学年人教版选修34 139 《光》整合与评价 教案.docx

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学年人教版选修34139《光》整合与评价教案

课时13.9　《光》整合与评价

　　1.理解光的折射定律,会测定材料的折射率。

2.认识光的全反射现象,会解答有关临界角的计算问题。

3.观察光的干涉、衍射、偏振和色散现象。

知道产生干涉、明显衍射现象的条件。

会用双缝干涉实验测定光的波长。

4.了解激光的特性和应用。

知道全息照相的原理。

重点难点:

光的折射、全反射现象,光的干涉、衍射的条件及应用。

教学建议:

光具有干涉现象、衍射现象和偏振特性,这与机械波类似,可以对比来理解,这也证明光是一种波。

另外也要注意光是一种电磁波,它有很多不同于机械波的特点。

要掌握光的折射规律并能测定一些介质的折射率,掌握干涉、衍射条件,了解薄膜干涉的应用。

主题1:

测定玻璃的折射率

情景:

课本采用了插针法测玻璃砖的折射率,按课本实验内容,针对这一实验回答下列问题。

问题:

（1）实验中在木板上插大头针A、B时应注意什么?

插大头针C、D时应注意什么?

（2）实验中能不能把玻璃砖的界面当尺子画边界线?

为什么?

（3）实验中画玻璃砖边界线a'时,如果画宽或画窄了（与边界线a仍平行）,对测量结果有何影响?

（4）实验中按要求画好玻璃砖边界线a、a'后,操作时玻璃砖向上或向下平移了一点距离,对测量结果有何影响?

（5）实验中某同学用半圆形玻璃砖代替平行玻璃砖,对测量结果有何影响?

解答:

（1）①各针均竖直插在木板上;②A与B之间、B与O之间、C与D之间、C与O'之间距离稍大一些;③插C时要挡住A、B的像,插D时要挡住C和A、B的像。

（2）不能;容易磨损玻璃砖的光洁面,影响实验效果。

（3）边界线a'如果画宽了,测得的折射率偏小;边界线a'如果画窄了,测得的折射率偏大。

（4）对测量结果没有影响。

（5）对测量结果没有影响。

知识链接:

本实验前后共“画六线（一条法线、二条边界线和三条光线）”“插四针”“量两角（入射角和折射角）”。

　　主题2:

全反射现象的有关应用

问题:

（1）海市蜃楼和沙漠蜃景都是光线经过多次折射后最终发生全反射的结果,那为什么“蜃楼”在空中,而“蜃景”在地面呢?

（2）全反射棱镜的横截面为什么是等腰直角三角形?

（3）全反射棱镜与平面镜相比有哪些优点?

全反射棱镜有哪些具体的应用?

（4）光导纤维由内芯和外套组成,哪一部分折射率大?

为什么?

解答:

（1）越靠近海面的空气层折射率越大,远处景物发出的光线射向空中时不断折射,直至发生全反射,观察者看到空中射来的光线形成的虚像即是“蜃楼”。

与之相反的是,越靠近沙漠地面的空气层折射率越小,远处景物发出的光线射向地面时不断折射,直至发生全反射,观察者看到地面反射来的光线形成的虚像即是“蜃景”。

（2）各种玻璃的临界角为32°~42°,横截面为等腰直角三角形的棱镜,光从任一侧面垂直射入,在另一个反射面的入射角都是45°,均能发生全反射。

（3）反射率高,失真小;双筒望远镜中就有全反射棱镜,自行车的后尾灯实际也是塑料的全反射棱镜。

（4）光导纤维内芯的折射率比外套大;保证光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。

知识链接:

光学纤维束现在已成为一种新的光学基本元件,在光通信、光学窥视及光学特殊照明等方面有很重要的应用。

　　主题3:

测定光的波长

问题:

课本讲述了“用双缝干涉测量光的波长”的实验。

实验中是怎样测量条纹间距离的?

实验中用什么器材测量双缝到光屏间距离?

双缝间距是否需要测量?

