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(yàn)中，條紋之間的距離與光波的波長(zhǎng)成正比，用白光做試驗(yàn)時(shí)，得到彩色條紋，說(shuō)明不同顏色的光，波長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)自前后兩個(gè)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(qiáng)，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(huì)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(zhǎng)不同，干涉后的條紋間距不同，薄膜上就會(huì)出現(xiàn)彩色條紋．三、衍射時(shí)的色散用白光進(jìn)行衍射試驗(yàn)時(shí)，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(shí)的色散如圖說(shuō)明通過(guò)棱鏡折射后，由上到下的色光依次為：紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫，這說(shuō)明：(1)透亮物質(zhì)對(duì)真空中波長(zhǎng)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(zhǎng)的光波的傳播速度不一樣，波長(zhǎng)越短，波速越?。?dāng)大雨蕩滌了空中的塵埃，陽(yáng)光重新普照大地，漂亮的彩虹會(huì)出現(xiàn)于海上，或者出現(xiàn)于沙漠，間或還會(huì)出現(xiàn)于鬧市，有時(shí)也會(huì)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(yáng)光照耀下，彩虹若隱若現(xiàn)，給大自然增加了無(wú)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(jiǎn)稱虹，是氣象中的一種光學(xué)現(xiàn)象．當(dāng)太陽(yáng)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(jiàn)．形態(tài)彎曲，色調(diào)明麗．彩虹是因?yàn)殛?yáng)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(yáng)光射入水滴時(shí)會(huì)同時(shí)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(jiàn)到的彩虹．其實(shí)只要空氣中有水滴，而陽(yáng)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(shí)出現(xiàn)．這時(shí)空氣內(nèi)塵埃少而充溢小水滴，天空的一邊因?yàn)槿杂杏暝贫^暗．而視察者頭上或背后已沒(méi)有云的遮擋而可見(jiàn)陽(yáng)光，這樣彩虹便會(huì)較簡(jiǎn)單被看到．虹的出現(xiàn)與當(dāng)時(shí)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(shí)，本地是不太可能下雨的，而西方出現(xiàn)虹時(shí)，本地下雨的可能性卻很大．五、激光1．激光的特點(diǎn)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(lái)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(wú)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(yuǎn)的距離后仍能保持肯定的強(qiáng)度．②應(yīng)用：進(jìn)行精確的測(cè)距．多用途的激光雷達(dá)不僅可以測(cè)量距離，而且能依據(jù)多普勒效應(yīng)測(cè)出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)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(shí)間內(nèi)集中很大的能量．②可用激光束來(lái)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(lái)切開(kāi)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(qiáng)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(shí)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(gè)探討室里，年輕的美國(guó)物理學(xué)家梅曼正在進(jìn)行一項(xiàng)重要的試驗(yàn)．他的試驗(yàn)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(xiàng)宏大的獨(dú)創(chuàng)誕生了，它比太陽(yáng)表面還要亮4倍！這就是激光．在日常生活中，我們可以隨時(shí)感受到激光的存在．如在超級(jí)市場(chǎng)里，你會(huì)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(gè)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(cè)距等．考點(diǎn)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(zhǎng)不同．【實(shí)例精講】雙縫干涉試驗(yàn)中，各種顏色的光的條紋間距不一樣，說(shuō)明不同顏色的光波長(zhǎng)不同．2．白光的組成白光由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種顏色的光組成．【實(shí)例精講】白光干涉、衍射時(shí)，條紋是彩色的，說(shuō)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(zhǎng)的有序排列就叫光譜．考點(diǎn)二色散的幾種狀況1．雙縫干涉時(shí)的色散(1)用不同的單色光作雙縫干涉試驗(yàn)，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(zhǎng)不同．紅光波長(zhǎng)最長(zhǎng)，Δx最大；紫光波長(zhǎng)最短，Δx最?。?2)用白光作雙縫干涉試驗(yàn)得到的是彩色條紋，發(fā)生了色散．可把白光通過(guò)雙縫想象成由七種顏色的光同時(shí)通過(guò)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(shí)的色散(1)用不同的單色光作單縫衍射的試驗(yàn)，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(yàn)得到的是彩色條紋，發(fā)生了色散．3．薄膜干涉時(shí)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(gè)面反射的光是由同一個(gè)實(shí)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(diǎn)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(qiáng)，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(zhǎng)不同，從前后兩個(gè)表面反射的光，在不同的位置被加強(qiáng)，換句話說(shuō)，不同顏色的光對(duì)應(yīng)亮條紋的位置不同，不能完全重合，因此看起來(lái)是彩色的．③條紋是水平方向的：因?yàn)樵谕凰礁叨忍?，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(shí)兩反射光相互加強(qiáng)，則此高度水平方向各處均加強(qiáng)，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(jiǎn)稱為棱鏡．②光學(xué)作用：光通過(guò)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(duì)光的偏折程度越大．棱鏡對(duì)光的傳播方向的變更遵循光的折射定律．(2)光折射時(shí)的色散一束白光通過(guò)三棱鏡后擴(kuò)展成由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫各色光組成的光帶，這種現(xiàn)象稱為折射時(shí)的色散．從右圖中可以看出，紅光(波長(zhǎng)較長(zhǎng))通過(guò)棱鏡后偏折的程度比其他顏色的光要小，而紫光(波長(zhǎng)較短)偏折的程度比其他顏色的光要大．【說(shuō)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(guò)棱鏡時(shí)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(duì)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(duì)紫光的折射率最大，對(duì)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(gè)劈形空氣薄膜．