高中物理人教版選修34教學(xué)案第十三章第78節(jié)光的顏色色散激光

第7、8節(jié)光的顏色__色散__激光1.光的顏色由頻率打算，不同顏色的光波長不同。2．含有多種顏色的光被分解為單色光的現(xiàn)象叫做光的色散，這些單色光按波長的有序排列就是光譜。1.光的顏色由頻率打算，不同顏色的光波長不同。2．含有多種顏色的光被分解為單色光的現(xiàn)象叫做光的色散，這些單色光按波長的有序排列就是光譜。3．能使光色散的方法有：(1)薄膜干預(yù)色散；(2)衍射色散；(3)折射色散。4．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，波速越慢。5．激光是人工產(chǎn)生的，具有相干性好、平行度好、亮度高的特點。一、光的顏色色散1．光的顏色與波長：不同顏色的光，波長不同。圖13-7-12．光的色散：含有多種顏色的光被分解為單色光的現(xiàn)象。如圖13-7-1。3．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。4．幾種色散現(xiàn)象(1)薄膜干預(yù)中的色散①薄膜干預(yù)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薄膜干預(yù)的原理光照在厚度不同的薄膜上時，在薄膜的不同位置，前后兩個面的反射光的路程差不同，在某些位置兩列波疊加后相互加強，于是消失亮條紋；在另一些位置，兩列波相遇后被相互減弱，于是消失暗條紋。(2)衍射時的色散用白光做衍射試驗時，得到的條紋是彩色的。這是由于衍射時不同色光的亮條紋的位置不同，于是各種色光就區(qū)分開了。這種現(xiàn)象是光在衍射時的色散。(3)折射時的色散圖13-7-2如圖13-7-2說明白光通過棱鏡折射后，由上到下的色光挨次為：紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，這說明白光是由七色光組成的。5．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，波速越慢。二、激光1．激光的特點及應(yīng)用特點性質(zhì)應(yīng)用相干性激光具有頻率單一、相位差恒定、偏振方向相同的特點，是人工產(chǎn)生的相干光，具有高度的相干性光纖通信平行度激光的平行度特別好，傳播很遠(yuǎn)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高亮度它可以在很小的范圍和很短的時間內(nèi)集中很大的能量用激光束切割、焊接，醫(yī)學(xué)上可以用激光做“光刀〞，激發(fā)核反響等2．全息照相(1)與一般照相技術(shù)的比擬：一般照相技術(shù)所記錄的只是光波的強弱信息，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預(yù)原理，使參考光和物光在底片上相遇，發(fā)生干預(yù)，形成簡單的干預(yù)條紋。這要求參考光和物光必需具有很高的相干性。(3)觀看全息照片時要用激光照耀照片，從另一側(cè)面觀看。1．自主思索——判一判(1)色散現(xiàn)象說明白光是復(fù)色光。(√)(2)單色光通過棱鏡后也能發(fā)生色散。(×)(3)某單色光在不同介質(zhì)中傳播時間的頻率、波長均不同。(×)(4)激光可以進(jìn)行光纖通信是利用了相干性好的特點。(√)(5)激光可用做“光刀〞來切開皮膚是利用激光的相干性好。(×)(6)全息照相技術(shù)只能記錄光波的強弱信息。(×)2．合作探究——議一議(1)雨后天空消失的彩虹是怎樣形成的？提示：由于光的折射發(fā)生了色散現(xiàn)象形成的。(2)利用激光測量地球到月球的距離，應(yīng)用了激光哪方面的性質(zhì)？提示：應(yīng)用了“平行度〞特別好的性質(zhì)。對光的色散的理解1．折射時的色散(1)我們把射出棱鏡的光線與入射光線方向的夾角叫通過棱鏡的偏向角，如圖13-7-3所示，試驗說明，白光色散時，紅光的偏向角最小，紫光的偏向角最大。