(共34张PPT)
1 光的折射
第四章
2021
学习目标
思维导图
1.理解光的折射定律、折射率的物理意义,知道折射率与光速的关系
(物理观念)
2.会根据光的折射定律作出光路图,并能用来解释和计算有关问题
(科学思维)
课前篇
自主预习
[自主阅读]
一、折射定律
1.光的折射
一般来说,光从第1种介质射到该介质与第2种介质的分界面时,一部分光会返回到第1种介质,这个现象叫作光的反射;另一部分光会进入第2种介质,这个现象叫作光的折射。
2.折射定律
(1)内容:折射光线与入射光线、法线处在同一平面内,折射光线与入射光线分别位于法线的两侧;入射角的正弦与折射角的正弦成正比。
(3)在光的折射现象中,光路是可逆的。
二、折射率
1.概念
光从真空射入某种介质发生折射时,入射角的正弦与折射角的正弦之比,叫作这种介质的绝对折射率,简称折射率,用符号n表示。
2.物理意义
折射率是一个与介质有关的常数,反映介质的光学性质。常数越大,光线以相同入射角从真空斜射入这种介质时偏折的角度越大。
3.折射率的特点
(1)任何介质的折射率都大于1,真空的折射率为1,空气的折射率近似为1。
(2)折射率等于光在真空中的传播速度c与光在这种介质中的传播速度v之比,即
。
[自我检测]
1.正误判断
(1)光从一种介质进入另一种介质时传播方向就会变化。( )
解析
如果光垂直分界面入射时,光的传播方向就不会变化。
答案
×
(2)介质的密度越大,其折射率一定也越大。( )
解析
介质的折射率与介质的密度没有必然联系,密度大,其折射率不一定大。
答案
×
(3)光从真空斜射入任何介质时,入射角均大于折射角。( )
答案
√
(4)折射定律是确定折射光线位置的规律。( )
答案
√
(5)光的折射率随入射角增大而增大。( )
答案
×
2.(多选)关于光的反射与折射,下列说法正确的是( )
A.光发生反射时,光的传播方向不一定改变
B.光发生反射时,光的传播方向可能偏转90°
C.光发生反射时,光的传播方向一定改变
D.光发生折射时,一定伴随着反射现象
解析
光发生反射时,光的传播方向一定发生改变,且可以改变90°,A项错,B、C两项对;发生折射时,一定伴随着反射现象,但有反射现象,不一定有折射现象,D项对。
答案
BCD
3.若某一介质的折射率较大,那么光在该介质中的速度较 。?
解析
由
可知,介质的折射率越大,光在该介质中的速度越小。
答案
小
课堂篇
探究学习
问题一
对光的折射现象、折射定律的理解
[情境探究]
有经验的渔民叉鱼时,不是正对着看到的鱼去叉,而是对着所看到鱼的下方叉。你知道这是为什么吗?
要点提示
从鱼身上反射的光线由水中进入空气时,在水面上发生折射,折射角大于入射角,折射光线进入人眼,眼睛看到的是鱼的虚像,在鱼的上方,所以叉鱼时要瞄准像的下方,如图所示。
[知识归纳]
1.对折射现象的理解
(1)特殊情况:当光垂直于界面入射时,光的传播方向不变,但光速变了,因此也属于折射。
(2)光线的偏折方向:光线从折射率小的介质斜射入折射率大的介质,折射光线向法线偏折,反之将偏离法线。
(3)光路可逆性:光由介质射入空气或真空时,折射角θ2大于入射角θ1。根据光路可逆,可认为光由空气或真空以入射角θ2入射,对应的折射角为θ1。
2.对折射定律的理解
(1)“同面内”:“折射光线与入射光线、法线在同一平面内”,这句话大体上说明了三线的空间位置。
(2)“线两旁”:“折射光线与入射光线分居在法线两侧”,这句话把折射光线的位置又进一步确定,使得折射光线的“自由度”越来越小。
(3)“成正比”:“入射角的正弦与折射角的正弦成正比”,即
=n,折射角r随入射角i的变化而变化,入射角i的正弦与折射角r的正弦之比是定值,当入射光线的位置、方向确定时,折射光线的位置、方向就唯一确定了。
光的折射定律是光从一种介质射向另一种介质中时,在传播过程中遵循的必然规律。
[典例剖析]
例题1如图所示,一小孩站在宽6
m的河边,在他正对面的岸边有一距离河面高度为3
m的树,树的正下方河底有一块石头,小孩向河面看去,可同时看到树顶和石头两者的像,并发现两个像重合,若小孩的眼睛离河面高为1.5
m,河水的折射率为
,试估算河水深度。
解析
树顶反射和石头折射成像的光路图如图所示
答案
5.3
m
规律方法
解决光的折射问题的方法
(1)根据题意准确、规范地画出光路图,确定好界面和法线。
(2)利用几何关系确定光路图中的边、角关系。
(3)利用折射定律
,折射率公式列式求解,必要时可利用光路可逆原理辅助解题。
变式训练1(2020辽宁抚顺高二期末)如图所示,扇形透明介质AOB的半径为R,圆心角为45°,单色光沿平行OB的方向从C点入射介质,C点到OB的距离H=
,该介质的折射率n=
。光在AB面的入射角的正弦值为( )
解析
答案
B
问题二
对折射率的理解
[情境探究]
下表是在探究光由真空射入某种透明介质发生折射时得到的实验数据,请在表格基础上思考以下问题:
入射角i
折射角r
10°
6.7°
1.50
1.49
20°
13.3°
1.50
1.49
30°
19.6°
1.53
1.49
40°
25.2°
1.59
1.51
50°
30.7°
1.63
1.50
60°
35.1°
1.71
1.51
70°
38.6°
1.81
1.50
80°
40.6°
1.97
1.51
(1)随着入射角的增大,折射角怎样变化?
(2)当入射角与折射角发生变化时,有没有保持不变的量?
要点提示
(1)折射角增大。
(2)在误差允许的范围内,
保持不变。
[知识归纳]
1.折射率的含义:(1)当光由真空射入某种介质时,入射角、折射角以及它们的正弦值是可以改变的,但入射角与折射角正弦值的比值是一个常数,即介质的折射率。
(2)不同介质具有不同的常数,说明折射率反映了该介质的光学特性。
2.折射率与光速的关系:(1)光在介质中的传播速度v跟介质的折射率n有关,即
。(2)由于光在真空中的传播速度c大于光在任何其他介质中的传播速度v,所以任何介质的折射率n都大于1。
3.决定因素:(1)由介质本身及光的性质共同决定,不随入射角、折射角的变化而变化。(2)同一介质对不同颜色的光的折射率不同,按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫顺序依次增大。
[典例剖析]
例题2光线以60°的入射角从空气射入玻璃中,折射光线与反射光线恰好垂直。(真空中的光速c=3.0×108
m/s)
(1)画出折射光路图;
(2)求出玻璃的折射率和光在玻璃中的传播速度大小;
(3)当入射角变为45°时,折射角的正弦值是多大?
(4)当入射角增大或减小时,玻璃的折射率是否变化?
解析
(1)由题意知入射角θ1=60°,反射角θ'=60°,折射角
θ2=180°-60°-90°=30°,光路图如图所示。
(4)折射率不会变化,折射率由介质和入射光线的频率决定,跟入射角的大小无关。
规律方法
解决折射率问题的注意点
(1)在求折射率的问题上,要分清楚入射角与折射角。若光从真空斜射入介质,则
;若光从介质斜射入真空,则
,其中θ1、θ2分别为入射角和折射角。
(2)所有介质的折射率都大于1。
变式训练2如图所示,一束激光垂直于AC面照射到等边玻璃三棱镜的AB面上。已知AB面的反射光线与折射光线的夹角为90°。光在真空中的传播速度为c。求:
(1)玻璃的折射率;
(2)激光在玻璃中传播的速度。
解析
(1)
当堂检测
1.关于折射率,下列说法正确的是( )
解析
某种介质的折射率只与介质本身有关,与角度无关,选项A错误;介质的折射率都大于1,选项B错误;由
可知,选项C正确,D错误。
答案
C
2.(多选)关于光的折射,下列说法错误的是( )
A.折射光线一定在法线和入射光线所确定的平面内
B.入射光线和法线与折射光线不一定在一个平面内
C.入射角总大于折射角
D.光线从空气斜射入玻璃时,入射角大于折射角
解析
根据折射定律,入射光线、折射光线和法线一定在同一平面内,选项B错误;入射角不一定总大于折射角,选项C错误。
答案
BC
3.(多选)如图所示,光在真空和某介质的界面MN上发生偏折,那么下列说法正确的是( )
A.光是从真空射向介质
B.介质的折射率约为1.73
C.光在介质中的传播速度约为1.73×108
m/s
D.反射光线与折射光线成60°
答案
BC
4.(2021山东临沂高二期末)如图所示,一个储油桶的底面直径与高均为d。当桶内没有油时,从点A恰能看到桶底边缘的点B。当桶内油的深度等于桶高的一半时,仍沿AB方向看去,恰好看到桶底上的点C,C、B两点相距
,求:
(1)油的折射率;
(2)光在油中传播的速度大小。
解析
(1)因为底面直径与桶高相等
所以∠AON=∠BON'=45°
答案
(1)1.58 (2)1.9×108
m/s(共34张PPT)
2 全反射
第四章
2021
学习目标
1.知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念(物理观念)
2.理解全反射的条件,能计算有关问题和解释相关现象(科学思维)
3.了解光导纤维的工作原理和光导纤维在生产、生活中的应用(科学态度与责任)
思维导图
课前篇
自主预习
[自主阅读]
一、全反射
1.光密介质和光疏介质
对于折射率不同的两种介质,折射率较大的叫光密介质,折射率较小的叫光疏介质。
2.全反射
当光从光密介质射入光疏介质时,同时发生折射和反射。如果入射角逐渐增大,折射光离法线会越来越远,而且越来越弱,反射光却越来越强。当入射角增大到某一角度,使折射角达到90°时,折射光完全消失,只剩下
反射光,这种现象叫作全反射,这时的入射角叫作临界角。
3.临界角C与折射率n的关系
(1)定量关系:光从介质射入空气(真空)时,
(2)定性关系:介质的折射率越大,发生全反射的临界角越小,越容易发生全反射。
4.全反射的条件
必须同时具备以下两个条件:
(1)光从光密介质射入光疏介质。
(2)入射角等于或大于临界角。
二、全反射棱镜和光导纤维
1.全反射棱镜
截面为等腰直角三角形的玻璃棱镜,当光线垂直任意一个表面射入时,在棱镜内部都能发生全反射,所以这样的棱镜叫全反射棱镜。
2.光导纤维
(1)工作原理:光在有机玻璃棒内发生全反射,沿锯齿形路线传播。
(2)构造:由内芯和外套两层组成,内芯的折射率比外套的大,光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。
(3)用途:传递声音、图像及各种数字信号,实现光纤通信。
[自我检测]
1.正误判断
(1)密度大的介质就是光密介质,密度小的介质就是光疏介质。( )
解析
光密与光疏是从介质的光学特征上来讲的,与密度大小无关。
答案
×
(2)光从空气射入水中时可能发生全反射现象。( )
答案
×
(3)光纤一般由折射率小的玻璃内芯和折射率大的外层透明介质组成。( )
答案
×
(4)光纤通信有传输容量大的特点。( )
答案
√
2.(多选)若水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分别为1.33、1.55、1.60和1.63,光按以下几种方式传播,可能发生全反射的是( )
A.从玻璃射入水晶
B.从水射入二硫化碳
C.从玻璃射入水
D.从水晶射入水
解析
发生全反射的条件之一是光从光密介质射入光疏介质,光密介质折射率较大,故A、C、D正确。
答案
ACD
3.光纤通信中信号传播的主要载体是光导纤维,它的结构如图所示,其内芯和外套材料不同,光在内芯中传播。内芯的折射率比外套的 ,光传播时在内芯与 的界面上发生全反射。?
