自主招生课程自主招生课程高三物理第14讲 光学教案.docx

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自主招生课程自主招生课程高三物理第14讲光学教案

第14讲光学

适用学科

物理

适用年级

高三

适用区域

全国

课时时长（分钟）

120

知识点

1：

光的折射、全反射

2：

光的干涉、衍射

3：

光程与半波损失

教学目标

1：

了解光学的考查特点

2：

掌握基本知识和解题方法。

3：

学会利用光路图辅助解题

教学重点

1：

机械振动

2：

波的周期性

教学难点

1：

光的干涉、衍射

2：

光程与半波损失

【重点知识精讲和知识拓展】

一、光的独立传播规律

当光线从不同方向通过透明媒质中一点时互不影响，不改变频率仍按原方向传播的规律。

二、折射率

1．相对折射率：

光从1媒质进入2媒质。

2．绝对折射率：

任何媒质相对于真空的折射率。

三、发生全反射的临界角：

光从折射率为n的介质进入真空，其临界角C=arcsin（1/n）；光从折射率为n1的介质进入折射率为n2的介质，其临界角C=arcsin（n2/n1）。

.

四、透镜成像

1.透镜公式

若u为物距，v为像距，而f为焦距，则有：

放大率

：

（线放大率）

（面放大率）

说明：

（1）上述公式适用范围：

面镜，薄透镜。

（2）适用条件：

近轴光线；镜的两侧光学媒质相同。

（3）符号规定：

“实正、虚负”的原则。

2.透镜成像作图法：

主要依据三条特殊光线确定像的位置。

①平行主轴的光线，经凸透镜折射后通过焦点，若为凹透镜，折射光线的反向演唱像通过焦点；

②通过焦点的光线，经凸透镜折射后与主轴平行，若为凹透镜，指向透镜另一侧焦点的光线经折射后与主轴平行；

③通过光心的光线，经透镜后方向不变。

以上三条特殊光线中的任何两条，可以确定像的位置。

3.实像和虚像：

两条实际光线的交点为实像点；光线反向延长线的交点为虚像点。

像点位置确定后，也同时确定了像的虚实、倒正和大小。

实像用光屏接收，经光屏的反射用眼观察。

虚像必须用眼直接观察。

五、球面镜的焦距

可以证明，球面镜的焦距f等于球面半径R的一半。

且凹透镜的焦距为正值，凸透镜的焦距为负值。

六．眼睛和光学仪器

（1）眼睛

1人眼结构：

水晶体：

即眼珠，由折射率为1.42的胶状透明物质组成的双凸透镜，前、后面曲率半径分别为1厘米和0.6厘米。

1玻璃液：

水晶体被一种透明淡盐溶液包围，这种溶液称玻璃液，折射率为1.33。

2瞳孔：

玻璃液被称为巩膜的白色坚韧的膜包围，形成眼球，直径约为2.4厘米。

眼球前方有一小远控，称为瞳孔。

外来光束过弱时，瞳孔直径可扩大到0.8厘米。

3视网膜：

眼球后方有一极薄的膜，称为视网膜。

由视神经把视网膜和大脑联系起来。

2人眼的调节功能：

1自调节：

水晶体有自我调节功能，使它的曲半径变化，从而自动改变焦点，使物体在视网膜上成像。

2近点和远点：

眼睛能看清楚的最近点称为近点；最远点称为远点。

随着年龄增加，近点逐渐变远，远点逐渐变近。

3非正常眼：

正常眼能看清楚眼前25厘米处物体的细节，故把25厘米称为明

视距离。

远点不在无限远而在眼前有限的距离，称为近视眼。

可用凹透镜矫正。

近点离眼很远的，称为远视眼，可用凸透镜矫正。

眼珠在不同方向的平面内曲率不同，称为散光眼，可用非球面透镜矫正。

（2）照相机：

由物镜、快门、暗箱等组成。

用感光片记录物体倒立实像，经显影和定影后，得到明暗对比与物体相反的负片。

如为彩照，负片的色彩与物体互成补色。

快门控制感光片曝光时间，暗箱防止漏光。

物镜中装有调节直径大小的光圈，用来改变像的照度，缩小光圈还可增加成像的景深。

复杂的照相机装有

可变焦距的物镜。

（3）放大镜：

一个焦距f很短的会聚透镜。

