高考物理总复习专题一光及其应用1718光的颜色色散激光学案新人教版.docx
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高考物理总复习专题一光及其应用1718光的颜色色散激光学案新人教版
1.1.7 光的颜色 色散
1.1.8 激光
学习目标
核心提炼
1.知道光的色散现象，知道白光是由多种色光组成的。
2.理解薄膜干涉中的色散现象，并了解薄膜干涉的应用。
3.理解光折射时的色散现象，知道同一介质对不同色光的折射率不同。
4.了解激光的特性和应用，应用激光观察全息照片。
3个概念——光的色散、光谱、激光
3种色散现象——薄膜干涉中的色散、衍射中的色散、折射中的色散
3个特点——激光的三个特点：
相干性、平行度、亮度高
一、光的颜色、色散
1.不同颜色的光，波长不同。
白光是由多种色光组成的。
2.光谱：
含有多种颜色的光被分解后，各种色光按其波长的有序排列，就是光谱。
3.光的色散：
含有多种颜色的光被分解为单色光的现象。
4.光从一种介质传播到另一种介质，波长发生变化，频率不变，颜色不变，因此光的颜色由频率决定。
思考判断
（1）白光是由多种不同颜色的色光组成的。
（√）
（2）光的波长决定光的颜色。
（×）
（3）光从真空进入介质，频率和颜色不会变化，波长和波速变小。
（√）
（4）在真空中传播时，红光波速大于紫光波速。
（×）
二、薄膜干涉中的色散
1.薄膜干涉中相干光的获得
光照射到薄膜上，在薄膜的前后两个面反射的光是由同一个实际的光源分解而成的，它们具有相同的频率，恒定的相位差。
2.薄膜干涉的原理
光照在厚度不同的薄膜上时，前后两个面的反射光的路程差等于相应位置膜厚度的2倍，在某些位置，两列波叠加后相互加强，于是出现亮条纹；在另一些位置，叠加后相互削弱，于是出现暗条纹。
3.薄膜干涉中应注意的问题
①观察的是从膜前、后两表面反射回来的光（眼睛与光源在膜的同一侧）
②用单色光照射得到明暗相间的条纹，用白光照射得到彩色条纹。
③肥皂液薄膜的干涉每一条纹基本上是水平的。
4.薄膜干涉的应用
①用干涉法检查平面的平整度。
②光学仪器上的增透膜。
思维拓展
小朋友吹出的肥皂泡、热菜汤表面的油花、马路上积水表面的油膜，都会看到彩色的条纹，这些彩色条纹是如何形成的呢？
答案 由薄膜干涉造成的。
白光照射在肥皂泡膜、油膜表面，薄膜前、后表面反射的两列反射波叠加，形成干涉条纹。
由于白光中的各色光波长不同，干涉后的条纹间距不同，薄膜上就会出现彩色条纹。
三、衍射和折射中的色散
1.衍射时的色散
用白光进行衍射实验时，得到的是彩色条纹，这是由于白光中包含各种颜色的光，不同色光亮条纹的位置不同。
2.折射时的色散
（1）三棱镜：
横截面积是三角形的玻璃柱体，简称三棱镜。
图1
（2）如图1是白光通过棱镜折射后，由上到下的色光顺序为：
红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，这说明：
①射出棱镜的光线与入射光线方向的夹角叫通过棱镜的偏向角，如图1所示，白光色散时，红光的偏向角最小，紫光的偏向角最大，说明玻璃对不同色光的折射率是不同的。
同一种物质对不同波长的光的折射率n不一样，λ越小，频率f越大，n越大。
②根据n＝
可知：
在同种介质中折射率大的速度小，各种色光在同种介质中的速度从小到大排序依次为v紫＜v蓝＜…＜v橙＜v红，即红光的速度最大，紫光的速度最小。
思考判断
（1）白光通过单缝的衍射条纹是彩色的，说明白光衍射后可以改变颜色。
（×）
