1、高考资源网（） 您身边的高考专家课时13.9光整合与评价1.理解光的折射定律,会测定材料的折射率。2.认识光的全反射现象,会解答有关临界角的计算问题。3.观察光的干涉、衍射、偏振和色散现象。知道产生干涉、明显衍射现象的条件。会用双缝干涉实验测定光的波长。4.了解激光的特性和应用。知道全息照相的原理。重点难点:光的折射、全反射现象,光的干涉、衍射的条件及应用。教学建议:光具有干涉现象、衍射现象和偏振特性,这与机械波类似,可以对比来理解,这也证明光是一种波。另外也要注意光是一种电磁波,它有很多不同于机械波的特点。要掌握光的折射规律并能测定一些介质的折射率,掌握干涉、衍射条件,了解薄膜干涉的应用。主
2、题1:测定玻璃的折射率情景:课本采用了插针法测玻璃砖的折射率,按课本实验内容,针对这一实验回答下列问题。问题:(1)实验中在木板上插大头针A、B时应注意什么?插大头针 C 、D时应注意什么?(2)实验中能不能把玻璃砖的界面当尺子画边界线?为什么?(3)实验中画玻璃砖边界线a时,如果画宽或画窄了(与边界线a仍平行),对测量结果有何影响?(4)实验中按要求画好玻璃砖边界线a、a后,操作时玻璃砖向上或向下平移了一点距离,对测量结果有何影响?(5)实验中某同学用半圆形玻璃砖代替平行玻璃砖,对测量结果有何影响?解答:(1)各针均竖直插在木板上;A与B之间、B与O之间、C 与D 之间、C与O之间距离稍大一
3、些;插C时要挡住A、B的像,插D时要挡住C和A、B的像。(2)不能;容易磨损玻璃砖的光洁面,影响实验效果。(3)边界线a如果画宽了,测得的折射率偏小;边界线a如果画窄了,测得的折射率偏大。(4)对测量结果没有影响。(5)对测量结果没有影响。知识链接:本实验前后共“画六线(一条法线、二条边界线和三条光线)”“插四针”“量两角(入射角和折射角)”。主题2:全反射现象的有关应用问题:(1)海市蜃楼和沙漠蜃景都是光线经过多次折射后最终发生全反射的结果,那为什么“蜃楼”在空中,而“蜃景”在地面呢?(2)全反射棱镜的横截面为什么是等腰直角三角形?(3)全反射棱镜与平面镜相比有哪些优点?全反射棱镜有哪些具体
4、的应用?(4)光导纤维由内芯和外套组成,哪一部分折射率大?为什么?解答:(1)越靠近海面的空气层折射率越大,远处景物发出的光线射向空中时不断折射,直至发生全反射,观察者看到空中射来的光线形成的虚像即是“蜃楼”。与之相反的是,越靠近沙漠地面的空气层折射率越小,远处景物发出的光线射向地面时不断折射,直至发生全反射,观察者看到地面反射来的光线形成的虚像即是“蜃景”。(2)各种玻璃的临界角为3242,横截面为等腰直角三角形的棱镜,光从任一侧面垂直射入,在另一个反射面的入射角都是45,均能发生全反射。(3)反射率高,失真小;双筒望远镜中就有全反射棱镜,自行车的后尾灯实际也是塑料的全反射棱镜。(4)光导纤
5、维内芯的折射率比外套大;保证光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。知识链接:光学纤维束现在已成为一种新的光学基本元件,在光通信、光学窥视及光学特殊照明等方面有很重要的应用。主题3:测定光的波长问题:课本讲述了“用双缝干涉测量光的波长”的实验。实验中是怎样测量条纹间距离的?实验中用什么器材测量双缝到光屏间距离?双缝间距是否需要测量?解答:两条相邻亮(暗)条纹间的距离x用测量头测出。测量时,应使分划板中心刻度线对齐第一条亮条纹的中心,记下此时手轮上的读数a1,转动手轮,使分划板向一侧移动,当分划板中心刻度线对齐第n条亮条纹中心时,记下手轮上的读数a2,两次读数之差就是这两条亮条纹间的距离,即|a
