人教版高中物理选修34第十三章第5讲.docx

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人教版高中物理选修34第十三章第5讲

高中物理学习材料

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第5讲　光的颜色　色散　激光

[目标定位]　1.知道白光是由多种色光组成的.2.能说明薄膜干涉条纹的特点，能解释薄膜干涉的成因.3.理解折射中的色散，了解各种色光特性的差别.4.了解激光的特性和应用．

一、光的颜色　色散

1．不同颜色的光，波长不同．白光是由各种色光组成的．

2．光的色散：

含有多种颜色的光被分解为单色光的现象．

3．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．

想一想　观察课本P67表1“各色光在真空中的波长和频率”，光由红到紫波长如何变化，频率如何变化？

光的颜色取决于什么？

答案　由红到紫波长逐渐变短，频率逐渐变大；光的颜色决定于频率．

二、薄膜干涉中的色散

　竖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，来自前后两个面的反射光的路程差不同，在某些位置，这两列波叠加后相互加强，出现亮条纹；在另一些位置，叠加后相互削弱，出现暗条纹．

想一想　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，被薄膜前、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花纹．

三、衍射中的色散

　用白光做衍射实验，得到的条纹是彩色的．这是因为白光中包含了各种颜色的光，衍射时不同色光的亮条纹的位置不同，于是各种色光就区分开了．

四、折射中的色散

1．光通过棱镜后将向它的横截面的底边方向偏折．

2．一束白光通过棱镜而被折射后，在屏上的光斑是彩色的，这说明光在折射过程中发生了色散．

3．透明物质对于波长λ不同的光的折射率n不一样，λ越小，n越大．

4．在同一种物质中，不同波长的光波的传播速度不一样，波长越短，波速越慢．

五、激光

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

一、对薄膜干涉的理解

1．现象：

光照到薄膜上，从膜的前表面和后表面反射回来的光再次相遇而产生的干涉现象．两反射光的光程差等于膜厚度的2倍．

2．图样：

以光照射肥皂泡为例，如果是单色光照射肥皂泡，肥皂泡上就会出现明暗相间的条纹或区域；如果是白光照射肥皂泡，液膜上就会出现彩色条纹，且每一条纹呈水平分布．

3．应用：

用干涉法检查平面的平整程度；光学镜头上的增透膜．

例1

　如图13－5－1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图中的（　　）

图13－5－1

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光波会加强，所以干涉条纹应是水平的．

答案　D

借题发挥　在光的薄膜干涉中，前、后表面反射光的路程差由膜的厚度决定，所以薄膜干涉中同一亮条纹或同一暗条纹应出现在厚度相同的地方，因此又叫等厚干涉，由于光波波长极短，因此做薄膜干涉所用的介质膜应足够薄，才能观察到干涉条纹．

例2

　关于薄膜干涉，下列说法中正确的是（　　）

A．只有厚度均匀的薄膜，才会发生干涉现象

B．只有厚度不均匀的楔形薄膜，才会发生干涉现象

C．厚度均匀的薄膜会形成干涉条纹

D．观察肥皂液膜的干涉现象时，观察者应和光源在液膜的同一侧

解析　当光从薄膜的一侧照射到薄膜上时，只要前后两个面反射回来的光波的路程差满足振动加强的条件，就会出现明条纹，满足振动减弱的条件就会出现暗条纹．这种情况在薄膜厚度不均匀时才会出现；当薄膜厚度均匀时，不会出现干涉条纹，但也发生干涉现象，如果是单色光照射，若满足振动加强的条件，整个薄膜前方都是亮的，否则整个薄膜的前方都是暗的；如果是复色光照射，某些颜色的光因干涉而减弱，另一些颜色的光会因干涉而加强，减弱的光透过薄膜，加强的光被反射回来，这时会看到薄膜的颜色呈某种单色光的颜色，但不形成干涉条纹．

答案　D

二、光在棱镜中的色散

1．棱镜对光的传播方向的改变遵循光的折射定律．

如图13－5－2所示中的θ为光的偏向角，光的偏向角越大，表示棱镜对光的偏折程度越大．

图13－5－2

2．光的颜色由光源的频率决定，与介质无关，与波长无关，波速由介质和光的频率共同决定．

3．白光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种色光组成，七种色光的特性差异可以用下表表示出来.