f远小与明视距离s，作用是放大物体在视网膜上所成的像。

像所张的视角与肉眼观察时物体在明视距离处所张的视角之比，定义为放大镜的视角放大率M，

。

（4）幻灯片：

使透明图片在屏幕上成放大倒立实像的仪器，由光源、聚光器和放映镜头（凸透镜）等组成。

（5）显微镜

1．结构：

在放大镜（目镜）前加一个称为物镜的焦距极短的会聚透镜，组成显微镜。

物体放在物镜物方焦

点外侧附近，经物镜成放大实像于目镜物方焦点内侧附近。

再经目镜成放大虚像于明视距离以外。

2．放大倍

率：

物镜、目镜的焦距分别为f0和fe，如光学筒长为

，明视距离为S0,则显微镜放大倍率为：

负号表示像是倒立的。

（6）望远镜

1．结构：

物镜为凸透镜，焦

距较长，把无穷远处的物成像在物镜的像方

焦平面上。

目镜有两类，用短焦距凸透镜做目镜的，称为开普勒望远镜，成倒立像。

用短焦距凹透镜做目镜的，称为伽利略望远镜，成正立像。

2．放大倍率：

用S0、fe表示物、目镜的焦距，则放大倍率为

，负号表示像是倒的。

3．最小分辨角：

望远镜能辨别远处两物点的最小角距离称为最小分辨角。

由光波波长

和望远镜的通光孔D所决定：

.

七．光的干涉

（1）、双缝干涉：

在用单色光做双缝干涉实验时，若双缝处光的振动情况完全相同，则在光屏上距双缝的路程差为光波波长整数倍的地方出现明条纹；光屏上距双缝的路程差为光波半波长的奇数倍的地方出现暗条纹.

理论和实验都证明，在实验装置不变的条件下，干涉条纹间距（相邻两条明条纹中心或相邻两条暗条纹中心间的距离）跟波长成正比。

所以从红光到紫光的干涉条纹间距将越来越小。

在用白光做双缝干涉实验时，除中央亮条纹为白色外，两侧均为彩色的干涉条纹。

（2）、薄膜干涉：

光照射到薄膜上时，被膜的前、后表面反射的两列光相叠加，也可发生干涉现象.若入射光为单色光，可形成明暗相间的干涉条纹；若入射光为白光，可形成彩色的干涉条纹.

温馨提示：

利用双缝干涉可以精确测定光的波长，而薄膜干涉常用于检查平面质量和镜头的增透膜。

八．光程

光在介质中传播的路程L与该介质的折射率n的乘积nL称为光程，即S=nL.

光在传播过程中其位相变化ΔΦ与光程的关系是

。

式中λ为光在真空中的波长。

在真空中或空气中n=1，光传播的路程就等于光程。

九、半波损失

光由光疏介质射向光密介质在两介质分界面上发生反射时，光的相位要

发生180°的变化，相当于有半个波长的光程差，称为半波损失。

反之，当光由光密介质射向光疏介质在分界面上发生反射时，其相位不发生变化，因此，这时没有半波损失。

十．光的衍射

光离开直线路径而绕到障碍物阴影里的现象叫做光的衍射现象.

只有在障碍物或孔的尺寸比光的波长小或者跟波长差不多的条件下，才能发生明显的衍射现象.著名的泊松亮斑就是典型的光的衍射现象.

十一．光的电磁说

（1）、麦克斯韦电磁场理论认为光是一种电磁波.赫兹用实验证实了光的电磁本性.

（2）、电磁波谱：

电磁波按波长由大到小的顺序排列为：

无线电波、红外线、可见光、紫外线、

X射线、γ射线.其产生机理、性质差别、用途等可概括如下表：

波谱

无线电波

红外线

可见光

紫外线

X射线

γ射线

产生机理

振荡电路中自由电子运动

原子外层电子受激发

原子内层电子受激发

原子核受激发

特性

波动性强

热效应

引起视觉

化学作用、荧光效应、杀菌

贯穿作用强

贯穿本领最强

应用

无线电技术

加热、遥感

照明摄影

感光技术医用消毒

检查探测医用透视

工业探伤医用治疗

十二．光谱和光谱分析

光谱分析：

根据光谱鉴别物质和确定它的化学组成的方法叫做光谱分析.

【典例精析】

例1.凸透镜成像时,物距u、像距v和焦距f之间的关系为1/f=1/u+1/v。

.一架以108km/h匀速飞行的飞机要航拍与地面景物比例为1∶5000的照片时,其飞行高度应为1000m.试求:

（1）航拍员所用照相机的焦距有多

大?

