著名机构高二物理寒假班讲义第3讲物理光学

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1、第3讲 物理光学上节课中我们学习了电磁波的知识，光也是一种电磁波，因此，这节课我们首先总结光的电磁理论，然后研究光的衍射、干涉、偏振等现象。3.1 光的电磁理论知识点睛1光是一种电磁波 光具有波的特性，在同一介质中光速、波长和频率之间满足：。（请注意分清和这两个易混的字母） 在可见光中，各色光频率的大小关系是：。2介质对光速的影响 光在真空中的速度：。真空中各色光波长的大小关系是怎样的呢？ 光在不同的介质中的速度由可知，介质的折射率越大，光速越小。 不同色光在同一介质中的速度由三棱镜光的色散实验可知，同一介质对紫光的折射率最大，红光的最小。再由得到，在同一介质中有：。例题精讲例题说明：例1直接

2、考察光的电磁理论，难度不大；例2与全反射结合，稍有综合；例3综合的知识比较多，由于本讲知识性的内容较多，老师可以根据课程进度，选讲例3【例1】对于红、黄、绿、蓝四种单色光，下列说法正确的是A红光的频率最高B相同介质中，黄光的速度最大C相同介质中，绿光的折射率最大D相同介质中，蓝光的波长最短【答案】 D【例2】为玻璃等腰三棱镜的横截面。、两束可见单色光从空气垂直射入棱镜底面，在棱镜侧面、上光线的传播情况如图所示，由此可知A可能是紫光，可能是红光B棱镜内光的传播速度比光的小C光的频率比光的高D光的波长比光的长【答案】 D（本题老师可以根据课程进度选讲）【例3】在一次讨论中，老师问道：假如水中相同深

3、度处有、三种不同颜色的单色点光源，有人在水面上方同等条件下观测发现，在水下的像最深，照亮水面的面积比的大。关于这三种光在水中的性质，同学们能做出什么判断？有同学回答如下：光的频率最大光的传播速度最小光的折射率最大光的波长比光的短根据老师的假定，以上回答正确的是A B C D【答案】 C3.2 光的衍射我们知道波能够绕过障碍物发生衍射。既然光也是一种波，为什么在生活中我们观察不到光的衍射，而常常说“光沿直线传播”呢？知识点睛在挡板上安装一个宽度可调的狭缝，缝后放一个光屏。用单色平行光照射狭缝，我们看到，当缝比较宽时，光沿着直线通过狭缝，在屏上产生一条与缝宽相当的亮条纹。但是，当缝调到很窄时，尽管

4、亮条纹的亮度有所降低，但是宽度反而增大了。这表明，光没有沿直线传播，而是绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方，这就是光的衍射现象。1衍射现象光偏离直线传播绕过障碍物进入阴影区域里的现象，叫做衍射。2产生明显衍射的条件障碍物或孔（缝）的尺寸与波长相差不多或更小。3几种衍射图样 单缝衍射：中央条纹最宽最亮，两侧对称分布不等间距的明暗相间条纹。 圆孔衍射：中央亮圆亮度大，外围是明暗相间的圆环。 正方形小孔衍射单缝衍射的条纹比较宽，而且距离中央亮条纹较远的条纹，亮度也很低。实验表明，如果增加狭缝的个数，衍射条纹的宽度将变窄，亮度将增加。光学仪器中用的衍射光栅就是据此制成。有关光栅衍射的内容，有兴趣的同

5、学可以查阅相关资料进一步了解。例题精讲例题说明：由于单独考察衍射的题目很少，一般都是与干涉对比或结合，因此这部分只放两道简单题，在后面干涉部分的题目中，还会涉及到衍射的知识。【例4】在一个亮着的小电珠和光屏之间，放一个带圆孔的遮光板，在圆孔直径从逐渐变小到闭合的整个过程中，在屏上我们将依次看到a完全黑暗 b小孔成像 c衍射图样 d圆形亮斑正确顺序是：Aabcd Bdbca Cbdca Dcdba【答案】 B【例5】声音能绕过一般建筑物而光却不能，这是因为A声音的传播是波动，光的传播沿直线B光的传播速度太大，有限距离内偏离直线不明显C建筑物对声音吸收少，对光吸收多D相对一般建筑物来说，光的波长极

