fā)現(xiàn)光強偏于一定方向。這種沿著各個方向

15、振動的光波的強度都相同的光叫自然光。偏振光：自然光通過偏振片后，垂直于傳播方向的振動矢量只沿著一個方向振動，這種光叫偏振光。3激光與自然光比較，具有以下幾個重要特點：普通光源發(fā)出的是混合光，激光的頻率單一，因此激光相干性非常好，顏色特別純；激光束的平行度和方向性非常好；激光的強度特別大，亮度很高。4激光的重要應用：激光的應用非常多，發(fā)展前景非常廣闊，目前重要的應用有：光纖通信、精確測距、目標跟蹤、激光光盤、激光致熱切割、激光核聚變等等。 光譜和光譜分析：光譜分析：根據光譜鑒別物質和確定它的化學組成的方法叫做光譜分析。 精題精講例題1. 在雙縫干涉實驗中，以白光為光源，在屏幕上觀察到了彩色干涉條

16、紋，若在雙縫中的一縫前放一紅色濾光片（只能透過紅光），另一縫前放一綠色濾光片（只能透過綠光），這時（）A只有紅色和綠色的雙縫干涉條紋，其他顏色的雙縫干涉條紋消失B紅色和綠色的雙縫干涉條紋消失，其他顏色的雙縫干涉條紋依然存在C任何顏色的雙縫干涉條紋都不存在，但屏上仍有光亮D屏上無任何光亮解析：在雙縫干涉實驗的裝置中，縫的寬度跟光的波長相差不多。在雙縫分別放上紅色和綠色濾光片之后，由于紅光和綠光的頻率不相等，在光屏上不能再出現(xiàn)干涉條紋了，但由于滿足產生明顯衍射現(xiàn)象的條件，所以在屏上將同時出現(xiàn)紅光和綠光的衍射條紋。故正確的選項為C。點評：光的干涉、衍射和機械波的干涉、衍射，從原理上講是完全類似的，在

17、復習中可進行對照和類比。例題2. 劈尖干涉是一種薄膜干涉，其裝置如下圖甲所示。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下圖乙所示。干涉條紋有如下特點：(1)任意一條明條或暗條紋所在位置下面的薄膜厚度相等；(2)任意相鄰明條紋或暗條紋所對應的薄膜厚度差恒定?，F(xiàn)若在下圖甲裝置中抽去一張紙片，則當光垂直入射到新的劈形空氣薄膜后，從上往下觀察到的干涉條紋（）A變疏 B變密C不變 D消失解析：撤去一紙片后，空氣薄膜劈尖角變小，產生相同的厚度差對應的水平距離變大，所以相鄰的明（或暗）條紋間距變大，即條紋變疏

18、，選項A正確。點評：此題考查對薄膜干涉原理的理解。只有對薄膜干涉產生的原因、干涉條紋的分布規(guī)律等從本質上認識清楚，才能給出準確的解答。例題3. 如下圖所示，當電鍵K斷開時，用光子能量為2.5 eV的一束光照射陰極P，發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零；合上電鍵，調節(jié)滑動變阻器，發(fā)現(xiàn)當電壓表讀數(shù)小于0.60 V時，電流表讀數(shù)仍不為零；當電壓表讀數(shù)大于或等于0.60 V時，電流表讀數(shù)為零。由此可知陰極材料的逸出功為（）A1.9 eV B0.6 eVC2.5 eV D3.1 eV解析：開關閉合后，光電管兩端加的電壓為反向電壓，其作用是阻礙由光電管陰極發(fā)射出的光電子向陽極的運動。當電壓為0.6V時，電路中恰無電流，

19、說明由陰極發(fā)射的具有最大初動能的光電子也恰好不能到達陽極即具有最大初動能的光電子到達陽極速度恰減為零，即eUEkm0.6 eV。由愛因斯坦光電效應方程：EkmhW得：WhEkm2.50.6eV1.9eV，所以選項A正確。點評：認識清楚光電管所加電壓為反向電壓，并找到光電子的最大初動能和反向電壓的關系，正確地應用愛因斯坦光電效應方程，是解決此題的關鍵。另外，該例還向我們提供了一種測量光電子最大初動能的方法，即EkmeU止（U止為恰好使電路中不產生光電流的反向截止電壓）。例題4. 在做光電效應實驗時，某金屬被光照射發(fā)生了光電效應，實驗測出光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率的關系圖象如下圖所示。由

