第一节 光的折射定律 第二节 测定介质的折射率
课时训练14 光的折射定律 测定介质的折射率
基础夯实
1.一束单色光经由空气射入玻璃,这束光的( )
A.速度变慢,波长变短
B.速度不变,波长变短
C.频率增高,波长变长
D.频率不变,波长变长
答案A
解析根据光的折射特点,在折射过程中频率不变,由公式v=,玻璃的折射率比空气的大。所以由空气进入玻璃时,速度变慢,由λ=可知光的波长变短,所以选项A正确。
2.(多选)如图中虚线表示两种介质的界面及其法线,实线表示一条光线斜射向界面后发生反射与折射的光线,以下说法正确的是( )
A.bO不是入射光线
B.aO是入射光线
C.cO是入射光线
D.Ob是反射光线
答案ABD
解析由题图可知只有aO和bO关于MN对称,所以Ob是反射光线,A正确;aO是入射光线,B正确;Oc是折射光线,C错误,D正确。
3.(多选)关于光的折射,正确的说法是( )
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AD
解析由光的折射定律知,折射光线一定在法线和入射光线所确定的平面内,A正确,B错误。入射角不一定大于折射角,C错误。光线从空气斜射入玻璃时,入射角大于折射角,D正确。
4.(多选)关于折射率,下列说法正确的是( )
A.某种介质的折射率等于光在介质中传播速度v和光在真空中的传播速度c的比值
B.折射角和入射角的大小决定着折射率的大小
C.两种介质相比较,折射率小的介质称为光疏介质
D.任何介质的折射率都大于1
答案CD
解析某种介质的折射率等于光在真空中的传播速度c与光在介质中传播速度v的比值,A不对。折射率与折射角和入射角的大小无关,B不对。
5.(多选)一束光从某种介质射入空气中时,入射角θ1=30°,折射角θ2=60°,折射光路如图所示,则下列说法正确的是( )
A.此介质折射率为
B.此介质折射率为
C.光在介质中速度比在空气中小
D.光在介质中速度比在空气中大
答案BC
解析由折射定律n=,A错误,B正确;又由n=知光在介质中速度比在空气中小,C正确,D错误。
6.如图所示,一条光线由空气射到半圆玻璃砖表面的圆心处,玻璃砖的半圆表面上(反射面)镀有银,则图示几个光路图中,能正确、完整地表示光线行进过程的是( )
答案D
解析在圆心处发生折射和反射,进入半圆表面后沿原路返回,光从玻璃射向空气中时在界面上发生反射和折射。
7.如图所示,落山的太阳看上去正好在地平线上,但实际上太阳已处于地平线以下,观察者的视觉误差大小取决于当地大气的状况。造成这种现象的原因是( )
A.光的反射 B.光的折射
C.光的直线传播 D.小孔成像
答案B
解析太阳光线进入大气层发生折射,使传播方向改变,而使人感觉太阳的位置比实际位置偏高。
8.(多选)如果光线以大小相等的入射角,从真空射入不同介质,若介质的折射率越大,则( )
A.折射角越大,说明折射光线偏离原来方向的程度越大
B.折射角越大,说明折射光线偏离原来方向的程度越小
C.折射角越小,说明折射光线偏离原来方向的程度越大
D.折射角越小,说明折射光线偏离原来方向的程度越小
答案BC
解析根据折射定律,=n,当光以相等的入射角从真空向介质入射时,sin θ1一定,n越大,sin θ2就越小,sin θ2越小说明光偏离原来的程度就越大,故B、C正确。
9.光在某种玻璃中的传播速度是×108 m/s,要使光由玻璃射入空气时折射光线与反射光线成90°夹角,则入射角应是( )
A.30° B.60° C.45° D.90°
答案A
解析依题意作出光路图如图所示。折射角:θ2=90°-θ'=90°-θ1,玻璃的折射率:n=。由折射定律知:nsin θ1=sin θ2=sin(90°-θ1)=cos θ1,即tan θ1=,得θ1=30°。故答案为A。
10.