各种色光

红橙黄绿蓝靛紫

频率

小→大

波长

长→短

折射率

小→大

波速（介质中）

大→小

双缝干涉时所产生的条纹间距

大→小

薄膜干涉时所产生的条纹间距

大→小

经三棱镜折射时偏向角大小

小→大

例3

　如图13－5－3所示，从点光源S发出的一细束白光以一定的角度入射到三棱镜的表面，经过三棱镜的折射后发生色散现象，在光屏的ab间形成一条彩色光带．下面的说法中正确的是（　　）

图13－5－3

A．a侧是红色光，b侧是紫色光

B．在真空中a侧光的波长小于b侧光的波长

C．三棱镜对a侧光的折射率小于对b侧光的折射率

D．在三棱镜中a侧光的传播速度大于b侧光的传播速度

解析　由于玻璃对各色光的折射率不同，导致色散的形成，玻璃对紫光的折射率最大，对红光的折射率最小，据n＝可知a侧为紫光，b侧为红光，在真空中，红光的波长大于紫光的波长，由n＝可以求出，在三棱镜中，红光的传播速度大于紫光的传播速度．

答案　B

三、激光的应用

1．利用激光通过光导纤维实现通信（利用相干性，便于调制）．

2．激光雷达测距、测速（平行度好，结合多普勒效应）．

3．DVD、CD唱机、电脑光驱（平行度好）．

4．医学上的“激光刀”、激光雕刻、激光切割、激光焊接、受控核聚变（能量集中及高能量）．

例4

　下列说法正确的是（　　）

A．激光可用于测距

B．激光能量十分集中，只可用于加工金属材料

C．外科研制的“激光刀”可以有效地减少细菌的感染

D．激光可用于全息照相，有独特的特点

解析　激光平行度好，即使在传播了很远的距离之后，它仍保持一定的强度，此特点可用于激光测距，选项A正确；激光的亮度高，能量十分集中，可用于金属加工、激光医疗、激光美容、激光武器等，选项B错误；激光具有很高的相干性，可用于全息照相，由于它记录了光的相位信息，所以看起来跟真的一样，立体感较强，选项D正确；由于激光亮度高、能量大，在切割皮肤的同时，也能杀灭细菌，所以选项C正确．

答案　ACD

薄膜干涉

1．如图13－5－4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13－5－4

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是正确的．

答案　C

2.用如图13－5－5所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象．图（a）是点燃的酒精灯（在灯芯上洒些盐），图（b）是竖立的附着一层肥皂液薄膜的金属丝圈．将金属丝圈在其所在的竖直平面内缓慢旋转，观察到的现象是（　　）

图13－5－5

A．当金属丝圈旋转30°时干涉条纹同方向旋转30°

B．当金属丝圈旋转45°时干涉条纹同方向旋转90°

C．当金属丝圈旋转60°时干涉条纹同方向旋转30°

D．干涉条纹保持原来状态不变

解析　金属丝圈的转动，改变不了肥皂液膜的上薄下厚的形状，由干涉原理可知干涉条纹与金属丝圈在该竖直

平面内的转动无关，仍然是水平的干涉条纹，A、B、C错误，D正确．

答案　D

折射中的色散

3．（2013·福建卷）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C、D选项错误；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A选项错误；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B选项正确．

答案　B

激光的应用

4．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．故本题的正确答案是C.

答案　C

题组一　薄膜干涉中的色散

1．下列现象中可以用薄膜干涉来解释的是（　　）

A．雨后的彩虹

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　雨后的彩虹是三棱镜色散现象，故选项A错误；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；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．

答案　B

2．如图13－5－6所示，一束白光从左侧射入肥皂薄膜，下列说法中正确的是

（　　）

图13－5－6

A．人从右侧向左看，可以看到彩色条纹

B．人从左侧向右看，可以看到彩色条纹

C．彩色条纹水平排列

D．彩色条纹竖直排列

解析　一束白光射到薄膜上，经前后两个面反射回来的光相遇，产生干涉现象，从左侧向右看可看到彩色条纹，又由于薄膜同一水平线上的厚度相同，所以彩色条纹是水平排列的，故正确答案为BC.

答案　BC

3.把一平行玻璃板压在另一个平行玻璃板上，一端用薄片垫起，构成空气劈尖，让单色光从上方射入，如图13－5－7所示，这时可以看到亮暗相间的条纹，下面关于条纹的说法中正确的是（　　）

图13－5－7

A．干涉条纹的产生是由于光在空气劈尖膜的上下两表面反射形成的两列光波叠加的结果

B．干涉条纹中的暗纹是由于上述两列反射光的波谷与波谷叠加的结果

C．将上玻璃板平行上移，条纹向着劈尖移动

D．观察薄膜干涉条纹时，应在入射光的另一侧

解析　根据薄膜干涉的产生原理，上述现象是由空气膜上下表面反射的两列光叠加而成的，当波峰与波峰、波谷与波谷相遇叠加时，振动加强，形成亮条纹，所以A项正确，B项错误；因相干光是反射光，故观察薄膜干涉时，应在入射光的同一侧，故D项错误；根据条纹的位置与空气膜的厚度是对应的，当上玻璃板平行上移时，同一厚度的空气膜向劈尖移动，故条纹向着劈尖移动，故C项正确．

答案　AC

4．利用光的干涉现象可高精度地检查物体表面的平整程度．如果表面是平的，干涉条纹互相平行，如果表面有凸出与凹下，则在凸出与凹下处的干涉条纹会扭曲，图中所示干涉条纹中与实际相符的是（　　）

解析　薄膜干涉是等厚干涉，即明条纹处空气膜的厚度相同．从弯曲的条纹可知，检查平面左边处的空气膜厚度与后面的空气膜厚度相同，知该处凹陷，B正确；检查平面右边处的空气膜厚度与前面的空气膜厚度相同，知该处凸出，C正确；故选BC.