解析
光纤内芯比外套折射率大,在内芯与外套的界面上发生全反射。
答案
大 外套
课堂篇
探究学习
问题一
对全反射的理解
[情境探究]
夏季的早晨,从某一方向看植物叶子上的露珠会格外明亮,玻璃中的气泡从侧面看也是特别明亮,这是什么道理呢?
要点提示
一部分光发生了全反射,有更多的光反射到人的眼睛中,人就会感觉特别明亮。
[知识归纳]
1.对光疏介质和光密介质的理解
(1)光疏介质和光密介质的比较:
(2)相对性:光疏介质、光密介质是相对的。任何两种透明介质都可以通过比较光在其中传播速度的大小或折射率的大小来判断谁是光疏介质或光密介质。
(3)光疏和光密是从介质的光学特性来说的,并不是它的密度大小。例如,酒精的密度比水小,但酒精和水相比,酒精是光密介质。
比较项目
光的传播速度
折射率
光疏介质
大
小
光密介质
小
大
2.全反射现象
(1)全反射的条件:
①光由光密介质射向光疏介质。
②入射角大于或等于临界角。
(2)全反射遵循的规律:发生全反射时,光全部返回原介质,入射光与反射光遵循光的反射定律,由于不存在折射光线,光的折射定律不再适用。
(3)从能量角度来理解全反射:当光从光密介质射入光疏介质时,随着入射角增大,折射角也增大。同时折射光线强度减弱,即折射光线能量减小,反射光线强度增强,能量增加,当入射角达到临界角时,折射光线强度减弱到零,反射光的能量等于入射光的能量。
3.不同色光的临界角
不同颜色的光由同一介质射向空气或真空时,频率越高的光的临界角越小,越易发生全反射。
[典例剖析]
例题1(多选)(2021浙江高二月考)截面为等腰直角三角形的三棱镜如图甲所示。DE为嵌在三棱镜内部紧贴BB'C'C面的线状单色可见光光源,DE与三棱镜的ABC面垂直,D位于线段BC的中点。图乙为图甲中ABC面的正视图。三棱镜对该单色光的折射率为
,只考虑由DE直接射向侧面AA'C'C的光线。下列说法正确的是( )
A.光从AA'C'C面出射的区域占该侧面总面积的
B.光从AA'C'C面出射的区域占该侧面总面积的
C.若三棱镜的折射率变小,AA'C'C面有光出射的区域面积将增大
D.若三棱镜的折射率变小,AA'C'C面有光出射的区域面积将减小
解析
由题意可知sin
C=
,可知临界角为45°,因此从D点发出的光,竖直向上从M点射出的光线恰好是出射光线的边缘,同时C点也恰好是出射光线的边缘,如图所示,因此光线只能从MC段射出,根据几何关系可知,M恰好为AC的中点,因此在AA'C'C平面上有一半的面积有光线出射,
A正确,B错误;折射率变小,导致临界角会增大,这时M点上方也会有光线出射,因此出射光线区域的面积将增大,C正确,D错误。
答案
AC
规律总结求解全反射问题的思路
1.求解全反射问题的步骤
(1)确定光是由光疏介质射入光密介质还是由光密介质射入光疏介质。
(2)若光由光密介质射入光疏介质,则根据
确定临界角,看是否发生全反射。
(3)根据题设条件,画出入射角等于临界角的“临界光路”。
(4)运用几何关系、三角函数关系、反射定律等进行判断推理,从而进行动态分析或定量计算。
2.求光线照射的范围时,关键是找出边界光线,刚好能发生全反射时的临界光线就是一条边界光线。确定边界光线时,关键是确定光线在什么位置时入射角等于临界角。
变式训练1(2021浙江高二期末)
如图所示,一半径为R的玻璃半球,折射率为1.5,现有一束均匀的平行光垂直入射到整个半球的底面上,进入玻璃半球的光线中不能直接从半球面出射的光线所占的百分比为多少?
答案
55.6%
问题二
全反射的应用
[情境探究]
在桌子上放一枚硬币,取一只玻璃杯,里面盛满水,然后把玻璃杯压在硬币上。从杯壁看去,硬币不见了。但是从杯口向下望,硬币还在那里。这是什么原理?
要点提示
全反射。
[知识归纳]
1.光导纤维的构造及传播原理
光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝,直径只有1~100
μm。如图所示,它是由内芯和外套两层组成,内芯的折射率大于外套的折射率,光由一端进入,在两层的界面上经过多次全反射,从另一端射出。光导纤维可以远距离传输光,光信号又可以转换成电信号,进而变为声音、图像以及各种数字信号。如果把许多(上万根)光导纤维合成一束,并使两端的纤维按严格相同的次序排列,就可以传输图像。
2.全反射棱镜
全反射棱镜是利用全反射改变光路以便于观察。
在图甲中的等腰直角三角形ABC表示一个全反射棱镜的横截面,它的两直角边AB和BC表示棱镜上两个互相垂直的侧面。如果光线垂直地射到AB面上,光在棱镜内会沿原来的方向射到AC面上。由于入射角(45°)大于光从玻璃射入空气的临界角(42°),光会在AC面上发生全反射,沿着垂直于BC的方向从棱镜射出(图甲)。如果光垂直地射到AC面上(图乙),沿原方向射入棱镜后,在AB、BC两面上都会发生全反射,最后沿着与入射时相反的方向从AC面上射出。在光学仪器里,常用全反射棱镜来代替平面镜,改变光的传播方向。图丙是全反射棱镜应用在潜望镜里的光路图。
[典例剖析]
例题2
如图所示,AB为一直光导纤维,AB之间距离为s,使一光脉冲信号从光导纤维中间入射,射入后在光导纤维内芯与外套的界面上恰好发生全反射,由A点传输到B点所用时间为t,求光导纤维所用材料的折射率n。
要点笔记
光导纤维是全反射现象的应用,其构造由内芯和外套组成,内芯的折射率大于外套。与此题相关的一类求极值的问题,极值存在的条件均与全反射临界角有关。
变式训练2空气中两条光线a和b从方框左侧入射,分别从方框下方和上方射出,其框外光线如图甲所示。方框内有两个折射率n=1.5的玻璃全反射棱镜。图乙给出了两棱镜四种放置方式的示意图,其中能产生图甲效果的是( )
甲
乙
解析
四个选项产生的光路效果如图所示。
则可知选项B正确。
答案
B
当堂检测
1.光在某种介质中传播的速度为1.5×108
m/s,光从此介质射向空气并发生全反射时的临界角是( )
A.15°
B.30°
C.45°
D.60°
答案
B
2.关于光纤的下列说法正确的是( )
A.光纤是由高级金属制成的,所以它比普通电线容量大
B.光纤是非常细的特制玻璃丝,但导电性能特别好,所以它比普通电线衰减小
C.光纤是非常细的特制玻璃丝,由内芯和外套两层组成,光纤是利用全反射原理来实现光的传导的
D.在实际应用中,光纤必须呈笔直状态,因为弯曲的光纤是不能传导光的
解析
光导纤维的作用是传导光,它是直径为几微米到一百微米之间的特制玻璃丝,且由内芯和外套两层组成,内芯的折射率比外套的大。载有声音、图像及各种数字信号的激光传播时,在内芯和外套的界面上发生全反射,光纤具有容量大、衰减小、抗干扰性强等特点。在实际应用中,光纤是可以弯曲的,选项C正确。
答案
C
3.某种介质相对空气的折射率是
,一束光从该介质射向空气,入射角是60°,则下列光路图正确的是(图中Ⅰ为空气,Ⅱ为介质)( )
解析
由题意知,光由光密介质射向光疏介质,由
,得C=45°<60°,故在两介质的界面上会发生全反射,只有反射光线,没有折射光线,故选项D正确。
答案
D
4.(多选)如图所示,ABCD是两面平行的透明玻璃砖,AB面和CD面平行,设为界面Ⅰ和界面Ⅱ,光线从界面Ⅰ射入玻璃砖,再从界面Ⅱ射出,回到空气中,如果改变光到达界面Ⅰ时的入射角,则( )
A.只要入射角足够大,光线在界面Ⅰ上就可能发生全反射现象
B.只要入射角足够大,光线在界面Ⅱ上就可能发生全反射现象
C.不管入射角多大,光线在界面Ⅰ上都不可能发生全反射现象
D.不管入射角多大,光线在界面Ⅱ上都不可能发生全反射现象
解析
在界面Ⅰ上,光由空气进入玻璃砖,是由光疏介质进入光密介质,不管入射角多大,都不能发生全反射现象,则A错误,C正确;在界面Ⅱ上,光由玻璃砖进入空气,是由光密介质进入光疏介质,但是界面Ⅰ和界面Ⅱ平行,光在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角,因此光在界面Ⅱ上的入射角总是小于全反射临界角,故不会发生全反射现象,则B错误,D正确。
答案
CD(共47张PPT)
3 光的干涉
第四章
2021
学习目标
1.知道相干光源的概念和产生干涉现象的条件(物理观念)
2.观察光的干涉现象,认识干涉条纹的特点(科学思维)
3.能推理论证干涉现象的成因及明暗条纹的位置和特点(科学思维)
思维导图
课前篇
自主预习
[自主阅读]
一、光的双缝干涉
1.双缝干涉实验的物理学史
光的干涉实验最早是英国物理学家托马斯·杨在1801年成功完成的。杨氏双缝干涉实验有力地证明了光是一种波。
2.双缝干涉实验的过程
让一束单色光投射到一个有两条狭缝的挡板上,两条狭缝相距很近。狭缝就成了两个波源,它们的频率、相位和振动方向总是相同的。这两个波源发出的光在挡板后面的空间互相叠加,发生干涉现象;来自两个光源的光在一些位置相互加强,在另一些位置相互削弱,因此在挡板后面的屏上得到
明暗相间的条纹。
3.光发生干涉的条件
两列光的频率相同、相位差恒定、振动方向相同。
4.双缝干涉实验中出现明暗条纹的条件
(1)亮条纹:当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的偶数倍时(即恰好等于波长的整数倍时),两列光波在这点相互加强,这里出现亮条纹;
(2)暗条纹:当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的奇数倍时,两列光波在这点相互削弱,这里出现暗条纹。
二、干涉条纹和光的波长之间的关系
1.条纹间距和光的波长的关系
在双缝干涉实验中,单色光的波长为λ,双缝中心之间的距离为d,双缝到屏的距离为l,如图所示,则相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距