6、短，衍射现象不明显【答案】 D3.3 光的干涉知识点睛如果光真的是一种波，两束光在一定的条件下应该发生干涉。1801年，英国物理学家托马斯杨成功地观察到了光的干涉现象。1杨氏干涉实验 实验装置介绍如图所示，挡板上有两个狭缝、，平行激光束垂直于挡板照射到两小孔上，我们在挡板后的屏上观察实验现象。屏上的干涉现象 实验原理如上图，我们取点为研究对象。点是线段的中点，点是屏上的点，且。设两缝之间的距离为，挡板与屏之间的距离为，、之间的距离为，、之间的距离为，、之间的距离为。找路程差在线段上作，于是。数学处理由于，所以能够认为三角形是直角三角形。由三角函数的关系得，。另一方面，。消去，有。结果分析当，即

7、时，点为亮条纹。其中当，即时，点为暗条纹。其中2光的干涉现象振动方向一致的两束光，若频率相同、相位差恒定，那么在它们相遇的区域会出现稳定的明暗相间的条纹，这种现象叫做光的干涉。为什么同时打开两盏灯时，观察不到干涉现象呢？答案：因为两盏灯发出的光不是相干光。3条纹特点由上式不难看出，要增大两相邻亮条纹之间的距离，我们可采取以下措施：增大双缝挡板与屏之间的距离增大入射激光的波长减小双缝之间的距离两个相邻的亮条纹或暗条纹中心之间的距离是：。通过此实验，我们可以测出激光的波长，。 若用白光代替单色光做此实验，在中央亮白条纹的边缘处会出现彩色条纹。白光的双缝干涉条纹例题精讲例题说明：例6考察对实际生活现

8、象的分析，贴近实际，难度不大；例7考察双缝干涉的条件；例8考察产生明暗条纹的光程关系，需要简单计算；例9考察条纹间距公式；例10综合干涉、衍射的内容，需要学生明确干涉与衍射条纹的区别。【例6】下面哪些属于光的干涉现象：A雨后美丽的彩虹B对着日光灯从两铅笔的缝中看到的彩色条纹C光通过三棱镜产生的彩色条纹D阳光下肥皂膜上的彩色条纹【答案】 D【例7】在杨氏双缝干涉实验中，如果A用红光作为光源，屏上将出现红黑相间的条纹B用白光作为光源，屏上将出现白黑相间的条纹C用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上将出现彩色条纹D用红光作为光源，遮住其中一条狭缝，屏上将出现间距不等的条纹【答案】 AD【例8

9、】双缝干涉实验中，两缝到光屏上某点的距离之差，若分别用频率和的两单色光垂直照射双缝，则在点出现条纹的情况是A用频率为的单色光照射时，出现亮条纹B用频率为的单色光照射时，出现亮条纹C用频率为的单色光照射时，出现暗条纹D用频率为的单色光照射时，出现暗条纹【解析】 两种单色光的波长分别为：，。因为，所以。故用频率为的光照射双缝时，点出现明条纹；用频率为的光照射双缝时，点出现暗条纹。【答案】 AD【例9】双缝干涉实验中，用黄色光照射双缝，在光屏上得到了干涉图样。若要使得相邻两条纹间的距离变大，我们可以A使光源发出的光更强一些B使光屏向双缝靠拢一些C将黄光换作红光D将黄光换作绿光【答案】 C【例10】红

