1、78光的颜色 色散激光 目标导航 学习目标 1.知道什么是色散现象。2.观察薄膜干涉现象,知道薄膜干涉能产生色散,并能利用它来解释生活中的相关现象。3.知道棱镜折射能产生色散。理解对同一介质,不同颜色的光折射率不同。4.了解激光特点及其应用。5.知道激光和自然光的区别。重点难点 1.棱镜折射中的色散及光谱。2.薄膜干涉的色散。激趣诱思夏天,大雨之后往往在天空中会出现美丽的彩虹,这是发生了什么样的光学现象?为什么会出现不同颜色的光?简答:这是发生了光的色散现象,普通的白光经过空气中的小水珠之后,由于各种颜色的光在水珠中的偏折不同,最终透射出小水珠后白光就分散成彩光。预习导引一、光的颜色与色散1.
2、双缝干涉实验中,条纹之间的距离与光波的波长成正比,用白光做实验时,得到彩色条纹,说明不同颜色的光,波长和频率不同。2.光的色散与光谱:(1)光的色散:含有多种颜色的光被分解为单色光的现象。(2)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。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,频率相同,但路程差不同,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。预习交流 1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,你知道这些彩色条纹是如何形
3、成的吗?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、衍射时的色散用白光进行衍射实验时,得到的是彩色条纹,这是由于白光中包含各种颜色的光,不同色光亮条纹的位置不同造成的。四、折射时的色散如图说明通过棱镜折射后,由上到下的色光顺序为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫,这说明:(1)透明物质对真空中波长不同的光的偏折程度不同,折射率n也不一样,越小,n 越大。(2)又根据 n=,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。预习交流 2雨后初晴,往
4、往会看到绚丽的彩虹,你知道彩虹是如何形成的吗?答案:彩虹,又称天虹,简称虹,是气象中的一种光学现象。当太阳光照射到空气中的水滴,光线被折射及反射,在天空上形成拱形的七彩光谱,雨后常见。形状弯曲,色彩艳丽。彩虹是因为阳光射到空中接近圆形的小水滴,造成光的色散及反射而成的。五、激光1.激光的特点和应用(1)相干性与应用: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。应用:用来传播信息。光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物,电磁波的频率越高,它所携带的信息量越大,所以激光可以比无线电波携带更多的信息。(2)平行度及应用:平行度:激光的平
5、行度非常好,所以它在传播很远的距离后仍能保持一定的强度。应用:进行精确的测距。多用途的激光雷达不仅可以测量距离而且能根据多普勒效应测出目标的运动速度。(3)亮度及应用:亮度高,它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。可用激光束来切割、焊接以及在很硬的材料上打孔,医学上可以用激光做“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤。2.全息照相(1)与普通照相技术的比较:普通彩色照相技术所记录的只是光波的能量和频率信息,而全息照相技术还记录了光波的相位信息。(2)原理:全息照相的拍摄利用了光的干涉原理,使参考光和物光在底片上相遇,发生干涉,形成复杂的干涉条纹。这要求参考光和物光必须具有很高的相干性。(3)观察