。
2.各种颜色的光都会发生干涉,在其他条件不变的情况下,用红、黄、蓝光分别做双缝干涉实验,条纹间距最大的是红光,条纹间距最短的是蓝光。
三、薄膜干涉
1.成因
通常而言,不同位置的液膜,厚度不同,因此在膜上不同的位置,来自前后两个面的反射光的路程差不同。在某些位置,光波叠加后相互加强,出现了亮条纹;在另一些位置,叠加后相互削弱,出现了暗条纹。
2.应用
(1)检测光学平面的平滑度。
(2)光学元件表面的增透膜或反射膜。
[自我检测]
1.正误判断
(1)两只完全相同的灯泡发出的光能产生干涉现象。( )
解析
不符合相干光源的条件,因此不能产生干涉现象。
答案
×
(2)用白光做光的干涉实验时,偏离中央亮条纹较远的是波长较长的光。( )
答案
√
(3)水面上的油膜在阳光照射下呈彩色是薄膜干涉的结果。( )
答案
√
2.(多选)以下光源不可作为相干光源的是( )
A.两个相同亮度的烛焰
B.双丝灯泡
C.出自一个光源的两束光
D.一束平行单色光经双缝后分为两束
解析
根据光发生干涉的条件,可知选A、B。
答案
AB
3.(多选)关于光的干涉,下列说法不正确的是( )
A.只有频率相同的两列光波才能产生干涉
B.频率不同的两列光波也能产生干涉现象,只是不稳定
C.频率相同、振幅相同的两束光才能产生干涉
D.两个完全相同的相干光源做双缝干涉实验时,从两个狭缝到达屏上的路程差是光波长的整数倍时出现亮条纹
解析
发生干涉现象时两列光的频率必须相同,振幅不一定相同,选项A正确,C错误;频率不同不能产生干涉,而不是干涉不稳定,选项B错误;干涉发生时出现亮条纹的条件是路程差是波长的整数倍(或半波长的偶数倍),选项D正确。
答案
BC
课堂篇
探究学习
问题一
双缝干涉实验原理透析
[情境探究]
波的干涉现象是两列波在传播中相遇叠加而形成的,是波的特性。产生稳定干涉现象的条件是有相干波源——频率相等、振动方向相同、相位差恒定的两列波,干涉图样中的“亮”“暗”条纹就是相干波源叠加形成的振动“加强区”和“减弱区”。在1801年英国物理学家托马斯·杨成功完成了光的干涉实验,这对研究光的本性提供了什么样的帮助作用?
要点提示
从实验的角度证实光是一种波。
[知识归纳]
1.双缝干涉实验的装置示意图:实验装置如图所示,有光源、单缝、双缝和光屏。
(1)单缝屏的作用:获得一个线光源,使光源有唯一的频率和振动情况。
(2)双缝屏的作用:平行光照射到单缝S上,又照射到双缝S1、S2上,这样一束光被分成两束频率相同和振动方向相同、相位差恒定的相干光。
2.屏上某处出现亮、暗条纹的条件:频率相同的两列波在同一点引起的振动的叠加,如亮条纹处某点同时参与的两个振动步调总是一致,即振动方向总是相同;暗条纹处振动步调总是相反。
具体产生亮、暗条纹的条件:
(1)亮条纹产生的条件:屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍。即
|PS1-PS2|=kλ=2k·
(k=0,1,2,3,…)
k=0时,PS1=PS2,此时P点位于屏上的O处,为亮条纹,此处的条纹叫中央亮条纹或零级亮条纹。k为亮条纹的级次。
(2)暗条纹产生的条件:屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是半波长的奇数倍。即|PS1-PS2|=(2k-1)·
(k=1,2,3,…),k为暗条纹的级次,从第1级暗条纹开始向两侧展开。
要点笔记
双缝干涉的条件必须是相干光源,且双缝间的间距必须很小。
[典例剖析]
例题1
双缝干涉实验装置如图所示,当使用波长为6×10-7
m的橙光做实验时,光屏P点及上方的P1点形成相邻的亮条纹。若使用波长为4×10-7
m的紫光重复上述实验,在P和P1点形成的亮、暗条纹的情况是( )
A.P和P1都是亮条纹
B.P是亮条纹,P1是暗条纹
C.P是暗条纹,P1是亮条纹
D.P和P1都是暗条纹
解析
从单缝S射出的光波被S1、S2两缝分成的两束光为相干光,由题意,屏中央P到S1、S2距离相等,即由S1、S2分别射出的光到P的路程差为零,因此P处是亮纹中心,因而,无论入射光是什么颜色的光,波长多大,P处都是中央亮纹中心。
而P1到S1、S2的路程差刚好是橙光的一个波长,即|P1S1-P1S2|=600
nm=λ橙,则两列光波到达P1时的振动情况完全一致,振动得到加强,因此,出现亮条纹。
当换用波长为400
nm的紫光时,|P1S1-P1S2|=600
nm=
λ紫,则两列光波到达P1时振动情况完全相反,即由S1、S2射出的光波到达P1时就相互削弱,因此,出现暗条纹。综上所述,选项B正确。
答案
B
规律方法
分析双缝干涉中亮暗条纹问题的步骤
(1)明确光在真空(或空气)中的波长。
(2)由屏上出现亮暗条纹的条件判断光屏上出现的是亮条纹还是暗条纹。
(3)根据亮条纹的判断式Δr=kλ(k=0,1,2,…)或暗条纹的判断式
Δr=(2k+1)
(k=0,1,2,…),判断出k的取值,从而判断条纹数。
变式训练1(多选)(2021山东泰安第二中学高二月考)用波长为λ的单色光照射单缝O,经过双缝M、N在屏上产生明暗相间的干涉条纹,如图所示,图中a、b、c、d、e为相邻亮条纹的位置,c为中央亮条纹,则( )
A.由O到达a、b的路程差为零
B.由M、N到达b的路程差为λ
C.由O到达a、c的路程差为4λ
D.由M、N到达e的路程差为2λ
解析
从O到达某点可以经过M也可以经过N,根据已知条件无法比较从O到达某两点的路程差,故A、C错误;b为中心亮纹旁边的第一条亮纹,则M、N到达b的路程差为波长λ,故B正确;e为中心亮纹旁边的第二条亮纹,M、N到达e的路程差为2λ,故D正确。
答案
BD
问题二
双缝干涉图样的特点
[情境探究]
如图所示,几种单色光的双缝干涉图样,请问:
(1)单色光干涉时相邻两亮条纹的间距和相邻两暗条纹的间距相等吗?
(2)用不同颜色的光做干涉实验时干涉图样完全一样吗?
要点提示
(1)相等。(2)不一样。
[知识归纳]
1.相邻亮条纹(或暗条纹)间的距离Δx与入射光波长λ之间的定量关系推导
如下图所示,双缝间距d,双缝到屏的距离l。双缝S1、S2的连线的中垂线与屏的交点为P0。对屏上与P0距离为x的一点P,两缝与P的距离PS1=r1,PS2=r2。在线段PS2上作PM=PS1,则S2M=r2-r1,因d?l,三角形S1S2M可看作直角三角形。则:
r2-r1=dsin
θ(令∠S2S1M=θ)。
2.单色光的干涉图样
(1)若用单色光作光源,则干涉条纹是明暗相间的条纹,且条纹间距相等。
(2)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Δx=
λ知,红光波长最长,Δx最大,紫光波长最短,Δx最小。
3.白光的干涉图样
若用白光作光源,则干涉条纹是彩色条纹,且中央条纹是白色的。这是因为:
(1)从双缝射出的两列光波中,各种色光都能形成明暗相间的条纹。各种色光都在中央条纹处形成亮条纹,从而复合成白色条纹。
(2)两侧条纹间距与各色光的波长成正比,即红光的亮条纹间距宽度最大,紫光的亮条纹间距宽度最小,即除中央条纹以外的其他条纹不能完全重合,这样便形成了彩色干涉条纹。
要点笔记
双缝干涉的相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是相等的。
[典例剖析]
例题2如图甲为双缝干涉实验的装置示意图。图乙为用绿光进行实验时,在屏上观察到的条纹情况,a为中央亮条纹,丙图为换用另一颜色的单色光做实验时
观察到的条纹情况,a'为中央亮条纹。若已知红光、绿光和紫光的波长大小关系为红光的波长最长,紫光的波长最短。则以下说法正确的是( )
A.丙图可能为用红光实验产生的条纹,表明红光波长较长
B.丙图可能为用紫光实验产生的条纹,表明紫光波长较长
C.丙图可能为用紫光实验产生的条纹,表明紫光波长较短
D.丙图可能为用红光实验产生的条纹,表明红光波长较短
解析
根据双缝干涉图样的特点,入射光的波长越长,同一装置产生的双缝干涉图样中条纹的间距就越大。由本题的条件可确定另一种颜色的单色光比绿光的波长长,因此A正确,B、C、D错误。
答案
A
规律方法
对干涉条纹间距的理解
干涉条纹间距是两个相邻的同类条纹中线间的距离,既可以是两相邻亮条纹中线间的距离,也可以是两相邻暗条纹中线间的距离。
变式训练2关于光的干涉,下列说法正确的是( )
A.在双缝干涉现象中,相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是不等的
B.在双缝干涉现象中,把入射光由波长较长的红光换成波长较短的紫光,相邻两个亮条纹间距将变宽
C.在双缝干涉现象中,将绿光换为红光,相邻两个亮条纹间距将变宽
D.在双缝干涉现象中,入射光为白光时得到的彩色条纹为内红外紫
解析
在双缝干涉现象中,相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是相等的,故选项A错误;入射光的波长越长,相邻两个亮条纹的间距越大,故选项B错误,C正确;由于各色条纹间距不同,且红光条纹最宽,紫光条纹最窄,故除中间条纹外,前几条彩色条纹应为内紫外红,越往外由于重叠严重,没有明显干涉条纹,只是看到彩光,选项D错误。
答案
C
问题三
薄膜干涉现象及其应用
[情境探究]
在酒精灯的灯芯上撒一些食盐,灯焰就能发出明亮的黄光。把铁丝圈在肥皂水中蘸一下,让它挂上一层薄薄的液膜。把这层液膜当作一个平面镜,用它观察灯焰的像。这个像与直接看到的灯焰有什么不同?如果用白光做实验情况又会如何?