半径为R的玻璃半圆柱体,截面如图所示,圆心为O,两束平行单色光沿截面射向圆柱面,方向与底面垂直,∠AOB=60°,若玻璃对此单色光的折射率 n=,则两条光线经柱面和底面折射后的交点与O点的距离为( )(导学号51150153)
A. B. C. D.R
答案B
解析如图所示,光线A过圆心传播方向不变。光线B经过柱面时,折射角为θ1,由折射定律得
n=,sin θ1=sin 60°=,得θ1=30°
由几何知识可得OE=
光线BE从E点射入空气,折射角θ2=60°
由几何知识得OD=。故选项B是正确的。
11.为了观察门外情况,有人在门上开一小圆孔,将一块圆柱形玻璃嵌入其中,圆柱体轴线与门面垂直,如图所示。从圆柱底面中心看出去,可以看到的门外入射光线与轴线间的最大夹角称作视场角。已知该玻璃的折射率为n,圆柱长为l,底面半径为r。则视场角是( )
A.arcsin B.arcsin
C.arcsin D.arcsin
答案B
解析光路如图所示,依题意可得sin θ2=,由n=,得θ1=arcsin。
12.
某同学由于没有量角器,在完成了光路图以后,以O点为圆心,10.00 cm 长为半径画圆,分别交线段OA于A点,交O和O'连线延长线于C点,过A点作法线NN'的垂线交NN'于B点,过C点作法线NN'的垂线交NN'于D点,如图所示,用刻度尺量得 OB=8.00 cm,CD=4.00 cm,由此可得出玻璃的折射率n= 。?
答案1.5
解析由光路图以及几何关系可知
n==1.5。
13.两个同学测玻璃的折射率时各设计一个表格记录数据,而且都已完成了计算,你认为谁的是正确的?
甲设计的表格是
次数
θ1
sin θ1
θ2
sin θ2
n
1
30
0.500
20.9
0.322
1.552
1.542
2
45
0.707
30.5
0.461
1.533
3
60
0.866
38.0
0.562
1.541
乙设计的表格是
次数
1
2
3
角平均值
正弦值
n
θ1
30
45
60
45
0.707
1.568
θ2
20.9
30.5
38.0
29.8
0.451
答案甲正确
解析由n=可知,n的测量值应为每次测量的入射角的正弦与折射角的正弦比值的平均值,而不是每次测量的入射角的平均值的正弦与折射角的平均值的正弦之比,故甲正确。
能力提升
14.井口大小和深度相同的两口井,一口是枯井,一口是水井(如图所示,水面在井口之下),两井底部各有一只青蛙,则( )(导学号51150152)
A.水井中的青蛙觉得井口大些,晴天的夜晚,水井中的青蛙能看到更多的星星
B.枯井中的青蛙觉得井口大些,晴天的夜晚,水井中的青蛙能看到更多的星星
C.水井中的青蛙觉得井口小些,晴天的夜晚,枯井中的青蛙能看到更多的星星
D.两只青蛙觉得井口一样大,晴天的夜晚,水井中的青蛙能看到更多的星星
答案B
解析根据边界作出光路图如图所示,由图可知,视角α大于视角β,所以枯井中的青蛙觉得井口大些;因为α<γ,所以水井中的青蛙视野更大些,晴天的晚上,水井中的青蛙看到的星星也更多一些,所以只有 B项正确,A、C、D三项均错误。
15.现代高速公路上的标志牌都使用“回归反光膜”制成,夜间行车时,它能把车灯射出的光逆向反射,标志牌上的字特别醒目。这种“回归反光膜”是用球体反射元件制成的,如图所示,反光膜内均匀分布着直径为10 μm的细玻璃珠,所用玻璃的折射率为,为使入射的车灯光线经玻璃珠折射→反射→再折射后恰好和入射光线平行,那么第一次入射的入射角应是( )(导学号51150154)
A.15° B.30°
C.45° D.60°
答案D
解析已知入射光线和出射光线平行,所以光在三个界面上改变了传播方向,光线在玻璃珠的内表面反射时具有对称性,由此可作出光路图如图所示。
由几何关系可知i=2r,①
根据折射定律有n=,②
由①②可得i=60°。
16.空中有一只小鸟,距水面3 m,其下方距水面4 m深处的水中有一条鱼。已知水的折射率为,则鸟看水中的鱼离它 m,鱼看天上的鸟离它 m。(导学号51150155)?
