(共20张PPT)
本章整合
第四章
2021
知识网络体系构建
本章知识可分为三部分: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;第三是测量折射率、波长的实验.
1.思考关于几何光学的相关内容,填写下图.
2.思考关于物理光学的一些内容,填写下图.
提示 ①频率相同、相位差恒定、振动方向相同 ②明暗相间的条纹 ③路程差是波长的整数倍 ④路程差是半波长的奇数倍 ⑤障碍物或孔的尺寸跟光的波长相差不多,甚至比光的波长还小 ⑥一些明暗相间的条纹,中央条纹最宽、最亮 ⑦偏振光 ⑧单色性好、相干性好、平行度好、亮度高 ⑨传播信息、激光测距、读取光盘信息、医疗、全息照相
重点题型归纳整合
一、光的折射、全反射
例1(2021浙江月考)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i=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( )
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
答案 B
规律方法
1.解决光的折射问题的三步走
(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)利用折射定律列式求解.
2.涉及全反射的三注意
(1)判断: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即可.
(2)临界: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)可逆:当发生全反射时,仍遵循光路的可逆性.
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
解得C=45°
光线到达CD边时,入射角θ=90°-(180°-45°-90°-30°)=75°>C
故光线不能直接从CD边射出.
二、几何光学与光的本性的结合
例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.a光的频率最大
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
答案 C
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.
规律方法几何光学和物理光学的结合点是折射率n和光的频率f,n和f间虽然不存在公式关系,但它们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.
各种色光特性的比较
变式训练2(2021江苏南通高二期末)如图甲所示,每年夏季,我国多地会出现日晕现象,日晕是日光通过卷层云时,受到冰晶的折射而形成的.如图乙所示为一束太阳光射到六角形冰晶上时的光路图,a、b为其折射出的光线中的两种单色光,下列说法正确的是( )
A.在冰晶中,b光的传播速度较大
B.用同一装置做单缝衍射实验,b光中央明条纹更宽
C.通过同一装置发生双缝干涉,a光的相邻条纹间距较大
D.从同种玻璃中射入空气发生全反射时,a光的临界角较小
答案 C(共32张PPT)
第二节 测定介质的折射率
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 i-sin γ图像)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
必备知识
1.实验目的
掌握测定介质折射率的方法;加深对折射定律的理解.
2.实验原理
用插针法确定光路,找出跟入射光线相对应的折射光线,用量角器测入射角i和折射角γ,根据折射定律计算出介质的折射率
3.实验器材
介质(玻璃砖)、白纸、木板、大头针、图钉、量角器、三角板(或直尺)、铅笔等.
4.实验步骤
(1)如图所示,把白纸用图钉钉在木板上.在白纸上画一条直线aa'作为玻璃砖的上界面,画一条线段AO作为入射光线,并过O点画出界面aa'的法线NN'.
(2)把长方形的玻璃砖放在白纸上,使它的一个长边跟aa'严格对齐,并画出玻璃砖的另一个长边bb'.
(3)在AO线段上竖直地插上两枚大头针P1、P2.
(4)眼睛在另一侧透过玻璃砖看两枚大头针,使P2把P1挡住,在眼睛这侧沿视线方向插上大头针P3,使它把P1、P2的像挡住.
(5)用同样的方法再插上大头针P4,使P4能同时挡住P3和P1、P2的像.记下P3、P4的位置,移去玻璃砖和大头针.过P3、P4作直线O'B与bb'交于O'点,连接O、O'两点,OO'就是入射光AO在玻璃砖内的折射光线的方向.入射角i=∠AON,折射角γ=∠O'ON'.
(6)用量角器量出入射角i和折射角γ.从三角函数表中查出入射角和折射角的正弦值,记录在自己设计的表格里.
(7)用上面的方法分别测出入射角是15°、30°、45°、60°和75°时的折射角.查出入射角和折射角的正弦值,把这些数据也记录在上述的表格里.
5.注意事项
(1)玻璃砖必须与直线aa'严格对齐,才能准确地确定法线,准确地画出入射角和折射角.
(2)实验时,尽可能将大头针竖直地插在纸上,且P1和P2之间、P2和O之间、P3和P4之间、P3和O'之间的距离要稍大一些.重合的时候要看玻璃砖里面的像,而不是看玻璃砖上面的大头针的头部.
(3)入射角i应适当大一些,以减小测量角度的误差,但入射角也不宜过大;在操作时,手不能触摸玻璃砖光洁的光学面,更不能用玻璃砖的界面代替直尺画线.
(4)在实验的过程中玻璃砖与白纸的位置都不能改变.
6.数据处理
(1)平均值法
(2)图像法
角并计算正弦值的基础上,以sin γ的值为横坐标,sin i的值为纵坐标,建立直角坐标系,如图所示.描点画线得到一条过原点的直线,求解图线的斜率,设斜率为k,则k=n,故玻璃砖折射率n=k.