20、實驗圖線可求出（）A該金屬的逸出功B該金屬的極限頻率和極限波長C普朗克常量D單位時間內逸出的光電子數(shù)解析：由愛因斯坦光電效應方程EkhW，結合Ek圖象可知，圖線的斜率即為普朗克常量h，圖線在軸上的截距即金屬的極限頻率0，由極限頻率可求極限波長和逸出功。正確選項為ABC。點評：圖象是用來描述物理規(guī)律常用的一種重要工具，利用圖象解題時，一定要理解圖象的物理意義，并結合表示物理規(guī)律的函數(shù)關系，弄清楚圖象斜率、截距等和題目所求物理量的關系。例題5. 20世紀20年代，劍橋大學學生G·泰勒做了一個實驗。在一個密閉的箱子里放上小燈泡、煙熏黑的玻璃、狹縫、針尖、照相底板，整個裝置如下圖所示，小燈泡

21、發(fā)出的光通過熏黑的玻璃后變得十分微弱，經過三個月的曝光，在底片上針尖影子周圍才出現(xiàn)非常清晰的衍射條紋。泰勒對此照片的平均黑度進行測量，得出每秒到達底片的能量是5×10-13J。（1）假如起作用的光波長約為500 nm，計算從一個光子到來和下一光子到來所相隔的平均時間，及光束中兩鄰近光子之間的平均距離；（2）如果當時實驗用的箱子長為1. 2 m，根據（1）的計算結果，能否找到支持光是幾率波的證據？解析：（1）對于=500 nm的光子能量為 因此每秒到達底片的光子數(shù)為 如果光子是依次到達底片的，則光束中相鄰兩光子到達底片的時間間隔是 兩相鄰光子間平均距離為 （2）由（1）的計算結果可知，

22、兩光子間距有2.4×102m，而箱子長只有1.2 m，所以在箱子里一般不可能有兩個光子同時在運動。這樣就排除了光的衍射行為是光子相互作用的可能性，因此，衍射圖形的出現(xiàn)是許多光子各自獨立行為積累的結果，在衍射條紋的亮區(qū)是光子到達可能性較大的區(qū)域，而暗區(qū)是光子到達可能性較小的區(qū)域。這個實驗支持了光波是幾率波的觀點。點評：此類信息題，應認真閱讀題目提取有用信息，結合已學的知識解決新問題，需要較高的創(chuàng)新思維能力和文字組織能力。例題6. 閱讀如下資料并回答以下問題。自然界中的物體由于具有一定的溫度，會不斷向外輻射電磁波，這種輻射因與溫度有關，稱為熱輻射。熱輻射具有如下特點：輻射的能量中包含各種

23、波長的電磁波；物體溫度越高，單位時間從物體表面單位面積上輻射的能量越大；在輻射的總能量中，各種波長所占據百分比不同。處于一定溫度的物體在向外輻射電磁能量的同時，也要吸收由其他物體輻射的電磁能量，如果它處于平衡狀態(tài)，則能量保持不變。若不考慮物體表面性質對輻射與吸收的影響，我們定義一種理想的物體，它能100地吸收入射到其表面的電磁輻射，這樣的物體稱為黑體。單位時間內從黑體表面單位面積輻射的電磁波的總能量與黑體絕對溫度的四次方成正比，即P0T4。其中常量5.67×108 W（m2·K4）。在下面的問題中，把研究對象都簡單地看作黑體。有關數(shù)據及數(shù)學公式：太陽半徑R696 000 k

