第十六章光的本性.docx

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第十六章光的本性

第十六章光的本性

考纲要求

1．光本性学说的发展简史Ⅰ

2．光的干涉现象，双缝干涉，薄膜干涉，双缝干涉的条纹间距与波长的关系Ⅰ

3．光的衍射Ⅰ

4．光的偏振现象Ⅰ

5．光谱和光谱分析，红外线、紫外线、X射线、γ射线以及综合应用，光的电磁本性，电磁波谱Ⅰ

6．光电效应，光子，爱因斯坦光电效应方程Ⅱ

7．光的波粒二象性，物质波Ⅰ

8．激光的特性及应用Ⅰ

知识网络：

单元切块：

本章以光的干涉、衍射现象为基础，学习光的波动性，以光电效应为基础，学习光的粒子性。

最后学习光的波粒二象性。

教学目标：

1．掌握光的干涉现象。

知道双缝干涉的条纹间距与波长的关系

2．知道光的衍射

3．了解光的偏振

4．了解光谱和光谱分析，知道红外线、紫外线、X射线、γ射线的产生机理及主要应用

5．掌握光电效应，光子，爱因斯坦光电效应方程，并能够应用这些知识解决有关问题

教学重点：

光的干涉、衍射、光电效应、光子、爱因斯坦光电效应方程

教学难点：

光电效应、光子、爱因斯坦光电效应方程的应用

教学方法：

讲练结合，计算机辅助教学

教学过程：

一、光的波动性

1．光的干涉

光的干涉的条件是有两个振动情况总是相同的波源，即相干波源。

（相干波源的频率必须相同）。

形成相干波源的方法有两种：

⑴利用激光（因为激光发出的是单色性极好的光）。

⑵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、利用楔形薄膜、利用空气膜、利用平面镜形成相干光源的示意图。

2．干涉区域内产生的亮、暗纹

⑴亮纹：

屏上某点到双缝的光程差等于波长的整数倍，即δ=nλ（n=0，1，2，……）

⑵暗纹：

屏上某点到双缝的光程差等于半波长的奇数倍，即δ=

（n=0，1，2，……）

相邻亮纹（暗纹）间的距离

。

用此公式可以测定单色光的波长。

用白光作双缝干涉实验时，由于白光内各种色光的波长不同，干涉条纹间距不同，所以屏的中央是白色亮纹，两边出现彩色条纹。

【例1】用绿光做双缝干涉实验，在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹，相邻两条绿条纹间的距离为Δx。

下列说法中正确的有

A.如果增大单缝到双缝间的距离，Δx将增大

B.如果增大双缝之间的距离，Δx将增大

C.如果增大双缝到光屏之间的距离，Δx将增大

D.如果减小双缝的每条缝的宽度，而不改变双缝间的距离，Δx将增大

解：

公式

中l表示双缝到屏的距离，d表示双缝之间的距离。

因此Δx与单缝到双缝间的距离无关，于缝本身的宽度也无关。

本题选C。

【例2】登山运动员在登雪山时要注意防止紫外线的过度照射，尤其是眼睛更不能长时间被紫外线照射，否则将会严重地损坏视力。

有人想利用薄膜干涉的原理设计一种能大大减小紫外线对眼睛的伤害的眼镜。

他选用的薄膜材料的折射率为n=1.5，所要消除的紫外线的频率为8.1×1014Hz，那么它设计的这种“增反膜”的厚度至少是多少？

解：

为了减少进入眼睛的紫外线，应该使入射光分别从该膜的前后两个表面反射形成的光叠加后加强，因此光程差应该是波长的整数倍，因此膜的厚度至少是紫外线在膜中波长的1/2。

紫外线在真空中的波长是λ=c/ν=3.7×10-7m，在膜中的波长是λ/=λ/n=2.47×10-7m，因此膜的厚度至少是1.2×10-7m。

3．衍射

注意关于衍射的表述一定要准确。

（区分能否发生衍射和能否发生明显衍射）

⑴各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射。

⑵发生明显衍射的条件是：

障碍物（或孔）的尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还小。

【例3】平行光通过小孔得到的衍射图样和泊松亮斑比较，下列说法中正确的有

A.在衍射图样的中心都是亮斑

B.泊松亮斑中心亮点周围的暗环较宽

C.小孔衍射的衍射图样的中心是暗斑，泊松亮斑图样的中心是亮斑

D.小孔衍射的衍射图样中亮、暗条纹间的间距是均匀的，泊松亮斑图样中亮、暗条纹间的间距是不均匀的

解：

从课本上的图片可以看出：

A、B选项是正确的，C、D选项是错误的。

4．光的电磁说

⑴麦克斯韦根据电磁波与光在真空中的传播速度相同，提出光在本质上是一种电磁波——这就是光的电磁说，赫兹用实验证明了光的电磁说的正确性。

⑵电磁波谱。

波长从大到小排列顺序为：

无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。

各种电磁波中，除可见光以外，相邻两个波段间都有重叠。

各种电磁波的产生机理分别是：

无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；伦琴射线是原子的内层电子受到激发后产生的；γ射线是原子核受到激发后产生的。