解答:

两条相邻亮（暗）条纹间的距离Δx用测量头测出。

测量时,应使分划板中心刻度线对齐第一条亮条纹的中心,记下此时手轮上的读数a1,转动手轮,使分划板向一侧移动,当分划板中心刻度线对齐第n条亮条纹中心时,记下手轮上的读数a2,两次读数之差就是这两条亮条纹间的距离,即|a1-a2|,相邻两条亮（暗）条纹间的距离,即条纹宽度Δx=

。

用刻度尺测得双缝到光屏间距离为l。

双缝间距d不必测量,因为在双缝玻璃上已标出。

知识链接:

“用双缝干涉测量光的波长”实验中,单缝与双缝要平行,间距要合适。

拓展一:

折射定律与折射率

光的折射现象是指光从一种介质进入另一种介质时,传播方向发生改变的现象。

应用折射定律解决问题时要注意如下几点:

第一,光只有在两种介质界面上传播才会发生此现象,且光进入了另一种介质后,传播方向发生了改变;第二,光从真空或空气中进入任何介质时,折射角都小于入射角;第三,折射现象中光路也是可逆的,要善于通过画光路图来分析和解决问题。

折射率的定义指明了光是从空气（真空）入射到介质中的,n=

=

θ1是空气（真空）中光线与法线的夹角,θ2是介质中光线与法线的夹角。

计算折射率时,应先根据题意画好光路图,找对两个角度。

无论光是从空气（真空）中入射至介质中,还是从介质中入射至空气（真空）中,θ1均为空气（真空）中的角度。

θ1>θ2,c>v,所以n>1。

不同颜色的光,其频率不同,在同一介质中光速、波长、折射率皆不同。

红光的频率最低,紫光的频率最高。

同一介质中,频率高的色光折射率大。

1.

甲

如图甲所示,一储油圆桶底面直径和高均为d,桶内无油时,从A点恰好看到桶底边缘上的B点,当桶内盛油的深度等于桶高的一半时,在A点沿AB方向看去,恰好看到桶底上的C点,其中BC=

d。

由此可求得这种油的折射率n=　　　　,光在油中的传播速度v=　　　　m/s。

问1:

桶内无油时,从A点恰好看到桶底边缘上的B点,光沿什么路径传播?

答1:

直线。

问2:

桶内盛油的深度等于桶高一半时,在A点恰好看到桶底的C点,光沿什么路径传播?

答2:

折线。

问3:

折射率公式是什么?

答3:

折射率公式n=

。

乙

【解析】桶内无油时,B点射出的光线经油桶边缘到达A点;当桶内盛油时,从C点射出的光线在油面上折射后,也沿OA方向射到A点,如图乙所示。

其中CO为入射光线,OA为折射光线,则由光路可逆性和折射定律得:

n=

由几何关系得sinθ1=

sinθ2=

=

所以n=

=

又因为n=

得v=

=

m/s=1.9×108m/s。

【答案】

　1.9×108

【点拨】①画光路图时一定要注意光的传播方向是由物体到人眼。

②画出一条发生折射的光线,画出法线,确定入射角和折射角,是顺利解决该题的前提。

③求折射率要用到折射定律,定义介质折射率时光应从真空（或空气）进入介质,有时要注意应用光路可逆性,进而可根据几何知识求得折射率。

④记住公式n=

=

。

　　拓展二:

全反射

全反射产生的条件是光从光密介质射入到光疏介质,且入射角大于或等于临界角。

涉及的问题如:

全反射是否发生、什么范围的入射光才能从介质中射出、折射光覆盖的范围分析、临界角的计算等。

这些问题都需正确画出光路图,熟练应用几何知识进行分析和计算。

应该注意到,光疏介质和光密介质是相对而言的;全反射本质上还是反射问题,遵守反射定律。

对于多种色光的全反射问题,因为n=

n大则C小,当入射角从0°逐渐增大时,频率高的色光先发生全反射,利用v=

、λ=

可分析比较不同色光在同一介质中的光速、波长的大小。

2.如图所示,光从长方体透明介质的上表面AB射入,射到侧面AD上（设AD边很长）,讨论下列问题:

（1）不管入射角多大,要使光均不能从AD面射出,则介质的折射率应满足什么条件?

（2）当介质的折射率为n时,光可能从AD面射出,要使光真正从AD面射出,则入射角i必须满足什么条件?

问1:

要使光均不能从AD面射出,则角α应满足什么条件?

答1:

角α应大于或等于临界角。

问2:

要使光能从AD面射出,则角α应满足什么条件?

答2:

α应小于临界角。

问3:

产生全反射的条件是什么?

