浙江省2018-2019版高中物理 第十三章 光 第5課時(shí) 光的顏色、色散、激光學(xué)案 新人教版選修3-4.doc

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第5課時(shí)　光的顏色、色散、激光 [研究選考把握考情] 知識(shí)內(nèi)容 光的顏色、色散 考試要求 加試b 教學(xué)要求 1.知道光的顏色由頻率決定，知道白光是由多種色光組成的 2.了解光在雙縫干涉、薄膜干涉、衍射及折射時(shí)的色散現(xiàn)象及成因 3.知道不同色光在同一介質(zhì)中的傳播速度、折射率都不同 4.了解薄膜干涉的原理及應(yīng)用 說(shuō)明 不要求定量分析涉及薄膜干涉的有關(guān)問(wèn)題 知識(shí)內(nèi)容 激光 考試要求 加試a 教學(xué)要求 1.知道激光與自然光的不同之處 2.知道激光的特點(diǎn) 3.知道激光的應(yīng)用 4.區(qū)分相干光與非相干光 說(shuō)明 1.不要求了解激光的產(chǎn)生機(jī)理 2.不要求了解全息照相原理 知識(shí)點(diǎn)一　光的顏色、色散 [基 礎(chǔ) 梳 理] 1.不同顏色的光，波長(zhǎng)不同。白光是由多種色光組成的。 2.光的色散：含有多種顏色的光被分解為單色光的現(xiàn)象。 3.光譜：含有多種顏色的光被分解后，各種色光按其波長(zhǎng)的有序排列，就是光譜。 [即 學(xué) 即 練] 我國(guó)南宋時(shí)的程大昌在其所著《演繁露》中敘述道：“凡風(fēng)雨初霽，或露之未唏，其余點(diǎn)綴于草木枝葉之末，日光入之，五色俱足，閃爍不定，是乃日之光品著色于水，而非雨露有所五色也?！边@段文字記敘的是光的何種現(xiàn)象(　　) A.反射 B.色散 C.干涉 D.折射 解析　題中文言的意思是：風(fēng)雨剛晴，或露水未干，水珠點(diǎn)綴于草木枝葉之端，太陽(yáng)光射到上面，各種顏色都有，這其實(shí)是折射中的色散現(xiàn)象，故選項(xiàng)B正確，A、C、D錯(cuò)誤。 答案　B 知識(shí)點(diǎn)二　薄膜干涉中的色散 [基 礎(chǔ) 梳 理] 1.薄膜干涉中相干光的獲得 光照射到薄膜上，在薄膜的前后兩個(gè)面反射的光是由同一個(gè)實(shí)際的光源分解而成的，它們具有相同的頻率，恒定的相位差。 2.薄膜干涉的原理 光照在厚度不同的薄膜上時(shí)，前后兩個(gè)面的反射光的路程差等于相應(yīng)位置膜厚度的2倍，在某些位置，兩列波疊加后相互加強(qiáng)，于是出現(xiàn)亮條紋；在另一些位置，疊加后相互削弱，于是出現(xiàn)暗條紋。 [要 點(diǎn) 精 講] 1.薄膜干涉中應(yīng)注意的問(wèn)題 (1)觀察的是從膜前、后兩表面反射回來(lái)的光(眼睛與光源在膜的同一側(cè))。 (2)用單色光照射得到明暗相間的條紋，用白光照射得到彩色條紋。 2.薄膜干涉的應(yīng)用 (1)用干涉法檢查平面的平整度。 (2)光學(xué)儀器上的增透膜。 【例1】 如圖1所示為一顯示薄膜干涉現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置，P是附有肥皂薄膜的鐵絲圈，S是一點(diǎn)燃的酒精燈，往火焰上撒些鹽后，在肥皂膜上觀察到的干涉圖樣應(yīng)是圖中的(　　) 圖1 解析　鐵絲圈上的肥皂泡薄膜在重力作用下上薄下厚，在同一水平線上厚度基本一致，如果某一厚度處前后表面反射的同一列光波疊加得到加強(qiáng)，那么這一水平線上同一厚度處形成亮條紋，所以干涉條紋應(yīng)是水平的。 答案　D 知識(shí)點(diǎn)三　衍射及折射中的色散 [基 礎(chǔ) 梳 理] 1.衍射中的色散 用白光做衍射實(shí)驗(yàn)，得到的條紋是彩色的。