選修3-4《光》基礎(chǔ)知識歸納

第十二章光第1課時光的折射、全反射基礎(chǔ)知識歸納光的直線傳播在同一均勻介質(zhì)中光沿直線傳播?當(dāng)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時,傳播方向改變?當(dāng)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(xiàn)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(zhì)射到另一種介質(zhì)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(nèi)，反射光線、入射光線分居法線的兩側(cè)，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(guān)于鏡面對稱.在反射現(xiàn)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(nèi)，折射光線與入射光線分別位于法線兩側(cè)，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(zhì)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(zhì)的折射率.折射率是反映介質(zhì)折射光的本領(lǐng)大小的一個物理量.折射率的定義表達(dá)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(dá)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(zhì)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(zhì)、光源(主要是頻率),注意：介質(zhì)的折射率n>l.折射光路是可逆的.光的全反射光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)：兩種介質(zhì)比較，折射率小的介質(zhì)叫光疏介質(zhì),折射率大的介質(zhì)叫光密介質(zhì)；“光疏”和“光密”具有相對性?全反射現(xiàn)象：光從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)的分界面上時，當(dāng)入射角增大到一定程度時，光全部反射回光密介質(zhì)，這一現(xiàn)象叫全反射現(xiàn)象.臨界角：折射角等于90。時對應(yīng)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(zhì)入射到光疏介質(zhì)；②入射角大于等于臨界角.光導(dǎo)纖維：實際用的光導(dǎo)纖維是非常細(xì)的特制玻璃絲，直徑只有幾微米到一百微米之間，在內(nèi)芯和外套的界面上發(fā)生全反射?其中內(nèi)芯是光密介質(zhì)，外套是光疏介質(zhì)，它對光具有傳導(dǎo)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(dāng)光線從一側(cè)面射入，從另一側(cè)面射出時，光線兩次均向底面偏折.物體經(jīng)棱鏡成像向頂角偏移.光疏三棱鏡：當(dāng)光線從一側(cè)面射入，從另一側(cè)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(dāng)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(dāng)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(dāng)物體發(fā)出的光線從三棱鏡的一側(cè)面射入，從另一側(cè)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(lán)、靛、紫七色光束.含有多種顏色的光被分解成單色光的現(xiàn)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(zhì)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(zhì)中(除真空外)傳播速度v最大，波長九最大，從同種介質(zhì)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(zhì)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(chǔ)知識歸納光的干涉現(xiàn)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(qiáng)，在另一區(qū)域總減弱，從而出現(xiàn)明暗相間的條紋的現(xiàn)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(diào)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(xiàn)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(xiàn)暗條紋.(注意：振動情況完全相反的加強(qiáng)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(fù)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(yīng)用：a.液膜干涉：劈形薄膜干涉可產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)平面之間的楔形空氣薄膜，用單色光進(jìn)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(xiàn)象.2.光的衍射現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)象的條件：當(dāng)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(xiàn)象.衍射圖樣