⑶各种电磁波的产生、特性及应用。

电磁波

产生机理

特性

应用

无线电波

LC电路中的周期性振荡

波动性强

无线技术

红外线

原子的最外层电子受激发后产生的

热作用显著，衍射性强

加热、高空摄影、红外遥感

可见光

引起视觉产生色彩效应

照明、摄影、光合作用

紫外线

化学、生理作用显著、能产生荧光效应

日光灯、医疗上杀菌消毒、治疗皮肤病、软骨病等

伦琴射线

原子的内层电子受激发后产生的

穿透本领很大

医疗透视、工业探伤

γ射线

原子核受激发后产生的

穿透本领最强

探伤；电离作用；对生物组织的物理、化学作用；医疗上杀菌消毒；

⑷实验证明：

物体辐射出的电磁波中辐射最强的波长λm和物体温度T之间满足关系λmT=b（b为常数）。

可见高温物体辐射出的电磁波频率较高。

在宇宙学中，可以根据接收到的恒星发出的光的频率，分析其表面温度。

【例4】为了转播火箭发射现场的实况，在发射场建立了发射台，用于发射广播电台和电视台两种信号。

其中广播电台用的电磁波波长为550m，电视台用的电磁波波长为0.566m。

为了不让发射场附近的小山挡住信号，需要在小山顶上建了一个转发站，用来转发_____信号，这是因为该信号的波长太______，不易发生明显衍射。

解：

电磁波的波长越长越容易发生明显衍射，波长越短衍射越不明显，表现出直线传播性。

这时就需要在山顶建转发站。

因此本题的转发站一定是转发电视信号的，因为其波长太短。

【例5】右图是伦琴射线管的结构示意图。

电源E给灯丝K加热，从而发射出热电子，热电子在K、A间的强电场作用下高速向对阴极A飞去。

电子流打到A极表面，激发出高频电磁波，这就是X射线。

下列说法中正确的有

A.P、Q间应接高压直流电，且Q接正极

B.P、Q间应接高压交流电

C.K、A间是高速电子流即阴极射线，从A发出的是X射线即一种高频电磁波

D.从A发出的X射线的频率和P、Q间的交流电的频率相同

解：

K、A间的电场方向应该始终是向左的，所以P、Q间应接高压直流电，且Q接正极。

从A发出的是X射线，其频率由光子能量大小决定。

若P、Q间电压为U，则X射线的频率最高可达Ue/h。

本题选AC。

5．光的偏振

⑴光的偏振也证明了光是一种波，而且是横波。

各种电磁波中电场E的方向、磁场B的方向和电磁波的传播方向之间，两两互相垂直。

⑵光波的感光作用和生理作用主要是由电场强度E引起的，因此将E的振动称为光振动。

⑶自然光。

太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫自然光。

⑷偏振光。

自然光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，叫偏振光。

自然光射到两种介质的界面上，如果光的入射方向合适，使反射和折射光之间的夹角恰好是90°，这时，反射光和折射光就都是偏振光，且它们的偏振方向互相垂直。

我们通常看到的绝大多数光都是偏振光。

【例6】有关偏振和偏振光的下列说法中正确的有

A.只有电磁波才能发生偏振，机械波不能发生偏振

B.只有横波能发生偏振，纵波不能发生偏振

C.自然界不存在偏振光，自然光只有通过偏振片才能变为偏振光

D.除了从光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光都是偏振光

解：

机械能中的横波能发生偏振。

自然光不一定非要通过偏振片才能变为偏振光。

本题应选BD。

二、光的粒子性

1．光电效应

⑴在光的照射下物体发射电子的现象叫光电效应。

（右图装置中，用弧光灯照射锌版，有电子从锌版表面飞出，使原来不带电的验电器带正电。

）光效应中发射出来的电子叫光电子。

⑵光电效应的规律。

①各种金属都存在极限频率ν0，只有ν≥ν0才能发生光电效应；②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入光的频率增大而增大；③当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入光的强度成正比；④瞬时性（光电子的产生不超过10-9s）。