這說明玻璃對不同色光的折射率是不同的。紫光的最大，紅光的最小。圖13-7-3(2)由于介質(zhì)中的光速v＝eq\f(c,n)，故在同種介質(zhì)中折射率大的光速小，各種色光在同種介質(zhì)中的光速依次為v紫＜v藍(lán)＜…＜v橙＜v紅，即紅光的速度最大，紫光的速度最小。(3)如圖13-7-3所示，白光經(jīng)過三棱鏡后，在光屏上呈現(xiàn)七色光帶；假設(shè)從棱鏡的頂角向底邊看，由紅到紫依次排列，紫光最靠近底邊，光的色散實質(zhì)上是光的折射現(xiàn)象。2．雙縫干預(yù)中的色散用不同的單色光做雙縫干預(yù)試驗，得到的條紋之間的距離不一樣，但都是明暗相同的單色條紋。由Δx＝eq\f(l,d)λ知，紅光波長最長，Δx最大，紫光波長最短，Δx最小。白光干預(yù)時的條紋是彩色的，即白光是由多種色光組成的復(fù)色光，發(fā)生干預(yù)時，白光發(fā)生了色散現(xiàn)象。[典例](多項選擇)如圖13-7-4，一束光沿半徑方向射向一塊半圓柱形玻璃磚，在玻璃磚底面上的入射角為θ，經(jīng)折射后射出a、b兩束光線。那么()圖13-7-4A．在玻璃中，a光的傳播速度小于b光的傳播速度B．在真空中，a光的波長小于b光的波長C．玻璃磚對a光的折射率小于對b光的折射率D．假設(shè)轉(zhuǎn)變光束的入射方向使θ角漸漸變大，那么折射光線a首先消逝E．分別用a、b光在同一個雙縫干預(yù)試驗裝置上做試驗，a光的干預(yù)條紋間距大于b光的干預(yù)條紋間距[解析]a光的折射角更大，那么玻璃磚對a光的折射率大于對b光的折射率，在玻璃中a光的傳播速度小于b光的傳播速度，在真空中，a光的波長小于b光的波長，A、B項正確，C項錯誤；玻璃對a光的折射率大于對b光的折射率，a光的臨界角小，轉(zhuǎn)變光束的入射方向使θ角變大，那么折射光線a首先消逝，D項正確；a光的波長小于b光的波長，a光的干預(yù)條紋間距小于b光的干預(yù)條紋間距，E項錯誤。[答案]ABD光的色散的物理意義(1)光譜的產(chǎn)生說明，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)象說明，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，對紅光的折射率最小。(3)由折射率的定義n＝eq\f(c,v)可知，在棱鏡中紫光的速度最小，紅光的速度最大。1.如圖13-7-5所示，一個小的光源S發(fā)出白光，經(jīng)三棱鏡分光。假設(shè)人沿著折射光線的反方向觀看，通過棱鏡可以看到()圖13-7-5A．白光點B．光點上部紅色，下部紫色C．光點上部紫色，下部紅色D．看不到光源的像解析：選C由于各種單色光中，紫光的折射率最大，偏折角也最大，成的像最高，紅光的折射率最小，偏折角也最小，成的像最低，故C正確。2.如圖13-7-6所示，一束白光通過玻璃棱鏡發(fā)生色散現(xiàn)象，以下說法正確的選項是()圖13-7-6A．紅光的偏折最大，紫光的偏折最小B．紅光的偏折最小，紫光的偏折最大C．玻璃對紅光的折射率比紫光大D．玻璃中紫光的傳播速度比紅光大解析：選B白光中紅光的頻率最低，在玻璃中的折射率最小，由n＝eq\f(c,v)可知，紅光的傳播速度最大，紫光的頻率最高，在玻璃中的折射率最大，傳播速度最小，經(jīng)過棱鏡發(fā)生色散時，偏折最大，綜上所述，A、C、D均錯誤，B正確。3.如圖13-7-7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，那么()圖13-7-7A．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中點射出的是紅光解析：選B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(yán)峻，并且向頂端偏折，光路圖如下圖，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。薄膜干預(yù)的應(yīng)用1．