7.误差分析
(1)选用宽度较大的玻璃砖,玻璃砖宽度宜在5 cm 以上,若宽度太小则测量误差较大.
(2)入射角宜在15°~75°范围内取值.
(3)玻璃砖的两个折射面应尽量与aa'、bb'重合,否则将可能使画出的玻璃中的光路与实际情况偏离严重.
自我检测
正误判断,判断结果为错误的小题请说明原因.
(1)选用两光学表面间距较大的玻璃砖.( )
答案 √
(2)必须选用两光学表面平行的玻璃砖.( )
答案 ×
解析 光学表面是否平行不影响该实验的准确度.
(3)选用粗的大头针完成实验.( )
答案 ×
解析 应选用细一点的大头针.
(4)插在玻璃砖同侧的两枚大头针间的距离尽量大些.( )
答案 √
(5)实验时,入射角不宜太大,也不宜太小.( )
答案 √
课堂篇 探究学习
探究一
实验操作和数据处理
例1(2021山东烟台高二期末)某实验小组做用插针法测定玻璃折射率的实验.
(1)在白纸上放好平行玻璃砖,aa'和bb'分别是玻璃砖与空气的两个界面,如图所示.在玻璃砖的一侧插上两枚大头针P1和P2,用“ ”表示大头针的位置,然后在另一侧透过玻璃砖观察,并依次插上大头针P3和P4,在插P3时,应使P3 ,在插P4时,应使P4 ;
(2)该小组完成了四次实验,记录的玻璃砖界线和四个大头针扎下的孔洞如下列选项所示,其中正确的是 ;
(3)该小组选取了操作正确的实验记录,在白纸上画出光线的径迹,以入射点O为圆心作圆,与入射光线、折射光线分别交于A、B点,再过A、B点作法线NN'的垂线,垂足分别为C、D点,如图所示,则玻璃的折射率n= (用图中线段的字母表示).
答案 (1)挡住P1、P2的像 挡住P3以及P1、P2的像 (2)D
解析 (1)在插P3时,应使P3挡住P1、P2的像,在插P4时,应使P4挡住P3以及P1、P2的像;
(2)光线经过玻璃砖后出射光线和入射光线是平行的,且错开一定的距离,即D正确;
规律方法单位圆法测折射率
在找到入射光线和折射光线以后,以入射点O为圆心,以任意长为半径画圆,分别与AO交于C点,与OO'(或OO'的延长线)交于D点,过C、D两点分别向NN'作垂线,交NN'于C'、D',量出CC'和DD'的长,如图所示.
探究二
实验误差的分析
例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”).
答案 (1)不变 (2)偏小
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.
规律方法解决此类误差问题的思路:(1)画出操作正确和操作不当的光路图.(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.
探究三
创新实验
例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)根据光路可逆原理,此时OP3与OE之间的夹角为入射角,
(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.
随堂检测
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
答案 AB
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.
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
3.用三棱镜做测量玻璃的折射率的实验,先在白纸上放好三棱镜,在棱镜的一侧插上两枚大头针P1和P2,然后在棱镜的另一侧观察,调整视线使P1的像被P2的像挡住,接着在眼睛所在的一侧插上两枚大头针P3、P4,使P3挡住P1、P2的像,P4挡住P3和P1、P2的像,在纸上标出的大头针的位置和三棱镜轮廓如图所示.
(1)在本题的图上画出所需的光路.
(2)为了测出棱镜玻璃的折射率,需要测量的量是 ,在图上标出它们.
(3)计算折射率的公式是n= .
答案 见解析
解析 (1)光路图如图所示,画出通过P1、P2的入射光线,交AC面于O,画出通过P3、P4的出射光线交AB面于O',连接O、O',则光线OO'就是入射光线P1P2在三棱镜中的折射光线.
(2)在所画的图上注明入射角i和折射角γ,并画出虚线部分,用量角器量出i和γ(或用直尺测出线段EF、OE、GH、OG的长度).(共52张PPT)
第六节 光的衍射和偏振 第七节 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;观察光的偏振现象,知道光是横波.(物理观念)
2.知道产生明显衍射的条件,知道自然光和偏振光的区别.(科学思维)
3.知道偏振现象的应用,了解激光的特性和应用,认识科学与社会之间的联系.(科学态度与责任)
思维导图
课前篇 自主预习
必备知识
一、光的衍射
1.光的狭缝衍射现象:当狭缝较宽时,观察屏上是一条亮的光带,光带的宽度符合光的直线传播规律.但是,当狭缝不断变窄时,观察屏上会出现中央亮且宽、两边对称分布、明暗相间的光带,整个图样远大于光通过狭缝时按照直线传播所能照亮的区域.这表明光绕过了狭缝边缘传播,而不是沿直线传播.
