2019-2020學(xué)年高中物理 第13章 7 光的顏色 色散 8 激光學(xué)案 新人教版選修3-4

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1、7　光的顏色　色散 8　激光 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.知道光的色散現(xiàn)象，知道白光是由多種色光組成的.2.理解薄膜干涉中的色散現(xiàn)象，并了解薄膜干涉的應(yīng)用．(重點(diǎn))3.理解光折射時(shí)的色散現(xiàn)象，知道同一介質(zhì)對(duì)不同色光的折射率不同．(重點(diǎn)、難點(diǎn))4.了解激光的特性和應(yīng)用，應(yīng)用激光觀察全息照片． 一、光的顏色和色散 1．光的顏色與波長(zhǎng)：不同顏色的光，波長(zhǎng)不同． 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． 4．幾種色散現(xiàn)象 (1)薄膜干涉中的色散 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

2、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)，在薄膜的不同位置，前后兩個(gè)面的反射光的路程差不同，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，兩列波相遇后被相互削弱，于是出現(xiàn)暗條紋． (2)衍射時(shí)的色散 用白光做衍射實(shí)驗(yàn)時(shí)，得到的條紋是彩色的．這是因?yàn)檠苌鋾r(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．這種現(xiàn)象是光在衍射時(shí)的色散． (3)折射時(shí)的色散 如圖說(shuō)明白光通過(guò)棱鏡折射后，由上到下的色光順序?yàn)椋杭t、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫，這說(shuō)明白光是由七色光組成的． 二、激光 1．激光的特點(diǎn)

3、及應(yīng)用 性質(zhì) 應(yīng)用 相干性：激光具有頻率相同、相位差恒定、偏振方向一致的特點(diǎn)，具有高度的相干性 光纖通信 平行度：激光的平行度非常好，傳播很遠(yuǎn)的距離仍能保持一定的強(qiáng)度 激光測(cè)距，讀取光盤上記錄的信息等 亮度高：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 2.全息照相 (1)與普通照相技術(shù)的比較 普通照相技術(shù)所記錄的只是光波的強(qiáng)弱信息，而全息照相技術(shù)還記錄了光波的相位信息． (2)原理：全息照片的拍攝利用了光的干涉原理． 1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”) (1)色散現(xiàn)象表明白光是復(fù)色光

4、． (√) (2)單色光通過(guò)棱鏡后也能發(fā)生色散． (×) (3)某單色光在不同介質(zhì)中傳播時(shí)光的頻率、波長(zhǎng)均不同． (×) (4)激光可以進(jìn)行光纖通信是利用了相干性好的特點(diǎn)． (√) (5)激光可用做“光刀”來(lái)切開皮膚是利用激光的相干性好． (×) 2．豎直的肥皂膜在單色光的照射下，表面會(huì)形成明暗相間的條紋，下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．干涉條紋基本上是豎直的 B．干涉條紋基本上是水平的 C．干涉條紋的產(chǎn)生是由于光在肥皂膜前后表面上反射的兩列波疊加的結(jié)果 D．干涉條紋是彩色的 E．若改用白光照射則干涉條紋是彩色的 BCE　[薄膜干涉條紋的產(chǎn)生是薄膜的前表面與后表面反射來(lái)的

5、光疊加所產(chǎn)生的，同一明條紋或同一暗條紋應(yīng)出現(xiàn)在膜的厚度相同的地方，同一水平高度處，膜的厚度相同，所以條紋基本是水平的，由于光是單色光，故不會(huì)發(fā)生色散．故正確答案為B、C、E.] 3．關(guān)于激光的應(yīng)用，下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．光纖通信是應(yīng)用激光相干好的特點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，使其在光導(dǎo)纖維中進(jìn)行信息傳遞 B．計(jì)算機(jī)內(nèi)用“磁頭”可讀出光盤上記錄的信息是應(yīng)用了激光平行度好的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行的 C．醫(yī)學(xué)中用激光作“光刀”來(lái)切除腫瘤是應(yīng)用了激光亮度高的特點(diǎn) D．“激光測(cè)距雷達(dá)”利用激光測(cè)量很遠(yuǎn)目標(biāo)的距離是應(yīng)用了激光亮度高的特點(diǎn) E．激光打孔是應(yīng)用了激光相干性好的特點(diǎn) ABC　[光纖通信主要利用