用干預(yù)法檢查平面平整度如圖13-7-8甲所示，兩板之間形成一層空氣膜，用單色光從上向下照耀，假如被檢測平面是光滑的，得到的干預(yù)圖樣必是等間距的。假如被測外表某處凹下，那么對應(yīng)亮條紋(或暗條紋)提前消失，如圖乙中P條紋所示；假如某處凸起來，那么對應(yīng)條紋延后消失，如圖乙中Q所示，即亮條紋在凹陷處向空氣膜較薄處彎曲，在凸起處向空氣膜較厚處彎曲。(注：“提前〞與“延后〞不是指在時間上，而是指由左到右的位置挨次上)圖13-7-82．增透膜為了削減光學(xué)裝置中的反射光的損失，可在元件外表涂一層透亮?????薄膜，一般是氟化鎂。圖13-7-9如圖13-7-9所示，在增透膜的前后外表反射的兩列光波形成相干波，相互疊加，當(dāng)路程差為半波長的奇數(shù)倍時，在兩個外表反射的光反向，相互抵消，從而使反射的兩列光波產(chǎn)生相消干預(yù)，反射光的能量幾乎等于零。一般取最小厚度d滿意2d＝eq\f(λ,2)(此波長為光在該種介質(zhì)中的波長)，由于白光中含有多種波長的光，所以增透膜只能使其中肯定波長的光相消。由于人對綠光最敏感，一般選擇對綠光起增透作用的膜，所以在反射光中綠光強度幾乎為零，而其他波長的光并沒有完全抵消，所以增透膜呈現(xiàn)淡紫色。[典例](多項選擇)如圖13-7-10甲所示，用單色光照耀透亮?????標(biāo)準(zhǔn)板M來檢查平面N的上外表的平滑狀況，觀看到的圖像如圖乙所示的條紋中的P和Q的狀況，這說明()圖13-7-10A．N的上外表A處向上凸起B(yǎng)．N的上外表B處向上凸起C．N的上外表A處向下凹陷D．N的上外表B處向下凹陷[解析]利用光的薄膜干預(yù)來檢查平面的狀況，就是由標(biāo)準(zhǔn)樣板平面和被檢查平面間形成一個楔形的空氣薄層，用單色光從上面照耀，入射光在空氣層的上、下外表反射形成的兩列光波發(fā)生干預(yù)。假如被檢測的面是平的，那么空氣層的厚度相同的各點的干預(yù)條紋在一條直線上。假設(shè)是被檢測平面的某處凹下去了，這時干預(yù)條紋就不是直線，在凹處的干預(yù)條紋將向楔形膜中薄的一側(cè)彎曲。這是由于凹處的兩束反射光的路程差變大，它只能與膜厚一些位置的兩反射光的路程差相同而形成同一級的條紋(路程差相同的干預(yù)條紋為同一級，一般路程差大的干預(yù)條紋級別高，路程差小的干預(yù)條紋級別低)，明顯凹處的級別增大，將與膜厚一些位置的干預(yù)條紋形成同一級別的條紋，故B、C正確。[答案]BC被測平面凹下或凸起的形象推斷法被測平面凹下或凸起的形象推斷法——矮人行走法。即把干預(yù)條紋看成“矮人〞的行走軌跡。讓一個小矮人在兩板間沿著一條條紋直立行走，始終保持腳踏被測板，頭頂樣板，在行走過程中：假設(shè)遇一凹下，他必向薄膜的尖端去繞，方可按上述要求過去，即條紋某處彎向薄膜尖端，該處為一凹下；假設(shè)遇一凸起，他必向薄膜的底部去繞，方可按上述要求過去，即條紋某處彎向薄膜底部，該處為一凸起。1.如圖13-7-11所示是用干預(yù)法檢查某塊厚玻璃塊的上外表是否平整的裝置。所用單色光是用一般光源加濾光片產(chǎn)生的，檢查中所觀看到的干預(yù)條紋是由以下哪兩個外表反射的光線疊加而成的()圖13-7-11A．a(chǎn)的上外表和b的下外表B．a(chǎn)的上外表和b的上外表C．a(chǎn)的下外表和b的上外表D．a(chǎn)的下外表和b的下外表解析：選C樣板和厚玻璃之間存在楔形空氣薄膜，用單色光從這個空氣薄膜外表照耀，入射光從空氣薄膜的上、下外表反射回的兩列光波形成干預(yù)條紋?？諝獗∧さ纳?、下外表就是a的下外表和b的上外表，應(yīng)選項C正確。2.用如圖13-7-12所示的試驗裝置觀看光的薄膜干預(yù)現(xiàn)象。圖(a)是點燃的酒精燈(在燈芯上撒些鹽)，圖(b)是直立的附著一層肥皂液薄膜的金屬絲圈。將金屬絲圈在其所在的豎直平面內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn)，觀看到的現(xiàn)象是()圖13-7-12A．當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)30°時干預(yù)條紋同方向旋轉(zhuǎn)30°B．