2.光的圆孔衍射现象:如果将狭缝换成大小可调的圆孔,当圆孔足够小时,同样能观察到中央为明显的亮斑、周围是明暗相间的圆形光环的图样.和光线通过狭缝传播相似,圆形光环的图样远大于通过圆孔时按照直线传播所能照亮的区域.
3.发生明显衍射的条件:当障碍物的尺寸与光的波长相当,甚至小于光的波长时,衍射现象将十分明显.
想一想光遇到小孔、单缝或障碍物时,衍射现象可能发生,也可能不发生,这种说法对吗
提示 不对.光遇到小孔、单缝或障碍物时,衍射现象都会发生,只有明显与不明显之分.
二、光的偏振
1.具有特定振动方向的光叫作偏振光.
2.只有横波才具有偏振性,光是横波.
想一想自然光和偏振光的主要区别是什么
提示 在垂直于传播方向的平面内,自然光沿所有方向振动,偏振光沿某一特定方向振动.
三、激光
1.激光的特性
(1)单色性好:普通光源发射的光,通常包含各种不同频率的光,因而包含有各种颜色.而激光发射的光谱宽度很窄,因此激光是单色产生很好的光源.
(2)相干性好:普通光通常是非相干光,激光是相干光束,它为我们提供了很好的相干光源.
(3)平行度好:激光束的发散角很小,方向性很强,激光光束的能量在空间高度集中,不容易发散,例如激光从地球照射到月球上形成的光斑直径仅约1 km.
(4)亮度高:激光的亮度可比普通光源高出1012~1019倍,是目前最亮的光源,强激光甚至可产生上亿度的高温.
2.激光的应用
激光在现代生活生产中有广泛的应用,并形成了很多与激光相关的产业,比如激光通信、激光武器、激光加工、激光医学、激光成像等.
想一想利用激光测量地球到月球的距离,应用了激光哪方面的性质
提示 应用了平行度好的性质.
自我检测
1.正误判断,判断结果为错误的小题请说明原因.
(1)光的衍射现象说明光不能沿直线传播.( )
答案 ×
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.
(2)激光有相干性好的特点.( )
答案 √
(3)激光“光刀”切割肿瘤是利用了激光的相干性好的特点.( )
答案 ×
解析 激光“光刀”是利用了激光的亮度高的特点.
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
答案 ACD
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,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.
课堂篇 探究学习
探究一
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,光屏上依次可以看到什么现象
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,孔小到一定程度后看到衍射现象.
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.
中央宽且亮,两边窄且暗
衍射越明显
(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.
与圆孔衍射不同
丙
(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.
实例引导
例1(2021山东高二期末)如图所示的四种明暗相间的条纹分别是红光、黄光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及绿光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分表示亮纹).在下面的四幅图中从左往右排列,颜色依次是( )
A.黄绿红紫 B.黄紫红绿
C.红紫黄绿 D.红绿黄紫
答案 C
解析 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,故甲、丙两个是双缝干涉现象,根据双缝干涉条纹间距Δx= λ可以知道波长λ越大,Δx越大,故甲是红光,丙是黄光;单缝衍射条纹中间明亮且宽大,越向两侧宽度越小,而波长越大,中央亮条纹越粗,故乙、丁是单缝衍射图样,乙为紫光的单缝衍射图样,丁为绿光单缝衍射图样;故从左向右依次是红光(双缝干涉)、紫光(单缝衍射)、黄光(双缝干涉)和绿光(单缝衍射),故选C.
规律方法入射光波长越长,障碍物、小孔或狭缝的尺寸越小,衍射现象越明显.
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( )
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
答案 D
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,即题图中所示的图样,故D正确.
探究二
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光的双缝干涉图样,哪幅为光的单缝衍射图样
要点提示 甲为光的双缝干涉图样;乙为光的单缝衍射图样.
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.
实例引导
例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
答案 D
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.
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,中央明条纹最宽,两侧的条纹变窄.
(2)根据明条纹的亮度区分:双缝干涉条纹,从中央明纹往两侧亮度变化很小;而单缝衍射条纹中央明纹最亮,两侧的明纹逐渐变暗.
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
答案 D
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.
探究三
自然光和偏振光的比较
情境探究
在观看3D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.3D电影利用了什么原理
要点提示 利用了光的偏振原理.
知识归纳
自然光和偏振光的比较
比较项 自然光 偏振光
成因 从普通光源(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,一般反射光、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
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
要点笔记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.
实例引导
例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
答案 BD
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.
规律方法对偏振光的两点理解
(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
答案 B
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所摄得的照片才是水下景物的像,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.
探究四
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,可以用于切割、焊接以及在坚硬材料上打孔等.
知识归纳
激光的特点及其应用
特点 应用
单色性好 单色光源
相干性好 可进行调制、传递信息,全息照相
平行度好 传播很远距离仍能保持一定强度,可精确测距、测速
亮度高 可在很小空间、短时间内集中很大能量
要点笔记激光器发出的激光的频率几乎是单一的.所以,我们在做双缝干涉实验时,可以无需在双缝前放单缝,用激光照射双缝就能得到既明亮又清晰的干涉条纹.