6、1-a2|,相邻两条亮(暗)条纹间的距离,即条纹宽度x=。用刻度尺测得双缝到光屏间距离为l。双缝间距d不必测量,因为在双缝玻璃上已标出。知识链接:“用双缝干涉测量光的波长”实验中,单缝与双缝要平行,间距要合适。拓展一:折射定律与折射率光的折射现象是指光从一种介质进入另一种介质时,传播方向发生改变的现象。应用折射定律解决问题时要注意如下几点:第一,光只有在两种介质界面上传播才会发生此现象,且光进入了另一种介质后,传播方向发生了改变;第二,光从真空或空气中进入任何介质时,折射角都小于入射角;第三,折射现象中光路也是可逆的,要善于通过画光路图来分析和解决问题。折射率的定义指明了光是从空气(真空)入射
7、到介质中的,n=,1是空气(真空)中光线与法线的夹角,2是介质中光线与法线的夹角。计算折射率时,应先根据题意画好光路图,找对两个角度。无论光是从空气(真空)中入射至介质中,还是从介质中入射至空气(真空)中,1均为空气(真空)中的角度。12,cv,所以n1。不同颜色的光,其频率不同,在同一介质中光速、波长、折射率皆不同。红光的频率最低,紫光的频率最高。同一介质中,频率高的色光折射率大。1.甲如图甲所示,一储油圆桶底面直径和高均为d,桶内无油时,从A点恰好看到桶底边缘上的B点,当桶内盛油的深度等于桶高的一半时,在A点沿AB方向看去,恰好看到桶底上的C点,其中BC=d。由此可求得这种油的折射率n=,
8、光在油中的传播速度v=m/s。问1:桶内无油时,从A点恰好看到桶底边缘上的B点,光沿什么路径传播?答1:直线。问2:桶内盛油的深度等于桶高一半时,在A点恰好看到桶底的C点,光沿什么路径传播?答2:折线。问3:折射率公式是什么?答3:折射率公式n=。乙【解析】桶内无油时,B点射出的光线经油桶边缘到达A点;当桶内盛油时,从C点射出的光线在油面上折射后,也沿OA方向射到A点,如图乙所示。其中CO为入射光线,OA为折射光线,则由光路可逆性和折射定律得:n=由几何关系得sin 1=, sin 2=所以 n=又因为n=,得v= m/s=1.9108 m/s。【答案】1.9108【点拨】画光路图时一定要注意
9、光的传播方向是由物体到人眼。画出一条发生折射的光线,画出法线,确定入射角和折射角,是顺利解决该题的前提。求折射率要用到折射定律,定义介质折射率时光应从真空(或空气)进入介质,有时要注意应用光路可逆性,进而可根据几何知识求得折射率。记住公式n=。拓展二:全反射全反射产生的条件是光从光密介质射入到光疏介质,且入射角大于或等于临界角。涉及的问题如:全反射是否发生、什么范围的入射光才能从介质中射出、折射光覆盖的范围分析、临界角的计算等。这些问题都需正确画出光路图,熟练应用几何知识进行分析和计算。应该注意到,光疏介质和光密介质是相对而言的;全反射本质上还是反射问题,遵守反射定律。对于多种色光的全反射问题
10、, 因为n=,n大则C小,当入射角从0逐渐增大时,频率高的色光先发生全反射,利用v=、=,可分析比较不同色光在同一介质中的光速、波长的大小。2.如图所示,光从长方体透明介质的上表面AB射入,射到侧面AD上(设AD边很长),讨论下列问题:(1)不管入射角多大,要使光均不能从AD面射出,则介质的折射率应满足什么条件?(2)当介质的折射率为n时,光可能从AD面射出,要使光真正从AD面射出,则入射角i必须满足什么条件?问1:要使光均不能从AD面射出,则角应满足什么条件?答1:角应大于或等于临界角。问2:要使光能从AD面射出,则角应满足什么条件?答2:应小于临界角。问3:产生全反射的条件是什么?答3:光
11、从光密介质射入光疏介质,入射角大于或等于临界角。【解析】(1)由折射定律得sin =cos r=要使光不可能从AD面射出,不管i多大,必须始终满足sin ,求得n因为sin i最大值为1,所以n。(2)要使光真正从AD面射出,必须满足sin ,即,所以iarcsin。【答案】(1)n(2)iarcsin【点拨】发生全反射的条件:光由光密介质进入光疏介质;入射角大于或等于临界角。对于其临界角,理论上就是光疏介质中的折射角等于90时光密介质的入射角C,所以n=,即sin C=。拓展三:双缝干涉的原理及其应用对于光的干涉问题,最重要的是需要深刻理解光的相干条件,即频率相同、振动方向相同、相位差恒定。