24、m，太陽表面溫度T= 5770 K，球面積S=4R2，其中R為球半徑。（1）太陽熱輻射能量的絕大多數(shù)集中在波長為2×107m1×105 m范圍內，求相應的頻率范圍；（2）每小時從太陽表面輻射的總能量為多少？解析：（1）由于 所以，輻射的頻率范圍為：3×10131.5×1015 Hz.（2）每小時從太陽表面輻射的總能量為： 點評：波長、波速與頻率（或周期）之間的關系式= v/是物理中使用頻率很高的一個公式，不要記反或記錯。例題7. 下圖為X射線管的結構示意圖，E為燈絲電源。要使射線管發(fā)出X射線，需在K、A兩電極間加上幾萬伏的直流高壓（）A高壓電源正極應接在

25、P點，X射線從K極發(fā)出B高壓電源正極應接在P點，X射線從A極發(fā)出C高壓電源正極應接在Q點，X射線從K極發(fā)出D高壓電源正極應接在Q點，X射線從A極出發(fā)解析：因X射線是由原子內層電子躍遷輻射的電磁波，要使原子內層電子躍遷，必須用高能粒子轟擊原子才能使其內層電子受激發(fā)而躍遷。X射線管K、A兩電極間加高電壓，目的就為使由K發(fā)射的電子被加速而成為高能粒子去轟擊對陰極A，使A中原子內層電子躍遷而輻射出X射線，所以Q點應接高壓電源正極，即D正確。點評：正確區(qū)別高、低壓電源及電子流與X射線。 反饋練習一、選擇題1在以下各組的兩個現(xiàn)象中都表現(xiàn)出光具有波動性的是（）A光的折射現(xiàn)象、色散現(xiàn)象B光的反射現(xiàn)象、干涉現(xiàn)象

26、C光的衍射現(xiàn)象、偏振現(xiàn)象D光的直線傳播現(xiàn)象、光電效應現(xiàn)象2用綠光照射一個光電管能發(fā)生光電效應，欲使光電子從陰極逸出的最大初動能增大，以下方法中可行的是（）A增大光電管上的加速電壓B增大綠光的強度C延長綠光的照射時間D改用強度較小的紫光照射3A和B兩種單色光均垂直照射到同一條直光纖的端面上，A光穿過光纖的時間比B光穿過的時間長，現(xiàn)用A和B兩種光照射同種金屬，都能發(fā)生光電效應，則以下說法正確的選項是（）A光纖對B光的折射率大BA光打出的光電子的最大初動能一定比B光的大CA光在單位時間內打出的電子數(shù)一定比B光的多DB光的波動性一定比A光顯著4雙縫干涉實驗裝置如下圖所示，綠光通過單縫S后，投射到具有雙

27、縫的擋板上，雙縫S1和S2與單縫S的距離相等，光通過雙縫后在與雙縫平行的屏上形成干涉條紋。屏上O點距雙縫S1和S2的距離相等，P點是距O點最近的第一條亮條紋。如果將入射的單色光換成紅光或藍光，討論屏上O點及其上方的干涉條紋的情況是：O點是紅光的亮條紋；紅光的第一條亮條紋在P點的上方；O點不是藍光的亮條紋；藍光的第一條亮條紋在P點的上方。其中正確的選項是（）A只有正確 B只有正確C只有正確 D只有正確5如下圖所示a、b二束平行細光束垂直射入直角三棱鏡的AB面，對應的折射光線為a'、b'，a'、b'有發(fā)散的趨勢。比較a、b二束光，以下說法正確的選項是（）A光束a在棱鏡中的傳播速度快B若b光束能使某一金屬產生光電效應，則a光束同樣能使該金屬產生光電效應C在完全相同的條件下做雙縫干涉實驗a光對應的干涉條紋較寬D在其它條件不變的情況下，當頂角A增大時，一定是折射光束b'先消失6抽制細絲時可用激光監(jiān)控其粗細，如下圖所示。激光束越過細絲時產生的條紋和它通過遮光板的同樣寬度的窄縫規(guī)律相同，則（）A這是利用光的干涉現(xiàn)象B這是利用光的偏振現(xiàn)象C如果屏上條紋變寬，說明抽制的絲粗了D如果屏上條紋變寬，說明抽制的絲細了7頻率為的光子，具有的能量為h，動量為h/c，將這個光子打