实例引导
例4下列选项中不是激光的应用的是( )
A.全息照相 B.光纤通信
C.偏振片 D.医用“光刀”
答案 C
解析 全息照相、光纤通信、医用“光刀”都是激光的应用,偏振片不是激光的应用,故选C.
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.普通光源就可以发出激光
C.激光可以像刀子一样切除肿瘤
D.激光的方向性好,所以激光不能发生衍射现象
答案 AC
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,可以发生衍射现象,故选项D错误.
随堂检测
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
答案 A
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.
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
答案 BD
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.
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好
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好
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.激光束很容易给坚硬的材料上打孔,是利用激光的亮度高
答案 BCD
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.
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
答案 C
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是光的衍射现象,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.(共37张PPT)
第三节 光的全反射与光纤技术
第四章
2021
学习目标
1.知道光疏介质、光密介质、全反射和临界角的概念.(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,认识科学本质.(科学态度与责任)
思维导图
课前篇 自主预习
必备知识
一、光的全反射现象
1.光的全反射和临界角:当光从折射率较大的介质(光密介质)射入折射率较小的介质(光疏介质)时,折射角大于入射角且随入射角增大而增大.当入射角达到一定角度,折射角变成90°,继续增大入射角,折射角将大于90°.此时,入射光线全部被反射回折射率较大的介质中,这种现象称为光的全反射.折射角等于90°时的入射角称为临界角,记作ic.
2.发生光的全反射的两个必要条件:(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.
想一想只有一种介质能否确定它是光密介质还是光疏介质
提示 不能.光密介质、光疏介质是对两种介质相比较折射率而确定的,只有一种介质是无法比较折射率的,从而无法确定它是光疏介质还是光密介质.
二、光导纤维的工作原理
1.光导纤维的作用:光导纤维简称光纤,它能把光(信号)从一端远距离传输到光纤的另一端.
2.光导纤维的原理:利用了光的全反射.
3.光导纤维的结构:光纤设计成沿垂直光纤轴向的两层结构.外层的折射率小于内层的折射率.
4.光导纤维的优点:即使传输到很远的距离仍然有很高的光能,即信号的衰减很小.
自我检测
1.正误判断,判断结果为错误的小题请说明原因.
(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.( )
答案 ×
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.
(2)光从空气射入水中时可能发生全反射现象.( )
答案 ×
解析 光从光密介质射入光疏介质才可能发生全反射.
(3)鱼缸中上升的气泡亮晶晶的,是由于光射到气泡上发生了全反射.( )
答案 √
(4)光纤一般由折射率小的玻璃内芯和折射率大的外层介质组成.( )
答案 ×
解析 玻璃内芯的折射率大,外层介质的折射率小.
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
答案 ACD
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.
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,其纤芯和包层材料不同,光在纤芯中传播.纤芯的折射率比包层的 ,光传播时在纤芯与 的界面上发生全反射.
答案 大 包层
解析 光纤纤芯比包层折射率大,在纤芯与包层的界面上发生全反射.
课堂篇 探究学习
探究一
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 发生了全反射现象,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:
比较项 光的传播速度 折射率
光疏介质 大 小
光密介质 小 大
(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.
2.全反射现象两理解
(1)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,不存在折射光线.
(2)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.当入射角达到临界角时,折射光线消失,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.
4.求解全反射问题的思路
(1)看条件: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)画光路:根据题设条件,画出入射角等于临界角的“临界光路”.
(3)分析计算:运用几何关系、三角函数关系、反射定律等进行判断推理、运算及变换,从而进行定性分析或定量计算.
实例引导
例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'CC的光线.下列说法正确的是( )
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
答案 AC
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射出,A正确,B错误;
折射率变小,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.
规律方法求光线照射的范围时,关键是找出边界光线,如果发生全反射,刚好能发生全反射时的临界光线就是一条边界光线.确定临界光线时,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,则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%
探究二
光导纤维的工作原理
情境探究
医学上可以用光导纤维制成内窥镜,用来检查人体的胃、肠等器官内部,如图所示,光导纤维利用的原理是什么
要点提示 全反射.
知识归纳
1.光导纤维的结构:由纤芯和包层组成,纤芯的折射率比包层的大.
2.光导纤维的应用:内窥镜、光纤宽带、光纤电话、光纤有线电视.
3.光纤通信的主要优点:容量大、衰减小、抗干扰性强.
实例引导
例2如图所示,一根长为L的直光导纤维,纤芯的折射率为n,包层可视为真空.光从它的一个端面射入,从另一端面全部射出,所需的最长时间为多少 (光在真空中的光速为c)
解析 由题中的已知条件可知,要使光线从光导纤维的一端射入,然后从它的另一端全部射出,必须使光线在光导纤维中发生全反射现象.要使光线在光导纤维中经历的时间最长,就必须使光线的路径最长,即光在界面上的
规律方法光从纤芯射到包层的入射角等于临界角时,光在光导纤维中传播的时间最长.