當(dāng)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(diǎn)：(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(duì)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(dāng)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(gè)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?yàn)棣?－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(dāng)抽去一張紙片時(shí)θ減小，Δl增大，即條紋變疏．【答案】條紋變疏【點(diǎn)撥】干涉現(xiàn)象中路程差為波長(zhǎng)整數(shù)倍時(shí)出現(xiàn)亮條紋，對(duì)于劈尖干涉兩玻璃間的空氣層很薄，出現(xiàn)亮條紋對(duì)應(yīng)的路程差應(yīng)為λ，暗條紋對(duì)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(duì)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(shuō)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(dāng)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(jì)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(shí)發(fā)生了色散，射出的可見(jiàn)光分布在a點(diǎn)和b點(diǎn)之間，則()A．從a點(diǎn)射出的是紅光，從b點(diǎn)射出的是紫光B．從a點(diǎn)射出的是紫光，從b點(diǎn)射出的是紅光C．從a點(diǎn)和b點(diǎn)射出的都是紅光，從ab中點(diǎn)射出的是紫光D．從a點(diǎn)和b點(diǎn)射出的都是紫光，從ab中點(diǎn)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(duì)紅光和紫光的折射率相同嗎？對(duì)誰(shuí)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(lái)方向比紅光嚴(yán)峻，并且向頂端偏折，光路圖如右圖所示，所以從a點(diǎn)射出的是紫光，從b點(diǎn)射出的是紅光，選項(xiàng)B正確．此類問(wèn)題要抓住折射的實(shí)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(cuò)誤．【答案】B發(fā)出白光的細(xì)線光源ab，長(zhǎng)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(xì)光束經(jīng)水面折射后所成的像，由于水對(duì)光有色散作用，若以l1表示紅光成的像的長(zhǎng)度，l2表示紫光成的像的長(zhǎng)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(jìn)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(duì)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(duì)．考點(diǎn)三激光的產(chǎn)生和特點(diǎn)1．激光的產(chǎn)生激光是人類在試驗(yàn)室里激發(fā)出的在自然界中沒(méi)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(diǎn)(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(wú)線電波那樣進(jìn)行調(diào)制，用來(lái)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(jiǎn)單發(fā)散，激光在傳播很遠(yuǎn)距離后仍能保持肯定的強(qiáng)度．(3)激光的強(qiáng)度大，亮度高激光可以在很小的空間和很短的時(shí)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(shí)間內(nèi)產(chǎn)生幾千萬(wàn)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(duì)激光的相識(shí)，下列說(shuō)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(gè)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(diǎn)及應(yīng)用．【答案】CD(多選)關(guān)于激光與自然光，下列說(shuō)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(lái)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(lái)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(méi)有區(qū)分

考點(diǎn)四激光的應(yīng)用1．激光的應(yīng)用舉例與對(duì)應(yīng)的特性特點(diǎn)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(diǎn)，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(yuǎn)的距離仍能保持肯定的強(qiáng)度精確的測(cè)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(shí)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(guò)被拍攝物反射后再到達(dá)底片(稱為物光)．參考光和物光在底片上相遇時(shí)會(huì)發(fā)生干涉，形成困難的干涉條紋．底片上某點(diǎn)的明暗程度反映了兩束光疊加后到達(dá)這點(diǎn)時(shí)間波的強(qiáng)弱．【例4】在演示雙縫干涉的試驗(yàn)時(shí)，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(dòng)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(guò)雙縫時(shí)能夠得到兩束相干光．故本題的正確選項(xiàng)是C.【答案】C(多選)下列說(shuō)法中正確的是(BCD)A．假如地球表面沒(méi)有大氣層，太陽(yáng)照亮地球的范圍要比有大氣層時(shí)略大些B．激光是一種人工產(chǎn)生的相干光，因此可對(duì)它進(jìn)行調(diào)制來(lái)傳遞信息C．激光雷達(dá)能依據(jù)多普勒效應(yīng)測(cè)出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，從而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤D．從本質(zhì)上說(shuō)激光是一種橫波解析：假如地球表面沒(méi)有大氣層，太陽(yáng)照亮地球的范圍要比有大氣層時(shí)略小些；激光是一種人工產(chǎn)生的相干光，因此可對(duì)它進(jìn)行調(diào)制來(lái)傳遞信息；激光雷達(dá)能依據(jù)多普勒效應(yīng)測(cè)出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，從而對(duì)目標(biāo)進(jìn)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(shí)，紫光的速度比較大B．在玻璃中傳播時(shí)，紅光的速度比較大C．玻璃對(duì)紅光的折射率較紫光大D．在玻璃中傳播時(shí)，紫光的速度比較大解析：因?yàn)楦鞣N色光在真空中的傳播速度都為3×108m/s，所以A錯(cuò)誤．因?yàn)椴Ａ?duì)紅光的折射率較玻璃對(duì)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(cuò)誤．2．(多選)納米科技是跨世紀(jì)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(duì)DNA分子進(jìn)行超微型基因修復(fù)，把尚令人類無(wú)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(lái)，所以在醫(yī)學(xué)上用“光刀”切開(kāi)皮膚、切除腫瘤或進(jìn)行其他外科手術(shù)．3．市場(chǎng)上有種燈具俗稱“冷光燈”，用它照耀物品時(shí)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(shí)玻璃表面反射回來(lái)的熱效應(yīng)最顯著的紅外線．以λ表示紅外線的波長(zhǎng)，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(zhǎng)的奇數(shù)倍，故膜的最小厚度為紅外線在該膜中波長(zhǎng)的eq\f(1,4).4．登山運(yùn)動(dòng)員在登雪山時(shí)要留意防止紫外線的過(guò)度照耀，尤其是眼睛更不能長(zhǎng)時(shí)間被紫外線照耀，否則將會(huì)嚴(yán)峻地?fù)p壞視力．有人想利用薄膜干涉的原理設(shè)計(jì)一種能大大減小紫外線對(duì)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