當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)45°時干預(yù)條紋同方向旋轉(zhuǎn)90°C．當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)60°時干預(yù)條紋同方向旋轉(zhuǎn)30°D．干預(yù)條紋保持原來狀態(tài)不變解析：選D豎直肥皂膜是由于重力作用產(chǎn)生的上薄下厚的薄膜，所以金屬絲圈的緩慢轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)變不了肥皂液膜的上薄下厚的外形，由干預(yù)原理可知，同一厚度處的干預(yù)條紋在同一級次上，所形成的干預(yù)條紋都是水平的，與金屬絲圈在該豎直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動無關(guān)，仍舊是水平的干預(yù)條紋，D正確。3．關(guān)于薄膜干預(yù)，以下說法中正確的選項是()A．只有厚度勻稱的薄膜才會發(fā)生干預(yù)現(xiàn)象B．只有厚度不勻稱的楔形薄膜，才會發(fā)生干預(yù)現(xiàn)象C．厚度勻稱的薄膜會形成干預(yù)條紋D．觀看肥皂液膜的干預(yù)現(xiàn)象時，觀看者應(yīng)和光源在液膜的同一側(cè)解析：選D當(dāng)光從薄膜的一側(cè)照耀到薄膜上時，只要前后兩個面反射回來的光波的路程差滿意振動加強的條件，就會消失明條紋，滿意振動減弱的條件就會消失暗條紋。這種狀況在薄膜厚度不勻稱時才會消失；當(dāng)薄膜厚度勻稱時，不會消失干預(yù)條紋，但也發(fā)生干預(yù)現(xiàn)象，假如是單色光照耀，假設(shè)滿意振動加強的條件，整個薄膜前方都是亮的，否那么整個薄膜的前方都是暗的。假如是復(fù)色光照耀，某些顏色的光因干預(yù)而振動加強，另一些顏色的光會因干預(yù)而振動減弱，減弱的光透過薄膜，加強的光被反射回來，這時會看到薄膜的顏色呈某種單色光的顏色，但不形成干預(yù)條紋。應(yīng)選D。激光1．激光的產(chǎn)生激光是原子受激輻射產(chǎn)生的光，發(fā)光的方向、頻率、偏振方向均相同，兩列相同激光相遇可以發(fā)生干預(yù)。激光是人工產(chǎn)生的相干光。2．激光的特點(1)激光是人工產(chǎn)生的相干光，其單色性好，相干性好。激光的頻率單一，相干性特別好，顏色特殊純。用激光做衍射、干預(yù)試驗，效果很好。(2)激光的平行度好。從激光器發(fā)出的激光具有極好的平行性，幾乎是一束方向不變、發(fā)散角很小的平行光。傳播幾千米后，激光斑擴展范圍不過幾厘米，而探照燈的光束能擴展到幾十米范圍。(3)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。3．激光的應(yīng)用(1)光纖通信。(2)激光測距。(3)激光讀寫。(4)激光加工。(5)激光手術(shù)(亦稱光刀手術(shù))。(6)激光武器。(7)可控聚變反響中的應(yīng)用。1．對于激光的熟悉，以下說法中正確的選項是()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．激光肯定比一般光的強度大解析：選C激光是原子受激輻射產(chǎn)生的光，是人工產(chǎn)生的一種相干光，與一般光源發(fā)出的光不同，所以C正確，A、B錯誤；用途不同，不同激光的強度大小并不相同，激光不肯定比一般光的強度大，D錯誤。2．(多項選擇)關(guān)于激光與自然光，以下說法正確的選項是()A．激光的頻率單一，而自然光是含有各種色光頻率的光，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本質(zhì)，它們都是由原子的躍遷產(chǎn)生的D．相干性好是激光與一般光的根本區(qū)分解析：選ACD激光的頻率單一，相干性很好，自然光中含有各種頻率的光，故A、D正確；激光和自然光都是由原子的躍遷產(chǎn)生的，故B錯誤，C正確。