变式训练2(2020陕西西安高新一中高二期中)光纤通信利用光的全反射将大量信息高速传输.如图所示,一条圆柱形的光导纤维,长为L,它的纤芯的折射率为n1,包层的折射率为n2,光在空气中的传播速度为c,若光从它的一端射入经全反射(临界角为φ)后从另一端射出所需的最长时间为t,则下列说法正确的是( )
答案 B
随堂检测
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.(2021山东潍坊一中高二期末)将塑料瓶下侧开一个小孔,瓶中灌入清水,水就从小孔流出.将光束水平射向塑料瓶小孔,观察到光束沿水流方向发生了弯曲,光束被完全限制在了水流内.则下列说法正确的是( )
A.光束在水柱与空气的界面上发生了折射
B.光束在水柱与空气的界面上发生了全反射
C.仅改用折射率更大的液体,光束不能完全被限制在水流内
D.光束在水中的传播速度大于其在空气中的传播速度
答案 B
解析 光束在水柱与空气的界面上发生了全反射,选项A错误,B正确;仅改用折射率更大的液体,根据sin C= ,可知临界角更小,光束仍可在水流中发生全反射,能完全被限制在水流内,选项C错误;根据v= 可知,光束在水中的传播速度小于其在空气中的传播速度,选项D错误.
3.(多选)如图所示,半圆形玻璃砖放在空气中,三条相同的光线均由空气射入玻璃砖,到达玻璃砖的圆心位置.下列说法正确的是( )
A.若三条光线中只有一条在O点发生了全反射,那一定是a光线
B.若光线b能发生全反射,则光线c一定能发生全反射
C.若光线b能发生全反射,则光线a一定能发生全反射
D.若光线a恰能发生全反射,则光线b不能发生全反射
答案 ACD
解析 三条入射光线沿着指向圆心的方向由空气射向玻璃砖,在圆周界面,它们的入射角为零,均不会偏折.在直径界面,光线a的入射角最大,光线c的入射角最小,它们都是从光密介质射向光疏介质,都有发生全反射的可能.如果只有一条光线发生了全反射,那一定是a光线,因为它的入射角最大,A项对;若b光线能发生全反射,说明它的入射角等于或大于临界角,光线a的入射角更大,所以,光线a一定能发生全反射,光线c的入射角可能大于临界角,也可能小于临界角,因此c不一定能发生全反射,C项对,B项错;若光线a恰能发生全反射,则光线b和c都不能发生全反射,D项对.(共46张PPT)
第四节 光的干涉
第四章
2021
学习目标
1.认识干涉条纹的特点,知道相干光源的概念和产生干涉现象的条件.(物理观念)
2.能阐述干涉现象的成因及明暗条纹的位置和特点,能推导出条纹间距的公式.(科学思维)
3.理解薄膜干涉,认识科学与社会之间的联系.(科学态度与责任)
思维导图
课前篇 自主预习
必备知识
一、光的双缝干涉现象
将一支激光笔发出的光照射在双缝上,双缝平行于屏,在屏上观察到了
明暗相间的条纹.
二、光产生干涉的条件
1.相干光波:两列光波的频率相同,相位差恒定,振动方向相同,即光波为相干光波.
2.明暗条纹的位置:两列相干光波到达明(暗)干涉条纹的位置的路程差Δr是波长的整数倍(或半波长的奇数倍),即满足Δr=kλ,k=0,±1,±2,…
想一想一般光源发出的光很难观察到干涉现象,这是什么原因
提示 一般光源发出的光不一定具有相同的频率和恒定的相位差,不具备相干光源的条件.
三、薄膜干涉
1.相干光波:肥皂膜的前、后表面反射回来的两组光波.
2.肥皂膜的特点:由于重力的作用,从膜的上部到膜的下部呈现楔形.
3.彩色光带:太阳光是由许多不同颜色的单色光组成的,不同颜色的光在不同的位置满足明条纹和暗条纹的条件.
4.薄膜干涉的应用:相机镜头上镀上增透膜,增加透射,减少反射.
自我检测
1.正误判断,判断结果为错误的小题请说明原因.
(1)两只完全相同的灯泡发出的光能产生干涉现象.( )
答案 ×
解析 不符合相干光源的条件,因此不能产生干涉现象.
(2)光和机械波一样,产生稳定的干涉图样需要一定的条件.( )
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的两束光
答案 AB
解析 根据产生干涉的条件可知,选A、B.
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明条纹
答案 BC
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光程差是波长的整数倍,选项D正确.