答案6 8
解析首先作出鸟看鱼的光路图,如图所示。由于是在竖直方向上看,所以入射角很小,即图中的θ1和θ2均很小,故有tan θ1=sin θ1,tan θ2=sin θ2。由图可得
h1tan θ2=h'tan θ1
h'==4× m=3 m
则鸟看水中的鱼离它:H1=(3+3) m=6 m
同理可得鱼看鸟时:h″=nh2=3× m=4 m
则H2=(4+4) m=8 m。
17.“测定玻璃的折射率”实验中,在玻璃砖的一侧竖直插两个大头针A、B,在另一侧再竖直插两个大头针C、D。在插入第四个大头针D时,要使它 。如图是在白纸上留下的实验痕迹,其中直线a、a'是描在纸上的玻璃砖的两个边。根据该图可算得玻璃的折射率n= (计算结果保留两位有效数字)。(导学号51150156)?
答案挡住C及A、B的像 1.8(1.6~1.9都算对)
解析进行测定玻璃折射率的实验时,是利用插针法确定入射光与出射光的光路的。利用插大头针A、B得到进入玻璃的入射光线的光路,在另一侧插一枚大头针C使其挡住A、B的像,插入另一枚大头针D使其挡住C及A、B的像,从而确定出射光路。根据入射点和出射点的连线确定玻璃中的折射光路,并作出法线,用量角器量出入射角θ1和折射角θ2,利用折射定律 n=确定玻璃的折射率。
18.如图所示,一玻璃球体的半径为R,O为球心,AB为直径。来自B点的光线BM在M点射出,出射光线平行于AB,另一光线BN恰好在N点发生全反射。已知∠ABM=30°,求:(导学号51150157)
(1)玻璃的折射率。
(2)球心O到BN的距离。
答案(1) (2)R
解析(1)设光线BM在M点的入射角为i,折射角为r,由几何知识可知i=30°,r=60°,根据折射定律得
n=①
代入数据得
n=。②
(2)光线BN恰好在N点发生全反射,则∠BNO为临界角C
sin C=③
设球心到BN的距离为d,由几何知识可知
d=Rsin C④
联立②③④式得d=R。
课件31张PPT。目标导航预习导引目标导航预习导引一二三一、光的折射及折射定律
1.光的折射及折射定律目标导航预习导引一二三2.折射角与光速的关系
光密介质和光疏介质:光在某些介质中的传播速度慢,这些介质叫做光密介质;在某些介质中的传播速度快,这些介质叫做光疏介质。
折射角和光速的关系:设光在界面两边的传播速度分别为v1、v2,根据惠更斯原理可得出关系式为目标导航预习导引一二三二、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的正弦与
折射角γ的正弦之比,叫做这种介质的绝对折射率,简称折射率。
3.研究表明,光在不同介质中的速度不同,某种介质的折射率,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,即目标导航预习导引一二三三、测定介质的折射率
1.实验原理
折射率 ,通过测定入射角i和折射角γ即可计算出介质的折射率。
2.实验器材
白纸、图钉、平木板、刻度尺、铅笔、大头针、量角器、长方体玻璃砖。
3.介质的折射率由介质决定,与入射角、折射角的大小无关。一二三知识精要思考探究典题例解迁移应用一、折射定律
1.光的方向
光从一种介质进入另一种介质时,传播方向一般要发生变化(斜射)。并非一定变化,当光垂直界面入射时,传播方向就不发生变化。
2.光的传播速度
光从一种介质进入另一种介质时,传播速度一定发生变化,当光垂直界面入射时,光的传播方向虽然不变,但也属于折射,光传播的速度发生变化。
3.入射角与折射角的大小关系
光从一种介质进入另一种介质时,折射角与入射角的大小关系不要一概而论,要视两种介质的折射率大小而定。当光从折射率小的介质斜射入折射率大的介质时,入射角大于折射角,当光从折射率大的介质斜射入折射率小的介质时,入射角小于折射角。一二三知识精要思考探究典题例解迁移应用如果要拍摄自己在镜中的照片,应怎样操作?
答案:因为光反射时光路是可逆的,所以自己如能从镜中看到照相机镜头,即可拍出自己在镜中的照片。一二三知识精要思考探究典题例解迁移应用【例1】 如图所示,光线以入射角θ1从空气射向折射率为n= 的玻璃表面。 (导学号51150056)
(1)当入射角θ1=45°时,反射光线与折射光线间的夹角θ为多大?
(2)当入射角θ1为多少时,反射光线与折射光线垂直?