（2）白光通过三棱镜时会发生色散现象，说明各种色光在玻璃中的折射率不同。
（√）
（3）各种色光在介质中的折射率不同说明各种色光在介质中的光速不同。
（√）
（4）各种色光通过三棱镜时，红光偏折的角度最小，紫光偏折的角度最大。
（√）
四、激光
1.激光的特点及其应用
特点
性质
应用
相干性
只有频率相同、相位差恒定、偏振方向一致的光才是相干光。
激光是一种人工产生的相干光，具有高度的相干性
光纤通信
平行度
激光的平行度非常好，在传播很远的距离后仍能保持一定的强度
精确的测距；读取光盘上记录的信息等
高亮度
它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量
用激光束切割、焊接；医学上可以用激光做“光刀”；激发核反应等
2.全息照相
（1）普通照相技术所记录的只是光波的强弱信息，而全息照相技术还可以记录光波的相位信息。
（2）全息照相的拍摄利用了光的干涉原理，这就要求参考光和物光有很高的相干性。
思考判断
（1）激光是自然界普遍存在的一种光。
（×）
（2）激光是一种人工产生的相干光。
（√）
（3）用激光做双缝干涉实验这是应用了激光具有高度的相干性的特点。
（√）
（4）激光精确测距利用激光的平行度好的特点。
（√）
（5）激光切割利用激光平行度好的特点。
（×）
（6）全息照相利用了激光的相干性强的特点。
（√）
薄膜干涉中的色散
[要点归纳]
1.薄膜干涉中出现亮暗条纹的条件
薄膜干涉是经薄膜前后面反射的两束光叠加的结果：
出现亮条纹的位置，两束光的路程差Δr＝kλ（k＝0，1，2，3…），出现暗条纹的位置，两束光的路程差Δr＝
λ（k＝0，1，2，3…）。
2.薄膜干涉中的应用分析
（1）等倾法检查平面平整度
原理：
如图2所示，在被测平面上放一个透明的样板，在样板的一端垫一个薄片，使样板的标准平面与被测平面之间形成一个楔形空气薄层。
用单色光照射时，空气层的上、下两个表面反射的两列光波发生干涉。
空气厚度相同的地方，两列波的路程差相同，两列波叠加时互相加强或减弱的情况相同，因此若被测面是平的，干涉条纹就是一组平行的直线，如果干涉条纹是弯曲的，就表明被测平面不平整。
如图3所示。
图2
图3
（2）增透膜
为了减少光学装置中的反射光的损失，可在元件表面涂一层透明薄膜，一般是氟化镁。
如图4所示，在增透膜的前后表面反射的两列光波形成相干波，相互叠加，当路程差为半波长的奇数倍时，在两个表面反射的光相互抵消，反射光几乎等于零。
图4
一般取最小厚度d满足2d＝
（此波长为光在该种介质中的波长）。
由于白光中含有多种波长的光，所以增透膜只能使其中一定波长的光相消。
因为人对绿光最敏感，一般选择对绿光起增透作用的膜，所以在反射光中绿光强度几乎为零，而其他波长的光并没有完全抵消，所以增透膜呈现淡紫色。
[精典示例]
[例1]（多选）如图5甲所示，用单色光照射透明标准板M来检查平面N的上表面的平滑情况，观察到如图乙所示条纹中的P和Q情况，这说明（ ）
图5
A.N的上表面A处向上凸起B.N的上表面B处向上凸起
C.N的上表面A处向下凹陷D.N的上表面B处向下凹陷
解析 空气厚度从左向右依次增大，则两表面的反射光的路程差自左向右依次增大。
当Δr＝nλ时，出现亮条纹，当Δr＝
λ时，出现暗条纹。
同一条纹上的各点对应的厚度相同（类比于地理上的等高线），当条纹向左弯曲（P）说明等高线向左移动，即现在A处的高度和A处右边点的高度相同，因此高度变大，A处下凹。
当条纹向右弯曲（Q），说明等高线右移，即现在B处的高度和左边点的高度相同，B处上凸。
B、C正确，A、D错误。
答案 BC