课堂篇 探究学习
探究一
干涉条纹和光的波长之间的关系
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“明”“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·杨成功地观测到了光的双缝干涉现象,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.明条纹产生的条件: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,…
k=0时,PS1=PS2,此时P点位于屏上的O处,为明条纹,此处的条纹叫中央明条纹或零级明条纹,k为明条纹的级次.
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=0,±1,±2,…,k为暗条纹的级次.
实例引导
例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点形成相邻的明条纹.若使用波长为4×10-7 m的紫光重复上述实验,在P和P1点形成的明、暗条纹的情况是( )
A.P和P1都是明条纹
B.P是明条纹,P1是暗条纹
C.P是暗条纹,P1是明条纹
D.P和P1都是暗条纹
答案 B
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处是明纹,因而,无论入射光是什么颜色的光,波长多大,P处都是明纹.
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,出现明条纹.
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.
规律方法分析双缝干涉中明暗条纹问题的步骤
(1)明确光在真空(或空气)中的波长.
(2)由屏上出现明暗条纹的条件判断光屏上出现的是明条纹还是暗条纹.
(3)根据明条纹的判断式或暗条纹的判断式判断出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为相邻明条纹的位置,c为中央明条纹,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
答案 BD
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为中心明纹旁边的第一条明纹,则M、N到达b的路程差为波长λ,故B正确;e为中心明纹旁边的第二条明纹,M、N到达e的路程差为2λ,故D正确.
探究二
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明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.相邻明条纹(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,d l,三角形S1S2M可看作直角三角形.则:
r2-r1=dsin θ(∠S2S1M=θ).
x=ltan θ≈lsin 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.
等宽相间
(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.
与波长成正比
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明条纹,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,即红光的明条纹间距宽度最大,紫光的明条纹间距宽度最小,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.
实例引导
例2甲图为双缝干涉实验的装置示意图.乙图为用绿光进行实验时,在屏上观察到的条纹情况,a为中央明条纹,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'为中央明条纹.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
答案 A
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.
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,既可以是两相邻明条纹中线间的距离,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,相邻两明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,相邻两个明条纹间距将变宽
C.在双缝干涉现象中,将绿光换为红光,相邻两个明条纹间距将变宽
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
答案 C
解析 在双缝干涉现象中,相邻两明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,相邻两个明条纹的间距越大,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,再往外由于重叠严重,没有明显干涉条纹,只是看到彩光,选项D错误.
探究三
薄膜干涉现象及其应用
情境探究
酒精灯的灯焰能发出明亮的黄光.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、后表面的反射光的光程差为2h.若满足2h为膜中波长的整数倍时,该处出现明条纹;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光程差均相同,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为水平方向.
水平平行相间
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,两列波的光程差相同,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,当光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,所以增透膜一般呈现淡紫色.
实例引导
例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,A和B对应P和Q,则条纹中的P和Q的情况说明( )
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
答案 BC
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.
规律方法处理此类问题时,一般可简单记为向尖处弯曲表示凹陷.
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
解析 薄膜两个界面上的反射光(红外线)相干涉后互相抵消,即
随堂检测
1.(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,在屏上观察到如图甲所示的条纹,仅改变一个实验条件后,观察到的条纹如图乙所示.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
答案 AC
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,可能是双缝与屏的间距减小,也可能是双缝间距变大.故A、C正确,B、D错误.
2.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
答案 C
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.
3.(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点出现的是明条纹,相邻两个明条纹或暗条纹的中心间距为2 mm
B.P点出现的是暗条纹,相邻两个明条纹或暗条纹的中心间距为2 mm
C.P点出现的是明条纹,相邻两个明条纹或暗条纹的中心间距为4 mm
D.P点出现的是暗条纹,相邻两个明条纹或暗条纹的中心间距为4 mm
答案 B(共32张PPT)
第五节 用双缝干涉实验测定光的波长
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”测量明条纹间距,进而测量光的波长.(科学思维)
课前篇 自主预习
必备知识
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测定单色光的波长.
二、实验原理
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,只要测出相邻两明条纹(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、光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,二者间距约为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明条纹的中央,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明条纹的中央,记下此时手轮上的读数a2,得出n个明条纹间的距离为a=|a2-a1|,则相邻两明条纹间距
(3)用刻度尺测量双缝到光屏的距离L.
(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,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条明条纹间距,再求Δx= ,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.
自我检测
正误判断,判断结果为错误的小题请说明原因.
(1)双缝的作用是获得两个振动情况相同的相干光源.( )
答案 √
(2)光屏上距两缝的路程差等于半波长的整数倍处出现暗条纹.( )
答案 ×
解析 光屏上距两缝的路程差为半波长的奇数倍处出现暗条纹.
(3)在光屏上能看到光的干涉图样,但在双缝与光屏之间的空间却没有干涉发生.( )
答案 ×
解析 两列光波相遇就会叠加,满足相干条件就能发生干涉,所以在双缝与光屏之间的空间也会发生干涉,用光屏接收只是为了肉眼观察的方便.