6、激光的相干性好的特點(diǎn)，選項(xiàng)A正確；計(jì)算機(jī)內(nèi)的“磁頭”可讀出光盤上的信息主要應(yīng)用了激光的平行度好的特點(diǎn)，選項(xiàng)B正確；醫(yī)療中用激光作“光刀”和工業(yè)上用激光打孔都是利用了激光的亮度高的特點(diǎn)，選項(xiàng)C正確，E錯(cuò)誤；激光測(cè)距利用的是激光的平行度好的特點(diǎn)，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．] 光的顏色和色散 1．對(duì)光的顏色的理解 不同顏色的光，波長(zhǎng)不同，頻率不同，而同種顏色的光在不同介質(zhì)中折射率不同，速度和波長(zhǎng)均不相同，但頻率相同，因此說(shuō)光的顏色是由頻率決定的，而不是由波長(zhǎng)決定的． 2．棱鏡對(duì)光線傳播方向的改變 (1)正確畫好光線通過(guò)棱鏡的光路圖，如圖甲所示． (2)棱鏡成像的畫法，如圖乙所示． 3

7、．各種色光特性的比較 各種色光 紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫 頻率 小→大 折射率 小→大 經(jīng)三棱鏡折射時(shí)的偏折角 小→大 波長(zhǎng) 長(zhǎng)→短 介質(zhì)中的波速 大→小 雙縫干涉的條紋間距 大→小 薄膜干涉的條紋間距 大→小 4．雙縫干涉中的色散 用不同的單色光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，得到的條紋之間的距離不一樣，但都是明暗相間的單色條紋．由Δx＝λ知，紅光波長(zhǎng)最長(zhǎng)，Δx最大，紫光波長(zhǎng)最短，Δx最?。? 白光干涉時(shí)的條紋是彩色的，可見(jiàn)，白光是由多種色光組成的復(fù)色光，發(fā)生干涉時(shí)，白光發(fā)生了色散現(xiàn)象． 【例1】　(單選)如圖所示，一束白光通過(guò)玻璃棱鏡發(fā)生色散現(xiàn)象，下列說(shuō)法正確的是(

8、　　) A．紅光的偏折最大，紫光的偏折最小 B．紅光的偏折最小，紫光的偏折最大 C．玻璃對(duì)紅光的折射率比紫光大 D．玻璃中紫光的傳播速度比紅光大 B　[玻璃對(duì)頻率不同的各種色光的折射率不同，在可見(jiàn)光中，對(duì)紅光的折射率最小，對(duì)紫光的折射率最大．因此在空氣和玻璃的第一個(gè)界面上，雖然各單色光入射角相同，但各單色光的折射角不同，由n＝可知，紅光的折射角最大，紫光的折射角最?。诹硪粋€(gè)界面上，光由玻璃進(jìn)入空氣，根據(jù)光路的可逆性可知，紫光的折射角最大，紅光的折射角最?。蒼＝可知，可見(jiàn)光中紅光在玻璃中的傳播速度最大．] 同種介質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)單色光的折射率不同，折射率由小到大的順序是紅、

9、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫．根據(jù)真空中光速相同，即c＝λf，可知不同單色光波長(zhǎng)由大到小的順序是紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫． 1.如圖所示，一個(gè)小的光源S發(fā)出白光，棱鏡分光，若人沿著折射光線的反方向觀察，通過(guò)棱鏡可以看到(　　) A．白光點(diǎn) B．光點(diǎn)上部紅色，下部紫色 C．光點(diǎn)上部紫色，下部紅色 D．看到的光點(diǎn)比實(shí)際光源的位置高 E．看到的光點(diǎn)是光源的虛像 CDE　[由于各種單色光中，紫光的折射率最大，偏折角也最大，成的像最高，紅光的折射率最小，偏折角也最小，成的像最低．] 薄膜干涉現(xiàn)象及應(yīng)用 1．薄膜干涉中相干光的光源 一列光在膜的前表面和后表面分別反射，如

10、同由前、后表面反射出來(lái)的兩列完全相同的光，滿足相干條件． 2．薄膜干涉的成因 如圖所示，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． 3．薄膜干涉中應(yīng)注意的三個(gè)問(wèn)題 (1)觀察的是從膜前、后兩表面反射回來(lái)的光，不是透過(guò)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(shí)，某一位置紅光得到加強(qiáng)，其他顏色的

11、光就被削弱，故在此位置看到的是紅色，而另一位置則會(huì)看到黃色等其他顏色，因此，用白光做這個(gè)實(shí)驗(yàn)看到的將是彩色條紋；而在單色光照射下，則會(huì)出現(xiàn)明、暗相間的條紋． (3)每一條紋呈現(xiàn)水平分布，各條紋按豎直方向排列． 4．薄膜干涉在技術(shù)上的應(yīng)用 (1)用干涉法檢查平面 如圖所示，兩板之間形成一層空氣膜，用單色光從上向下照射，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．如果被檢測(cè)平面是光滑的，得到的干涉圖樣必是等間距的．如果某處凹下，則對(duì)應(yīng)明條紋(或暗條紋)提前出現(xiàn)，如圖(a)所示；如果某處凸起來(lái)，則對(duì)應(yīng)條紋延后出現(xiàn)，如圖(b)所示(注：“提前”與“延后”不是指在時(shí)間上，而是指由左向右