答3:

光从光密介质射入光疏介质,入射角大于或等于临界角。

【解析】

（1）由折射定律得sinα=cosr=

=

要使光不可能从AD面射出,不管i多大,必须始终满足sinα≥

求得n≥

因为sini最大值为1,所以n≥

。

（2）要使光真正从AD面射出,必须满足sinα<

即

<

求得sini>

所以i>arcsin

。

【答案】

（1）n≥

（2）i>arcsin

【点拨】发生全反射的条件:

①光由光密介质进入光疏介质;②入射角大于或等于临界角。

对于其临界角,理论上就是光疏介质中的折射角等于90°时光密介质的入射角C,所以n=

即sinC=

。

　　拓展三:

双缝干涉的原理及其应用

对于光的干涉问题,最重要的是需要深刻理解光的相干条件,即频率相同、振动方向相同、相位差恒定。

满足这些条件的两个光源叫相干光源,只有相干光源发出的光互相叠加,才能产生干涉现象,在屏上出现稳定的明暗相间的条纹。

形成相干光源的方法有两种:

（1）利用激光。

（2）设法将同一束光分为两束（这样两束光都来源于同一个光源,因此频率必然相等）。

下面4个图分别是利用双缝、楔形薄膜、空气膜、平面镜形成相干光源的示意图。

在双缝干涉实验中,光屏上某点到相干光源S1、S2的路程之差为光程差,记为δ。

若P点光程差δ是波长λ的整倍数,即δ=nλ（n=0,1,2,3,…）,则P点将出现亮条纹;若P点光程差δ是半波长的奇数倍,即δ=（2n+1）

（n=0,1,2,3,…）,则P点将出现暗条纹。

屏上明暗条纹之间的距离总是相等的,其距离大小Δx与双缝之间距离d、双缝到屏的距离l及光的波长λ有关,即Δx=

λ。

在l和d不变的情况下,Δx和波长λ成正比,应用该式可测光波的波长λ。

薄膜干涉由薄膜的前后表面反射的两列光波叠加而成,劈形薄膜干涉可产生平行相间的条纹。

薄膜干涉的常见应用:

①增透膜;②检查平整程度。

3.

图示是双缝干涉实验的装置,使用波长为600nm的橙色光照射时,在光屏上的P点和P点上方的P1点恰好形成两条相邻的亮条纹。

若使用波长为400nm的紫光重复上述实验,则在P点和P1点形成明暗条纹的情况是（　　）。

A.P点和P1点都是亮条纹

B.P点是亮条纹,P1点是暗条纹

C.P点是暗条纹,P1点是亮条纹

D.P点和P1点都是暗条纹

问1:

波长为多少的光经图示装置发生干涉时在P点形成亮条纹?

答1:

任意波长的光。

问2:

用波长为600nm的光照射时,在P点和P1点形成两条相邻的亮条纹,说明什么问题?

答2:

说明从双缝到P1的光程差为600nm。

问3:

用波长为400nm的光照射时,P1点是亮条纹还是暗条纹?

为什么?

答3:

暗条纹,因为光程差是其半个波长的三倍。

【解析】由形成明暗条纹的条件可知,无论换成哪种波长的色光做这个实验,双缝到P点的光程差δ1=S1P-S2P=0

所以在与光源S正对的P点总是形成亮条纹

依题意,用波长为600nm的橙色光照射时,P1点形成的亮条纹是除中心亮条纹外的第一条亮条纹,则有

δ2=S2P1-S1P1=λ橙=6×10-7m

对紫光来说,有

δ3=δ2=6×10-7m=3×

λ紫

所以,此时在P1点将会出现暗条纹。

【答案】B

【点拨】①能够发生干涉的两列光波叫作相干光波,产生相干光波的两个光源叫作相干光源。

②光波的干涉并不是两列光的简单混合,即便是同种色光,也要保证它们的频率必须相同,否则,两列光波的强度再大也不会发生干涉现象。

③要记住产生明暗条纹的条件和条纹宽度公式。

双缝到屏上某点路程差为入射光波长的整数倍时,叠加后加强,出现亮条纹;路程差为半波长的奇数倍时,叠加后减弱,出现暗条纹。

　　拓展四:

光的衍射

光在遇到障碍物时,偏离直线传播方向而照射到阴影区域的现象叫作光的衍射。

衍射是波的特性,但由于可见光的波长在10-7m数量级,而一般物体的大小比这个尺度大