(4)测量干涉条纹的间距时,直接测出相邻的两个明条纹之间的距离即可.( )
答案 ×
解析 条纹间距比较小,为减小测量误差,应测量若干个条纹间的距离.
课堂篇 探究学习
探究一
对实验装置及原理的考查
例1在用双缝干涉实验测定光的波长时(实验装置如图所示):
(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.测量某条干涉明条纹位置时,应使测微目镜分划板中心刻线与该明条纹的中心对齐
C.为了减少测量误差,可用测微目镜测出n条明条纹间的距离a,求出相邻两条明条纹间距
(2)测量某明条纹位置时,手轮上的示数如图,其示数为 mm.
答案 (1)A (2)1.970
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明条纹中心对齐,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条明条纹,则明条纹间距Δx= ,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.
变式训练1(2020北京海淀模拟)在用双缝干涉实验测定光的波长时,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明条纹(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.
探究二
实验数据处理和误差分析
情境探究
例2在用双缝干涉实验测定光的波长时,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.
(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.
(2)利用上述测量结果,经计算可得两个相邻明纹(或暗纹)间的距离Δx= mm;这种色光的波长λ= nm.
甲
乙
丙
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的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条明条纹,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条明条纹,读出手轮的读数如图丙所示.则相邻两明条纹的间距是 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).
答案 (1)2.07 (2)6.90×10-7
解析 (1)题图乙中手轮的固定刻度读数为0,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,x2=14.535 mm.
相邻两明条纹的间距
随堂检测
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
答案 AC
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.
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
答案 ABC
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.
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.用测量头来测量明条纹中心的距离.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明条纹的中心(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明条纹的中心,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条明条纹的中心时,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.(共38张PPT)
第一节 光的折射定律
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
必备知识
一、光的折射定律
1.内容:如图所示,当光线从空气射入介质时,发生折射,折射光线、入射光线和法线在同一平面内,折射光线和入射光线分别位于法线的两侧;入射角i的正弦值跟折射角γ的正弦值成正比.
想一想入射角增大,折射角怎么变
提示 折射角也增大.
二、折射率
1.物理意义:反映介质的光学性质的物理量.
2.定义:光从真空射入某种介质发生折射时,入射角i的正弦值与折射角γ的正弦值之比n,叫作这种介质的折射率,即
3.决定因素:折射率与介质的自身性质有关,与入射角的大小无关.
4.折射率与光速的关系:折射率n与光在介质中的传播速度v的关系为
5.特点:所有介质的折射率都大于1.
想一想是否可以由折射率的定义式n= 得出介质的折射率与入射角i的正弦值成正比,与折射角γ的正弦值成反比
提示 不可以.折射率n由介质的性质决定,与入射角i和折射角γ无关.
自我检测
1.正误判断,判断结果为错误的小题请说明原因.
(1)光从一种介质进入另一种介质时传播方向就会变化.( )
答案 ×
解析 如果光垂直分界面入射时,光的传播方向就不会变化.
(2)介质的密度越大,其折射率一定也越大.( )
答案 ×
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.
(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)当光从空气垂直进入水中时,水的折射率为0.( )
答案 ×
解析 折射率由介质本身决定.
2.(多选)如图所示,光在真空和某介质的界面MN上发生折射,由图可知( )
A.光是从真空射入介质的
B.光是由介质射入真空的
C.介质的折射率为
D.反射光线与折射光线的夹角为90°
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 .
答案 小
解析 由n= 可知,介质的折射率越大,光在该介质中的速度越小.
课堂篇 探究学习
探究一
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,如图所示.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,人眼逆着折射光线的方向看去,就会觉得鱼变浅了,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.
入射角为零,折射角为零
(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.
折射率大的对应角小
(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.
入射角和折射角互换
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”:“入射角的正弦值与折射角的正弦值成正比”,即 =n,折射角γ随入射角i的变化而变化,入射角i的正弦值与折射角γ的正弦值之比是定值,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.
要点笔记光的折射定律是光从一种介质射向另一种介质中时,在传播过程中必然遵循的规律.
实例引导
例1一条光线以40°的入射角从真空射到平板透明材料上,光的一部分被反射,一部分被折射,折射光线与反射光线的夹角可能是( )
A.小于40°
B.在50°~100°之间
C.在100°~140°之间
D.大于140°
答案 C
解析 由 >1得折射角θ2<θ1=40°,由反射定律得θ3=θ1=40°,如图所示,故折射光线与反射光线的夹角φ=180°-θ3-θ2=140°-θ2,所以100°<φ<140°,故选项C正确。
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n= ,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
答案 B
探究二
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,请在表格的基础上思考以下问题:
入射角i 折射角γ
10° 6.7° 1.49 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 1.51
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.
知识归纳
1.关于正弦值
当光由真空射入某种介质中时,入射角、折射角以及它们的正弦值是可以改变的,但正弦值之比是一个常数.