這是因?yàn)榘坠庵邪烁鞣N顏色的光，衍射時(shí)不同色光的亮條紋的位置不同，于是各種色光就區(qū)分開了。 2.折射中的色散 (1)一束白光通過(guò)棱鏡而被折射后，在屏上的光斑是彩色的，這說(shuō)明光在折射過(guò)程中發(fā)生了色散。 (2)透明物質(zhì)對(duì)于波長(zhǎng)λ不同的光的折射率n不一樣，λ越小，n越大。 (3)在同一種物質(zhì)中，不同波長(zhǎng)的光波的傳播速度不一樣，波長(zhǎng)越短，波速越小。 [要 點(diǎn) 精 講] 1.棱鏡對(duì)光的傳播方向的改變遵循光的折射定律。 如圖2所示中的θ為光的偏向角，光的偏向角越大，表示棱鏡對(duì)光的偏折程度越大。 圖2 2.光的顏色由光源的頻率決定，與介質(zhì)無(wú)關(guān)，與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，波速由介質(zhì)和光的頻率共同決定。 3.白光由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種色光組成，七種色光的特性差異可以用下表表示出來(lái)。 各種色光 紅 橙 黃 綠 青 藍(lán) 紫 頻率 小→大 波長(zhǎng) 長(zhǎng)→短 折射率 小→大 波速(介質(zhì)中) 大→小 雙縫干涉時(shí)所產(chǎn)生的條紋間距 大→小 薄膜干涉時(shí)所產(chǎn)生的條紋間距 大→小 經(jīng)三棱鏡折射時(shí)偏向角大小 小→大 【例2】 如圖3所示，從點(diǎn)光源S發(fā)出的一細(xì)束白光以一定的角度入射到三棱鏡的表面，經(jīng)過(guò)三棱鏡的折射后發(fā)生色散現(xiàn)象，在光屏的ab間形成一條彩色光帶。下面的說(shuō)法中正確的是(　　) 圖3 A.a側(cè)是紅色光，b側(cè)是紫色光 B.在真空中a側(cè)光的波長(zhǎng)小于b側(cè)光的波長(zhǎng) C.三棱鏡對(duì)a側(cè)光的折射率小于對(duì)b側(cè)光的折射率 D.在三棱鏡中a側(cè)光的傳播速度大于b側(cè)光的傳播速度 解析　由于玻璃對(duì)各色光的折射率不同，導(dǎo)致色散的形成，玻璃對(duì)紫光的折射率最大，對(duì)紅光的折射率最小，據(jù)n＝可知a側(cè)為紫光，b側(cè)為紅色，在真空中，紅光的波長(zhǎng)大于紫光的波長(zhǎng)，由n＝可以求出，在三棱鏡中，紅光的傳播速度大于紫光的傳播速度。 答案　B 知識(shí)點(diǎn)四　激光 [基 礎(chǔ) 梳 理] 激光的特點(diǎn)及其應(yīng)用 特點(diǎn) 性質(zhì) 應(yīng)用 相干性 只有頻率相同、相位差恒定、偏振方向一致的光才是相干光。激光是一種人工產(chǎn)生的相干光，具有高度的相干性 光纖通信 平行度 激光的平行度非常好，在傳播很遠(yuǎn)的距離后仍能保持一定的強(qiáng)度 精確的測(cè)距；讀取光盤上記錄的信息等 高亮度 它可以在很小的空間和很短的時(shí)間內(nèi)集中很大的能量 用激光束切割、焊接；醫(yī)學(xué)上可以用激光做“光刀”；激發(fā)核反應(yīng)等 [即 學(xué) 即 練] 下列關(guān)于激光的說(shuō)法正確的是(　　) A.激光可用于測(cè)距 B.激光能量十分集中，只可用于加工金屬材料 C.外科研制的“激光刀”可以有效地減少細(xì)菌的感染 D.激光可用于全息照相，有獨(dú)特的特點(diǎn) 解析　激光平行度好，即使在傳播了很遠(yuǎn)的距離之后，它仍保持一定的強(qiáng)度，此特點(diǎn)可用于激光測(cè)距，選項(xiàng)A正確；激光的亮度高，能量十分集中，可用于金屬加工、激光醫(yī)療、激光美容、激光武器等，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；由于激光亮度高、能量大，在切割皮膚的同時(shí)，也能殺滅細(xì)菌，所以選項(xiàng)C正確；激光具有很高的相干性，可用于全息照相，由于它記錄了光的相應(yīng)信息，所以看起來(lái)立體感較強(qiáng)，選項(xiàng)D正確。 