思路分析本题主要考查反射角、入射角和折射角的概念,首先应弄清反射角、折射角和入射角的含义,然后根据光路图,利用几何知识解题。一二三知识精要思考探究典题例解迁移应用一二三知识精要思考探究典题例解迁移应用一二三知识精要思考探究典题例解迁移应用假设地球表面不存在大气层,那么人们观察到日出时刻与实际存在大气层的情况相比( ) (导学号51150057)
A.将提前
B.将延后
C.在某些地区将提前,在另一些地区将延后
D.不变
答案:B一二三知识精要思考探究典题例解迁移应用解析:
假如地球周围没有大气层,太阳光将沿直线传播,如图所示,在地球上B点的人将在太阳到达A'点时看到日出;而地球表面有大气层时,由于空气的折射率大于1,并且离地球表面越近,大气的密度越大,折射率越大,太阳光将沿如图所示AB曲线进入在B处的人眼中,使在B处的人看到了日出,但在B处的人认为光是沿直线传播的,则认为太阳位于地平线上的A'点,而此时太阳还在地平线以下,相当于日出时刻提前了,所以无大气层时日出的时间将延后。一二三知识精要思考探究典题例解迁移应用二、折射率
1.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,说明常数反映了该介质的光学特性。
2.折射率与光速的关系
光在介质中的传播速度v跟介质的折射率n有关,即 ,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
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。一二三知识精要思考探究典题例解迁移应用任何介质的折射率都一定大于1吗?为什么呢?
答案:一定,由 知,任何介质中的光的传播速度不能大于真空中的光速,只能接近于真空中的光速,故任何介质的折射率都大于1。一二三知识精要思考探究典题例解迁移应用【例2】 (多选)一束光从某种介质射入空气中时,入射角θ1=30°,折射角θ2=60°,折射光路如图所示,则下列说法正确的是( ) (导学号51150058)
C.相对于空气此介质是光密介质
D.光在该介质中的速度比在空气中的大
思路分析解答本题时应弄清以下两点:
(1)反射角、折射角和入射角的含义;
(2)求解折射率时,“入射角”是在真空中,且折射率都大于1。一二三知识精要思考探究典题例解迁移应用答案:BC一二三知识精要思考探究典题例解迁移应用一二三知识精要思考探究典题例解迁移应用一二三知识精要思考探究典题例解迁移应用?一二三知识精要典题例解迁移应用三、测定玻璃的折射率
1.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)把长方体玻璃砖放在白纸上,使它的上边跟aa'对齐,画出玻璃砖的另一边bb'。一二三知识精要典题例解迁移应用(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交bb'于点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'即为折射光线,入射角i=∠AON,折射角r=∠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分别为30°、45°、60°时的折射角。一二三知识精要典题例解迁移应用2.数据处理
(1)计算法:通过测量入射角和折射角,然后从三角函数表中,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)图象法:求出多组对应的入射角与折射角的正弦值,作出sini-sinr图象,由 可知图象应为直线,如图所示,其斜率为折射率。一二三知识精要典题例解迁移应用(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。
②由图中关系
只要用刻度尺测出EH、E'H' 的长度就可以求出n。一二三知识精要典题例解迁移应用3.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i应适当大一些,以减小测量角度的误差,但入射角不宜太大。
(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。一二三知识精要典题例解迁移应用4.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。一二三知识精要典题例解迁移应用【例3】 一块玻璃砖有两个相互平行的表面,其中一个表面是镀银的(光线不能通过此表面)。现要测定此玻璃的折射率。给定的器材还有:白纸、铅笔、大头针4枚(P1、P2、P3、P4)、带有刻度的直角三角板、量角器。 (导学号51150060)实验时,先将玻璃砖放到白纸上,使上述两个相互平行的表面与纸面垂直。在纸上画出直线aa'和bb',aa'表示镀银的玻璃表面,bb'表示另一表面,如图所示。然后,在白纸上竖直插上两枚大头针P1、P2(位置如图)。用P1、P2的连线表示入射光线。一二三知识精要典题例解迁移应用(1)为了测量折射率,应如何正确使用大头针P3、P4?试在题图中标出P3、P4的位置。
