高中物理 第十三章 7 光的顏色色散教材梳理教案 新人教版選修3-41

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光的顏色 色散 知識巧學(xué) 一、光的顏色 1.光的顏色 光的頻率決定光的顏色；不同顏色的光波長不同，在真空中λ=. 誤區(qū)警示 光的顏色由光的頻率決定，不要認(rèn)為光的顏色由光的波長決定，這是因?yàn)橥环N光在不同的介質(zhì)里傳播時，頻率始終不變，但是波長卻不一樣. 2.光的色散 含有多種顏色的光被分解為單色光的現(xiàn)象叫光的色散. 3.光譜的定義 含有多種顏色的光被分解后，各色光按其波長的有序排列就叫光譜. 深化升華 紅到紫七色光中波長依次減小;紅到紫七色光中頻率依次增大. 二、薄膜干涉中的色散 1.薄膜干涉的成因 如圖13-4-1所示，豎直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用使下面厚、上面薄，因此在薄膜上不同的地方，從膜的前、后表面反射的兩列光波疊加，若兩列波疊加后互相加強(qiáng)，則出現(xiàn)亮紋；在另一些地方，疊加后互相減弱，則出現(xiàn)暗紋，故在單色光照射下，就出現(xiàn)了明暗相間的干涉條紋；若在白光照射下，則出現(xiàn)彩色干涉條紋. 圖13-4-1 深化升華 (1)觀察的是從膜前、后兩表面反射回來的光，不是透過膜的光，眼睛與光源在膜的同一側(cè).(2)用單色光和白光分別照射同一膜，觀察到的現(xiàn)象是不同的，用白光照射膜時，某一位置紅光得到加強(qiáng)，其他顏色的光就被削弱，故在此位置看到的是紅色，而另一位置則會看到黃色等其他顏色；而在單色照射下，則會出現(xiàn)明暗相間的條紋. 2.薄膜干涉的應(yīng)用 （1）用干涉法檢查平面：如圖13-4-2所示，被檢查平面B與標(biāo)準(zhǔn)樣板A之間形成了一個楔形的空氣薄膜，用單色光射入，入射光從空氣膜的上、下表面反射出兩列光波，形成干涉條紋，被檢查平面若是平的，空氣膜厚度相同的各點(diǎn)就位于一條直線上，干涉條紋平行；若被檢查表面某些地方不平，那里空氣膜產(chǎn)生的干涉條紋將發(fā)生彎曲. 圖13-4-2 （2）增透膜:光學(xué)元件（透鏡、棱鏡）的表面涂一層薄膜，當(dāng)薄膜的厚度是入射光在薄膜中波長的1/4時，在薄膜的兩個面上的反射光，光程差恰好等于半波長，因而相互抵消，達(dá)到減小反射光，增大透射光強(qiáng)度的作用. 三、折射時的色散 1.棱鏡 常用棱鏡的橫截面為三角形，有的棱鏡的橫截面為梯形，通常都簡稱為棱鏡. 2.棱鏡的作用 （1）可以改變光的傳播方向； （2）可以使光發(fā)生色散. 3.通過棱鏡的光線 如圖13-4-3所示，光線射到三棱鏡上后，光路向著底面偏折，這是由于光在兩個側(cè)面上都發(fā)生了折射的緣故，偏角θ的大小與棱鏡材料及入射角的大小有關(guān). 聯(lián)想發(fā)散 對一般棱鏡而言，透過棱鏡看物體，會看到物體的虛像，且虛像的位置比物體的實(shí)際位置向頂角方向偏移. 誤區(qū)警示 因?yàn)槌Ｒ姷那榫笆侨鐖D13-4-3所示的情況，司空見慣，就認(rèn)為一定是這樣的.其實(shí)不然，若組成棱鏡的材料相比周圍介質(zhì)而言是光疏介質(zhì)，則光路向頂角偏折，如圖13-4-4所示. 圖13-4-3 圖13-4-4 4.光折射的色散 （1）概念：一束白光通過三棱鏡后擴(kuò)展成由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫各色組成的光帶，這種現(xiàn)象稱為折射時的色散.