10、光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪以及黄光、紫光各自通过同一个单缝衍射仪，在光屏上形成的条纹如下图所示，其中黑色部分表示亮条纹。这四幅图从左向右排列，亮条纹的颜色依次是A红黄蓝紫 B红紫蓝黄 C蓝紫红黄 D蓝黄红紫【答案】 B3.4 光的偏振知识点睛光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，但还不能说明光究竟是横波还是纵波。接下来我们讨论光的偏振现象，说明光是横波。在纵波中，各点的振动方向总与波的传播方向在同一直线上；在横波中，各点的振动方向总与波的传播方向垂直。不同的横波，振动方向可能不同。假如让绳上的横波穿过一块带有狭缝的木板，先后将狭缝与振动方向平行放置及与振动方向垂直放置。可以想象，对于甲图的

11、情形，绳上的横波能够穿过狭缝，而对于乙图的情形则不能。如果是在一条弹簧上传播的纵波，无论狭缝的取向如何，波都能穿过。下面利用“偏振片”代替图中带有狭缝的木板，来做光学实验。偏振片由特定的材料制成，每个偏振片都有一个特定的方向，只有沿着这个方向的振动的光波才能顺利通过偏振片，这个方向叫做“透振方向”。偏振片对光波的作用就像狭缝对于机械波的作用一样。如图甲所示，让阳光或灯光通过偏振片，在的另一侧观察透射光的强度。在偏振片的后面再放置另一个偏振片，以光的传播方向为轴旋转偏振片，再观察通过两块偏振片的透射光的强度。1光的偏振阳光或灯光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，这种

12、现象叫做光的偏振。偏振现象说明光是一种横波2自然光、偏振光太阳、电灯等普通光源发出的光，包含有垂直于传播方向上沿各个方向振动的光，而且沿各个方向振动的光的强度都相同，这种光叫自然光。自然光经过偏振片后的光，叫做偏振光。光的偏振现象有很多应用。例如，摄影师在拍摄池中的鱼，玻璃橱窗里的陈列物时，由于水面和玻璃表面的反射光的干扰，影像会不清楚。如果在照相机镜头前装一偏振滤光片，让它的透振方向与水面和玻璃表面的反射光的偏振方向垂直，就可以减弱反射光而使水下和玻璃后的影像清晰。电子表的液晶显示、立体电影也都利用了偏振光的原理。有兴趣的同学可以了解一下相关原理。例题精讲例题说明：偏振现象在高考中考察较少，

13、因此这里这放了两道比较简单的题，老师重点在于讲清知识。【例11】在垂直于太阳光的传播方向上依次放置两个偏振片和，在的后边放上光屏，下列说法正确的是A不动，旋转偏振片，屏上光的亮度不变B不动，旋转偏振片，屏上光的亮度时强时弱C不动，旋转偏振片，屏上光的亮度不变D不动，旋转偏振片，屏上光的亮度时强时弱【解析】 是起偏器，它的作用是把太阳光（自然光）转为偏振光，该偏振光的振动方向与的透振方向一致，所以当与的透振方向平行时，通过的光强最大；当与的透振方向垂直时，通过的光强最小，即无论旋转或，屏上的光强都是时强时弱的。【答案】 BD【例12】如图是一偏振片，的透振方向（用带有箭头的实线表示）为竖直方向。

14、下列四种入射光束中，哪几种照射时能在的另一侧观察到透射光A太阳光B沿竖直方向振动的光C沿水平方向振动的光D沿与竖直方向成角振动的光【答案】 ABD光究竟是什么？历史上存在微粒说和波动说两种理论。但是从19世纪初开始，托马斯杨、菲涅尔、马吕斯等分别观察到了光的干涉、衍射和偏振现象，这等于对微粒说宣判了死刑。19世纪60年代和80年代，麦克斯韦和赫兹先后从理论上和实验上确认了光的电磁波本质，光的波动理论似乎已经完美了。然而，人类对光的不断研究发现了一些新现象，光的粒子性被重新提出。下面我们来研究这些现象。3.5 光的粒子性知识点睛1光电效应如图所示，把一块锌板连接在验电器上，手触锌板使验电器指示归