要点提示
灯焰的像由明暗相间的水平条纹组成。如果用白光做实验,肥皂膜上会出现彩色条纹。
[知识归纳]
1.薄膜干涉的成因及特点
(1)形成原因
①由薄膜的前、后表面的反射光叠加而形成明暗相间的条纹。
②如果膜的厚度为h,折射率为n,前、后表面的反射光的路程差为2h。若满足2h为膜中波长的整数倍时,该处出现亮条纹;满足2h为膜中半波长的奇数倍时,该处出现暗条纹。
(2)特点:因为在同一水平高度处,薄膜的厚度相同,从前、后两表面反射的光的路程差均相同,如果此时两反射光互相加强,则此高度水平方向各处均加强,因此,明暗相间的干涉条纹应为水平方向。
2.应用
(1)等倾法检查平面平整度
如图所示,在被测平面上放一个透明的样板,在样板的一端垫一个薄片,使样板的标准平面与被测平面之间形成一个楔形空气薄层。用单色光照射时,空气层的上、下两个表面反射的两列光波发生干涉。空气厚度相同的地方,两列波的路程差相同,两列波叠加时互相加强或减弱的情况相同,因此若被测面是平的,干涉条纹就是一组平行的直线,如果干涉条纹是弯曲的,就表明被测平面不平整。
(2)增透膜
①原理:
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。透射光的能量得到加强。
②厚度:一般取最小厚度d满足2d=
λ(此波长为光在该种介质中的波长)。
③特征: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,尤其是与绿光波长相差较大的紫光,所以增透膜呈现淡紫色。
[典例剖析]
例题3(多选)(2021福建泰宁第一中学高二月考)如图甲所示,用单色光照射透明标准板M来检查被检体N的上表面的平直情况,观察到的现象如图乙所示,条纹中的P和Q对应A和B,此现象说明( )
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
P处条纹向左弯曲,意味着后一级条纹提前出现,可见P处对应的检测平板上的A点所对应的空气层厚度与后一级条纹对应的空气层厚度相同,而后一级条纹本来对应的空气层厚度比前一级大,可见A处向下凹陷,故C正确,A错误;从弯曲的条纹可知,Q处空气薄膜凹陷,即N的上表面B处向上凸起,故B正确,D错误。
答案
BC
要点笔记
处理此类问题时,一般情况下可简单记为向尖处弯曲表示表面凹陷。
变式训练3(2021重庆高二月考)有种冷光灯,用它照射物品能使被照物品产生的热效应大大降低。这种灯降低热效应的原理是灯泡后面放置的反光镜的表面上镀有一层薄膜,能使薄膜前后表面反射回来的热效应最显著的红外线发生干涉相消,以λ表示红外线在真空中的波长,n表示薄膜对该红外线的折射率,则所镀薄膜的厚度最小应为( )
答案
B
当堂检测
1.关于薄膜干涉,下列说法正确的是( )
A.只有厚度均匀的薄膜,才会发生干涉现象
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,只要前后两面反射回来的光波的光程差满足振动加强的条件,就会出现明条纹,满足振动减弱的条件就会出现暗条纹。要形成明暗相间的条纹,只有在薄膜厚度不均匀时才会出现,但对薄膜的形状没有要求,因此选项A、B错误。当薄膜厚度均匀时,不会出现干涉条纹,但能发生干涉现象,如果是复色光照射,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,这时会看到薄膜的颜色是振动加强的光的颜色,但没有形成干涉条纹,故选项C错误。由薄膜干涉中相干光的来源可知,干涉的区域应在入射光一侧,因此选项D正确。
答案
D
2.(多选)(2021江苏盐城中学高二期中)某同学用单色光进行双缝干涉实验,在屏上观察到如甲图所示的条纹,仅改变一个实验条件后,观察到的条纹如乙图所示。他改变的实验条件可能是( )
A.增大双缝之间的距离
B.减小双缝之间的距离
C.减小双缝到光屏之间的距离
D.增大双缝到光屏之间的距离
解析
题图乙中条纹的间距比题图甲小,根据双缝干涉的条纹间距公式
Δx=
λ知,可能是双缝与屏间距减小,也可能是双缝间距变大。故A、C正确,B、D错误。
答案
AC
3.在双缝干涉实验中,以白光为光源,在屏幕上观察到了彩色干涉条纹,若在双缝中的一缝前放一红色滤光片(只能透过红光),另一缝前放一绿色滤光片(只能透过绿光),已知红光与绿光频率、波长均不相等,这时( )
A.只有红色和绿色的双缝干涉条纹,其他颜色的双缝干涉条纹消失
B.红色和绿色的双缝干涉条纹消失,其他颜色的双缝干涉条纹依然存在
C.任何颜色的双缝干涉条纹都不存在,但屏上仍有光亮
D.屏上无任何光亮
解析
两列光波发生干涉的条件之一是频率相等,利用双缝将一束光分成能够发生叠加的两束光,在光屏上形成干涉条纹,但分别用绿色滤光片和红色滤光片挡住两条缝后,红光和绿光频率不等,不能发生干涉,因此屏上不会出现干涉条纹,但因有红光和绿光通过双缝照到屏上,所以屏上有光亮,故只有选项C正确。
答案
C
4.(2021山东烟台高二期末)在双缝干涉实验中,用波长为5×10-7
m的黄光照射双缝。已知双缝的间距为0.3
mm,双缝到光屏的距离为1.2
m,光屏上P点到双缝的路程差为7.5×10-7
m,则下列说法中正确的是( )
A.P点出现的是亮条纹,相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为2
mm
B.P点出现的是暗条纹,相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为2
mm
C.P点出现的是亮条纹,相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为4
mm
D.P点出现的是暗条纹,相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为4
mm
答案
B(共25张PPT)
4 实验用双缝干涉测量光的波长
第四章
2021
学习目标
思维导图
1.会调节各个仪器共轴,单、双缝平行(科学探究)
2.能正确安装、使用测量头,会读数(科学探究)
3.会用“累积法”测量亮条纹间距,进而测量光的波长(科学探究)
课前篇
自主预习
一、实验目的
1.观察白光及单色光的双缝干涉图样。
2.利用公式Δx=
λ测定单色光波长。
二、实验思路
由公式Δx=
λ可知,在双缝干涉实验中,d是双缝间距,是已知的;l是双缝到屏的距离,可以测出,那么,只要测出相邻两亮条纹(或相邻两暗条纹)中心间距Δx,即可由公式λ=
Δx计算出入射光波长的大小。
三、实验器材
双缝干涉仪(包括:光具座、光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、光屏及测量头,其中测量头又包括:分划板、目镜、手轮等)、学生电源、导线、刻度尺等。
四、实验步骤
1.观察双缝干涉图样
(1)将光源、透镜、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上,如图所示。
(2)接好光源,打开开关,使灯丝正常发光。
(3)调节各器件的高度,使光源灯丝发出的光能沿遮光筒轴线到达光屏。
(4)安装双缝和单缝,中心大致位于遮光筒的轴线上,使双缝与单缝平行,二者间距为5~10
cm,这时可观察到白光的干涉条纹。
(5)在单缝和光源间放上滤光片,观察单色光的干涉条纹。
2.物理量的测量
(1)安装测量头,调节至可清晰观察到干涉条纹。
(2)使分划板的中心刻线对齐某条亮条纹的中央,如图所示。记下手轮上的读数a1,转动手轮,使分划板中心刻线移到另一亮条纹的中央,记下此时手轮上的读数a2,得出n个亮条纹间的距离为a=|a2-a1|,则相邻两亮条纹间距
(3)用刻度尺测量双缝到光屏的距离l(d是已知的)。
(4)重复测量、计算,求出波长的平均值。
(5)换用不同颜色的滤光片,重复实验。
五、数据处理
将测得的l、d、Δx代入Δx=
λ,求出光的波长λ。重复测量、计算,求出波长的平均值。
六、误差分析
实验中的双缝间距d是器材本身给出的,因此本实验要注意l和Δx的测量。光波的波长很小,l、Δx的测量对波长的影响很大。
1.l用毫米刻度尺测量,如果可能,可多次测量求平均值。
2.Δx利用测量头测量。可利用“累积法”测n条亮纹间距,再求
,并且采用多次测量求Δx的平均值的方法进一步减小误差。
七、注意事项
1.双缝干涉仪是比较精密的实验仪器,要轻拿轻放,不要随便拆分遮光筒、测量头等元件。
2.安装时,要保证光源、透镜、滤光片、单缝、双缝和光屏的中心在同一条轴线上,并使单缝、双缝平行且竖直。
3.光源使用线状长丝灯泡,调节时使之与单缝平行且靠近。
4.实验中会出现屏上的光很弱的情况,主要是灯丝、单缝、双缝、测量头与遮光筒不共轴所致;干涉条纹是否清晰与单缝和双缝是否平行有关系。
课堂篇
探究学习
问题一
对实验装置及原理的考查
例题1在用双缝干涉测量光的波长实验中(实验装置如图):
(1)下列说法错误的是 。(填选项前的字母)?
A.调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在屏中心时,应放上单缝和双缝
B.测量某条干涉亮纹位置时,应使测微目镜分划板中心刻线与该亮纹的中心对齐
C.为了减少测量误差,可用测微目镜测出n条亮纹间的距离a,求出相邻两条亮纹间距
(2)测量某亮纹位置时,手轮上的示数如图,其示数为
mm。?
解析
(1)应先调节光源高度、遮光筒中心及光屏中心后再放上单、双缝,选项A不正确。测微目镜分划板中心刻线应与亮纹中心对齐,使得移动过程测出的条纹间距较为准确,选项B正确。测微目镜移过n条亮纹,则亮条纹间距
,选项C正确。故选A。
(2)主尺读数是1.5
mm,螺旋读数是47.0×0.01
mm,因此示数为1.970
mm。
答案
(1)A (2)1.970
变式训练1(2020北京海淀模拟)在用双缝干涉测量光的波长实验中,将双缝干涉实验仪按要求安装在光具座上(如图所示),单缝保持竖直方向,并选用缝间距为d的双缝屏。从仪器注明的规格可知,毛玻璃屏与双缝屏间的距离为l。
(1)组装仪器时,单缝和双缝的空间关系应该为 。?