6、全息照片时要用激光照射照片,从另一侧面观察。预习交流 3用激光扫描条形码在日常生活中,我们可以随时感受到激光的存在。如在超级市场里,你会看到用激光在商品的条形码上扫描,结算账目(如图所示),你能再举几个生活中应用激光的例子吗?答案:如:用 CD 或 DVD 播放影片、电视或网络信息的传输光缆、激光测距、激光切割等。一、色散知识精要1.折射时的色散:(1)把射出棱镜的光线与入射光线方向的夹角叫通过棱镜的偏向角,如图所示。实验表明,白光色散时,红光的偏向角最小,紫光的偏向角最大。这说明玻璃对不同色光的折射率是不同的。紫光的折射率最大,红光的折射率最小。(2)由于介质中的光速 v=,故在同种介质中折
7、射率大的光速小,各种色光在同种介质中的光速依次为 v 紫v 蓝v 橙v 红,即红光的速度最大,紫光的速度最小。(3)如图所示,白光经过三棱镜后,在光屏上呈现七色光带;若从棱镜的顶角向底边看,由红到紫依次排列,紫光最靠近底边,光的色散实质上是光的折射现象。2.双缝干涉中的色散:用不同的单色光做双缝干涉实验,得到的条纹之间的距离不一样,但都是明暗相间的单色条纹。由 x=知,红光波长最长,x 最大,紫光波长最短,x 最小。白光干涉时的条纹是彩色的,可见,白光是由多种色光组成的复色光,发生干涉时,白光发生了色散现象。思考探究1.色散的本质是什么?答案:(1)色散的实质:光的色散实质上是光的折射现象,是
8、由同一种介质对不同色光的折射率不同而引起的。(2)光的色散现象能表明的问题:同一介质对不同色光的折射率不同,频率越高折射率越大,七种色光中红光的折射率最小,紫光的折射率最大;由 n=可知,同一介质中各种色光的光速不同,红光的折射率最小,光速最大;而紫光的折射率最大,光速最小;光由一种介质进入另一种介质时,光的颜色不变,光速改变(v=);光在介质中的传播速度与介质有关,与光的频率也有关,这一点与机械波是有区别的。2.白光发生干涉时,出现彩色条纹的原因是什么?答案:光的频率是由光源的发光机理决定的,所以光由真空进入介质中时,光的频率不变,但波长会减小,由波速公式 v=f 可知,光的传播速度减小。典
9、题例解【例 1】(多选)如图所示,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,经过三棱镜折射后发生色散现象,在光屏上的 ab 间形成一条彩色光带。下列说法中正确的是()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 侧光的折射率大于对 b 侧光的折射率D.在三棱镜中 a 侧光的传播速度大于 b 侧光的传播速度思路分析:由光线通过三棱镜时的偏折情况可分析色光的折射率(折射率越大偏向角越大),再由光的颜色与折射率的关系可判断光的颜色,同时由光在介质中的速度公式 v=可判断介质中的光速大小。解析:由题图可以看出,a 侧光偏向角较大
10、,三棱镜对 a 侧光的折射率较大,所以 a 侧是紫色光,波长较短,b 侧是红色光,波长较长,因此选项 A 错误,B、C 正确;又 v=,所以在三棱镜中 a 侧光的传播速度小于 b 侧光的传播速度,选项 D 错误。答案:BC迁移应用如图所示,一束白光从顶角为 的三棱镜的一个侧面 AB 以较大的入射角 i 入射,经过三棱镜后,在 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()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:依题意作出白光通过三棱镜的光路图,如图所示。可以看出紫光的
11、偏折程度最大,由全反射临界角公式 sin C=1知,紫光的临界角最小,所以紫光一定首先在AC界面上发生全反射而从光屏上消失。由以上分析,可知屏上彩色光带紫光最先消失,后面依次是靛、蓝、绿、黄、橙、红光。故正确选项为 B。答案:B二、薄膜干涉及其应用知识精要1.用干涉法检查平面平整度:如图甲所示,两板之间形成一层空气膜,用单色光从上向下照射,如果被检测平面是光滑的,得到的干涉图样必是等间距的。如果被测表面某处凹下,则对应亮条纹(或暗条纹)提前出现,如图乙中 P 条纹所示;如果某处凸起来,则对应条纹延后出现,如图乙中 Q 所示。(注:“提前”与“延后”不是指在时间上,而是指由左到右的位置顺序上)2