⑶爱因斯坦的光子说。

光是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量E跟光的频率

成正比：

E=hν

⑷爱因斯坦光电效应方程：

Ek=h

-W（Ek是光电子的最大初动能；W是逸出功，即从金属表面直接飞出的光电子克服正电荷引力所做的功。

）

【例7】对爱因斯坦光电效应方程EK=hν-W，下面的理解正确的有

A.只要是用同种频率的光照射同一种金属，那么从金属中逸出的所有光电子都会具有同样的初动能EK

B.式中的W表示每个光电子从金属中飞出过程中克服金属中正电荷引力所做的功

C.逸出功W和极限频率ν0之间应满足关系式W=hν0

D.光电子的最大初动能和入射光的频率成正比

解：

爱因斯坦光电效应方程EK=hν-W中的W表示从金属表面直接中逸出的光电子克服金属中正电荷引力做的功，因此是所有逸出的光电子中克服引力做功的最小值。

对应的光电子的初动能是所有光电子中最大的。

其它光电子的初动能都小于这个值。

若入射光的频率恰好是极限频率，即刚好能有光电子逸出，可理解为逸出的光电子的最大初动能是0，因此有W=hν0。

由EK=hν-W可知EK和ν之间是一次函数关系，但不是成正比关系。

本题应选C。

2．康普顿效应

在研究电子对X射线的散射时发现：

有些散射波的波长比入射波的波长略大。

康普顿认为这是因为光子不仅有能量，也具有动量。

实验结果证明这个设想是正确的。

因此康普顿效应也证明了光具有粒子性。

三、光的波粒二象性

1．光的波粒二象性

干涉、衍射和偏振以无可辩驳的事实表明光是一种波；光电效应和康普顿效应又用无可辩驳的事实表明光是一种粒子；因此现代物理学认为：

光具有波粒二象性。

2．正确理解波粒二象性

波粒二象性中所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义。

波粒二象性中所说的粒子，是指其不连续性，是一份能量。

⑴个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性。

⑵ν高的光子容易表现出粒子性；ν低的光子容易表现出波动性。

⑶光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现为粒子性。

⑷由光子的能量E=hν，光子的动量

表示式也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾：

表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ。

由以上两式和波速公式c=λν还可以得出：

E=pc。

【例8】已知由激光器发出的一细束功率为P=0.15kW的激光束，竖直向上照射在一个固态铝球的下部，使其恰好能在空中悬浮。

已知铝的密度为ρ=2.7×103kg/m3，设激光束的光子全部被铝球吸收，求铝球的直径是多大？

（计算中可取π=3，g=10m/s2）

解：

设每个激光光子的能量为E，动量为p，时间t内射到铝球上的光子数为n，激光束对铝球的作用力为F，铝球的直径为d，则有：

光子能量和动量间关系是E=pc，铝球的重力和F平衡，因此F=ρgπd3，由以上各式解得d=0.33mm。

四、物质波（德布罗意波）

由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得出物质波（德布罗意波）的概念：

任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长λ=

。

【例9】试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长。

解：

估计一个中学生的质量m≈50kg，百米跑时速度v≈7m/s，则

m

由计算结果看出，宏观物体的物质波波长非常小，所以很难表现出其波动性。

【例10】为了观察到纳米级的微小结构，需要用到分辨率比光学显微镜更高的电子显微镜。

下列说法中正确的是

A.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光短，因此不容易发生明显衍射

B.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光长，因此不容易发生明显衍射

C.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光短，因此更容易发生明显衍射

D.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光长，因此更容易发生明显衍射

解：

为了观察纳米级的微小结构，用光学显微镜是不可能的。

因为可见光的波长数量级是10-7m，远大于纳米，会发生明显的衍射现象，因此不能精确聚焦。

如果用很高的电压使电子加速，使它具有很大的动量，其物质波的波长就会很短，衍射的影响就小多了。

因此本题应选A。

五、对本章重点与难点的补充解析

1．光的干涉现象的产生和观察

两列光波在空间相遇时，相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域始终减弱，形成稳定的强弱分布的现象叫做光的干涉．实验告诉我们，产生稳定干涉现象的条件是：

两列光波频率（波长）相同、相差恒定、振动方向相同时，两列波产生稳定的干涉图样．实验中，要想得到两列相干光源（即满足干涉条件：

频率（波长）相同、相差恒定、振动方向相同的光源），常采用的方法是从一列光波中“分出”一部分完全相同的光波．

干涉图样的特征是：

明暗相间的图样．产生干涉图样的具体方法有几种，但总的来说都是将一个光源的光分成两束．如图1所示的双缝干涉；图2所示菲涅耳双棱镜干涉；图3所示洛埃镜干涉；图4所示薄膜干涉；图5所示牛顿环干涉．