A.a代表单缝,b代表双缝
B.a代表双缝,b代表单缝
C.二者相互垂直放置
D.二者相互平行放置
(2)将红色滤光片改为绿色滤光片,其他实验条件不变,在目镜中仍可看见清晰的条纹,则 。?
A.条纹为竖条纹
B.条纹为横条纹
C.与红光相比条纹间距变窄
D.与红光相比条纹间距变宽
(3)经计算可得两个相邻亮条纹(或暗条纹)间的距离为Δx,则这种光的波长为λ= (用题中所给字母表示)。?
解析
(1)双缝的光来自单缝,因此单缝距离光源更近,A正确,B错误;双缝与单缝应该平行放置,C错误,D正确。
(2)由于单缝保持竖直,条纹的方向与单缝平行,所以条纹竖直,A正确,B错误;由于绿光的波长比红光的短,所以干涉条纹间距比红光的窄,C正确,D错误。
(3)根据两个相邻的亮条纹(或暗条纹)间距为Δx=
λ,可得波长表达式
λ=
Δx。
答案
(1)AD (2)AC (3)
Δx
问题二
实验数据处理和误差分析
例题2在用双缝干涉测量光的波长实验中,将双缝干涉实验仪按要求安装在光具座上(如图甲所示),并选用缝间距d=0.20
mm
的双缝屏。从仪器注明的规格可知,像屏与双缝屏间的距离l=700
mm。然后,接通电源使光源正常工作。
甲
(1)已知测量头主尺的最小刻度是毫米,副尺上有50分度。某同学调整手轮后,从测量头的目镜看去,第一次映入眼帘的干涉条纹如图乙(a)所示,图乙(a)中的数字是该同学给各暗条纹的编号,此时图乙(b)中游标尺上的读数x1=1.16
mm;接着再转动手轮,映入眼帘的干涉条纹如图丙(a)所示,此时图丙(b)中游标尺上的读数x2=
mm。
乙
丙
(2)利用上述测量结果,经计算可得两相邻亮条纹(或暗条纹)间的距离
Δx= mm;这种色光的波长λ= nm。?
答案
(1)15.02 (2)2.31 6.6×102
变式训练2
(2021山东临沂十八中高二月考)如图所示是用双缝干涉测光波波长的实验设备示意图。
(1)转动测量头的手轮,使分划板中心刻线对准第1条亮条纹,读出手轮的读数如图乙所示。继续转动手轮,使分划板中心刻线对准第8条亮条纹,读出手轮的读数如图丙所示。则相邻两亮条纹的间距是
mm(结果保留三位有效数字)。?
(2)如果已经量得双缝的间距是0.3
mm,双缝和光屏之间的距离是900
mm,则待测光的波长是
m(结果保留三位有效数字)。?
解析
(1)题图乙中手轮的固定刻度读数为0
mm,可动刻度读数为
0.01×4.5
mm=0.045
mm
所以最终读数x1=0.045
mm。
题图丙中手轮的固定刻度读数为14.5
mm,可动刻度读数为
0.01×3.5
mm=0.035
mm,则x2=14.535
mm。
相邻两亮条纹的间距
答案
(1)2.07 (2)6.90×10-7
当堂检测
1.(多选)某同学在做双缝干涉实验时,安装好实验装置,在光屏上却观察不到干涉图样,这可能是由于( )
A.光束的中央轴线与遮光筒的轴线不一致,相差较大
B.滤光片、单缝、双缝的中心在同一高度
C.单缝与双缝不平行
D.光源发出的光束太强
解析
光束的中央轴线与遮光筒的轴线不一致,单、双缝不平行都可能造成看不到干涉图样。选项A、C正确。
答案
AC
2.(多选)某同学按实验装置安装好仪器后,观察光的干涉现象,获得成功。若他在此基础上对仪器的安装有如下改动,则仍能使实验成功的是( )
A.将遮光筒的光屏向靠近双缝的方向移动少许,其他不动
B.将滤光片移至单缝和双缝之间,其他不动
C.将单缝向双缝移动少许,其他不动
D.将单缝与双缝的位置互换,其他不动
解析
干涉条纹是双缝发出的光叠加的结果,双缝后面的区域处处存在光,所以移动光屏或改变单缝与双缝间距,条纹仍然形成,故A、C正确;将滤光片移至单缝和双缝之间,照到双缝上的光仍是振动情况完全一样的光源,故B正确;将单缝与双缝的位置互换,失去了产生干涉的条件,故D错误。
答案
ABC
3.双缝干涉测光的波长的实验装置如图甲所示,已知单缝与双缝间的距离l1=100
mm,双缝与屏的距离l2=700
mm,双缝间距d=0.25
mm。用测量头来测量亮条纹中心的距离。测量头由分划板、目镜、手轮等构成,
转动手轮,使分划板左右移动,让分划板的中心刻线对准亮条纹的中心(如图乙所示),记下此时手轮上的读数,转动测量头,使分划板中心刻线对准另一条亮纹的中心,记下此时手轮上的读数。
(1)分划板的中心刻线分别对准第1条和第4条亮条纹的中心时,手轮上的读数如图丙所示,则对准第1条时读数x1=
mm,对准第4条时读数
x2=
mm。?
(2)写出计算波长λ的表达式,λ= (用符号表示),λ=
m。?
解析
(1)读数x1=2
mm+0.01×19.0
mm=2.190
mm,
x2=7.5
mm+0.01×37.0
mm=7.870
mm。
答案
(1)2.190 7.870 (2)
6.762×10-7(共47张PPT)
5 光的衍射 6 光的偏振 激光
第四章
2021
学习目标
1.观察光的衍射现象,认识衍射条纹的特点(物理观念)
2.观察光的偏振现象,知道光是横波(物理观念)
3.知道产生明显衍射的条件(物理观念)
4.知道偏振现象和激光的应用(科学态度与责任)
思维导图
课前篇
自主预习
[自主阅读]
一、光的衍射
1.衍射现象
光通过很窄的缝(很小的孔)时,没有沿直线传播,它绕过了缝(孔)的边缘,传播到了相当宽的地方。
2.单缝衍射条纹的特点
一些明暗相间的条纹,中央条纹最宽、最亮,离中央条纹越远,亮条纹的宽度越窄,亮度越小。
3.发生明显衍射的条件
障碍物(缝、孔)的尺寸与光的波长相当,甚至比光的波长还小。
二、衍射光栅
1.结构
由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件。
2.衍射图样的特点
与单缝衍射相比,衍射条纹的宽度变窄,亮度增加。
三、偏振现象
1.偏振现象与偏振方向
不同的横波,即使传播方向相同,振动方向也可能不同的。这个现象称为“偏振现象”。横波的振动方向称为“偏振方向”。
2.光的偏振
(1)自然光:太阳以及日光灯、发光二极管等普通光源发出的光,包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光,而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同。这种光是“自然光”。
(2)偏振片:由特定的材料制成的光学仪器。
(3)偏振片的透振方向:每个偏振片都有一个特定的方向,沿着这个方向振动的光波能顺利通过偏振片,偏振方向与这个方向垂直的光不能通过,这个方向叫作“透振方向”。
(4)偏振光:①通过偏振片的光波,在垂直于传播方向的平面上,沿着某个特定的方向振动。这种光叫作偏振光。②自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时,反射光和折射光都是偏振光。
(5)偏振现象证明光是横波。
四、偏振现象的应用
在照相机镜头前装一片偏振滤光片,转动滤光片,让它的透振方向与反射光的偏振方向垂直,就可以减弱反射光的影响。
五、激光的特点及其应用
1.激光:1960年,美国物理学家梅曼率先在实验室中制造出了频率相同、
相位差恒定、振动方向一致的光波,这就是激光。
2.激光的特点及应用
(1)激光具有高度的相干性。
(2)激光能像无线电波那样被调制,用来传递信息。
(3)激光的平行度非常好,在传播很远的距离后仍能保持一定的强度。激光的这个特点使它可以用来进行精确的测距。
(4)激光的亮度很高,可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量,可以用于切割、焊接以及在很硬材料上打孔。
[自我检测]
1.正误判断
(1)光的偏振现象说明光是横波。( )
答案
√
(2)光的衍射说明光不能沿直线传播。( )
解析
光的衍射与直线传播是在不同条件下的表现,都是正确的。
答案
×
(3)反射可以引起自然光的偏振。( )
答案
√
(4)激光可以进行光纤通信是利用了相干性好的特点。( )
答案
√
(5)激光可做“光刀”来切开皮肤是利用激光的相干性好的特点。( )
答案
×
2.(多选)对于光的偏振,下列说法正确的是( )
A.自然光通过偏振片后成为偏振光
B.偏振光不能再通过偏振片
C.如果偏振片的透振方向与偏振光的振动方向垂直,偏振光不能透过偏振片
D.偏振现象表明光是横波
解析
自然光透过偏振片后的光振动方向只沿着偏振片的透振方向,故自然光透过偏振片后变为偏振光,A选项正确;只要偏振光的振动方向与偏振片的透振方向不垂直就能通过偏振片,当两者方向垂直时,偏振光将不能通过偏振片,故B选项错误,C选项正确;偏振现象表明光是横波,D选项正确。
答案
ACD
课堂篇
探究学习
问题一
三种衍射图样的比较
[情境探究]
使太阳光垂直照射到一块遮光板上,板上有可以自由收缩的正方形孔,孔的后面放置一个光屏,在正方形孔逐渐变小的过程中,猜一猜光屏上依次可以看到的不同现象。
要点提示
正方形孔较大时看到正方形光斑,孔逐渐减小看到屏上的正方形光斑由大到小,孔再减小看到圆形光斑,孔小到一定程度看到明暗相间的彩色条纹。
[知识归纳]
1.单缝衍射图样的特点
(1)中央条纹最亮、越向两边越暗;中央条纹最宽,越靠外,条纹间距越窄。
(2)缝变窄,通过的光变少,而光分布的范围更宽,所以亮条纹的亮度降低。
(3)中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单缝宽度有关。入射光波长越长,单缝越窄,中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大。
(4)用白光做单缝衍射时,中央亮条纹是白色的,两边是彩色条纹,中央亮条纹仍然最宽、最亮。
2.圆孔衍射
(1)圆孔衍射
如图所示,当挡板AB上的圆孔较大时,光屏上出现图甲所示的情形,无明显的衍射现象发生;当挡板AB上的圆孔很小时,光屏上出现图乙所示的衍射图样,为明暗相间的圆环。
(2)圆孔衍射的图样特征
①单色光的圆孔衍射图样:中央亮圆的亮度大,外面是明暗相间的不等距的圆环。越向外,圆(亮)环亮度越低。
②白光的圆孔衍射图样:中央亮圆为白色,周围是彩色圆环。
3.圆板衍射
(1)各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射,致使影的轮廓的边缘模糊不清,若在单色光(如激光)传播途中放一个较小的圆形障碍物,会发现在影的中心有一个亮斑,这就是著名的泊松亮斑,如图丙所示。
(2)形成泊松亮斑时,圆板阴影的边缘是模糊的,在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。
丙
[典例剖析]
例题1对于单缝衍射现象,下列说法正确的是( )
A.缝的宽度d越小,衍射条纹越亮
B.缝的宽度d越小,衍射现象越明显
C.缝的宽度d越小,光的传播路线越接近直线
D.入射光的波长越短,衍射现象越明显
解析
单缝宽度越小,衍射条纹的亮度越小,选项A错;入射光的波长越长,单缝宽度越小,衍射现象越明显,选项B对,选项C、D错。
答案
B
规律方法
对衍射现象的理解
(1)衍射现象是否明显方面:入射光波长越长,障碍物、小孔和狭缝的尺寸越小,衍射现象越明显。
(2)衍射条纹的亮度方面:小孔和狭缝的尺寸越小,衍射条纹的亮度越小。
变式训练1(2021吉林高二期末)在一次观察光的衍射实验中,观察到如图所示的清晰的明暗相间的图样,那么障碍物是下列给出的( )
A.很小的不透明圆板
B.很大的不透明圆板
C.很大的中间有大圆孔的不透明挡板
D.很大的中间有小圆孔的不透明挡板
解析
用光照射很大的中间有小圆孔的不透明挡板时出现明暗相间的衍射图样,即题图中所示图样,故D正确。
答案
D
问题二
单缝衍射和双缝干涉的比较
[情境探究]
在光的干涉和衍射实验中均可观察到明暗相间的条纹,下列三幅图样中哪幅为双缝干涉图样,哪幅为单缝衍射图样?