12、满足这些条件的两个光源叫相干光源,只有相干光源发出的光互相叠加,才能产生干涉现象,在屏上出现稳定的明暗相间的条纹。形成相干光源的方法有两种:(1)利用激光。(2)设法将同一束光分为两束(这样两束光都来源于同一个光源,因此频率必然相等)。下面4个图分别是利用双缝、楔形薄膜、空气膜、平面镜形成相干光源的示意图。在双缝干涉实验中,光屏上某点到相干光源S1、S2的路程之差为光程差,记为。若P点光程差是波长的整倍数,即=n(n=0,1,2,3,),则P点将出现亮条纹;若P点光程差是半波长的奇数倍,即=(2n+1)(n=0,1,2,3,),则P点将出现暗条纹。屏上明暗条纹之间的距离总是相等的,其距离大小x
13、与双缝之间距离d、双缝到屏的距离l及光的波长有关,即x=。在l和d不变的情况下,x和波长成正比,应用该式可测光波的波长。薄膜干涉由薄膜的前后表面反射的两列光波叠加而成,劈形薄膜干涉可产生平行相间的条纹。薄膜干涉的常见应用:增透膜;检查平整程度。3.图示是双缝干涉实验的装置,使用波长为600 nm的橙色光照射时,在光屏上的P点和P点上方的P1点恰好形成两条相邻的亮条纹。若使用波长为400 nm的紫光重复上述实验,则在P点和P1点形成明暗条纹的情况是()。A.P点和P1点都是亮条纹 B.P点是亮条纹,P1点是暗条纹C.P点是暗条纹,P1点是亮条纹D.P点和P1点都是暗条纹问1:波长为多少的光经图示
14、装置发生干涉时在P点形成亮条纹?答1:任意波长的光。问2:用波长为600 nm的光照射时,在P点和P1点形成两条相邻的亮条纹,说明什么问题?答2:说明从双缝到P1的光程差为600 nm。问3:用波长为400 nm的光照射时,P1点是亮条纹还是暗条纹?为什么?答3:暗条纹,因为光程差是其半个波长的三倍。【解析】由形成明暗条纹的条件可知,无论换成哪种波长的色光做这个实验,双缝到P点的光程差1=S1P-S2P=0所以在与光源S正对的P点总是形成亮条纹依题意,用波长为600 nm的橙色光照射时,P1点形成的亮条纹是除中心亮条纹外的第一条亮条纹,则有2=S2P1-S1P1=橙=610-7 m对紫光来说,
15、有3=2=610-7 m=3紫所以,此时在P1点将会出现暗条纹。【答案】B【点拨】能够发生干涉的两列光波叫作相干光波,产生相干光波的两个光源叫作相干光源。光波的干涉并不是两列光的简单混合,即便是同种色光,也要保证它们的频率必须相同,否则,两列光波的强度再大也不会发生干涉现象。要记住产生明暗条纹的条件和条纹宽度公式。双缝到屏上某点路程差为入射光波长的整数倍时,叠加后加强,出现亮条纹;路程差为半波长的奇数倍时,叠加后减弱,出现暗条纹。拓展四:光的衍射光在遇到障碍物时,偏离直线传播方向而照射到阴影区域的现象叫作光的衍射。衍射是波的特性,但由于可见光的波长在10-7 m数量级,而一般物体的大小比这个尺
16、度大得多,因此很难看到明显的光的衍射现象。只有当孔或障碍物的尺寸比光波波长小,或者跟光波波长差不多时,光才能发生明显的衍射现象。缝和孔的衍射现象的规律是相同的,在发生明显衍射的条件下,当缝变窄(或孔变小)时,亮斑的范围变大,条纹间距离变大,而亮度变暗。注意关于衍射的表述一定要准确,要区分能否发生衍射和能否发生明显衍射。另外,还要注意以下两个问题。(1)常见的几种衍射图样单缝衍射:中央为亮条纹,两侧有明暗相间的条纹,但间距和亮度不同。白光衍射时,中央仍为白光,最靠近中央的是紫光,最远离中央的是红光。圆孔衍射:明暗相间的不等距圆环。泊松亮斑:光照射到一个半径很小的圆板后,在圆板的阴影中心出现的亮斑
17、,这是光能发生衍射的有力证据之一。(2)双缝干涉和单缝衍射的联系与区别双缝干涉和单缝衍射的图样都是明暗相间的条纹。但双缝干涉的条纹间距是等宽的,亮度也是均匀的;而单缝衍射的条纹中央宽,两边窄,亮度分布也是中央亮两边暗。双缝干涉装置中,入射光从单缝到双缝之间的传播过程中,实际上已经发生了衍射;单缝衍射中的明暗条纹的形成,可以看成是从单缝不同位置射出的光在光屏处发生干涉,这些干涉条纹叠加后形成的就是单缝衍射的结果。所以干涉现象与衍射现象常常是同时发生的,但要注意哪个现象是主要的。4.如图所示,甲、乙两幅图都是单色光发生衍射形成的图样,则甲图是单色光通过(填“圆孔”或“圆形障碍物”)衍射形成的,而乙