答案　ACD 1.如圖4所示是用干涉法檢查某塊厚玻璃板的上表面是否平整的裝置，所用單色光是用普通光通過(guò)濾光片產(chǎn)生的，檢查中所觀察到的干涉條紋是由下列哪兩個(gè)表面反射的光線疊加而成的(　　) 圖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單色光的薄膜干涉，這里的薄膜指的是樣板與待測(cè)玻璃板之間的空氣層。在空氣層的上表面和下表面分別反射的光會(huì)發(fā)生干涉，觀察干涉后形成的條紋是否為平行直線，可以斷定厚玻璃板的上表面是否平整。因此選項(xiàng)C正確。 答案　C 2.用如圖5所示的實(shí)驗(yàn)裝置觀察光的薄膜干涉現(xiàn)象。圖(a)是點(diǎn)燃的酒精燈(在燈芯上灑些鹽)，圖(b)是豎立的附著一層肥皂液薄膜的金屬絲圈。將金屬絲圈在其所在的豎直平面內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn)，觀察到的現(xiàn)象是(　　) 圖5 A.當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)30時(shí)干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)30 B.當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)45時(shí)干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)90 C.當(dāng)金屬絲圈旋轉(zhuǎn)60時(shí)干涉條紋同方向旋轉(zhuǎn)30 D.干涉條紋保持原來(lái)狀態(tài)不變 解析　金屬絲圈的轉(zhuǎn)動(dòng)，改變不了肥皂液膜的上薄下厚的形狀，由干涉原理可知干涉條紋與金屬絲圈在該豎直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)關(guān)，仍然是水平的干涉條紋，A、B、C錯(cuò)誤，D正確。 答案　D 3.如圖6所示，水盆中盛有一定深度的水，盆底處水平放置一個(gè)平面鏡。平行的紅光束和藍(lán)光束斜射入水中，經(jīng)平面鏡反射后，從水面射出并分別投射到屏MN上兩點(diǎn)，已知水對(duì)藍(lán)光折射率大于紅光，則有(　　) 圖6 A.從水面射出的兩束光彼此平行，紅光投射點(diǎn)靠近M端 B.從水面射出的兩束光彼此平行，藍(lán)光投射點(diǎn)靠近M端 C.從水面射出的兩束光彼此不平行，紅光投射點(diǎn)靠近M端 D.從水面射出的兩束光彼此不平行，藍(lán)光投射點(diǎn)靠近M端 解析　由于兩種色光的折射率不同，那么在水面處的折射角不同，如圖所示，紅光折射角大于藍(lán)光折射角，平面鏡也是以各自的折射角大小進(jìn)行入射和反射，所以平面鏡上的入射光線和反射光線都不平行，再到水面發(fā)生折射，根據(jù)光路可逆可以分析出從水面射出的兩束光卻彼此平行，作出光路圖可以知B正確。 答案　B 4.在演示雙縫干涉的實(shí)驗(yàn)時(shí)，常用激光做光源，這主要是應(yīng)用激光的(　　) A.亮度高 B.平行性好 C.相干性好 D.波動(dòng)性好 解析　頻率相同的兩束光相遇才能發(fā)生干涉，激光具有高度的相干性，通過(guò)雙縫時(shí)能夠得到兩束相干光。故C正確。 答案 C　 選擇題(在每小題給出的四個(gè)備選項(xiàng)中至少有一個(gè)是符合題目要求的。) 1.下列現(xiàn)象中可以用薄膜干涉來(lái)解釋的是(　　) A.