跟两个角之比不同
2.关于常数n
入射角的正弦值跟折射角的正弦值之比是一个常数,但不同介质具有不同的常数,说明常数反映着该介质的光学特性.
反映了介质对光线的偏折能力
3.光的传播速度
介质的折射率n跟光在其中的传播速度v有关,即n= ,由于光在真空中的传播速度c大于光在任何介质中的传播速度v,所以任何介质的折射率n都大于1.因此,光从真空斜射入介质时,入射角均大于折射角;而光由介质斜射入真空时,入射角均小于折射角.
4.决定因素
介质的折射率是反映介质的光学性质的物理量,它的大小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.
同种介质中,从红到紫折射率逐渐增大
实例引导
例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.(空气中的光速近似为真空中的光速c=3.0×108 m/s)
(1)画出光路图;
(2)求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.光从真空斜射入介质和光从介质斜射入真空不同.
(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大小.
解析 (1)如图所示,由几何关系知:光在AB界面的入射角θ1=60°,折射角θ2=30°
随堂检测
1.关于折射率,下列说法正确的是( )
质中的传播速度v之比
D.以上说法都不对
答案 C
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n= 可知,选项C正确,D错误.
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
答案 BC
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.
3.(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.
甲 乙
答案 (1)1.58 (2)1.9×103 m/s
解析 (1)因为底面直径与桶高相等,
所以∠AON=∠BON'=45°(共25张PPT)
习题课:光的折射和全反射
第四章
2021
课堂篇 探究学习
探究一
平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制
例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
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 (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°
答案 B
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,
探究二
折射和全反射的综合问题
例2(2021浙江绍兴诸暨中学高二期中)如图所示,某种透明介质的截面图由圆心为O、半径为R的四分之一圆和直角三角形AOC组成,其中∠A=60°.一束单色光从D点垂直AB面射入透明介质中,射到圆弧BC上时恰好发生全反射,已知D点与O点之间的距离为 ,光在真空中的传播速度为c,以下说法正确的是( )
A.单色光在介质中的传播速度为 c
B.单色光射到AC面发生全反射,没有光线射出
C.单色光第一次射出介质时折射角为45°
D.单色光第一次射出介质时折射角为30°
答案 C
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,准确地画出符合题意的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2(2021河南信阳高中高二月考)如图所示,单色平行光束以θ=45°入射到半径为R的半圆形玻璃砖与空气的界面,发现玻璃砖圆弧面上有光线射出的部分圆弧所对应的圆心角为90°,不考虑圆弧面上的反射光线.
(1)求玻璃砖对该单色光的折射率n;
(2)若从界面A点(图中未标出)入射的光线在玻璃砖中运动的时间最长,求AO间的距离d.
解析 (1)入射光线经界面折射后的折射光线也是平行光线,圆弧面上有光线射出的区域的边界光线在该界面上的入射角为临界角C,如图所示,
由几何关系得α=C
有光线射出的部分圆弧所对应的圆心角为2α=2C=90°
所以C=45°
得β=30°
光线从圆心正上方射出玻璃砖时,其在玻璃砖中的位移最大,光线在玻璃砖中运动的时间最长
随堂检测
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( )
答案 A
解析 如图所示,根据折射率定义有sin θ1=nsin θ2,nsin θ3=1,已知
2.(2021北京第四十三中学高二期中)一束复色光由空气斜射向一块平行平面玻璃砖,经折射分成两束单色光a、b.已知a光的频率小于b光的频率,下列光路图正确的是( )
答案 D
解析 光线经平行平面玻璃砖两次折射后,根据折射定律,可知出射光线与入射光线平行.a光的频率小于b光的频率,则玻璃砖对a光的折射率小于对b光的折射率,当入射角相同时,由折射定律分析可知a的折射角大于b光的折射角,在玻璃砖内部,a光在b光右侧,故选D.
3.(2021浙江绍兴诸暨中学高二期中)如图所示,有一束平行于等边三棱镜截面ABC的单色光从空气射向E点,并偏折到F点.已知入射方向与边AB的夹角为θ=30°,E、F分别为边AB、BC的中点,则下列说法正确的是( )
A.该棱镜的折射率为2
B.光在F点发生全反射
C.光从空气进入棱镜,光速变小
D.从F点出射的光束与入射到E点的光束平行
答案 C
4.(2021湖北武汉高二期末)用某种透明材料制成的一块柱体棱镜的水平截面图如图所示,左侧ABOD为长方形,右侧DOF为以O为圆心的 圆.光线从真空以入射角θ1=60°射到棱镜AB面上,经折射后,光线到达BF面上的O点并恰好不从BF面射出.求该棱镜的折射率n和光线在棱镜中传播的速度大小v(光在真空中的传播速度为c=3×108 m/s).
解析 画出光路图如图所示,