18、图则是单色光通过(填“圆孔”或“圆形障碍物”)衍射形成的。丙图是某单色光入射到圆孔上,在圆孔后面的屏上形成的一个亮的圆形区域,可以判断得出,丙图中圆孔的尺寸比前两者障碍物(或孔)的尺寸要(填“大”或“小”)。问1:圆孔衍射时,屏上衍射图样的中间是什么?答1:是亮斑。问2:圆形障碍物衍射时,屏上衍射图样的中间是什么?答2:是暗斑。问3:圆形障碍物衍射时,屏上一定能形成泊松亮斑吗?答3:不一定。只有圆形障碍物很小时才可能形成泊松亮斑。【解析】圆孔衍射时,衍射图样中心是亮条纹,周围是明暗相间的条纹,因此甲图是圆孔衍射的图样。如果圆孔很大,则衍射现象不明显,屏上出现的光斑是光沿直线传播的结果,图丙即是
19、这种情况。【答案】圆孔圆形障碍物大【点拨】能够发生明显衍射的条件是障碍物或孔的尺寸比波长小或与波长相差不大。掌握衍射条纹与干涉条纹的区别是否等宽度、等亮度。同时还要记住单缝、圆孔、圆屏衍射条纹的特征。圆屏衍射中不一定出现泊松亮斑,只有圆屏很小时,才会出现泊松亮斑。光的直线传播只是一个近似规律,即衍射现象不明显的情况。拓展五:测定玻璃的折射率测定折射率的方法有很多,下面介绍几种方法。成像法(1)原理:利用水面的反射成像和水的折射成像。(2)方法:紧挨烧杯口竖直插入一直尺,在直尺的对面观察水面,能同时看到直尺在水中的部分和露出水面部分的像。若从点P看到直尺在水下最低点的刻度B的像B(折射成像)恰好
20、与直尺在水面上的刻度A的像A(反射成像)重合,读出AC、BC的长度,量出烧杯内径d,如图所示,即可求出水的折射率为n=。视深法(1)原理:利用视深公式h=。(2)方法:在一盛水的烧杯底部放一粒绿豆,在水面上方吊一根针,如图所示。调节针的位置,直到针尖在水中的像与看到的绿豆重合,测出针尖距水面的距离即为杯中水的视深h,再测出水的实际深度h,则水的折射率为n=。全反射法(1)原理:全反射现象。(2)方法:在一盛满水的大玻璃缸下面放一发光电珠,如图所示,在水面上观察,看到一圆形的发光面,量出发光面的直径D与水深h,则水的折射率为n=。注意:对液体、透明固体均可用全反射法测其折射率。插针法(1)原理:
21、光的折射现象。(2)方法:在入射光线上竖直地插上两枚大头针P1、P2,在玻璃砖射出光线一侧使大头针P3能挡住P1、P2的像,P4能挡住P1、P2的像及P3本身,这样就可以确定出射光线,从而确定玻璃砖内部折射光线的光路,即利用“插针法”来确定光路。具体的讲,是用“插针法”来确定两个界面的入射光线和出射光线。甲5.小明同学设计了一个用刻度尺测半圆形玻璃折射率的实验如图甲所示,他进行的主要步骤是:A.用刻度尺测玻璃砖的直径AB的大小d。B.先把白纸固定在木板上,将玻璃砖水平放置在白纸上,用笔描出玻璃砖的边界,将玻璃砖移走,标出玻璃砖的圆心O、直径AB、AB的法线OC。C.将玻璃砖放回白纸的原处,长直
22、尺MN紧靠A点并与直径AB垂直放置。D.调节激光器,使PO光线从玻璃砖圆弧面沿半径方向射向圆心O,并使长直尺MN的左、右两端均出现亮点,记下左侧亮点到A点的距离x1,右侧亮点到A点的距离x2。(1)小明利用实验数据计算玻璃折射率的表达式为n=。(2)关于上述实验,以下说法正确的是。A.在BOC的范围内,改变入射光PO的入射角,直尺MN上可能只出现一个亮点B.左侧亮点到A点的距离x1一定小于右侧亮点到A点的距离x2C.左侧亮点到A点的距离x1一定大于右侧亮点到A点的距离x2D.要使左侧亮点到A点的距离x1增大,应减小入射角问1:为什么要使光线PO沿半径方向射向圆心O?答1:便于确定光路。问2:为