(2)然后,移去玻璃砖与大头针。试在题图中通过作图的方法标出光线从空气到玻璃中的入射角θ1与折射角θ2。简要写出作图步骤。
(3)写出用θ1、θ2表示的折射率公式。一二三知识精要典题例解迁移应用解析:(1)在bb'一侧观察P1、P2(经过bb'折射aa'反射,再经bb'折射后)的像,在适当的位置插上P3,使得P3
与P1、P2的像在一条直线上,即让P3挡住P1、P2的像;再插上P4,让它挡住P2(或P1)的像和P3。P3、P4的位置如图。
(2)①过P1、P2作直线与bb'交于O;
②过P3、P4作直线与bb'交于O';
③利用刻度尺找到OO'的中点M;
④过O点作bb'的垂线CD,过M点作bb'的垂线与aa'相交于N,如图所示,连接ON;
⑤∠P1OD=θ1,∠CON=θ2。答案:见解析。 一二三知识精要典题例解迁移应用在学会测量长方体玻璃砖的折射率后,思考如何测量玻璃三棱镜的折射率? (导学号51150061)
答案:见解析
解析:对于玻璃三棱镜折射率的测定,其方法与球形玻璃折射率的测定方法是一样的:(1)在玻璃的一侧竖直插两枚大头针P1和P2。(2)在另一侧再先后插两枚大头针P3和P4,使从另一侧隔着玻璃观察时,大头针P4、P3和P2、P1的像恰好在一条直线上。(3)移去玻璃和大头针后得到如图所示的光路图,可以按光
路图确定入射光线AO,出射光线O'B,则
OO'为折射光线。(4)用量角器量出i、r,
即可求出折射率第三节 光的全反射现象
课时训练15 光的全反射现象
基础夯实
1.(多选)下列说法正确的是( )
A.因为水的密度大于酒精的密度,所以水是光密介质
B.因为水的折射率小于酒精的折射率,所以水对酒精来说是光疏介质
C.同一束光,在光密介质中的传播速度较大
D.同一束光,在光密介质中的传播速度较小
答案BD
解析因为水的折射率为1.33,酒精的折射率为1.36,所以水对酒精来说是光疏介质;由v=可知,光在光密介质中的速度较小。
2.关于全反射,下列所述中正确的是( )
A.发生全反射时仍有折射光线,只是折射光线非常弱,因此可认为不存在折射光线,而只有反射光线
B.光从光密介质射向光疏介质时有可能不发生全反射现象
C.光从光密介质射向光疏介质时一定产生全反射现象
D.光从光疏介质射向光密介质时有可能发生全反射现象
答案B
解析发生全反射现象必须同时满足两个条件:一是光由光密介质射向光疏介质;二是入射角大于或等于临界角。两个条件缺一不可。故正确答案为B。
3.(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,它们分别是玻璃和空气的界面,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
答案CD
解析在界面Ⅰ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,则选项C正确;在界面Ⅱ光由玻璃进入空气,是由光密介质进入光疏介质,但是,由于界面Ⅰ和界面Ⅱ平行,光由界面Ⅰ进入玻璃后再达到界面Ⅱ,在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角,因此入射角总是小于临界角,也不会发生全反射现象,选项D正确。
4.如图所示,光线由空气射入半圆形玻璃砖,或由玻璃砖射入空气的光路图中,正确的是(玻璃的折射率为1.5)( )
A.图乙、丁 B.图甲、丁
C.图乙、丙 D.图甲、丙
答案A
解析光线由空气进入玻璃砖中时,入射角大于折射角,由玻璃砖射入空气时,入射角小于折射角,由临界角计算公式得C=arcsin =arcsin =41°49',入射角50°大于临界角,将发生全反射。
5.如下各图画的是光由空气进入全反射(等腰直角)玻璃棱镜,再由棱镜射入空气中的光路图。其中正确的光路图是( )
答案A
解析光由空气进入玻璃,入射角为0°时,折射光线不改变方向,光由玻璃射向棱镜的斜边玻璃与空气界面时,发生全反射现象,光线在直角边射出时不改变方向。
6.
如图,一个三棱镜的截面为等腰直角△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。则该棱镜材料的折射率为( )
A. B. C. D.
答案A
解析如图所示,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=。
7.(多选)已知介质对某单色光的临界角为C,则( )
A.该介质对这种单色光的折射率等于
B.此单色光在该介质中的传播速度等于c·sin C(c是光在真空中的传播速度)
C.此单色光在该介质中的传播波长与在真空中波长的比值为sin C
D.此单色光在该介质中的频率是在真空中的倍
答案ABC
解析由临界角的计算式sin C=得n=,选项A正确;将n=代入sin C=得sin C=,故v=csin C,选项B正确;设该单色光的频率为f,在真空中的波长为λ0,在介质中的波长为λ,由波长、频率、光速的关系得c=λ0f,v=λf,故sin C=,λ=λ0sin C,选项C正确;该单色光由真空传入介质时,频率不发生变化,选项D错误。
8.