被测平面凹下或凸起的形象判断法
被测平面凹下或凸起的形象判断法——矮人行走法。
即把干涉条纹看成“矮人”的直立行走轨迹。
让一个小矮人在两板间沿着一条条纹直立行走，始终保持脚踏被测板，头顶样板，在行走过程中：
（1）若遇一凹下，他必向薄膜的尖端去绕，方可按上述要求过去，即条纹某处弯向薄膜尖端，该处为凹下。
（2）若遇一凸起，他必向薄膜的底部去绕，方可按上述要求过去，即条纹某处弯向薄膜底部，该处为凸起。
因此，条纹向薄膜尖端弯曲时，说明下凹，反之，上凸。
[针对训练1]如图6所示为一显示薄膜干涉现象的实验装置，P是附有肥皂薄膜的铁丝圈，S是一点燃的酒精灯，往火焰上撒些盐后，在肥皂膜上观察到的干涉图样应是下列图中的（ ）
图6
解析 铁丝圈上的肥皂泡薄膜在重力作用下上薄下厚，在同一水平线上厚度基本一致，如果某一厚度处前后表面反射的同一列光波叠加得到加强，那么这一水平线上同一厚度处形成亮条纹，所以干涉条纹应是水平的。
答案 D
光在棱镜中的色散
[要点归纳]
1.棱镜对光线传播方向的改变
（1）正确画出光线通过棱镜的光路图，如图7甲所示。
（2）棱镜成像的画法，如图乙所示。
图7
2.对光的颜色的理解
不同颜色的光，波长不同，频率不同，而同种颜色的光在不同的介质中折射率不同，速度和波长均不相同，但频率相同，因此说光的颜色是由频率决定的，而不是由波长决定的。
3.各种色光特性的比较
各种色光
红橙黄绿青蓝紫
频率
小→大
折射率
小→大
经三棱镜折射时的偏折角
小→大
波长
长→短
介质中的波速
大→小
双缝干涉的条纹间距
大→小
薄膜干涉的条纹间距
大→小
[精典示例]
[例2]如图8所示，一束白光从顶角为θ的三棱镜的一个侧面AB以较大的入射角i入射，经过三棱镜后，在屏P上可得到彩色光带。
当入射角逐渐减小至零的过程中，若屏上的彩色光带先后全部消失，则（ ）
图8
A.红光最先消失，紫光最后消失
B.紫光最先消失，红光最后消失
C.紫光最先消失，黄光最后消失
D.红光最先消失，黄光最后消失
解析 依题意作出白光通过三棱镜的光路图，如图所示。
可以看出紫光的偏折程度最大，棱镜对紫光的折射率最大，由全反射临界角公式sinC＝
知，紫光的临界角最小，所以紫光一定首先在AC界面上发生全反射而从光屏上消失。
由以上分析可知屏上彩色光带紫光最先消失，后面依次是蓝、青、绿、黄、橙、红光，故选项B正确。
答案 B
有关棱镜的折射和色散问题，关键要熟记从红到紫各色光的顺序及折射率的大小顺序。
分析时也应画出光路图，并结合折射定律、全反射条件分析判断。
[针对训练2]如图9所示，一细束由黄、蓝、紫三种色光组成的复色光通过三棱镜折射后分为a、b、c三种单色光，∠A大于c光在棱镜中的临界角而小于b光在棱镜中的临界角。
下列说法中正确的是（ ）
图9
A.a种色光为紫光
B.在三棱镜中a光的传播速度最大
C.在相同实验条件下用a、b、c三种色光做双缝干涉实验，c光相邻亮条纹间距一定最大
D.若复色光绕着入射点O顺时针转动至与AB面垂直时，屏上最终只有a光
解析 a光的偏折最小，说明其折射率最小，显然a光为黄光，选项A错误；a光的折射率最小，根据关系式v＝
可知，a光的传播速度最大，选项B正确；根据双缝干涉条纹间距公式Δx＝
λ，c光的折射率最大，波长最短，做双缝干涉实验时相邻亮条纹间距一定最小，选项C错误；若复色光绕着入射点O顺时针转动至与AB面垂直，那么各单色光在AC界面上的入射角会逐渐增大到等于∠A，已知∠A大于c光在棱镜中的临界角而小于b光在棱镜中的临界角，所以只有c光会发生全反射，屏上最终还有a光和b光，选项D错误。
答案 B