15、零。用紫外线照射锌板，发现验电器的指针张开。物理学家赫兹（德国）、勒纳德（德国）、汤姆孙（英国）等相继进行了实验研究，证实了这样一个现象：照射到金属表面的光，能使金属表面的电子从表面逸出。这个现象称为光电效应，这种电子常被称为光电子。 光电效应实验规律 任何一种金属，都有一个截止频率，也称极限频率。入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。不同金属的截止频率不同。 逸出光电子的动能只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。入射光的频率越大，逸出光电子的动能就越大。使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功。不同金属的逸出功不同。 对于一定颜色的光（），入射光越强，单位时间内发射的

16、光电子数越多。 无论入射光（）怎样微弱，光电效应几乎是瞬时发生的。 光电效应与经典电磁理论的冲突 按照光的电磁理论，光是电磁波，是变化的电场与变化的磁场的传播。入射光照射到金属上时，金属中的自由电子受变化电场的驱动力作用而做受迫振动，增大入射光的强度，光波的振幅增大，当电子做受迫振动的振幅足够大时，总可以挣脱金属束缚而逸出，成为光电子，不应存在极限频率。 按照光的电磁理论，光越强，光子的初动能应该越大。 按照光的电磁理论，光电子的产生需要较长的时间而不是瞬间。光的电磁理论只能部分地解释光电效应，众多的疑难呼唤着新的观念、新的思想、新的理论。为此爱因斯坦于年提出了光子说。 光子说 在空间传播的光

17、不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量与光的频率成正比，即，其中普朗克常量。 光子说对光电效应的解释：(a) 光子的能量只与光的频率有关，电子吸收到光子的频率越大，获得的能量也就越多。当能量足以使电子摆脱金属的束缚时，它就从金属表面逸出，成为光电子，因而存在一个截止频率。(b) 根据能量守恒定律，逸出光电子的最大初动能：。这就是著名的爱因斯坦光电效应方程，为金属的逸出功。(c) 入射光越强，单位体积内的光子数就越多。光子数越多，单位时间内从金属表面逸出的光电子数也就越多。(d) 电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，因此光电效应几乎是瞬时发生的。爱因斯坦由于发

18、现了光电效应的规律而获得1921年的诺贝尔物理学奖。光像其它粒子一样，也具有能量。光电效应显示了光的粒子性。2康普顿效应 光的散射光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。 康普顿效应19181922年，美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长相同的成分外，还有波长大于的成分，这个现象叫做康普顿效应。康普顿的学生，中国留学生吴有训测试了多种物质对X射线的散射，证实了康普顿效应的普遍性。 康普顿效应与经典电磁理论的冲突按照经典电磁理论，由于光是电磁振动的传播，入射光引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒从入射光吸

19、收能量，并向四周辐射，这就是散射光。散射光的频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射光的频率，因而散射光的波长与入射光的波长应该相同，不会出现的散射光。经典理论与实验事实又一次出现矛盾。 光子模型对康普顿效应的解释康普顿用光子的模型成功地解释了这种效应。基本思想是：X射线的光子不仅具有能量，也像其他粒子那样具有动量，X射线的光子与晶体中的电子碰撞时要遵守能量守恒和动量守恒定律，求解这些方程，可以得出散射光波长的变化值。理论结果与实验符合得很好。康普顿效应表明光子除了具有能量之外还有动量。深入地揭示了光的粒子性的一面。 光子的动量：例题精讲例题说明：由于光电效应在高考中相对考察较多，康普顿