這種按一定次序排列的彩色光帶叫做光譜. （2）光折射的色散的成因:光譜的產(chǎn)生表明，白光是由各種單色光組成的復(fù)色光.由于各種單色光通過棱鏡時偏折的角度不同，所以產(chǎn)生了色散現(xiàn)象. （3）規(guī)律：色散現(xiàn)象表明，棱鏡材料對不同色光的折射率是不同的.紫光經(jīng)棱鏡后偏折程度最大，紅光偏折程度最小，所以棱鏡材料對紫光的折射率最大，對紅光的折射率最小. （4）由折射率的定義n=可知，在棱鏡中紫光的速度最小，紅光的速度最大. 各種不同顏色的光在真空中的傳播速度是一樣的，都等于3108 m/s.但不同色光在同一種介質(zhì)（如玻璃）中的傳播速度卻不同，波長越長，波速越快. 聯(lián)想發(fā)散 由于波速v=fλ，并且n=，所以折射率n=,λ1表示在真空中的波長，λ2表示在介質(zhì)中的波長. 典題熱題 知識點(diǎn)一 折射中的色散 例1紅、綠、黃三條入射光線，分別沿與三棱鏡的底面平行的方向射向三棱鏡的一個側(cè)面，從三棱鏡的另一個側(cè)面射出，且出射光線交于三棱鏡底邊延長線上的三點(diǎn)，三點(diǎn)到三棱鏡底邊中點(diǎn)的距離分別為s1、s2、s3，則（ ） A.s1=s2=s3 B.s1＜s2＜s3 C.s1＞s2＞s3 D.s1＞s3＞s2 解析：依據(jù)色散知識可知，光線經(jīng)過三棱鏡將偏向三棱鏡的底邊，延長后交于三棱鏡底邊上的一點(diǎn)，此點(diǎn)到底邊的距離與光線偏折的角度有關(guān)，偏折的角度越大，交點(diǎn)到底邊中點(diǎn)的距離越小.因此，紅光出射光線與底邊延長線的交點(diǎn)距底邊中點(diǎn)的距離大于黃光的，黃光的又大于綠光的，因此D項(xiàng)對. 答案：D 巧解提示 根據(jù)對不同色光的折射率不同，畫出光路圖，就很形象直觀地解決這種問題. 例2用薄玻璃片制成一個中間空的三棱鏡放入水中，當(dāng)一束白光從一個側(cè)面斜射入并從三棱鏡通過時，下面說法中正確的是（ ） A.各色光都向頂角偏折 B.各色光都向底面偏折 C.紅色光的偏折角比紫光的大 D.紅色光的偏折角比紫光的小 解析：薄玻璃片的厚度可以忽略不計(jì)，這樣這個水中的“空氣三棱鏡”的折射率比周圍水的折射率小，這與放在空氣中的玻璃三棱鏡是不同的，同樣根據(jù)折射定律，各色光都向頂角偏移，紅光的偏折比紫光的仍然小，故A、D兩項(xiàng)正確. 答案：AD 方法點(diǎn)撥 在研究棱鏡的色散現(xiàn)象時不可死記硬背有關(guān)結(jié)論，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，應(yīng)用折射定律靈活解決. 知識點(diǎn)二 薄膜干涉 例3如圖13-4-5所示，一束白光從左側(cè)射入肥皂薄膜，下列說法正確的是（ ） 圖13-4-5 A.人從右側(cè)向左看，可以看到彩色條紋 B.人從左側(cè)向右看，可以看到彩色條紋 C.彩色條紋水平排列 D.彩色條紋豎直排列 解析：一束白光射到薄膜上，經(jīng)前后兩個面反射回來的光相遇，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，從左側(cè)向右看可看到彩色條紋，又由于薄膜同一水平線上的厚度相同，所以彩色條紋是水平排列的. 答案：BC 深化升華 從右側(cè)向左看到的是折射光，折射光的偏折角與介質(zhì)厚度有關(guān)，光經(jīng)過薄膜后的偏折角很小，大面積光束照射后，各單色光的折射光相互重疊，所以難以看到折射時的色散現(xiàn)象. 