激光
[精典示例]
[例3]关于激光的应用问题，下列说法中正确的是（ ）
A.光纤通信是应用激光平行度非常好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中传递信息的
B.计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光有相干性的特点
C.医学中用激光做“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点
D.“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点
解析 由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用了激光的相干性，A错误；计算机内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的平行性好，B错误；医疗中的激光“光刀”利用了激光的亮度高的特点，C正确；激光测距利用的是激光的平行度和方向性好的特点，D错误。
答案 C
[针对训练3]（多选）关于激光，下列说法正确的是（ ）
A.激光是用人工方法激发出的一种特殊的光
B.自然界中某些天然物体也可以发出激光
C.激光可以像刀子一样切除肿瘤
D.由于激光的方向性好，所以激光不能发生衍射现象
解析 激光是用人工方法激发出的一种特殊的光，具有很强的相干性，选项A正确；普通光源发出的光是自然光，选项B错误；医用光刀利用激光方向性好、亮度高、能量强等特点切除肿瘤，选项C正确；激光是一种特殊的光，遵从光的一切规律，选项D错误。
答案 AC
1.光的颜色取决于（ ）
A.波长B.频率
C.传播速度D.折射率
解析 光的频率决定光的颜色，光在传播过程中频率不变，即颜色不变。
答案 B
2.（多选）红光和紫光相比较，下列说法正确的是（ ）
A.红光波长大于紫光波长
B.红光频率大于紫光频率
C.在真空中传播时，红光波速大于紫光波速
D.在真空中传播时，红光波速等于紫光波速
解析 各种光在真空中传播时，速度是一样的，故C错误，D正确；不同颜色的光有不同的频率，从红光到紫光，频率依次增大，波长依次减小，故A正确，B错误。
答案 AD
3.如图10所示是用干涉法检查某块厚玻璃板的上表面是否平整的装置，所用单色光是用普通光通过滤光片产生的，检查中所观察到的干涉条纹是由下列哪两个表面反射的光线叠加而成的（ ）
图10
A.a的上表面和b的下表面B.a的上表面和b的上表面
C.a的下表面和b的上表面D.a的下表面和b的下表面
解析 干涉法的原理是利用单色光的薄膜干涉，这里的薄膜指的是样板与待测玻璃板之间的空气层.在空气层的上表面和下表面分别反射的光会发生干涉，观察干涉后形成的条纹是否为平行直线，可以断定厚玻璃板的上表面是否平整。
因此选项C正确。
答案 C
4.一束由红、紫两色光组成的复色光，从空气斜射向玻璃三棱镜。
下面四幅图中能正确表示该复色光经三棱镜折射分离成两束单色光的是（ ）
解析 光通过玻璃三棱镜后向它的横截面的底边偏折，故选项C、D错误；同一介质对频率越高的光的折射率越大，所以复色光经玻璃折射后，光路应分开，故选项A错误；紫光的频率比红光的大，故经玻璃三棱镜后紫光的偏折程度大于红光的，故选项B正确。
答案 B
5.在演示双缝干涉的实验时，常用激光做光源，这主要是应用激光的（ ）
A.亮度高B.平行性好
C.相干性好D.波动性好
解析 频率相同的两束光相遇才能发生干涉，激光具有高度的相干性，通过双缝时能够得到两束相干光。