要点提示
a为双缝干涉图样;b为单缝衍射图样。
[知识归纳]
单缝衍射与双缝干涉的比较
比较项
单缝衍射
双缝干涉
不
同
点
产生条件
只要狭缝足够小,任何光都能发生
频率相同的两列光波相遇叠加
条纹宽度
条纹宽度不等,中央最宽
条纹宽度相等
条纹间距
各相邻条纹间距不等
各相邻条纹等间距
亮度
中央条纹最亮,两边变暗
条纹清晰,亮度基本相等
相同
点
成因
都有明暗相间的条纹,条纹都是光波叠加时加强或削弱的结果
意义
都是波特有的现象,表明光是一种波
要点笔记
光波的波长越长,干涉条纹、衍射条纹的宽度都变大。
[典例剖析]
例题2关于光的干涉和衍射现象,下列说法正确的是( )
A.光的干涉现象遵循波的叠加原理,衍射现象不遵循波的叠加原理
B.白光的干涉条纹是彩色的,衍射条纹是黑白相间的
C.光的干涉现象说明光具有波动性,光的衍射现象不能说明这一点
D.光的干涉和衍射现象都是光波叠加的结果
解析
光的干涉现象和光的衍射现象都是波特有的现象,都是光波叠加的结果,白光的干涉条纹是彩色的,白光的衍射条纹也是彩色的,只是条纹间距特点及亮度特点不同而已。
答案
D
规律方法
区分双缝干涉条纹与单缝衍射条纹的方法
(1)根据条纹的宽度区分:双缝干涉的条纹是等宽的,条纹间的距离也是相等的;而单缝衍射的条纹,中央亮条纹最宽,两侧的条纹变窄。
(2)根据亮条纹的亮度区分:双缝干涉条纹,从中央亮纹往两侧亮度变化很小;而单缝衍射条纹中央亮纹最亮,两侧的亮纹逐渐变暗。
变式训练2(2021四川雅安高二期末)如图所示为红光、蓝光分别通过单缝、双缝所呈现的图样,则( )
A.甲为蓝光的衍射图样
B.乙为红光的干涉图样
C.丙为红光的衍射图样
D.丁为蓝光的干涉图样
解析
单缝衍射条纹是中间明亮且宽大,越向两侧宽度越小越暗,而波长越大,中央亮条纹越粗,故甲、乙是衍射图样,且甲图为红光的单缝衍射图样,乙图为蓝光的衍射图样,故A、B错误;双缝干涉的图样是明暗相间的干涉条纹,所有条纹宽度相同且等间距,故丙、丁是双缝干涉现象,根据双缝干涉条纹间距Δx=
λ可知,波长越大,条纹间距越大,故丙图为红光的干涉图样,丁图为蓝光的干涉图样,故C错误,D正确。
答案
D
问题三
自然光和偏振光的比较
[情境探究]
在观看立体电影时,观众要戴上特制的眼镜,这副眼镜就是一对透振方向相互垂直的偏振片。如果不戴这副眼镜,银幕上的图像就模糊不清了。这是为什么?
要点提示
立体电影的光是偏振光。因为光是横波,只有与偏振片透振方向一致的光才能通过。
[知识归纳]
1.偏振片
偏振片由特定的材料制成,每个偏振片都有一个特定的方向,只有沿着这个方向振动的光波才能完全通过偏振片,这个方向叫作“透振方向”。偏振片对光波的作用就像狭缝对于机械波的作用一样。
2.自然光和偏振光的比较
比较项
自然光
偏振光
成因
从光源(如太阳、电灯等)直接发出的光
自然光通过偏振片后就变成了偏振光,通常情况下的反射光、折射光均为偏振光
振动
方向
在垂直于传播方向上沿着各个方向振动
在垂直于传播方向的平面内只有一个振动方向
比较项
自然光
偏振光
经偏振片后现象比较
?
?
比较项
自然光
偏振光
经偏振
片后现
象比较
如上图所示,通过偏振片后,自然光就变成了偏振光,转动偏振片,偏振光的亮度不变,但偏振方向随之变化
如上图所示,偏振光经偏振片后,若偏振方向与透振方向平行,屏亮;若垂直,则屏暗;若介于两者之间,则屏上亮度介于两者之间并随偏振方向与透振方向夹角的增大而变暗
[典例剖析]
例题3(多选)如图所示,电灯S发出的光先后经过偏振片A和B,人眼在P处迎着入射光方向,看不到光亮,则( )
A.图中a光为偏振光
B.图中b光为偏振光
C.以SP为轴将B转过180°后,在P处将看到光亮
D.以SP为轴将B转过90°后,在P处将看到光亮
解析
自然光沿各个方向振动是均匀分布的,通过偏振片后,透射光是只有沿着某一特定方向振动的光。从电灯直接发出的光为自然光,则选项A错误;它通过偏振片A后,即变为偏振光,则选项B正确;设通过A的光沿竖直方向振动,则偏振片B只能通过沿水平方向振动的偏振光,则P点无光亮,将B转过180°后,在P处看不到光亮,即选项C错误;若将B转过90°,则该偏振片将变为能通过竖直方向振动的光的偏振片,则偏振光能通过B,即在P处可看到光亮,选项D正确。
答案
BD
规律方法
对偏振光的理解
(1)自然光通过一个偏振片成为偏振光,透射光的偏振方向与偏振片的放置有关,但光的强度与偏振片的方向无关。
(2)偏振光通过偏振片时,透光的强度与偏振方向和偏振片方向的夹角大小有关。
变式训练3在拍摄日落时分水面下的景物时,应在照相机镜头前装一个偏振片,其目的是( )
A.减少阳光在水面上的反射光
B.阻止阳光在水面上的反射光进入照相机镜头
C.增强光由水面射入空气中的折射光进入镜头的强度
D.减弱光由水面射入空气中的折射光进入镜头的强度
解析
日落时分的阳光照射到水面上时,反射光很强,照相机镜头对着水面时,进入镜头的光线既有阳光经水面的反射光,又有由水中折射入空气的折射光。前者光线进入镜头得到实际景物在水中的倒影的像,而后者光线进入镜头得到的才是水下景物的像,两者在同一底片上相互干扰,使图像模糊不清。若在镜头上安装一偏振片,转动偏振片方向使其透振方向与反射光的偏振方向垂直,即可最大限度地阻止反射光进入镜头,增强图像的清晰度。
答案
B
问题四
激光及应用
[情境探究]
激光切割技术已广泛应用于金属和非金属材料的加工中,可大大减少加工时间,降低加工成本,提高加工质量。现代的激光成了人们所幻想追求的削铁如泥的“宝剑”,那么,激光切割是利用了激光的什么特点来完成的?