答案　BC

5.一个半径较大的透明玻璃球体，截去其下面的一部分，然后将这一部分放到标准的水平面上，现让单色光竖直射向截面，如图13－5－8所示，在反射光中看到的是（　　）

图13－5－8

A．平行的明暗相间的直干涉条纹

B．环形的明暗相间的干涉条纹

C．只能看到同颜色的平行反射光

D．一片黑暗

解析　这是薄膜干涉模型，由于以接触点为圆心的同一圆周上，光通过空气楔的光程差是相同的，故干涉条纹是环形的．

答案　B

题组二　折射中的色散

6．白光通过三棱镜发生色散现象，下列说法正确的是（　　）

A．白光是由不同频率的光组成的

B．棱镜材料对各种色光的折射率不同

C．棱镜对红光的折射率大，对紫光的折射率小

D．出现色散现象是棱镜改变了颜色

解析　从红光到紫光，频率越来越大，折射率也越来越大，A、B正确．

答案　AB

7．对于红、黄、绿、蓝四种单色光，下列表述正确的是（　　）

A．在相同介质中，绿光的折射率最大

B．红光的频率最高

C．在相同介质中，蓝光的波长最短

D．同一双缝干涉实验装置，红光所产生的条纹间距最小

解析　在红、黄、绿、蓝四种单色光中，蓝光的折射率最大，频率最高，波长最短，A、B错误；由Δx＝λ知，D错误．

答案　C

8．一束复色光由空气射向一块平行平面玻璃砖，经折射分成两束单色光a、b.已知a光的频率小于b光的频率．下面的几个图中哪个光路图可能是正确的

（　　）

解析　由于a光的频率小于b光的频率，可知a光的折射率小于b光的折射率．在上表面a、b两束单色光的入射角相同，由折射定律可判断出a光的折射角大于b光的折射角．在下表面光线由玻璃射向空气，光线折射率应为折射角正弦比入射角正弦，故下表面的折射角应与上表面的入射角相同，即通过玻璃砖后的出射光线应与原入射光线平行．

答案　B

9．如图13－5－9所示，一束白光从顶角为θ的棱镜的一个侧面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，当入射角逐渐减小到零的过程中，若屏上的彩色光带先后全部消失，则（　　）

图13－5－9

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　该题考查色散和全反射问题．依题意作出白光通过三棱镜的光路，如右图所示．可看出紫光的偏折最大，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面上发生全反射而从光屏上消失，后面依次是靛、蓝、绿、黄、橙、红，选项B正确．

答案　B

10.如图13－5－10所示，在水中有一厚度不计的薄玻璃片做成的中空三棱镜，里面是空气，一束光A从棱镜的左边射入，从三棱镜的右边射出时发生色散，射出的可见光分布在a点和b点之间，则（　　）

图13－5－10

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点射出的都是紫光，从ab中点射出的是红光

D．从a点和b点射出的都是红光，从ab中点射出的是紫光

解析　由红光的折射率小于紫光的折射率知，紫光偏离原来方向比红光严重，并且向顶端偏折，光路图如右图所示，所以从a点射出的是紫光，从b点射出的是红光，选项B正确．

答案　B

题组三　激光及应用

11．对于激光的认识，以下说法正确的是（　　）

A．普通光源发出的光都是激光

B．激光是自然界普遍存在的一种光

C．激光是一种人工产生的相干光

D．激光已深入到我们生活的各个方面

解析　激光是人工产生的相干光，并不能由普通光源发出，激光在我们日常生活中有着重要的应用．

答案　CD

12．让激光照到VCD机、CD机或计算机的光盘上，就可以读出盘上记录的信息，经过处理后还原成声音或图象，这是利用激光的（　　）

A．平行度好，可以会聚到很小的一点上

B．相干性好，可以很容易形成干涉图样

C．亮度高，可以在很短时间内集中很大的能量

D．波长长，很容易发生明显的衍射现象

解析　激光的特点之一是方向性好，它可以会聚到一个很小的点上，DVD、VCD、CD唱机或电脑上的光驱及刻录设备就利用了激光的这一特点，选项A正确，B、C、D错误．

答案　A

13．将激光束的宽度聚焦到纳米级（10－9m）范围内，可修复人体已损坏的器官，对DNA分子进行超微型基因修复，把至今尚令人无奈的癌症、遗传疾病等彻底根除，这是应用了激光的（　　）

A．平行性好的特性B．单色性好的特性

C．亮度高的特性D．粒子性好的特性

解析　激光的特性之一是强度大，亮度高，医学上用的激光刀就是其应用．

答案　AC