两列相干光波相遇的空间为干涉场，只有在干涉场中用屏才可以接收到干涉图样（在薄膜干涉中的薄膜同时又是屏）．

2．光的衍射现象的产生和观察

光遇到障碍物时，偏离直线传播而进入障碍物的几何阴影中，这种光绕过障碍物的绕射现象叫做光的衍射．产生明显的衍射现象需要：

障碍物或孔的线度（大小）与波长相差不多．由于光的波长较短，不足10-6m

（即1μm），所以一般情况下，很难看到光的衍射现象．

如图6所示，为单缝衍射实验现象．从图样上看，单缝衍射图样也是明暗相间的图样，但单缝衍射图样中央亮条纹较宽、较亮，两边条纹明暗相间逐渐变暗，即能量大部分集中在中央亮纹．在单缝衍射实验中，减小单缝的宽度，会看到中央亮纹宽度及明暗条纹间距增大，反之则减小．对光的“限制”越厉害，光在这个方向上展开的也越厉害．眯起眼睛或通过羽毛、沙巾会见到“光芒”现象，就是光的衍射现象．

3．光的“微粒说”与光的“波动说”

关于光的本性问题，物理学的发展过程中曾经有过激烈的争论．以牛顿为代表的“微粒说”认为：

光是从光源发出的一种物质微粒，它在均匀的介质中以一定的速度传播；以惠更斯为代表的“波动说”则认为：

光是从光源发出并在介质中传播的某种波．对光的本性的上述两种认识都能解释一些光现象，相比较而言，早期是“微粒说”占据明显的上风，究其原因可能除了牛顿的学术地位外，主要是由于牛顿的万有引力定律对光的折射现象的精妙解释．

当光以速度v从介质1射向介质2时，由于“光微粒”在介质1中所受到的分布均匀的“介质微粒”的引力合力为零，所以“光微粒”在介质1中将以速度v1做匀速直线运动；当“光微粒”运动到两种介质的界面附近时，两种介质的“介质微粒”对“光微粒”的引力在与介质界面平行的方向上平衡，以至使“光微粒”进入介质2后沿与介质界面平行方向上的分速度和进入介质2前的相应方向上的分速度大小相等；当“光微粒”运动到两种介质的界面附近时，两种介质的“介质微粒”对“光微粒”的引力在与介质界面垂直的方向上不平衡，考虑到光密介质2中的“介质微粒”对“光微粒”的引力更大些，所以可以判断“光微粒”进入介质2后沿与介质界面垂直方向上的分速度要比进入介质2前的相应方向上的分速度大；这样，“光微粒”在穿过两种介质界面时，传播的方向就将发生偏折．尽管一百多年后对光速的测量表明：

牛顿的上述解释实际上把光在光密介质中的速度大小和光在光疏介质中的速度大小的关系弄颠倒了，但在当时能把光的折射现象解释得如此精妙，确实不得不令人叹服．

4．对光的波动性的认识

1801年，英国物理学家托马斯-杨所做的“光的双缝干涉实验”充分表明光是一种波；而“光的偏振现象”又表明光是一种横波；光速的测定值与麦克斯韦电磁场理论中电磁波的理论波速的比较又启发人们提出“光波是一种电磁波”的假说；赫兹的实验证实了电磁波的存在，并测得电磁波的波速，使“光的电磁说”假设得到了确立．

六、针对练习

（一）光的干涉和衍射：

1．以下现象中

（1）属于光的干涉现象的是：

。

（2）属于光的衍射现象的是：

。

（3）属于光的色散现象的是：

。

A．雨后空中出现的彩虹

B．隔着手指缝隙看太阳光，出现的彩色条纹

C．肥皂泡上的彩色条纹

D．水面上的油膜呈现的彩色图样

E．隔着棱镜看白色物体，看到物体的边沿呈现各种彩色

F．用手指把两块平玻璃板紧紧捏在一起，会从玻璃板面上看到许多彩色打纹

2．有关光现象的应用技术，下列陈述中不正确的是（）

A．无影灯是应用光的衍射现象

B．增透膜是应用光的干涉现象

C．分光镜是应用光的色散现象

D．光导纤维是应用光的全反射现象

（二）电磁波谱：

3．电磁波有：

A．可见光B．红外线C．紫外线D．无线电波

E．γ射线F．伦琴射线

（1）按频率由小到大的顺序排列是：

。

（2）随着频率的升高，波动性越来越，而粒子性越来越（填“明显”或“不明显”）。

（3）可对物体进行加热的是，激发物质发光的是，可用来检查人体病变或骨折的是，能使种子发生变异培育新品种的是。

（三）光电效应：

4．用绿光照射一光电管，能产生光电流，现欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能增大，下列哪种措施是正确的（）