20、效应极少涉及，因此这部分只放了光电效应的例题，学案4中涉及了康普顿效应。例13、例14考察光电效应的实验规律；例15、例16考察光电效应的解释；例17考察光子说的简单计算；例18综合色散、光电效应的内容进行考察。【例13】如图所示，用导线将验电器与锌板连接，触摸锌板使验电器指示归零。用紫外线照射锌板，验电器指针发生明显偏转，接着用毛皮摩擦过的橡胶棒靠近锌板，发现验电器指针张角减小，此现象说明锌板带了_（选填“正”或“负”）电；若改用红外线重复以上实验，发现验电器指针不会发生偏转，说明金属锌的截止频率_（选填“大于”或“小于”）红外线的频率。【答案】 正，大于【例14】关于光电效应的实验规律，下

21、列说法正确的是A无论入射光多强，只要光的频率小于截止频率就不能产生光电效应B无论光的频率多低，只要光照时间足够长就能产生光电效应C超过截止频率的入射光越强，产生光电子的最大初动能就越大D超过截止频率的入射光频率越高，产生光电子的最大初动能就越大【答案】 AD【例15】对光电效应的解释，正确的是A金属内的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能逸出金属表面B如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力逸出时需要做的最小功，光电效应便不能发生了C发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大D由于不同的金属的逸出功是不相同的，因此使不同金属

22、产生光电效应的入射光的最低频率也不相同【答案】 BD【例16】用某种频率的紫外线分别照射铯、锌、铂三种金属，从铯中发射出光电子的最大初动能是，从锌中发射出光电子的最大初动能是，铂没有光电子射出。则在这三种金属中，逸出功最大的是_，最小的是_。【答案】 铂，铯【例17】一单色光在某种介质中的波长是，传播速度是，则此单色光在真空中的波长为_，频率为_，每个光子的能量为_。【答案】 ，【例18】已知可见光束由、三种单色光组成，经检测发现、两种色光的频率都大于色光，又发现色光能使某金属发生光电效应而色光不能，那么光束通过三棱镜后的情况应是A B C D【答案】 A3.6 波粒二象性知识点睛1光的波粒二

23、象性光的干涉、衍射、偏振现象和光的电磁理论，证明光具有波动性；光电效应现象和光子说证明光具有粒子性。无法用其中的一种性质解释所有光现象，所以认定光既有粒子性，又有波动性，即具有波粒二象性。当研究个别光子的行为时，呈现的是粒子性；当研究大量光子的连续行为时，呈现的是波动性。光的波长越长，其波动性越显著，光的波长越短，其粒子性越显著。2粒子的波动性德布罗意考虑到普朗克量子理论和爱因斯坦光子理论的成功，大胆把光的波粒二象性推广到实物粒子，如电子、质子等。他提出假设：实物粒子也具有波动性。这种与实物粒子相联系的波后来称为德布罗意波，也叫做物质波。1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验

24、，证实了电子的波动性。说明：这部分内容深入讲解的话涉及量子力学的知识，高考也极少考察，因此老师根据课堂实际情况简单说明即可。例题精讲【例19】关于光的波粒二象性的说法中，正确的是A有的光是波，有的光是粒子B光子与电子是同样一种粒子C光在本质上是一种频率很高的电磁波 D光的波长越长，其波动性越显著，波长越短，其粒子性越显著 【答案】 CD【例20】用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图(a)、(b)、(c)所示的图象，则A图象(a)表明光具有粒子性B图象(c)表明光具有波动性C用紫外光观察不到类似的图象D用射线可以观察到类似的图象【答案】 ABD*补充2道题，老师可以酌情【演练1】抽制细丝时可用激光监控其粗细，如图所示，激光束通过细丝时产生的条纹和它通过遮光板上的一条同样宽度的窄缝规律相同，则以下说法中正确的是这是利用光的干涉现象这是利用光的衍射现象如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝粗了如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝细了A BC D【答案】 B【演练2】一束黄光照射某金属表面时，不能产生光电效应，则下列措施中可能使该金属产生光电效应的是：A延长光照时间 B增大该光束的强度C换用红光照射 D换用紫光照射【答案】 D*41第四级（上）提高-尖子-目标第3讲教师版