（2）若要用这架照相机航拍与地面景物的比例为1∶2000的照片,则:

①飞机的飞行高度应多高?

②航拍时,景物在胶卷上所成像的位移不能超过0.1mm,其像才不至于模糊。

.这时航拍员应选取多大的快门，所拍摄的像才不至于模糊?

（注:

照相机上的快门数据,为快门开启时间的倒数）

【答案】：

见解析

【解析】：

（1）

根据凸透镜成像时的光路图成相似三角形的关系可得，放大率

（2）

所以快门应选取“150”及以上。

例2.（2014华约自主招生物理试题）蜡烛与光屏的间距为1.8m。

从蜡烛处开始移动透镜，第一次在光屏上出现清晰的像之后，又向前移动了0.72m时，再一次出现了清晰的像。

求透镜的焦距f。

【答案】：

见解析

【解析】：

令光源蜡烛与光屏之间的距离为L，两次成像时，物距（物体与透镜的距离）分别为

和

，像距分别为

和

，两次透镜间距离为d，则由成像公式

解得

（1）

由对称性（或光路可逆性），交换蜡烛与光屏的位置，则成像时透镜在同样位置，故：

，

可得

，

，

由上述四式可得：

（2）

（3）

（2）（3）带入

（1）得：

【点评】此方法在实验上称为位移法测透镜焦距，也叫二次成像法。

解答此题所需要的知识是初中物理的凸透镜成像公式。

例3：

在杨氏双缝干涉实验中，已知缝A和B的间距为d=3.3mm，狭缝到光屏的距离L=3.0m，单色光的波长=500nm。

（1）试计算两相邻亮条纹的间距△x。

（2）若在狭缝B后插入一厚度为10μm的两面平行的玻璃片，如图所示，试确定由此引起的条纹移动方向。

（3）若已知插入上述玻璃片后，光屏上条纹移动了4.73mm，试求此玻璃片的折射率。

【答案】：

见解析

【解析】：

（1）由双缝干涉实验条纹间隔公式可得两相邻亮纹的间距

（2）插入玻璃片后，由于玻璃片折射率大于空气，所以有B到M的光程增大，图中M点的条纹图样下移。

即由此引起的条纹移动方向向下。

（3）干涉条纹移动一级就相当于两缝到光屏的光程差变化了一个波长。

由

，可知干涉条纹图样下移10.5级，所以BM之间的光程增加了10.5

.

增加的光程为δ=（n-1）L=10.5λ.。

解得n=1.525.

例4．由于生态环境被破坏，地表土裸露，大片土地沙漠化，加上干旱少雨，

我国北方地区春天会出现扬尘天气甚至沙尘暴。

据环保部门测定，在北京地区出现严重沙尘暴时，最大风速可达到12m／s，同时由于大量微粒在空中悬浮，天空呈橙黄色，能见度只有50m左右。

（1）根据光的散射规律可知，当空中悬浮的微粒直径d与入射光的波长λ之比d／λ=0.1时，该波长的光散射最强。

在空气洁净时，主要是大气中的气体分子在散射日光，其中蓝光被散射得最强，所以天空呈蓝色。

发生沙尘暴时由于悬浮微粒对光的散射，使得天空呈橙黄色，已知橙黄色光波的平均波长为6.0×10-7m，请计算悬浮微粒的平均直径为多大。

（2）若某次沙尘暴使空气中悬浮微粒的最高浓度达到5.8x10-6kg／m3，已知单个悬浮微粒的密度为2.0×103k/m3，这时1.0cm3的空气约含多少颗悬浮微粒?

（3）在一般扬尘天气，风力发电机还可以正常工作。

已知风力发电机将空气的动能转化为电能的效率为20％，空气密度为1.29kg／m3，某风力发电机风车的有效受风面积为4.0m2，此风力发电机在风速为l0m／s时的输出电功率为多大?

【答案】：

见解析

【解析】：

因为

时，该波长的光散射最强，所以沙尘的平均直径

，

（4分）

沙尘暴天气是，

的扬尘空气中所含悬浮微粒的总体积为：

（1分）

每个悬浮微粒的平均体积为：

（2分）

的空气中所含悬浮微粒的数量为

（2分）

所以1.0cm3的空气中所含悬浮微粒的数量为

（1分）

（3）1s内吹到风车上的空气的体积为：

（2分）

这些空气具有的动能为：

（2分）

风力发电机的输出功率为：

（2分）

例5、