雨后的彩虹 B.水面上的油膜在陽(yáng)光照射下呈彩色 C.透過(guò)昆蟲的翅膀看陽(yáng)光呈彩色 D.荷葉上的水珠在陽(yáng)光下晶瑩透亮 解析　雨后的彩虹是折射現(xiàn)象，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；透過(guò)昆蟲的翅膀看陽(yáng)光呈彩色是衍射現(xiàn)象，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；水珠在陽(yáng)光下晶瑩透亮是全反射的結(jié)果，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤；油膜在陽(yáng)光照射下呈彩色是薄膜干涉的結(jié)果，故選項(xiàng)B正確。 答案　B 2.如圖1所示，一束白光從左側(cè)射入肥皂薄膜，下列說(shuō)法中正確的是(　　) 圖1 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(gè)面反射回來(lái)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，故B、C正確。 答案　BC 3.一個(gè)半徑較大的透明玻璃球體，截取其下面的一部分，然后將這一部分放到標(biāo)準(zhǔn)的水平面上，現(xiàn)讓單色光豎直射向截面，如圖2所示，在反射光中看到的是(　　) 圖2 A.平行的明暗相間的直干涉條紋 B.環(huán)形的明暗相間的干涉條紋 C.只能看到同顏色的平行反射光 D.一片黑暗 解析　這是薄膜干涉模型，由于以接觸點(diǎn)為圓心的同一圓周上，光通過(guò)空氣楔的光程差是相同的，故干涉條紋是環(huán)形的。 答案　B 4.白光通過(guò)三棱鏡發(fā)生色散現(xiàn)象，下列說(shuō)法正確的是(　　) A.白光是由不同頻率的光組成的 B.棱鏡材料對(duì)各種色光的折射率不同 C.棱鏡對(duì)紅光的折射率大，對(duì)紫光的折射率小 D.出現(xiàn)色散現(xiàn)象是棱鏡改變了顏色 解析　從紅光到紫光，頻率越來(lái)越大，折射率也越來(lái)越大，A、B正確。 答案　AB 5.對(duì)于紅、黃、綠、藍(lán)四種單色光，下列表述正確的是(　　) A.在相同介質(zhì)中，綠光的折射率最大 B.紅光的頻率最高 C.在相同介質(zhì)中，藍(lán)光的波長(zhǎng)最短 D.同一雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置，紅光所產(chǎn)生的條紋間距最小 解析　在紅、黃、綠、藍(lán)四種單色光中，藍(lán)光的折射率最大，頻率最高，波長(zhǎng)最短，A、B錯(cuò)誤，C正確；由Δx＝λ知，D錯(cuò)誤。 答案　C 6.一束復(fù)色光由空氣射向一塊平行平面玻璃磚，經(jīng)折射分成兩束單色光a、b。已知a光的頻率小于b光的頻率。下面的幾個(gè)圖中哪個(gè)光路圖可能是正確的(　　) 解析　由于a光的頻率小于b光的頻率，可知a光的折射率小于b光的折射率。在上表面a、b兩束單色光的入射角相同，由折射定律可判斷出a光的折射角大于b光的折射角。在下表面光線由玻璃射向空氣，入射角等于上表面的折射角，故下表面的折射角應(yīng)與上表面的入射角相同，即通過(guò)玻璃磚后的出射光線應(yīng)與原入射光線平行。 答案　B 7.對(duì)于激光的認(rèn)識(shí)，以下說(shuō)法正確的是(　　) A.普通光源發(fā)出的光都是激光 B.激光是自然界普遍存在的一種光 C.激光是一種人工產(chǎn)生的相干光 D.激光已深入到我們生活的各個(gè)方面 解析　激光是人工產(chǎn)生的相干光，并不能由普通光源發(fā)出，激光在我們?nèi)粘Ｉ钪杏兄匾膽?yīng)用。 答案　CD 8.