例4如圖13-4-6所示，用單色光照射透明標(biāo)準(zhǔn)板M來檢查平面N的上表面的水平情況，觀察到如圖所示的條紋P和Q的情況，這說明( ) 圖13-4-6 A.N的上表面A處向上凸起 B.N的上表面B處向上凸起 C.N的上表面A處向下凹陷 D.N的上表面B處向下凹陷 解析：P處所在的條紋是同一條紋，若為直線，則說明該處同一水平線，線上各點(diǎn)對應(yīng)的空氣層厚度都相同，但實(shí)際上P處條紋向左彎曲，意味著后一級條紋（圖中白色條紋）提前出現(xiàn)，可見P處對應(yīng)的檢測平板上的A點(diǎn)所對應(yīng)的空氣層厚度與后一級條紋對應(yīng)的空氣層厚度相同，而后一級條紋本來對應(yīng)的空氣層厚度比前一級大，可見A處向下凹陷，才能實(shí)現(xiàn)該處空氣層厚度與下一級條紋對應(yīng)的空氣層厚度一樣，C項(xiàng)對；同理B項(xiàng)對. 答案：BC 巧解提示 在A處干涉條紋P向薄膜變薄的地方彎曲，說明該處空氣層厚度變大，A處向下凹陷.在B處干涉條紋Q向薄膜變厚的地方彎曲，說明該處薄膜的厚度變小，B處向上凸起. 例5在研究材料A的熱膨脹特性時，可采用如圖13-4-7所示的干涉實(shí)驗(yàn)法.A的上表面是一光滑平面，在A的上方放一個透明的平行板B，B與A上表面平行，在它們間形成一個厚度均勻的空氣膜.現(xiàn)在用波長為λ的單色光垂直照射，同時對A緩慢加熱，在B上方觀察到B板的亮度發(fā)生周期性的變化.當(dāng)溫度為t1時最亮，然后亮度逐漸減弱至最暗；當(dāng)溫度升到t2時，亮度再一次回到最亮，則（ ） 圖13-4-7 A.出現(xiàn)最亮?xí)r，B上表面反射光與A上表面反射光疊加后加強(qiáng) B.出現(xiàn)最亮?xí)r，B下表面反射光與A上表面反射光疊加后相抵消 C.溫度從t1升至t2過程中，A的高度增加λ/4 D.溫度從t1升至t2過程中，A的高度增加λ/2 解析：如圖所示，A和B之間形成一個厚度均勻的空氣膜，則光在空氣膜的前表面即B下表面和后表面即A的上表面產(chǎn)生干涉，形成干涉條紋，當(dāng)溫度為t1時最亮，說明形成亮條紋，然后亮度逐漸減弱至最暗；當(dāng)溫度升到t2時，亮度再一次回到最亮，又一次形成亮條紋，由干涉的原理知，溫度t1和t2時，光程差均為波長的整數(shù)倍，由材料A具有熱膨脹特性所以溫度t2比t1時高度增加，使光程差減小一個波長，則A的高度增加λ/2，D項(xiàng)正確. 答案：Ｄ 方法歸納 在解關(guān)于波膜干涉的問題時，關(guān)鍵是找出是哪兩列光發(fā)生干涉，然后利用出現(xiàn)明暗條紋的條件進(jìn)行分析. 問題探究 思維發(fā)散探究 問題 虹和霓是太陽光射入大氣中的水珠經(jīng)折射、反射和色散產(chǎn)生的光學(xué)現(xiàn)象.虹的外圈是紅色的，內(nèi)圈是紫色的；霓的外圈是紫色的，內(nèi)圈是紅色的.能否通過作圖定性說明虹是太陽光在水珠中經(jīng)過幾次折射和幾次反射形成的？霓是太陽光在水珠中經(jīng)過幾次折射和幾次反射形成的？ 探究過程：初看上去好像沒有思路，但仔細(xì)分析，題中還是給出了一些線索.如水珠應(yīng)是一個小球，太陽光從空氣射入球內(nèi)要發(fā)生折射，從球內(nèi)射向空氣可能要發(fā)生全反射等等，這些信息構(gòu)建了解題的基本思路，通過作光路圖可進(jìn)行求解.形成虹和霓的折射及反射過程如圖13-4-8甲所示.虹的外圈是紅色的，內(nèi)圈是紫色的；霓的外圈是紫色的，內(nèi)圈是紅色的，如圖13-4-8乙所示. 圖13-4-8 探究結(jié)論:太陽光經(jīng)過水珠的兩次折射、一次內(nèi)反射形成虹；經(jīng)水珠的兩次折射、兩次內(nèi)反射形成霓.