高考物理一輪復習教案-光的本性物理光學

第二單元光的本性物理光學物理光學光的本性學說發(fā)展史物理光學光的本性學說發(fā)展史光的波粒二象性粒子性――光電效應微粒說（牛頓）波動說（惠更斯）電磁說（麥克斯韋）光子說（愛因斯坦）光的波粒二象說光的干涉波動性光的衍射一、粒子說和波動說微粒說——（牛頓）認為個光是粒子流，從光源出發(fā)，在均勻介質中遵循力學規(guī)律做勻速直線運動。成功——直線傳播（勻速直線運動）、反射（經典粒子打在界面上）困難——干涉，衍射（波的特性），折射（粒子受到界面的吸引和排斥：折射角、不能一視同仁），光線交叉2、波動說——（荷蘭）惠更斯、（法）菲涅爾，光在“以太”中以某種振動向外傳播成功——反射、折射、干涉、衍射困難——光電效應、康普頓效應、偏振19世紀以前，微粒說一直占上風人們習慣用經典的機械波的理論去理解光的本性。牛頓的威望波動理論本身不夠完善（以太、惠更斯無法科學的給出周期和波長的概念）3、光的電磁說——（英）麥克斯韋，光是一種電磁波4、光電效應——證明光具有粒子性二、光的雙縫干涉——證明光是一種波實驗1801年，（英）托馬斯·楊單色光單孔屏雙孔屏接收屏2、現象接收屏上看到明暗相間的等寬等距條紋。中央亮條紋波長越大，條紋越寬如果用復色光（白），出現彩色條紋。中央復色（白）原因：相干光源在屏上疊加（加強或減弱）小孔的作用：產生同頻率的光雙孔的作用：產生相干光源（頻率相同，步調一致，兩小孔出來的光是完全相同的。）條紋的亮暗L2—L1=（2K+1）λ/2弱L2—L1=2K*λ/2=Kλ強條紋間距∝波長△X=λL/d波長雙縫到屏的距離雙縫距離6、1m=109nm1m=1010A【例1】用綠光做雙縫干涉實驗，在光屏上呈現出綠、暗相間的條紋，相鄰兩條綠條紋間的距離為Δx。下列說法中正確的有（C）A.如果增大單縫到雙縫間的距離，Δx將增大B.如果增大雙縫之間的距離，Δx將增大C.如果增大雙縫到光屏之間的距離，Δx將增大D.如果減小雙縫的每條縫的寬度，而不改變雙縫間的距離，Δx將增大三、薄膜干涉——光是一種波實驗酒精中撒鈉鹽，火焰發(fā)出單色的黃光現象薄膜的反射光中看到了明暗相間的條紋。條紋等寬波長越大，條紋越寬如果用復色光，出現彩色條紋原因——從前后表面反射回來的兩列頻率相同的光波疊加，峰峰強、谷谷強、峰谷弱（陽光下的肥皂泡、水面上的油膜、壓緊的兩塊玻璃）科技技上的應用（1）查平面的平整程度單色光入射，a的下表面與b的上表面反射光疊加，出現明暗相間的條紋，如果被檢查的平面是平的，那么空氣厚度相同的各點就位于同一條直線上，干涉后得到的是直條紋，否則條紋彎曲。（2）增透膜膜的厚度為入射光在薄膜中波長的1/4倍時，從薄膜的兩個面反射的波相遇，峰谷疊加，反射減，抵消黃、綠光，鏡頭呈淡紫色?！纠?】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，否則將會嚴重地損壞視力。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的傷害的眼鏡。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8.1×1014Hz，那么它設計的這種“增反膜”的厚度至少是多少？解：為了減少進入眼睛的紫外線，應該使入射光分別從該膜的前后兩個表面反射形成的光疊加后加強，因此光程差應該是波長的整數倍，因此膜的厚度至少是紫外線在膜中波長的1/2。紫外線在真空中的波長是λ=c/=3.7×10-7m，在膜中的波長是λ/=λ/n=2.47×10-7m，因此膜的厚度至少是1.2×10-7m。四．光的衍射——光是一種波1、實驗a單縫衍射b小孔衍射光繞過直線路徑到障礙物的陰影里去的現象，稱光的衍射，其條紋稱衍射條紋2、條紋的特點：條紋寬度不相同，正中央是亮條紋，最寬最亮，若復色光（白），彩色條紋，中央復色（白）3、泊送亮斑——（法）菲涅爾理論泊松數學推導4、光的直線傳播是近似規(guī)律五．光的電磁說——麥克斯韋根據電磁波與光在真空中的傳播速度相同，提出光在本質上是一種電磁波，這就是光的電磁說，赫茲用實驗證明了光的電磁說的正確性。