12、的順序位置上)． (2)增透膜的應(yīng)用 在光學(xué)儀器中，為了減少光在光學(xué)元件(透鏡、棱鏡)表面的反射損失，可用薄膜干涉相消來(lái)減少反射光，如照相機(jī)、測(cè)距儀、潛望鏡上用的光學(xué)元件表面為了減少光的反射損失都鍍上了一層介質(zhì)薄膜(氟化鎂)，使薄膜的厚度是入射光在薄膜中波長(zhǎng)的，這樣反射回來(lái)的兩列光波經(jīng)過(guò)的路程差恰好等于半個(gè)波長(zhǎng)，它們疊加后相互抵消，從而減少了光學(xué)元件表面反射造成的光能損失，增強(qiáng)了透射光的能量，故稱為增透膜． 【例2】　如圖甲所示，用平行單色光照射透明標(biāo)準(zhǔn)樣板來(lái)檢查零件表面的情況，觀察到如圖乙所示的條紋，這說(shuō)明被檢查平面的條紋彎曲處是________(填“凹”或“凸”)的，該方法檢查

13、平面測(cè)量的精度可達(dá)________m. [解析]　因?yàn)橥粭l亮(暗)紋上各處空氣厚度相同，由墊片位置和彎曲方向可知，彎曲處的空氣層厚度應(yīng)該比同一條紋上其他位置的空氣層厚度小，而現(xiàn)在實(shí)際上是一樣厚度，可見(jiàn)，該處一定存在凹陷．干涉法檢查平面精確度很高，可達(dá)10－8 m. [答案]　凹　10－8 被測(cè)平面凹下或凸起的形象判斷法 被測(cè)平面凹下或凸起的形象判斷法——矮人行走法．即把干涉條紋看成“矮人”的行走軌跡．讓一個(gè)小矮人在兩板間沿著一條條紋直立行走，始終保持腳踏被測(cè)板，頭頂樣板，在行走過(guò)程中：若遇一凹下，他必向薄膜的尖端去繞，方可按上述要求過(guò)去，即條紋某處彎向薄膜尖端，該處為一凹下；

14、若遇一凸起，他必向薄膜的底部去繞，方可按上述要求過(guò)去，即條紋某處彎向薄膜底部，該處為一凸起． 2．劈尖干涉是一種薄膜干涉，其裝置如圖甲所示．將一塊平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夾入兩張紙片，從而在兩玻璃表面之間形成一個(gè)劈形空氣薄膜．當(dāng)光垂直入射后，從上往下看到的干涉條紋如圖乙所示．干涉條紋有如下特點(diǎn)： (1)任意一條明條紋或暗條紋所在位置下面的薄膜厚度相等． (2)任意相鄰明條紋或暗條紋所對(duì)應(yīng)的薄膜厚度差恒定． 現(xiàn)將甲圖裝置中的紙片抽去一張，則當(dāng)光垂直入射到新的劈形空氣薄膜后，則條紋(　　) A．變疏　　　B．變密　　　C．不變　　　D．消失 A　[根據(jù)形成

15、明條紋的條件可知，相鄰明條紋對(duì)應(yīng)的路程差等于入射光的波長(zhǎng)．抽去一張紙片，樣板的傾角變小，要使相鄰明條紋對(duì)應(yīng)的路程差仍等于入射光的波長(zhǎng)，則樣板上條紋間的距離將會(huì)增大，即干涉條紋將變疏．] 激光 1．激光的相干性好 所謂相干性好，是指容易產(chǎn)生干涉現(xiàn)象．普通光源發(fā)出的光(即使是所謂的單色光)頻率是不一樣的，而激光器發(fā)出的激光的頻率幾乎是單一的，并且滿足其他的相干條件．所以，現(xiàn)在我們做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，無(wú)需在雙縫前放一個(gè)單縫，而是用激光直接照射雙縫，就能得到既明亮又清晰的干涉條紋．利用相干光易于調(diào)制的特點(diǎn)，傳輸信息，所能傳遞的信息密度極高，一條細(xì)細(xì)的激光束通過(guò)光纜可以同時(shí)傳送一百億路電話和