(多选)如图所示,半圆形玻璃砖放在空气中,三条同一颜色、强度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( )(导学号51150158)
A.假若三条光线中有一条在O点发生了全反射,那一定是aO光线
B.假若光线bO能发生全反射,那么光线cO一定能发生全反射
C.假若光线bO能发生全反射,那么光线aO一定能发生全反射
D.假若光线aO恰能发生全反射,则光线bO的反射光线比光线cO的反射光线的亮度大
答案ACD
解析本题考查全反射的条件及能量。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aO的入射角最大,光线cO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aO光线,因为它的入射角最大,所以A项对。
假若光线bO能发生全反射,说明它的入射角等于或大于临界角,光线aO的入射角更大,所以,光线aO一定能发生全反射,光线cO的入射角可能大于临界角,也可能小于临界角,因此,cO不一定能发生全反射。所以C项对,B项错。
假若光线aO恰能发生全反射,光线bO和cO都不能发生全反射,但bO的入射角更接近于临界角,所以光线bO的反射光线较光线cO的反射光线强,即bO的反射光线亮度较大,所以D项对,本题答案选A、C、D。
9.(多选)酷热的夏天,在平坦的柏油公路上你会看到在一定距离之外,地面显得格外明亮,仿佛是一片水面,似乎还能看到远处车、人的倒影。但当你靠近“水面”时,它也随着你的靠近而后退。对此现象正确的解释是( )
A.出现的是“海市蜃楼”,是由于光的折射造成的
B.“水面”不存在,是由于酷热难耐,人产生的幻觉
C.太阳辐射到地面,使地表温度升高,折射率大,发生全反射
D.太阳辐射到地面,使地表温度升高,折射率小,发生全反射
答案AD
解析酷热的夏天地面温度高,地表附近空气的密度小,空气的折射率下小上大,远处车、人反射的太阳光由光密介质射入光疏介质发生全反射。
10.在完全透明的水下某深处,放一点光源,在水面上可见到一个圆形透光平面,如果透光圆面的半径正在匀速增大,如图所示,则光源正在( )
A.匀加速上升
B.匀加速下沉
C.匀速上升
D.匀速下沉
答案D
解析因为发生全反射,所以圆形透光半径 r=dtan C,因为r是匀速变大,所以d也是匀速变大的,故光源是在匀速下沉,所以选项D正确。
11.
如图所示,直角玻璃棱镜中∠A=70°,入射光线垂直于AC面,求光线从棱镜第一次射入空气时的折射角,并作光路图。已知玻璃的折射率为。(导学号51150160)
答案第一次射入空气时的折射角为45°,光路图见解析图。
解析光从玻璃射入空气的临界角为45°。作光路图如图所示。
第一次射到AB面上时,入射角∠1=70°,发生全反射;再射到BC面上,这时入射角∠2=50°,大于临界角,发生全反射;再射到AB面上时,入射角∠3=30°,发生折射,根据,可知折射角∠4=45°。
能力提升
12.(多选)如图为一直角棱镜的横截面,∠BAC=90°,∠ABC=60°。一平行细光束从O点沿垂直于
BC面的方向射入棱镜。已知棱镜材料的折射率n=,若不考虑入射光线在BC面上的反射光,则有光线( )(导学号51150206)
A.从AB面射出
B.从AC面射出
C.从BC面射出,且与BC面斜交
D.从BC面射出,且与BC面垂直
答案BD
解析由n=知,sin C=,故临界角为45°,当光由BC面射入,到AB界面上时,由几何关系知入射角为60°,所以必发生全反射,反射至AC界面时入射角为30°,所以光既从AC面出射,又反射,从AC面反射的光刚好垂直BC面出射。所以有光线从AC面和BC面射出,且从BC面射出的光线与BC面垂直,选项B、D正确。
13.(多选)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( )(导学号51150207)
A.该棱镜的折射率为
B.光在F点发生全反射
C.光从空气进入棱镜,波长变小
D.从F点出射的光束与入射到E点的光束平行
答案AC
解析在E点作出法线可知入射角为60°,折射角为30°,折射率为,A对;由光路的可逆性可知,在BC边上的入射角小于临界角,不会发生全反射,B错;由公式λ介=,可知C对;三棱镜两次折射使得光线都向底边偏折,不会与入射到E点的光束平行,故D错。