1．汽車行駛時常會滴下一些油滴，滴下的油滴在有水路面上會形成一層薄油膜，并顯現(xiàn)彩色，這是由于()A．空氣的折射B．膜的上、下外表反射形成光的干預(yù)C．光的衍射D．水的折射解析：選B白光射到油膜上，從膜的上、下外表反射回來，形成相干光源。由于各種色光波長不同，所產(chǎn)生的干預(yù)條紋的寬度不同，所以各色光在薄膜上形成干預(yù)條紋呈現(xiàn)彩色，所以B項正確。2．以下說法正確的選項是()A．真空中藍(lán)光的波長比紅光的波長長B．天空中的彩虹是由光干預(yù)形成的C．光纖通信利用了光的全反射原理D．機械波在不同介質(zhì)中傳播，波長保持不變解析：選C真空中藍(lán)光的波長比紅光的波長短，A項錯誤；天空中的彩虹是由光的折射形成的，B項錯誤；光纖利用了光的全反射傳遞信息，C項正確；機械波在不同的介質(zhì)中傳播時頻率不變，速度變化，因而波長會變化，D項錯誤。3．(多項選擇)激光的體積小，卻可以裝載更大、更重的衛(wèi)星或飛船。激光由地面激光站或空間激光動力衛(wèi)星供應(yīng)，通過一套裝置，像手電筒一樣，讓激光束射入發(fā)動機的燃燒室，使推動劑受熱而急劇膨脹，于是形成一股高溫高壓的燃?xì)饬?，以極高的速度噴出，產(chǎn)生巨大的推力，把衛(wèi)星或飛船送入太空。激光利用了激光的()A．單色性好 B．平行度好C．高能量 D．相干性好解析：選BC激光的平行度好且亮度高，可以在很小的空間和很短的時間內(nèi)集中很大的能量，這樣可以給供應(yīng)高能量，B、C正確。4．登山運發(fā)動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，否那么將會嚴(yán)峻地?fù)p傷視力。有人想利用薄膜干預(yù)的原理設(shè)計一種能大大減小紫外線對眼睛的損害的眼鏡。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f×1014Hz，那么他設(shè)計的這種“增反膜〞的厚度至少是()×10－8×10－7m×10－7×10－8m解析：選C由n＝eq\f(c,v)得v＝eq\f(c,n)＝eq\f(3×108,1.5)m/s＝2×108m/s。依據(jù)波速公式v＝λf，得λ＝eq\f(v,f)＝eq\f(2×108,×1014)×10－7m。要實現(xiàn)“增反〞的效果，薄膜的厚度至少為半個波長，那樣在薄膜的外表兩列反射光相互加強，從而使入射到眼睛的紫外線減弱，減輕紫外線對眼睛的損害，故C選項正確。5.某物理愛好小組用試驗探究光的色散規(guī)律，他們將半圓形玻璃磚放在豎直面內(nèi)，在其左方豎直放置一個很大的光屏P，讓一復(fù)色光束SA射向玻璃磚的圓心O后，有兩束單色光a和b射向光屏P，如圖1所示。他們依據(jù)試驗現(xiàn)象提出了以下四個猜測，你認(rèn)為正確的選項是()圖1A．單色光a的波長小于單色光b的波長B．在玻璃中單色光a的傳播速度大于單色光b的傳播速度C．單色光a通過玻璃磚所需的時間大于單色光b通過玻璃磚所需的時間D．當(dāng)光束SA繞圓心O逆時針轉(zhuǎn)動過程中，在光屏P上最早消逝的是a光解析：選B依據(jù)光的折射定律可知a光的折射率小于b光的折射率，那么a光的頻率小于b光的頻率，由λ＝eq\f(c,f)可知A項錯誤；由v＝eq\f(c,n)可知B項正確；由于復(fù)色光在玻璃磚中傳播距離相同，依據(jù)t＝eq\f(R,v)可知C項錯誤；由sinC＝eq\f(1,n)可知D項錯誤。6．虹和霓是太陽光在水珠內(nèi)分別經(jīng)過一次和兩次反射后出射形成的，可用白光照耀玻璃球來說明。兩束平行白光照耀到透亮?????玻璃球后，在水平的白色桌面上會形成MN和PQ兩條彩色光帶，光路如圖2所示。M、N、P、Q點的顏色分別為()圖2A．紫、紅、紅、紫 B．紅、紫、紅、紫C．紅、紫、紫、紅 D．紫、紅、紫、紅解析：選A光在水珠中折射時，折射率越大，折射角越大，應(yīng)選項A正確。7．劈尖干預(yù)是一種薄膜干