12、.增透膜:为了减少光学装置中的反射光的损失,可在元件表面涂一层透明薄膜,一般是氟化镁。如图所示,在增透膜的前后表面反射的两列光波形成相干波,相互叠加,当路程差为半波长的奇数倍时,在两个表面反射的光产生相消干涉,反射光的能量几乎等于零。一般取最小厚度 d 满足 3d=2(此波长为光在该种介质中的波长)。由于白光中含有多种波长的光,所以增透膜只能使其中一定波长的光相消。因为人对绿光最敏感,一般选择对绿光起增透作用的膜,所以在反射光中绿光强度几乎为零,而其他波长的光并没有完全抵消,所以增透膜呈现淡紫色。思考探究1.在用肥皂膜做薄膜干涉实验中,肥皂薄膜应怎样放置?我们应在哪一侧观察灯焰的像?这个像与直
13、接看到的灯焰有什么不同?答案:应竖直放置;在灯焰一侧观察,这个像是明、暗相间的条纹组成的。2.在薄膜干涉中,怎样获得相干光源?其路程差与该处的薄膜厚度有什么关系?当路程差是光在膜中波长的整数倍时,该处应出现什么条纹?为什么光源换用白光,将得到彩色条纹?答案:发生薄膜干涉时,从薄膜的两个面反射回来的反射光形成相干光源,其路程差为薄膜厚度的二倍,当路程差是光在薄膜中波长整数倍时,该处应出现亮条纹,换用白光,因各种色光的波长不等,所以出现明、暗条纹的位置不同,得到的就是彩色条纹。典题例解【例 2】(多选)如图甲所示,用单色光照射透明标准板 M 来检查平面 N 的上表面的平滑情况,观察到的图像如图乙所
14、示的条纹中的 P 和 Q 的情况,这说明()A.N 的上表面 A 处向上凸起B.N 的上表面 B 处向上凸起C.N 的上表面 A 处向下凹陷D.N 的上表面 B 处向下凹陷解析:利用光的薄膜干涉来检查平面,就是用标准样板平面和被检查平面之间形成一个楔形的空气薄层,用单色光从上面照射,入射光在空气层的上、下表面反射形成的两列光波发生干涉。如果被检测的平面是平的,那么空气层的厚度相同的各点的干涉条纹在一条直线上。若是被检测平面的某处凹下去了,这时干涉条纹就不是直线在凹处的干涉条纹将向楔形膜中薄的一侧弯曲,这是因为凹处的两束反射光的路程差变大,它只能与膜厚一些位置的两反射光的路程差相同而形成同一级的
15、条纹(路程差相同的干涉条纹为同一级,一般路程差大的干涉条纹级别高,路程差小的干涉条纹级别低),显然凹处的级别增大,将与膜厚一些位置的干涉条纹形成同一级别的条纹。同理,若是被测平面某处凸起,则该处的干涉条纹将向楔形膜中厚的一侧弯曲。答案:AD迁移应用如图所示,用干涉法检查某表面的质量,产生的干涉条纹是一组平行的直线。若将劈尖的上表面向上平移,如图甲所示,干涉条纹将 ;若使劈尖的角度增大,如图乙所示,干涉条纹将 。(均选填“变窄”“变宽”或“不变”)解析:使劈尖的角度增大,相同的水平间距对应的条纹数增多,条纹变窄,而将劈尖的上表面向上平移,相同的水平间距对应的条纹数不变,条纹宽度不变。答案:不变
16、变窄三、激光知识精要1.激光的产生:激光是原子受激辐射产生的光,发光的方向、频率、偏振方向均相同,两列相同激光相遇可以发生干涉。激光是人工产生的相干光。2.激光的特点:(1)激光是人工产生的相干光,其单色性好,相干性好。激光的频率单一,相干性非常好,颜色特别纯。用激光做衍射、干涉实验,效果很好。(2)激光的平行度好。从激光器发出的激光具有极好的平行性,几乎是一束方向不变、发散角很小的平行光。传播几千米后,激光斑扩展范围不过几厘米,而探照灯的光束能扩展到几十米范围。(3)亮度高。激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。典题例解【例 3】纳米科技是跨世纪新科技,将激光束宽度聚焦到纳米范围
17、,可修复人体已损坏的器官,对 DNA 分子进行超微型基因修复,把令人类无奈的癌症、遗传病症彻底根除。(1)这是利用了激光的()A.单色性 B.方向性C.高能量D.粒子性(2)纳米科技是人类认识自然的一个新层次,1 nm 等于()A.10-6 mB.10-9 mC.10-10 mD.10-12 m解析:(1)激光由于能把巨大能量高度集中地辐射出来,所以在医学上作“光刀”切开皮肤、切除肿瘤或做其他外科手术。(2)纳米是长度单位,波长经常用纳米作单位,1 nm=10-9m。答案:(1)C(2)B迁移应用在演示双缝干涉的实验时,常用激光作光源,这主要是应用激光的什么特性()A.亮度高B.平行性好C.单