14.在桌面上有一倒立的玻璃圆锥,其顶点恰好与桌面接触,圆锥的轴(图中虚线)与桌面垂直,过轴线的截面为等边三角形,如图所示。 有一半径为r的圆柱形平行光束垂直入射到圆锥的底面上,光束的中心轴与圆锥的轴重合。已知玻璃的折射率为1.5,则光束在桌面上形成的光斑半径为( )(导学号51150208)
A.r B.1.5r C.2r D.2.5r
答案C
解析如图所示,光线射到A或B时,入射角为60°,大于临界角(C=arcsin =42°),发生全反射,由几何关系可知第二次到达界面的时候与界面垂直;同理,在AB之间射入的光线都发生全反射。O点为△ABC的重心,设FC=x,则由几何关系得,解得光斑半径x=2r。故选项C正确。
15.如图所示为单反照相机取景器的示意图,ABCDE为五棱镜的一个截面,AB⊥BC。光线垂直AB射入,分别在CD和EA上发生反射,且两次反射的入射角相等,最后光线垂直BC射出。若两次反射都为全反射,则该五棱镜折射率的最小值是多少?(计算结果可用三角函数表示)(导学号51150159)
答案
解析首先画出光路图,如图所示。设光线射向CD面上时入射角为θ1,根据两次反射的入射角相等,结合光路图可得θ1=θ2=θ3=θ4=22.5°,又玻璃的折射率n=,当临界角C=θ1=22.5°时,折射率最小,故五棱镜折射率的最小值为n=。
16.一玻璃立方体中心有一点状光源。今在立方体的部分表面镀上不透明薄膜,以致从光源发出的光线只经过一次折射不能透出立方体。已知该玻璃的折射率为,求镀膜的面积与立方体表面积之比的最小值。(导学号51150161)
答案
解析如图,考虑从玻璃立方体中心O点发出的一条光线,假设它斜射到玻璃立方体上表面发生折射。根据折射定律有
nsin θ=sin α①
式中,n是玻璃的折射率,入射角等于θ,α是折射角。
现假设A点是上表面面积最小的不透明薄膜边缘上的一点。由题意,在A点刚好发生全反射,故
αA=②
设线段OA在立方体上表面的投影长为RA,由几何关系有
sin θA=③
式中a为玻璃立方体的边长。由①②③式得
RA=④
由题给数据得
RA=⑤
由题意,上表面所镀的面积最小的不透明薄膜应是半径为RA的圆。所求的镀膜面积S'与玻璃立方体的表面积S之比为
⑥
由⑤⑥式得
。
课件21张PPT。目标导航预习导引目标导航预习导引一二一、光的全反射
1.全反射:光从光密介质射入光疏介质时,若入射角增大到某一角度,折射光线就会完全消失,只剩下反射光线的现象。
2.临界角:刚好发生全反射即折射角等于90°时的入射角,用字母θc表示,则
3.全反射的条件
要发生全反射,必须同时具备两个条件:
(1)光从光密介质射入光疏介质。
(2)入射角大于等于临界角。目标导航预习导引一二玻璃或水中的气泡为什么看起来格外亮?
提示 因为光从玻璃或水入射到气泡表面时发生了全反射。目标导航预习导引一二二、光导纤维的结构与应用
1.光导纤维对光的传导原理:利用了光的全反射。
2.光导纤维的构造:光导纤维是非常细的特制玻璃丝,直径从几微米到一百微米,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.光导纤维的应用——光纤通信
光纤通信的主要优点是容量大,此外光纤传输还有衰减小、抗干扰性强等多方面的优点。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用一、全反射
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。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用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。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用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。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用为什么说光疏介质和光密介质是相对的?