1、電磁波譜：波長從大到小排列順序為：無線電波、紅外線（一切物體都放出紅外線，1800年，英國赫謝爾）、可見光、紫外線（一切高溫物體，如太陽、弧光燈發(fā)出的光都含有紫外線，1801年，德國里特）、X射線（高速電子流照射到任何固體上都會產生x射線，1895年，德國倫琴，）、γ射線。各種電磁波中，除可見光以外，相鄰兩個波段間都有重疊。各種電磁波的產生機理分別是：無線電波是振蕩電路中自由電子的周期性運動產生的；紅外線、可見光、紫外線是原子的外層電子受到激發(fā)后產生的；倫琴射線是原子的內層電子受到激發(fā)后產生的；γ射線是原子核受到激發(fā)后產生的。2、各種電磁波的產生、特性及應用。電磁波產生機理特性應用無線電波LC電路中的周期性振蕩波動性強無線技術紅外線原子的最外層電子受激發(fā)后產生的熱作用顯著，衍射性強加熱、高空攝影、紅外遙感可見光引起視覺產生色彩效應照明、攝影、光合作用紫外線化學、生理作用顯著、能產生熒光效應日光燈、醫(yī)療上殺菌消毒、治療皮膚病、軟骨病等倫琴射線原子的內層電子受激發(fā)后產生的穿透本領很大醫(yī)療透視、工業(yè)探傷γ射線原子核受激發(fā)后產生的穿透本領最強探傷；電離作用；對生物組織的物理、化學作用；醫(yī)療上殺菌消毒；3、實驗證明：物體輻射出的電磁波中輻射最強的波長λm和物體溫度T之間滿足關系λmT=b（b為常數）?？梢姼邷匚矬w輻射出的電磁波頻率較高。在宇宙學中，可以根據接收到的恒星發(fā)出的光的頻率，分析其表面溫度?！纠?】為了轉播火箭發(fā)射現場的實況，在發(fā)射場建立了發(fā)射臺，用于發(fā)射廣播電臺和電視臺兩種信號。其中廣播電臺用的電磁波波長為550m，電視臺用的電磁波波長為0.566m。為了不讓發(fā)射場附近的小山擋住信號，需要在小山頂上建了一個轉發(fā)站，用來轉發(fā)_____信號，這是因為該信號的波長太______，不易發(fā)生明顯衍射。EKAEKAPQ【例5】倫琴射線管的結構，電源E給燈絲K加熱，從而發(fā)射出熱電子，熱電子在K、A間的強電場作用下高速向對陰極A飛去。電子流打到A極表面，激發(fā)出高頻電磁波，這就是X射線。正確的有（AC）A.P、Q間應接高壓直流電，且Q接正極B.P、Q間應接高壓交流電C.K、A間是高速電子流即陰極射線，從A發(fā)出的是X射線即一種高頻電磁波D.從A發(fā)出的X射線的頻率和P、Q間的交流電的頻率相同六．光電效應——在光的照射下物體發(fā)射電子的現象叫光電效應。（右圖裝置中，用弧光燈照射鋅版，有電子從鋅版表面飛出，使原來不帶電的驗電器帶正電。）光效應中發(fā)射出來的電子叫光電子。（1）光電效應的規(guī)律。①各種金屬都存在極限頻率ν0，只有ν≥ν0才能發(fā)生光電效應；②光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨入光的頻率增大而增大；③當入射光的頻率大于極限頻率時，光電流的強度與入光的強度成正比；④瞬時性（光電子的產生不超過10-9s）。（2）．光子說①、普朗克量子理論～電磁波的發(fā)射和接收是不連續(xù)的，是一份一份的，每一份叫能量子或量子，每一份的能量是E＝hγ，h＝6.63×10－34J·s，稱為普朗克常量。②愛因斯坦光子說～光的發(fā)射、傳播、接收是不連續(xù)的，是一份一份的，每一份叫一個光子。其能量E＝hγ。解釋：一對一，不積累，能量守恒，③愛因斯坦光電效應方程E=⑷：Ek=-W（Ek是光電子的最大初動能；W是逸出功，即從金屬表面直接飛出的光電子克服正電荷引力所做的功。）（3）．光電管陰極K陽極A玻璃泡陰極K陽極A玻璃泡（堿金屬）【例7】對愛因斯坦光電效應方程EK=-W，下面的理解正確的有（C。）A.只要是用同種頻率的光照射同一種金屬，那么從金屬中逸出的所有光電子都會具有同樣的初動能EKB.式中的W表示每個光電子從金屬中飛出過程中克服金屬中正電荷引力所做的功C.逸出功W和極限頻率ν0之間應滿足關系式W=hν0D.光電子的最大初動能和入射光的頻率成正比（4）．康普頓效應在研究電子對X射線的散射時發(fā)現：有些散射波的波長比入射波的波長略大?？灯疹D認為這是因為光子不僅有能量，也具有動量。