18、色性好 D.波动性好解析:激光的单色性好,频率单一,通过双缝时能够得到两束相干光。故 C 项对。答案:C薄膜干涉中条纹间距的决定因素知识链接发生薄膜干涉时,相邻两条亮条纹(或暗条纹)的间距 l 与膜的顶角、入射光在膜中的波长 有关,其关系式为 l=2tan。证明如下:如图所示为劈尖干涉的示意图,光线在空气膜的上、下表面上反射,并发生干涉,从而形成干涉条纹。设空气膜顶角为,d1、d2 处为两相邻亮条纹,则两处路程差分别为 x1=2d1,x2=2d2。因为x2-x1=,所以 d2-d1=2。设相邻两亮条纹的间距为 l,由几何关系得2-1=tan,即 l=2tan。案例探究劈尖干涉是一种薄膜干涉,其
19、装置如图甲所示。将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上,在一端夹入两张纸片,从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜。当光垂直入射时,从上往下看到的干涉条纹如图乙所示,干涉条纹有如下特点:(1)任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等;(2)任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定。现若在图甲装置中抽去一张纸片,则当光垂直入射到新劈形空气薄膜后,从上往下观察到的干涉条纹将如何变化?解析:光线在空气膜的上下表面上反射,并发生干涉,从而形成干涉条纹。设空气膜顶角为,d1、d2 处为两相邻明条纹到下表面的距离,如图所示,则两处光的路程差分别为 1=2d1,2=2d2因为 2-1=,所以 d
20、2-d1=12设条纹间距为 l,则由几何关系得2-1=tan,即 l=2tan。当抽去一张纸片,减小,l 增大,干涉条纹变疏。答案:间距变疏思悟升华劈形薄膜干涉的条纹特点(1)条纹间距:x=2,其中,d 和 L 分别为劈尖(劈形薄膜)的高度和斜边长度,和 n 分别为相干光的波长和薄膜介质的折射率。(2)移动方向:当 d 增大时,不仅条纹变窄,而且“条纹组”向劈尖(棱)一侧移动;反之,亦反之。(3)条纹的变化:“薄处”现“厚纹”,则待测平面“凹陷”;“厚处”现“薄纹”,则待测平面“凸起”。可简述为“薄隐厚凹,厚现薄凸”。1.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
21、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.观察肥皂液薄膜的干涉现象时,观察者应和光源在薄膜的同一侧解析: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,但也能发生干涉现象,这时某些颜色的光因干涉而减弱,另一些颜色的光因干涉而加强,减弱的光透过薄膜,加强的光被反射回来,所以这时看到薄膜的颜色是振动加强的光的颜色,但不会形成干涉条纹。由上述分析可知,选项 A、B、C错误,D 正确。答案:D2.下列
22、说法中正确的是()A.激光是自然光被放大而产生的B.激光是原子受激辐射而得到的加强光C.激光的能量一定大于其他光的能量D.激光的传播速度比普通光大解析:激光是由人工产生的光,它是由于原子受到激发而产生的,它具有平行度好、相干性强和亮度高的特点,其传播速度仍然是光速。答案:B3.下图表示一束白光通过三棱镜的光路图,其中正确的是()解析:光在棱镜的两个侧面上发生折射,每次折射都向底边偏折,并且玻璃对不同单色光的折射率不同,不同单色光在同一侧面的偏折角就不同,故选项 D 正确。答案:D4.如图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,所用单色光为普通光加滤光片产生的,检查中所观察到的条纹是由下列哪两个表面反射的光线叠加而成的()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:本题的关键是找到使光线发生干涉的薄膜。本题中 a 是样本,b是被检查的平面,而形成干涉的两束反射光是 a、b 间的空气薄层反射的,所以选项 C 正确。答案:C