讓激光照到VCD機(jī)、CD機(jī)或計(jì)算機(jī)的光盤上，就可以讀出盤上記錄的信息，經(jīng)過(guò)處理后還原成聲音或圖象，這是利用激光的(　　) A.平行度好，可以會(huì)聚到很小的一點(diǎn)上 B.相干性好，可以很容易形成干涉圖樣 C.亮度高，可以在很短時(shí)間內(nèi)集中很大的能量 D.波長(zhǎng)長(zhǎng)，很容易發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象 解析　激光的特點(diǎn)之一是平行性好，它可以會(huì)聚到一個(gè)很小的點(diǎn)上，DVD、VCD、CD唱機(jī)或電腦上的光驅(qū)及刻錄設(shè)備就利用了激光的這一特點(diǎn)，選項(xiàng)A正確，B、C、D錯(cuò)誤。 答案　A 9.將激光束的寬度聚焦到納米級(jí)(10－9 m)范圍內(nèi)，可修復(fù)人體已損壞的器官，對(duì)DNA分子進(jìn)行超微型基因修復(fù)，把至今尚令人無(wú)奈的癌癥、遺傳疾病等徹底根除，這是應(yīng)用了激光的(　　) A.平行性好的特性 B.單色性好的特性 C.亮度高的特性 D.粒子性好的特性 解析　激光的特性之一是強(qiáng)度大，亮度高，醫(yī)學(xué)上用的激光刀就是其應(yīng)用。 答案　C 10.關(guān)于薄膜干涉，下列說(shuō)法中正確的是(　　) A.只有厚度均勻的薄膜，才會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象 B.只有厚度不均勻的楔形薄膜，才會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象 C.厚度均勻的薄膜會(huì)形成干涉條紋 D.觀察肥皂液膜的干涉現(xiàn)象時(shí)，觀察者應(yīng)和光源在液膜的同一側(cè) 解析　當(dāng)光從薄膜的一側(cè)照射到薄膜上時(shí)，只要前后兩個(gè)面反射回來(lái)的光波的路程差滿足振動(dòng)加強(qiáng)的條件，就會(huì)出現(xiàn)明條紋，滿足振動(dòng)減弱的條件就會(huì)出現(xiàn)暗條紋。這種情況在薄膜厚度不均勻時(shí)才會(huì)出現(xiàn)；當(dāng)薄膜厚度均勻時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)干涉條紋，但也發(fā)生干涉現(xiàn)象。 答案　D 11.市場(chǎng)上有種燈具俗稱“冷光燈”，用它照射物品時(shí)能使被照物品產(chǎn)生的熱效應(yīng)大大降低，從而廣泛地應(yīng)用于博物館、商店等處。這種燈降低熱效應(yīng)的原因之一是在燈泡后面放置的反光鏡玻璃表面上鍍了一層薄膜(氟化鎂)。這種膜能消除不鍍膜時(shí)玻璃表面反射回來(lái)的熱效應(yīng)最顯著的紅外線，以λ表示此紅外線的波長(zhǎng)，則所鍍薄膜的厚度最小應(yīng)為(　　) A.λ B.λ C.λ D.λ 解析　為消除反射的熱效應(yīng)顯著的紅外線，則要求紅外線在薄膜的前后表面反射后疊加減弱，即路程差為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，故薄膜的最小厚度為紅外線在該薄膜中波長(zhǎng)的。 答案　B 12.如圖3所示，將半圓形玻璃磚放在豎直面內(nèi)，它左方有較大的光屏P，一光束SA總是射向圓心O，在光束SA繞圓心O逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，在P上先看到七色光帶，然后各色光陸續(xù)消失，則此七色光帶從下到上的排列順序以及最早消失的光是(　　) 圖3 A.紅光→紫光，紅光 B.紫光→紅光，紅光 C.紅光→紫光，紫光 D.紫光→紅光，紫光 答案　D