16、一千萬(wàn)套電視，全國(guó)人民同時(shí)通話還用不完它的通訊容量，而光纖通信就必須借助激光技術(shù)才能發(fā)展． 2．激光的平行度非常好 與普通光相比，傳播相同距離的激光束的擴(kuò)散程度小，光線仍能保持很大的強(qiáng)度，保持它的高能量，利用這一點(diǎn)可以精確測(cè)距．現(xiàn)在利用激光測(cè)量地月距離的精確度已達(dá)到1 m. 3．激光的亮度非常高 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．如果把強(qiáng)大的激光束會(huì)聚起來(lái)，可使物體被照部分在千分之一秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生幾千萬(wàn)度的高溫．不能直接照射眼睛，否則會(huì)傷害眼睛． 4．激光單色性很好 激光的頻率范圍極窄，顏色幾乎是完全一致的． 【例3】　準(zhǔn)分子激光器利用氬氣和氟氣的混合物產(chǎn)生激光刀，

17、可用于進(jìn)行近視眼的治療．用這樣的激光刀對(duì)近視眼進(jìn)行手術(shù)，手術(shù)時(shí)間短、效果好、無(wú)痛苦．關(guān)于這個(gè)治療，以下說(shuō)法中正確的是(　　) A．近視眼是物體成像在眼球中的視網(wǎng)膜的前面，使人不能看清物體 B．激光具有很好的方向性，用激光刀可以在非常小的面積上對(duì)眼睛進(jìn)行手術(shù) C．激光治療近視眼手術(shù)是對(duì)視網(wǎng)膜進(jìn)行修復(fù) D．激光治療近視眼手術(shù)是對(duì)角膜進(jìn)行切削 E．激光治療近視眼手術(shù)是利用激光的相干性好 ABD　[激光手術(shù)是物理技術(shù)用于臨床醫(yī)學(xué)的最新成果．人的眼睛是一個(gè)光學(xué)成像系統(tǒng)，角膜和晶狀體相當(dāng)于一個(gè)凸透鏡，物體通過(guò)凸透鏡成像在視網(wǎng)膜上，人就能看清楚物體．當(dāng)角膜和晶狀體組成的這個(gè)凸透鏡的焦距比較小，物

18、體成像在視網(wǎng)膜的前面時(shí)，人就不能看清物體，這就是近視眼，A對(duì)；激光具有很好的方向性，用激光刀可以在非常小的面積上對(duì)眼睛進(jìn)行手術(shù)，B對(duì)，E錯(cuò)；激光手術(shù)不是修復(fù)視網(wǎng)膜，而是對(duì)角膜進(jìn)行切削，改變角膜的形狀，使眼球中的凸透鏡的焦距適當(dāng)變大，物體經(jīng)過(guò)角膜和晶狀體后成像在視網(wǎng)膜上，C錯(cuò)、D對(duì)．] 3．激光全息照片的底片上記錄了光的干涉條紋，含有被拍攝物體反射的光的所有信息，實(shí)現(xiàn)了照片的立體性．若照相時(shí)，被攝物體被擋住一部分，通過(guò)調(diào)整視線仍可看見(jiàn)被擋部分．照片被切開成兩半，從一半上仍可看到物體的全像，照片就像一個(gè)觀察物體的窗口．激光全息照相利用了激光________的性質(zhì)． [解析]　全息照相利用激

19、光的頻率單一、相干性好的特點(diǎn)，使參考光和物光有很高的相干性，拍攝立體照片． [答案]　相干性好 激光的特點(diǎn)及其應(yīng)用 特點(diǎn) 作用 應(yīng)用實(shí)例 相干光 可進(jìn)行調(diào)制、傳遞信息 光纖通信、全息照相 平行度 非常好 傳播很遠(yuǎn)距離仍能保持一定強(qiáng)度，可精確測(cè)距、測(cè)速 激光雷達(dá) 平行度 非常好 可會(huì)聚于很小的一點(diǎn)，記錄信息密度高 DVD機(jī)、CD唱機(jī)、計(jì)算機(jī)的光驅(qū) 亮度高 可在很小空間、短時(shí)間內(nèi)集中很大能量 激光切割、焊接、打孔、醫(yī)療手術(shù) 亮度高 產(chǎn)生高壓引起核聚變 人工控制聚變反應(yīng) 課 堂 小 結(jié) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.光的色散現(xiàn)象，白光是由多種色光組成的． 2．棱鏡折射時(shí)的色散現(xiàn)象，同一種介質(zhì)對(duì)不同色光的折射率不同． 3．薄膜干涉能產(chǎn)生色散． 4．激光的特性和應(yīng)用，全息照相的原理. - 9 -