實驗結果證明這個設想是正確的。因此康普頓效應也證明了光具有粒子性。七康普頓效應八、光的波粒二象性1．光的波粒二象性人們無法用其中一種觀點把光的所有現象解釋清楚，只能認為光具有波粒二象性，但不能把它看成宏觀經典的波和粒子。減小窄縫的寬度，減弱光的強度，使光子一個一個的通過，到達接收屏的底片上。若暴光時間短，底片上是不規(guī)則的亮點，若暴光時間長，底片上是條紋干涉、衍射和偏振以無可辯駁的事實表明光是一種波；光電效應和康普頓效應又用無可辯駁的事實表明光是一種粒子；因此現代物理學認為：光具有波粒二象性。2．正確理解波粒二象性波粒二象性中所說的波是一種概率波，對大量光子才有意義。波粒二象性中所說的粒子，是指其不連續(xù)性，是一份能量。⑴個別光子的作用效果往往表現為粒子性；大量光子的作用效果往往表現為波動性。⑵ν高的光子容易表現出粒子性；ν低的光子容易表現出波動性。⑶光在傳播過程中往往表現出波動性；在與物質發(fā)生作用時往往表現為粒子性。⑷由光子的能量E=hν，光子的動量表示式也可以看出，光的波動性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和動量的計算式中都含有表示波的特征的物理量——頻率ν和波長λ。由以上兩式和波速公式c=還可以得出：E=pc?！纠?】已知由激光器發(fā)出的一細束功率為P=0.15kW的激光束，豎直向上照射在一個固態(tài)鋁球的下部，使其恰好能在空中懸浮。已知鋁的密度為ρ=2.7×103kg/m3，設激光束的光子全部被鋁球吸收，求鋁球的直徑是多大？（計算中可取=3，g=10m/s2）解：設每個激光光子的能量為E，動量為p，時間t內射到鋁球上的光子數為n，激光束對鋁球的作用力為F，鋁球的直徑為d，則有：光子能量和動量間關系是E=pc，鋁球的重力和F平衡，因此F=ρgd3，由以上各式解得d=0.33mm。八、物質波（德布羅意波）由光的波粒二象性的思想推廣到微觀粒子和任何運動著的物體上去，得出物質波（德布羅意波）的概念：任何一個運動著的物體都有一種波與它對應，該波的波長λ=?！纠?0】為了觀察到納米級的微小結構，需要用到分辨率比光學顯微鏡更高的電子顯微鏡。下列說法中正確的是AA.電子顯微鏡所利用電子物質波的波長可以比可見光短，因此不容易發(fā)生明顯衍射B.電子顯微鏡所利用電子物質波的波長可以比可見光長，因此不容易發(fā)生明顯衍射C.電子顯微鏡所利用電子物質波的波長可以比可見光短，因此更容易發(fā)生明顯衍射D.電子顯微鏡所利用電子物質波的波長可以比可見光長，因此更容易發(fā)生明顯衍射解：為了觀察納米級的微小結構，用光學顯微鏡是不可能的。因為可見光的波長數量級是10-7m，遠大于納米，會發(fā)生明顯的衍射現象，因此不能精確聚焦。如果用很高的電壓使電子加速，使它具有很大的動量，其物質波的波長就會很短，衍射的影響就小多了。因此本題應選A。九．光的偏振⑴光的偏振也證明了光是一種波，而且是橫波。各種電磁波中電場E的方向、磁場B的方向和電磁波的傳播方向之間，兩兩互相垂直。⑵光波的感光作用和生理作用主要是由電場強度E引起的，將E的振動稱為光振動。⑶自然光。太陽、電燈等普通光源直接發(fā)出的光，包含垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，而且沿各個方向振動的光波的強度都相同，這種光叫自然光。⑷偏振光。自然光通過偏振片后，在垂直于傳播方向的平面上，只沿一個特定的方向振動，叫偏振光。自然光射到兩種介質的界面上，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，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^大多數光都是偏振光。十、激光（1）方向性好．激光束的光線平行度極好，從地面上發(fā)射的一束極細的激光束，到達月球表面時，也只發(fā)散成直徑lm多的光斑，因此激光在地面上傳播時，可以看成是不發(fā)散的．（2）單色性強．激光器發(fā)射的激光，都集中在一個極窄的頻率范圍內，由于光的顏色是由頻率決定的，因此激光器是最理想的單色光