A．改用红光照射B．增大绿光的强度

C．增加光照时间D．改用紫光照射

（四）光的波粒二象性：

5．在自然界生态系统中，蛇与老鼠和其它生物通过营养关系构成食物链，，在维持生态平衡方面发挥重要作用。

蛇是老鼠的天敌，它是通过接收热辐射来发现老鼠的，假设老鼠的体温约37℃，它发出的最强的热辐射的波长为λm．根据热辐射理论，λm与辐射源的绝对温度Ｔ的关系近似为Tλm＝２.9×10－３ｍ·ｋ

（1）老鼠发出的最强的热辐射的波长为（）

A．7.8×10－5mB．9.4×10－6m

C．1.16×10－4mＤ．9.7×10－8m

（2）老鼠发出的最强的热辐射属于（）

A．可见光波段B．紫外线波段

C．红外线波段D．Ｘ射线波段

6．光电效应把光信号转变为电信号，动作非常迅速灵敏，因此，在科学中得到了广泛的应用，光电管就是适应这种需要而制成的。

下图是一个用光电管自动控制路灯的电路图。

（1）请在光电管的控制电路中标出电源的正负极。

（2）已知铯、钠、锌、银、铂等金属的极限

频率分别为4.545×1014、6.000×1014、

8.065×1014、1.153×1015、1.529×1015

（单位：

Hz），而可见光的频率范围是：

3.9～7.5（单位：

1014Hz），则选用上述

哪种金属作光电管阴极材料最好？

课后参考练习题

1．用不同的色光进行双缝干涉实验时，下列说法中正确的是（）

A．条纹的间距跟光波的波长成反比B．红光的条纹间距最大

C．紫光的条纹间距最大D．各种色光的条纹间距一样大

2．光在不同介质中的传播速度不同，但频率不变，一束红光从空气射入水中后，在水中还是红色的吗？

答：

。

请根据事实推断光的颜色是由下列哪个物理量决定的（）

A．波长B．频率C．介质D．波速

3．关于白光做双缝干涉实验时，中央出现的条纹（）

A．一定是暗条纹B．一定是白色亮纹

C．一定是彩色亮纹D．一定是红色亮纹

4．把肥皂液薄膜放在洒有氯化钠的酒精灯火焰前，可以在薄膜上看到火焰的反射像，此反射像上出现了明暗相间的条纹，其中明条纹呈（）

A．白色B．黄色C．红色D．蓝色

5．下列现象中属于光的干涉现象的是（）

A．油膜上的彩色花纹

B．旱晨草叶上的露珠在太阳光的照射下看起来特别明亮

C．雨后天空的彩虹

D．白光透过三棱镜后出现各种颜色的光

6．在不透明的圆板的阴影中心有一个亮斑，这是由于（）

A．光的干涉现象B．光的衍射现象

C．光的反射现象D．光的直线传播

7．下列说法中正确的是（）

A．光是一种电磁波是由麦克斯韦提出的

B．电磁波的存在是爱因斯坦用实验证实的

C．红外线最显著的作用是化学作用

D．紫外线最显著的作用是热作用

8．下列哪种电磁波是由原子核受到激发后产生的（）

A．紫外线B．伦琴射线能C．γ射线D．无线电波

9．一切物体都在不停的辐射（）

A．红外线B．紫外线C．Ｘ射线D．γ射线

10．下列哪种射线可用于对医院的病房和手术室进行消毒（）

A．红外线B．紫外线C．Ｘ射线D．γ射线

11．医学上用来透视人体内部病变和骨折等情况的是下列哪一种射线（）

A．红外线B．紫外线C．Ｘ射线D．γ射线

12．光子的能量是由下列哪个物理量决定的（）

A．光的波长B．光的频率C．光的传播速度D．介质的折射率

13．绿光能使某种金属产生光电效应，则下列哪些光也能使这种金属产生光电效应（）

①红光②黄光③蓝光④紫光

A．①②B．②④C．③④D．①④

14．用绿光照射一光电管，能产生光电流，欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能增大，下列哪种措施是正确的（）

Ａ．改用红光照射Ｂ．增大绿光的强度

Ｃ．增加光照时间Ｄ．改用紫光照射

15．下列说法中正确的是（）

A．单个光子的运动规律表现为粒子性

B．大量光子的运动规律表现为波动性

C．波长较长的无线电波，很容易表现出干涉，衍射现象

D．光既表现为粒子性又表现为波动性，即具有波粒二象性