故选项C正确。
答案 C
基础过关
1.下列现象中可以用薄膜干涉来解释的是（ ）
A.白光通过三棱镜呈彩色光带
B.水面上的油膜在阳光照射下呈彩色
C.透过昆虫的翅膀看阳光呈彩色
D.荷叶上的水珠在阳光下晶莹透亮
解析 白光通过三棱镜呈彩色光带是色散现象，故选项A错误；油膜在阳光照射下呈彩色是薄膜干涉的结果，故选项B正确；透过昆虫的翅膀看阳光呈彩色是衍射现象，故选项C错误；水珠在阳光下晶莹透亮是全反射的结果，故选项D错误。
答案 B
2.（多选）下列关于激光的应用事例中正确的是（ ）
A.利用激光进行长距离精确测量
B.利用激光进行通信
C.利用激光进行室内照明
D.利用激光加工坚硬材料
解析 因激光具有平行度好的特点，可利用激光进行长距离精确测量和通信，A、B正确；利用激光的亮度高特点可加工坚硬材料，D正确；不能利用激光进行室内照明，C错误。
答案 ABD
3.通过狭缝观察发光的日光灯时看到的彩色条纹，瀑布在阳光下呈现的彩虹以及太阳光照射下肥皂膜呈现的彩色，这些现象分别属于（ ）
A.光的衍射、色散和干涉现象B.光的干涉、衍射和色散现象
C.光的干涉、色散和衍射现象D.光的衍射、干涉和色散现象
解析 题目中叙述的三种光学现象分别属于光的衍射、色散和干涉现象，A项正确。
答案 A
4.市场上有种灯具俗称“冷光灯”，用它照射物品时能使被照物品处产生的热效应大大降低，从而广泛地应用于博物馆、商店等处。
这种灯降低热效应的原因之一是在灯泡后面放置的反光镜玻璃表面上镀一层薄膜（例如氟化镁），这种膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的热效应最显著的红外线。
以λ表示此红外线在薄膜中的波长，用λ0表示此红外线在真空中的波长，则所镀薄膜的厚度最小应为（ ）
A.
λ0B.
λ
C.
λD.
λ0
解析 要消除反射回来的红外线，即从薄膜前后表面反射回来的红外线发生干涉，相互抵消，即2d＝
，解得d＝
，选项B正确。
答案 B
5.如图1所示，一束光经玻璃三棱镜折射后分为两束单色光a、b，波长分别为λa、λb，该玻璃对单色光a、b的折射率分别为na、nb，则（ ）
图1
A.λa＜λb，na＞nbB.λa＞λb，na＜nb
C.λa＜λb，na＜nbD.λa＞λb，na＞nb
解析 由题图可知，b光偏折大，折射率大，频率大，波长小，故选项B正确。
答案 B
6.（多选）一激光器功率为P，发出的激光在折射率为n的介质中波长为λ，c表示光在真空中的速度，下列说法中正确的是（ ）
A.该光在真空中的波长为nλB.该光在真空中的波长为
C.该光的频率为
D.该光的频率为
解析 激光在折射率为n的介质中波长为λ，由n＝
得，λ0＝nλ，A正确，B错误；由c＝λ0f得，f＝
＝
，C错误，D正确。
答案 AD
7.（多选）（2018·蚌埠高二检测）如图2，在水中有一厚度不计的薄玻璃片制成的中空三棱镜，里面是空气，一束光A从棱镜的左边射入，从棱镜的右边射出时发生了色散，射出的可见光分布在a点和b点之间，则下列说法正确的是（ ）
图2
A.从a点射出的是红光，从b点射出的是紫光
B.从a点射出的是紫光，从b点射出的是红光
C.从a点和b点射出的都是红光，从ab中点射出的是紫光
D.从a点和b点射出的都是紫光，从ab中点射出的是红光
E.光在ab面上不可能发生全反射
解析 此棱镜对周围介质来说是光疏介质，故光在棱镜中的折射角大于入射角，从棱镜中射出时，入射角大于折射角，故光线从棱镜中射出时光向顶角方向偏折，紫光折射率大，偏折厉害，故紫光从a点射出，红光从b点射出，故A、C、D错误，B正确；光在ab面上是从光疏介质向光密介质中传播，不会发生全反射，故E正确。