要点提示
激光的亮度高,可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。
[知识归纳]
1.激光的产生
激光是实验室中制造出的光,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。
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。
(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,而相同条件下,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。
[典例剖析]
例题4让激光照射到VCD机、CD机、DVD机或计算机的光盘上,就可以读取光盘上记录的信息,经过处理后还原成声音和图像,这是利用了激光的( )
A.平行度好,可以会聚到很小的一点上
B.相干性好,可以很容易形成干涉图样
C.亮度高,可以在很短的时间内集中很大的能量
D.波长短,很容易发生明显的衍射现象
解析
激光的平行度好,容易会聚成一个很小的光点,让激光照射到VCD机、CD机、DVD机或计算机的光盘上,传感器把光盘反射的光转化为电信号进行处理,还原出声音或图像,只有选项A正确。
答案
A
变式训练4(多选)关于激光,下列说法正确的是( )
A.激光是用人工方法激发出的一种特殊的光
B.自然界中某些天然物体也可以发出激光
C.激光可以像刀子一样切除肿瘤
D.由于激光的方向性好,所以激光不能发生衍射现象
解析
激光是用人工方法激发的一种特殊的光,具有很强的相干性,故选项A正确;普通光源发出的光是自然光,故选项B错误;医用光刀利用激光方向性好、亮度高、能量强等特点切除肿瘤,故选项C正确;激光是一种特殊的光,光的一切规律都可以直接应用于激光,故选项D错误。
答案
AC
当堂检测
1.观察单缝衍射现象时,把缝宽由0.2
mm逐渐增大到0.8
mm,看到的现象是( )
A.衍射条纹的间距逐渐变小,衍射现象逐渐不明显
B.衍射条纹的间距逐渐变大,衍射现象越来越明显
C.衍射条纹的间距不变,只是亮度增强
D.以上现象都不会发生
解析
观察衍射图样发现:狭缝的宽度逐渐变小,衍射现象越来越明显,衍射条纹间距变大。本题是缝宽增大,所以选项A正确。
答案
A
2.(多选)关于自然光和偏振光,以下说法正确的是( )
A.自然光包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光,但是沿各个方向振动的光波的强度可以不同
B.偏振光是垂直于传播方向上,只沿着某一特定方向振动的光
C.自然光透过两个偏振片后可还原为自然光
D.太阳、电灯等普通光源发出的光都是自然光
解析
自然光沿各振动方向的光波的强度相同,选项A错误;偏振光在垂直于传播方向上,只沿某一特定方向振动,选项B正确;自然光透过偏振片后成为偏振光,偏振光透过偏振片后不能还原为自然光,选项C错误;太阳、电灯等普通光源发出的是自然光,选项D正确。
答案
BD
3.(多选)(2021山东日照高二月考)激光的诞生是一件大事,它使得人类获得了极其理想的、自然界中不存在的光源。下列激光的特性及其应用,正确的是( )
A.医学上用激光“焊接”剥落的视网膜,是利用激光的相干性
B.实验室里用激光更容易完成双缝干涉实验和衍射实验,是利用激光的相干性
C.激光能够比较精确测量地球到月球的距离,是利用激光的平行度好
D.激光束很容易在坚硬的材料上打孔,是利用激光的亮度高
解析
医学上用激光“焊接”剥落的视网膜,是利用激光的亮度高,可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量的特点,A错误;实验室里用激光更容易完成双缝干涉实验和衍射实验,是利用激光相干性好的特点,B正确;激光能够比较精确测量地球到月球的距离,是利用激光的平行度好的特点,C正确;激光束很容易给坚硬的材料上打孔,是利用激光的亮度高的特点,D正确。
答案
BCD
4.(2021辽宁高二期末)下列哪种现象不是由于衍射形成的( )
A.通过两支铅笔中间的狭缝观察发光的日光灯会看到彩色条纹
B.光照在不透光的小圆盘上,在其后面阴影中心会出现小亮点
C.在白炽灯的照射下从两块捏紧的玻璃板表面能看到彩色条纹
D.声音能够绕过障碍物传播
解析
通过两支铅笔中间的狭缝观察发光的日光灯会看到彩色条纹属于光的衍射现象,A不符合题意;光照在不透光的小圆盘上,在其后面阴影中心会出现小亮点属于光的衍射现象,B不符合题意;在白炽灯的照射下从两块捏紧的玻璃板表面能看到彩色条纹属于薄膜干涉现象,C符合题意;声音能够绕过障碍物传播,属于声波的衍射现象,D不符合题意。
答案
C(共16张PPT)
本章整合
第四章
2021
知识网络
体系构建
本章知识可分为两部分:第一是几何光学,包括光的折射及全反射等知识;第二是物理光学,包括光的干涉、衍射、偏振现象,以及激光的相关知识。
1.通过下图思考关于几何光学的相关内容。
2.通过下图思考
关于物理光学
的相关内容。
重点题型
归纳整合
一、
光的折射、全反射
例题1(2021浙江高三月考)测定折射率是鉴定宝石真假的一种方法。如图所示为某种宝石的截面图,∠ACE=∠BDE=∠CED=90°,现使一束红光以入射角60°射到AC边上某点,在CE边中点M发生全反射,并从ED边上N点折射出,其中CE=4
mm,EN=2
mm,则( )
A.该宝石的折射率n=
B.红光从入射到N点射出经历的时间为
×10-11
s
C.调整红光的入射角i,可使光线在ED边上发生全反射
D.换成蓝光进行鉴定,光线有可能在ED边上发生全反射
根据以上分析可知在P点的折射角等于在ED边上的入射角,根据光路可逆原理可知,一定不会在ED边发生全反射,故C、D错误。
答案
B
规律方法
1.解决光的折射问题的常规思路
(1)根据题意画出正确的光路图。
(2)利用几何关系确定光路图中的边、角关系,要注意入射角、折射角均是光线与法线的夹角。
(3)利用折射定律、折射率公式列式求解。
2.有关全反射定律的应用技巧
(1)首先判断是否为光从光密介质进入光疏介质,如果是,就要再利用入射角和临界角的关系进一步判断,如果不是则直接应用折射定律解题。
(2)分析光的全反射时,根据临界条件找出临界状态是解决这类题目的关键。
(3)当发生全反射时,仍遵循光的反射定律和光路可逆性。
变式训练1(2021四川内江高二期末)
如图所示,将一等腰直角棱镜截去一部分使该截面平行于其底面,这样就减小了棱镜的重量和杂散的内部反射。现从M点发出一束平行于底边CD的单色光,从AC边射入棱镜,已知棱镜玻璃的折射率n=
,光在真空(空气)中的速度为c,则:
(1)光在棱镜中传播的速度是多大?
(2)光线进入棱镜后,能否直接从CD边射出?
二、
几何光学与物理光学的结合
例题2(2021四川高二期末)如图所示,一细光束通过玻璃三棱镜折射后分成a、b、c三束单色光,则这三种单色光中( )
A.c光的频率最小
B.在真空中传播的速度的关系是va>vb>vc
C.分别通过同一双缝干涉装置产生的条纹的间距是xa>xb>xc
D.若a光遇到某障碍物能发生明显的衍射现象,则c光遇到该障碍物不能发生衍射现象
解析
由题图可看出,c光的偏折程度最大,a光的偏折程度最小,则可得c光的折射率最大,频率最大,a光的折射率最小,频率最小,故A错误;各种色光在真空中的传播速度都相同,故B错误;a光的频率最小,则波长最长,故由前面的判断可得λa>λb>λc,根据双缝干涉条纹的间距公式Δx=
λ,可判断a、b、c通过同一双缝干涉装置产生的条纹的间距是xa>xb>xc,故C正确;光遇到障碍物均能发生衍射现象,只是发生明显的衍射现象才需要一定的条件,故D错误。
答案
C
规律方法
几何光学和物理光学(例如干涉、衍射等)的结合点是折射率n和光的频率f,n和f的大小存在对应关系,频率f越大,折射率n越大,再由c=λf找出与波长的关系,由波长关系可联系双缝干涉、光的衍射等现象的应用。如表所示。
各种色光
红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫
频率f
小→大
折射率n
小→大
波长(λ=c/f)
长→短
介质中的波速
大→小
双缝干涉的条纹间距Δx=
λ
大→小
变式训练2(2021河北邢台第二中学高二期末)一束光照射到底面有涂层的平行玻璃砖上表面,经下表面反射从玻璃砖上表面射出,光线分为a、b两束,如图所示。涂层的折射率小于玻璃,下列说法正确的是( )
A.在真空中,a光的传播速度小于b光的传播速度
B.在真空中,遇到障碍物时a光更容易产生明显的衍射现象
C.a、b光在涂层表面一定不会发生全反射
D.在真空中用同一装置进行双缝干涉实验,a光的条纹间距大于b光的条纹间距
解析
光路图如图所示,在玻璃砖上表面折射时,a光的偏折程度较大,则a光的折射率较大,波长较短,由
知,在玻璃中a光的传播速度小于b光的传播速度,但在真空中,a光的传播速度等于b光的传播速度,故A错误;b光的波长较长,遇到障碍物时更容易产生
明显的衍射现象,故B错误;a、b光在涂层表面的入射角等于在玻璃砖上表面的折射角,由光路可逆性可知,a、b光在涂层表面一定不会发生全反射,故C正确;a光的波长较短,根据Δx=
λ知,a光的条纹间距小于b光的条纹间距,故D错误。
答案
C(共21张PPT)
实验:测量玻璃的折射率
第四章
2021
学习目标
思维导图
1.会用“插针法”确定入射光线、折射光线(科学探究)
2.会用公式法、图像法(sin
θ1-sin
θ2图)求折射率(科学探究)
3.会控制实验误差(科学探究)
课前篇
自主预习
[自主阅读]
一、实验目的
测玻璃砖的折射率
二、实验思路
用“插针法”确定入射光线和相应的出射光线,就能在玻璃砖中画出对应的折射光线,用量角器测出入射角θ1和折射角θ2,根据折射定律计算出玻璃的折射率
三、实验器材
对面平行的玻璃砖,大头针,白纸,刻度尺或三角板,量角器,图钉等。
四、实验步骤
1.如图所示,将白纸用图钉钉在平木板上。
2.在白纸上画出一条直线aa'作为界面(线),过aa'上的一点O画出界面的法线NN',并画一条线段AO作为入射光线。
3.把长方形玻璃砖放在白纸上,使它的长边跟aa'对齐,画出玻璃砖的另一边bb'。
4.在直线AO上竖直插上两枚大头针P1、P2,透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像,调整视线方向直到P2的像挡住P1的像,再在观察者一侧竖直插上两枚大头针P3、P4,使P3挡住P1、P2的像,P4挡住P3及P1、P2的像,记下P3、P4的位置。
5.移去大头针和玻璃砖,过P3、P4所在处作直线O'B与bb'交于O',直线O'B就代表了沿AO方向入射的光线通过玻璃砖后的传播方向。
6.连接OO',入射角θ1=∠AON,折射角θ2=∠O'ON',用量角器量出入射角和折射角。
7.用上述方法测出入射角θ1分别为30°、45°、60°时的折射角θ2。
五、数据处理
1.计算法:通过测量入射角和折射角,然后查数学用表,得出入射角和折射角的正弦值,再代入
中求多次不同入射角时n的值,然后取其平均值,即为玻璃砖的折射率。
2.图像法:求出多组对应的入射角与折射角的正弦值,作出sin
θ1-sin
θ2图像,由
可知图像应为直线,如图所示,其斜率为折射率。
3.单位圆法:在不使用量角器的情况下,可以用画单位圆法。
(1)以入射点O为圆心,以一定长度R为半径画圆,交入射光线OA于E点,交折射光线OO'于E'点,过E作NN'的垂线EH,过E'作NN'的垂线E'H',如图所示。
六、注意事项
1.实验时,尽可能将大头针竖直插在纸上,且大头针之间及大头针与光线转折点之间的距离要稍大一些。
2.入射角θ1应适当大一些,以减小测量角度的误差,但不宜太大。
3.在操作时,手不能触摸玻璃砖的光洁面,更不能把玻璃砖界面当尺子画界线。
4.在实验过程中,玻璃砖与白纸的相对位置不能改变。
5.玻璃砖应选用宽度较大的,宜在5
cm以上。若宽度太小,则测量误差较大。
七、实验误差
1.入射光线和出射光线画得不够精确。因此,要求插大头针时两大头针间距应稍大。
2.入射角、折射角测量不精确。为减小测角时的相对误差,入射角要稍大些,但不宜太大,入射角太大时,反射光较强,折射光会相对较弱。
课堂篇
探究学习
问题一
实验数据处理方法
例题1(2021浙江湖州月考)如图所示,某同学在测定玻璃的折射率实验中,先将方格纸平铺在木板上并用图钉固定,玻璃砖平放在方格纸上,然后在方格纸上确定玻璃砖的界面aa'和bb',画上一条角度合适的直线MO,在直线MO上竖直地插上P1、P2两枚大头针。
(1)该同学接下来要完成的必要步骤是 ;?