23、什么要测量直径d以及两个亮点到A点的距离?答2:为了根据确定的光路计算折射率。问3:光线PO能在AB界面上发生全反射吗?答3:能。【解析】乙(1)画出光路图如图乙所示,折射光线交于MN上的E点,反射光线交于MN上的F点。光从光密介质射入光疏介质时,折射率等于折射角的正弦与反射角的正弦之比,即n=。(2)当入射角大于或等于临界角时,发生全反射,则只有反射光线照射到MN上,所以MN上可能只出现一个亮点,故A项正确;由图乙知,角大于角,所以左侧亮点到A点的距离总是比右侧亮点到A点的距离小,故B项正确,C项错误;要想左侧亮点到A点的距离增大,必须减小折射角,由折射率公式可知,要减小折射角,必须减小入射
24、角,故D项正确。【答案】(1)(2)ABD【点拨】测定玻璃的折射率实验的操作部分就是为了得到一条准确的光线折射的光路图,准确地画出边界及法线,确定入射角和折射角。数据处理部分是根据具体情况求折射率的,可能是通过测量角度,也可能是根据几何关系,还可能要画图像进行分析。一、物理百科激光的应用经过几十年的发展,激光技术已较为成熟,在医疗、交通、通信、军事等领域有很广泛的应用。我们试举几例做介绍。 1.医疗用激光可以治疗眼疾,如视网膜焊接、虹膜切除、角膜移植、治疗青光眼等。激光在皮肤科、五官科、妇科、肿瘤科、外科等方面也得到了应用。外科用激光作为手术刀来切割组织,其优点是可以自动止血、伤口基本无菌、伤
25、口愈合快。利用光导纤维传输激光,制成激光内窥镜来检查肠胃的病变。2.激光武器此部分内容在上节讲过,略过。3.激光通信 激光通信和无线电通信相比,具有以下优点:第一,频带宽,通信容量大,频率范围是1013 Hz1015Hz,比无线电波高105倍,比微波也高近104倍。第二,抗干扰性强,外界的电磁波因与光波频率范围不同,所以不会干扰光通信。第三,设备结构简单,投资少,使用寿命长。第四,采用光导纤维传输激光信号比用有色金属导线传输电信号成本低30%,可以节约大量金属材料。另外,激光在测距、材料加工、信息处理等方面也有广泛应用,在此不再赘述。二、备用试题1.如图所示,在两束光的交点P前,放一块长方形的
26、玻璃砖,则交点位置变化情况是()。A.不变B.向左C.向右D.可能向左、也可能向右,由光的颜色决定【解析】两条光线在透过玻璃砖后,都向外侧平移了一小段距离,所以交点向右移动一段距离。【答案】C2.下列有关光现象的说法中正确的是()。A.在光的双缝干涉实验中,若仅将入射光由紫光改为红光,则条纹间距一定变大B.以相同入射角从水中射向空气,紫光能发生全反射,红光也一定能发生全反射C.紫光与红光相比更容易发生衍射D.拍摄玻璃橱窗内的物品时,往往在镜头前加装一个偏振片以增加透射光的强度【解析】在双缝干涉实验中,条纹间距x与入射光波长成正比,所以入射光由紫光改为红光时波长增大,条纹间距x变大,A项正确。全
27、反射中的临界角为C,由sin C=可知,折射率越大,临界角越小,即紫光的临界角小于红光的临界角,所以紫光能发生全反射时,红光不一定能发生全反射,B错误。紫光波长比红光更短,红光比紫光更容易发生衍射,所以C错误。在镜头前加装偏振片是为了减弱玻璃反射的光对拍摄的负面影响,所以D错误。【答案】A3.图示为双缝干涉的实验示意图,若要使干涉条纹的间距变大可改用波长更(填“长”或“短”)的单色光,或是使双缝与光屏间的距离(填“增大”或“减小”)。【解析】依据双缝干涉条纹间距规律x=可知,要使干涉条纹的间距变大,可改用波长更长的单色光,或增大双缝与光屏之间的距离。【答案】长增大甲4.如图甲所示,一个三棱镜的截面为等腰直角三角形ABC,A为直角。此截面所在平面内的光线沿平行于BC边的方向射到AB边,进入棱镜后直接射到AC边上,并刚好能发生全反射。该棱镜材料的折射率为()。A. B. C. D.乙【解析】如图乙所示,根据折射率定义有sin 1=nsin 2,nsin 3=1,已知1=45,2+3=90,解得n=。【答案】A- 11 - 版权所有高考资源网