答案 BE
能力提升
8.如图3所示，半圆形玻璃砖置于光屏PQ的左下方，一束白光沿半径方向从A点射入玻璃砖，在O点发生反射和折射，折射光在光屏上呈现七色光带，a、b是其中的两单色光。
若入射点由A向B缓慢移动，并保持白光沿半径方向入射到O点，观察到各色光在光屏上陆续消失。
下面说法正确的是（ ）
图3
A.紫光最先消失
B.红光最先消失
C.a光在玻璃中的传播速度小于b光在玻璃中的传播速度
D.通过同一双缝发生干涉，a光相邻条纹间距小于b光相邻条纹间距
解析 玻璃对紫光的折射率最大，由sinC＝
可知，紫光发生全反射的临界角最小，故紫光最先消失，选项A正确，B错误；由题图可知，玻璃对a光的折射率比对b光的折射率小，由n＝
得v＝
，故a光在玻璃中的传播速度大于b光在玻璃中的传播速度，选项C错误；由题图可知，玻璃对a光的偏折程度较小，故a光波长较长，若通过同一双缝发生干涉，a光相邻条纹间距大于b光相邻条纹间距，选项D错误。
答案 A
9.如图4所示，一束激光垂直于AC面照射到等边玻璃三棱镜的AB面上。
已知AB面的反射光线与折射光线的夹角为90°。
光在真空中的传播速度为c。
求
图4
（1）玻璃的折射率；
（2）激光在玻璃中传播的速度。
解析
（1）如图所示，由几何关系知：
光在AB界面的入射角θ1＝60°，折射角θ2＝30°
则n＝
＝
。
（2）由n＝
得v＝
＝
。
答案
（1）
（2）
10.如图5甲所示，在平静的水面下有一个点光源S，它发出的是两种不同颜色的a光和b光，在水面上形成了一个被照亮的圆形区域，该区域的中间为由a、b两种单色光所构成的复色光的圆形区域，周边为环状区域，且为a光的颜色（见图乙）。
则以下说法中正确的是（ ）
图5
A.a光在水中的传播速度比b光大
B.水对a光的折射率比b光大
C.a光的频率比b光大
D.在同一装置的杨氏双缝干涉实验中，a光的干涉条纹比b光的窄
解析 根据题意，a光从水射向空气时发生全反射的临界角C较大，根据公式n＝
可知，水对a光的折射率较小，a光的频率较小，再根据关系式v＝
可知，a光在水中的传播速度较大，选项A正确，B、C错误；a光的频率较小，其波长较大，再根据双缝干涉条纹间距公式Δx＝
λ可知，在同一装置的杨氏双缝干涉实验中，a光的干涉条纹比b光的宽，选项D错误。
答案 A
11.一种红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道闪光，每道闪光为一个（列）光脉冲，若这种激光器光脉冲的持续时间为1.0×10－11s，波长为694.3nm，发射功率为1.0×1010W，求：
（1）每列光脉冲的长度是多少？
（2）用这种红宝石激光器照射皮肤上的色斑，每平方厘米色斑吸收能量达到60J以后，色斑便逐渐消失，一块色斑的面积为50mm2，则它要吸收多少个（列）红宝石激光脉冲才能逐渐消失？
解析
（1）光脉冲持续时间即为发射一个光脉冲所需的时间，所以一个光脉冲长度
Δl＝c·Δt＝3×108×1.0×10－11m＝3.0×10－3m
（2）面积为1cm2色斑吸收的能量E＝60J，色斑便逐渐消失。
而1个光脉冲的能量为ΔE＝P·Δt＝1.0×1010×1.0×10－11J＝0.1J。
消除50mm2的色斑需要光脉冲数为
n＝
＝
＝300（个）。
答案
（1）3.0×10－3m
（2）300个
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