A.插上大头针P3,使P3仅挡住P2的像
B.插上大头针P3,使P3挡住P1的像和P2的像
C.插上大头针P4,使P4仅挡住P3
D.插上大头针P4,使P4挡住P3和P1、P2的像
(2)通过正确的操作得到了部分光路图,则此玻璃砖的折射率n= (保留两位有效数字)。?
解析
(1)确定大头针P3的位置的方法是大头针P3能挡住P1、P2的像,确定大头针P4的位置的方法是大头针P4能挡住P3和P1、P2的像。故选B、D。
答案
(1)BD (2)1.4
问题二
实验误差的分析
例题2在利用插针法测量玻璃折射率的实验中:
(1)甲同学在纸上正确画出玻璃砖的两个界面aa'和bb'后,不小心碰了玻璃砖使它向aa'方向平移了少许,如图甲所示。则他测出的折射率将 (选填“偏大”“偏小”或“不变”);?
(2)乙同学在画界面时,不小心将两界面aa'、bb'间距画得比玻璃砖宽度大些,如图乙所示,则他测得的折射率 (选填“偏大”“偏小”或“不变”)。?
解析
(1)如图甲所示,入射点为入射光线与aa'直线的交点,出射点为出射光线与bb'直线的交点,两交点的连线为折射光线,由图甲可知,测得的入射角、折射角与真实的入射角、折射角相等,因此测得的折射率将不变。
(2)如图乙所示,乙同学利用插针法确定入射光线、折射光线后,测得的入射角不受影响,但测得的折射角比真实的折射角偏大,因此测得的折射率偏小。
答案
(1)不变 (2)偏小
规律方法
解决此类误差问题的思路
(1)画出正确操作和因操作不当的光路图。
(2)分析入射角、折射角相对于真实角的变化情况。
(3)根据
=n分析折射率的变化情况。
问题三
实验方案的创新
例题3某同学设计了一个测量液体折射率的仪器,如图所示。在一个圆形木盘上过其圆心O作两条相互垂直的直径BC、EF,在半径OA上垂直圆盘面插下两枚大头针P1、P2并保持P1、P2的位置不变,每次测量时,让圆盘的BFC部分竖直浸入液体中,
而且使液面与直径BC相平,EF为界面的法线,而后在图中右上方区域观察P1、P2的像,并在圆周上插上大头针P3,使P3正好挡住P1、P2的像。同学们通过计算,预先在圆周EC部分刻好了折射率的值。这样只要根据P3所插的位置,就可直接读出液体折射率的值。
(1)若∠AOF=30°,OP3与OC的夹角为30°,则P3处所对应的折射率的值为 。?
(2)图中P3、P4两位置哪一处所对应的折射率值大? 。?
(3)作AO的延长线交圆周于K,K处所对应的折射率的值应为 。?
解析
(1)此时OP3与OE之间的夹角为入射角,θ1=60°,θ2=30°,则
(2)P4对应的入射角大,折射角相同,所以对应的折射率大。
(3)当在K位置时,入射角与折射角相等,所以折射率等于1。
答案
(1)
(2)P4 (3)1
当堂检测
1.(多选)在做测量玻璃砖的折射率的实验时,下列关于实验要求的叙述正确的是( )
A.玻璃砖的宽度宜大些
B.大头针应垂直地插在纸面上
C.每边的两个大头针的距离近些容易观察
D.在插P4时,只要挡住P3的光线就行,与P1、P2无关
解析
玻璃砖宽大些,入射光、出射光与界面的交点偏移距离大,便于画图和测量。大头针垂直插在纸上可减少误差,每边的两个大头针的距离过近,测量误差较大,在插P4时要挡住P3和P1、P2的像,与P1、P2有关。故A、B项正确。
答案
AB
2.某同学由于没有量角器,他在完成了光路图后,以O点为圆心,10
cm为半径画圆,分别交线段OA于A点,交线段OO'的延长线于C点,过A点作法线NN'的垂线AB交NN'于B点,过C点作法线NN'的垂线CD交NN'于D点,如图所示。用刻度尺量得OB=8
cm,CD=4
cm,由此可得出玻璃的折射率n= 。?
答案
1.5(共23张PPT)
习题课:光的折射和全反射
第四章
2021
课堂篇
探究学习
问题一
平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制
例题1(2020山东高密模拟)一宽为L的长方体透明介质与右侧的荧光屏平行放置,其右表面距离荧光屏的距离也为L,在透明介质的左侧L处有一点光源S,该光源在荧光屏上的投影点为O,点光源S发出一细光束,细光束经透明介质折射后射到荧光屏上的A点,经测量可知AO两点之间的距离为(2+
)L,已知光在真空中的速度为c,α=45°。求:
(1)该透明介质的折射率大小;
(2)细光束从发射到射到荧光屏上所用的时间。
规律方法
比较项
平行玻璃砖
三棱镜
圆柱体(球)
结构
玻璃砖上、下表面是平行的
横截面为三角形
横截面是圆
比较项
平行玻璃砖
三棱镜
圆柱体(球)
对光线
的作用
?
通过平行玻璃砖的光线不改变传播方向,但要发生侧移
?
通过三棱镜的光线经两次折射后,出射光线向棱镜底面偏折
?
圆界面的法线是过圆心的直线,经过两次折射后向圆心偏折
比较项
平行玻璃砖
三棱镜
圆柱体(球)
应用
测定玻璃的折射率
?
全反射棱镜,改变光的传播方向
改变光的传播方向
变式训练1如图所示,一束单色光从空气入射到棱镜的AB面上,经AB和AC两个面折射后从AC面进入空气。当出射角i'和入射角i相等时,出射光线相对于入射光线偏转的角度为θ。已知棱镜顶角为α,则计算棱镜对该单色光的折射率的表达式为( )
解析
当出射角i'和入射角i相等时,由几何知识,作角A的角平分线,角平分线过入射光线的延长线和出射光线的反向延长线的交点、两法线的交点,
答案
A
变式训练2(2021河北高二期末)如图所示,细光束a射到折射率为
的透明球表面,入射角为45°,在球的内壁经过一次反射后,从球面射出的光线为b,则入射光线a与出射光线b之间的夹角α为( )
A.45°
B.30°
C.60°
D.75°
解析
画出入射光线与反射光线,它们一定是关于半径对称的,根据光路可逆,光线从球外射向球内,在球内反射一次,再折射出球外,整个光路如图所示,
由折射定律得
则r=30°,由几何关系,得
=r-(i-r)=2r-i,有α=4r-2i=4×30°-2×45°=30°,故入射光线与出射光线间的夹角为30°,故B正确,A、C、D错误。
答案
B
问题二
折射和全反射的综合问题
例题2(2019全国Ⅰ卷)如图,一艘帆船静止在湖面上,帆船的竖直桅杆顶端高出水面3
m。距水面4
m的湖底P点发出的激光束,从水面出射后恰好照射到桅杆顶端,该出射光束与竖直方向的夹角为53°(取sin
53°=0.8)。已知水的折射率为
。
(1)求桅杆到P点的水平距离;
(2)船向左行驶一段距离后停止,调整由P点发出的激光束方向,当其与竖直方向夹角为45°时,从水面射出后仍照射在桅杆顶端,求船行驶的距离。
解析
(1)设光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为x1,到P点的水平距离为x2;桅杆高度为h1,P点处水深为h2;激光束在水中与竖直方向的夹角为θ。由几何关系有
由折射定律有sin
53°=nsin
θ③
设桅杆到P点的水平距离为x,则x=x1+x2④
联立①②③④式并代入题给数据得x=7
m⑤
(2)设激光束在水中与竖直方向的夹角为45°时,从水面出射的方向与竖直方向夹角为i',由折射定律有sin
i'=nsin
45°⑥
设船向左行驶的距离为x',此时光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为x1',到P点的水平距离为x2',则
x1'+x2'=x'+x⑦
=tan
i'⑧
=tan
45°⑨
联立⑤⑥⑦⑧⑨式并代入题给数据得
x'=(6
-3)
m=5.5
m⑩
答案
(1)7
m (2)5.5
m
规律方法
解决光的折射、全反射临界问题的基本思路
1.遵循的规律
(1)光照射到两种透明介质的界面时会发生反射和折射现象,反射角与入射角的关系遵从光的反射定律。
(2)折射角与入射角的关系遵从光的折射定律。
(3)如果满足光从光密介质射入光疏介质并且入射角不小于临界角,则会发生全反射现象。
2.基本思路:(1)分析光传播的过程。光照射到两种透明介质的界面时会发生反射和折射现象,如果光是从光密介质进入光疏介质要根据入射角和临界角的关系判断是否发生全反射。
(2)画出正确的光路图。利用光路图中的临界光线,准确地判断出恰好发生全反射或符合题意的折射光路图是解题的关键。
(3)运用几何关系、三角函数关系、折射定律、反射定律等知识进行求解。
变式训练3(多选)(2021山东东营胜利第二中学高二期末)OMNE为半圆柱体玻璃砖的横截面,直径OE=d,一束由a光和b光组成的复色光,沿AO方向从上表面射入玻璃砖,入射角为θ。a光和b光折射后分别射到M点和N点,如图所示,a光在M点恰好发生全反射。已知光在真空中的传播速度为c,下列说法正确的是( )
A.玻璃对a光的折射率小于b光
B.玻璃对a光的折射率为
C.a光由O到M所需时间为
D.b光在N点也可能发生全反射
答案
BC
当堂检测
1.如图所示,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( )
解析
如图所示,根据折射率定义有sin
θ1=nsin
θ2,nsin
θ3=1,
已知θ1=45°,θ2+θ3=90°,解得n=
。
答案
A
2.某种材料的三棱镜截面如图所示,∠A=90°,∠B=60°,一束垂直于BC边的直线光束从AB边上的某点入射,折射光线经过三棱镜BC边反射后,从AC边垂直射出,已知真空中的光速c=3×108
m/s。
(1)求三棱镜的折射率;
(2)求光在棱镜中传播的速度;
(3)要使光线在BC边上发生全反射,则AB边上的入射角应如何变化?
(3)由光路图及几何关系知,BC边上的入射角为30°,要使光线在BC边上发生全反射,应满足
所以临界角C>30°。因此AB边上的折射角r应减小,入射角i也应减小。
答案
(1)
(2)
×108
m/s (3)减小