①單縫衍射：單色光：中央是最寬的亮條紋，兩側(cè)為不等間隔的明暗相間的條紋;復(fù)合光：中央是最寬的亮條紋，兩側(cè)為不等間隔的彩色條紋，最靠近中央的是紫光，最遠(yuǎn)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(xiàn)丄丄，這是光能發(fā)生』^的有力證據(jù)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(yīng)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(qiáng)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(nèi)，光振動在某一方向較強(qiáng)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(zhì)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(shù)光都是偏振光.光的偏振的物理意義光的偏振現(xiàn)象充分表明光波是橫波?因為偏振現(xiàn)象是橫波所特有的現(xiàn)象.偏振光的應(yīng)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(chǎn)生非常明顯的干涉現(xiàn)象；激光具有非常好的平行度，激光在傳播很遠(yuǎn)的距離后仍然保持一定的強(qiáng)度；激光具有很強(qiáng)的亮度，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.激光的重要應(yīng)用應(yīng)用：通信、測距、光盤讀取、切割等.由于激光是相干光，便于調(diào)制，常用來傳遞信息，光纖通信就是激光和光導(dǎo)纖維相結(jié)合的產(chǎn)物；激光測距雷達(dá)、激光刻錄光盤等都是根據(jù)激光的」行匚好的原理制成的；利用激光在很短的時間內(nèi)集中很大的丄基的性質(zhì)，用激光來切割各種物體、焊接金屬及在硬質(zhì)材料上打孔、醫(yī)學(xué)上用激光做“光刀”來切開皮膚、切除腫瘤、“焊接”剝落的視網(wǎng)膜等，利用激光產(chǎn)生的高溫高壓引起核聚變.第3課時波粒二象性基礎(chǔ)知識歸納光的本性學(xué)說的發(fā)展史牛頓的微粒說：認(rèn)為光是高速粒子流，它能解釋光的直進(jìn)、光的反射現(xiàn)象，不能解釋光的干涉、衍射現(xiàn)象.惠更斯的波動說：認(rèn)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(xiàn)象，不能解釋光電效應(yīng)、光的直進(jìn).麥克斯韋的電磁說：認(rèn)為光是電磁波，實驗依據(jù)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(yīng).愛因斯坦的光子說：認(rèn)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(yīng)、光的直進(jìn)、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(rèn)為光既有粒子性，又有波動性，個別光子表現(xiàn)粒子性，大量光子表現(xiàn)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(xiàn)象.光的電磁說內(nèi)容：光的本質(zhì)是電磁波.意義：光的電磁說說明了光的電磁本質(zhì)，使人們認(rèn)識到光波與機(jī)械波的本質(zhì)不同，把光學(xué)和電磁學(xué)統(tǒng)一起來.依據(jù)：光和電磁波的傳播都不需要介質(zhì)；光和電磁波在真空中的傳播速度相同，即c=3xlO8m/s.光電效應(yīng)現(xiàn)象：在光的照射下，物體發(fā)射電子的現(xiàn)象，叫做光電效應(yīng).光電效應(yīng)的規(guī)律：①任何一種金屬都有發(fā)生光電效應(yīng)的極限頻率，入射光的頻率必須大于這個頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng)；②光電子的最大初動能與入射光的強(qiáng)度無關(guān),隨入射光的頻率增大而增大；③光電效應(yīng)的產(chǎn)生幾乎是瞬時的，一般不超過10-9s；④當(dāng)入射光的頻率大于金屬極限頻率時，光電流強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)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(yīng)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(yīng)方程： Ek=hu_W.康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)：即當(dāng)Y射線或X射線打在物質(zhì)上，與物質(zhì)中原子的核外電子發(fā)生相互作用，作用后產(chǎn)生散射光子和反沖電子的效應(yīng)；其作用過程為：當(dāng)入射X(丫)光子和原子內(nèi)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(yùn)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(yīng)?其結(jié)果是：產(chǎn)生了次級電子，反沖電子繼而將發(fā)生電子與物質(zhì)的相互作用.意義：康普頓效應(yīng)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(yīng)的實驗規(guī)律，而康普頓對康普頓效應(yīng)進(jìn)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(yīng)的解釋：經(jīng)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(jīng)典理論解釋頻率不變的一般散射可以，但對康普頓效應(yīng)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(yīng)進(jìn)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(xiàn)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(chǎn)生的效果顯示出波動性，個別光子產(chǎn)生的效果顯示出粒子性?光子和電子、質(zhì)子等實物粒子一樣，具有能量和動量.與其他物質(zhì)相互作用時，粒子性起主導(dǎo)作用；在光的傳播過程中，光子在空間各點出現(xiàn)的可能性的多少(概率)，由波動性起主導(dǎo)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(guān)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(guān)系式表明：微觀粒子的坐標(biāo)測得愈準(zhǔn)確(Axf0)，動量就愈不準(zhǔn)確(Apf^)；微觀粒子的動量測得愈準(zhǔn)確(Apf0)，坐標(biāo)就愈不準(zhǔn)確(Axf^).但這里要注意，不確定關(guān)系不是說微觀粒子的坐標(biāo)測不準(zhǔn)；也不是說微觀粒子的動量測不準(zhǔn)；更不是說微觀粒子的坐標(biāo)和動量都測不準(zhǔn)；而是說微觀粒子的坐標(biāo)和動量不能同時測準(zhǔn).

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(chǔ)知識歸納一、用雙縫干涉測量光的波長實驗?zāi)康蘑帕私夤獠óa(chǎn)生穩(wěn)定的干涉現(xiàn)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(qiáng)，出現(xiàn)亮條紋;卜x=(2n+1)—時，P點減弱，出現(xiàn)暗條紋.所以如果用單色光，光屏上2將出現(xiàn)明暗相間的條紋，如果用白光，光屏上將出現(xiàn)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(xiàn)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(biāo)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(diào)整光源的位置，使光源發(fā)出的光能平行地進(jìn)入遮光筒并照亮光屏.放置單縫和雙縫，使縫—相互平行，調(diào)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(dá)式九=，求單色光的波長.L換用不同顏色的濾光片重復(fù)(3)(4)(5)步驟，觀察干涉圖樣的異同，并求出相應(yīng)的波長.注意事項單縫、雙縫應(yīng)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(yīng)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(xiàn)的讀數(shù)誤差對實驗結(jié)果的影響很大；②單縫、雙縫沒有嚴(yán)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(yán)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(diào)平行，調(diào)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?zāi)康臏y定玻璃的折射率.實驗原理如圖所示，當(dāng)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(yīng)的出射光線OZ,從而求出折射光線OO，和折射角Y再根據(jù)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(cè)透過玻璃磚觀察大頭針P］、P2的像，調(diào)整視線方向直到P1的像被P2的像擋住.再在bb一側(cè)插上大頭針P3、P4，使P