答案:折射率较小的介质称为光疏介质,折射率大小是相对的,例如水、水晶和金刚石三种物质相比较,水晶对水来说是光密介质,对金刚石来说是光疏介质。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用【例1】 如图所示,在厚度为d、折射率为n的大玻璃板的下表面,紧贴着一个半径为r的圆形发光面,为了从玻璃板的上方看不见圆形发光面,可在玻璃板的上表面贴一张圆纸片,求所贴圆纸片的最小面积。 (导学号51150062)
思路分析解答本题的关键是弄清所贴圆纸片的最小面积究竟由什么决定,实质是利用全反射知识求介质的临界角。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用解析:如图所示,A为发光面右边缘,若由A发出的光线射向O点恰好发生全反射,入射角θ就是玻璃的临界角,此时在玻璃板的上表面O点外侧不再有折射光线。设B点为A在玻璃板正上方的对应点,那么(r+BO)为玻璃板上表面透光面的半径。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用一二知识精要思考探究典题例解迁移应用一二知识精要思考探究典题例解迁移应用一束单色光由左侧射入注满清水的薄壁圆柱形玻璃杯,如图为过轴线的截面图,调整入射角α,使光线恰好在水和空气的界面上发生全反射。已知水的折射率为 ,求sin α的值。(导学号51150063)
解析:当光线在水面发生全反射时有sin C=1n,当光线从左侧射入时,由折射定律有sinαsin(π2-C)=n,联立这两式,代入数据可得sin α=73。一二知识精要典题例解迁移应用二、光导纤维
1.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播光,光信号又可以转换成电信号,进而变为声音、图象。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,就可以传播图象。一二知识精要典题例解迁移应用2.光导纤维的折射率
设光导纤维的折射率为n,当入射角为θ1时,进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射,如图所示,则有
由图可知:当θ1增大时,θ2增大,而从纤维射向空气中光线的入射角θ减小,当θ1=90°时,若θ=C,则所有进入纤维中的光线都能发生全反射,即解得n= ,以上是光从纤维射向真空时得到的折射率,由于光导纤维包有外套,外套的折射率比真空的折射率大,因此折射率要比 大些。一二知识精要典题例解迁移应用【例2】 如图所示是两个城市间的光缆中的一条光导纤维,光纤长为L,它的玻璃芯的折射率为n1,外层材料的折射率为n2,光在真空中的传播速度为c。光由它的一端射入经多次反射后从另一端射出,则( ) (导学号51150064)一二知识精要典题例解迁移应用思路分析光纤通信的原理是全反射,根据全反射规律可知n1、n2的大小关系;作出光路图可以求出光通过的路程,再根据光在介质中的传播速度可求出需要的时间。
答案:C一二知识精要典题例解迁移应用一二知识精要典题例解迁移应用如图所示,一根长为L的直光导纤维,它的折射率为n。光从它的一个端面射入,
又从另一端面射出所需的最长时间为多少?(设光在真空中的光速为c) (导学号51150065)一二知识精要典题例解迁移应用解析: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,即光对光导纤维的入射角最小。光导纤维的临界角为第四节 光的干涉
课时训练16 光的干涉
基础夯实
1.在杨氏双缝干涉实验装置中,双缝的作用是( )
A.遮住过于强烈的灯光
B.形成两个振动情况相同的光源
C.使白光变成单色光
D.使光发生折射
答案B
解析本题考查光的双缝干涉实验装置,双缝的作用是获得相干光源,故正确选项为B。
2.(多选)对于光波和声波,下列说法正确的是( )
A.它们都能在真空中传播
B.它们都能产生反射和折射
C.它们都能产生干涉
D.声波能产生干涉而光波不能
答案BC
解析光波和声波都具备波所具有的特征,即能产生反射、折射、干涉等现象,光波能在真空中传播,而声波不能在真空中传播。故选项B、C正确。
3.以下两个光源可作为相干光源的是( )
A.两个相同亮度的烛焰
B.两个相同规格的灯泡
C.双丝灯泡
D.出自一个光源的两束激光
答案D
解析相干光源必须满足频率相同、振动方向相同、相位差恒定,只有D选项符合条件。
4.(多选)在杨氏双缝干涉实验中,如果( )
A.用白光作为光源,屏上将呈现黑白相同的条纹
B.用红光作为光源,屏上将呈现红黑相同的条纹
C.用红光照射一条狭缝,用紫光照射另一条狭缝,屏上将呈现彩色条纹
D.用紫光作为光源,遮住其中一条狭缝,屏上将呈现间距不等的条纹
答案BD
解析用白光做杨氏双缝干涉实验,屏上将呈现彩色条纹,选项A错误;用红光作光源,屏上将呈现红色亮条纹与暗条纹(即黑条纹)相间的条纹,选项B正确;红光和紫光频率不同,不能产生干涉条纹,选项C错误;用紫光作光源,遮住其中一条狭缝,屏上将出现单缝衍射条纹,即间距不等的条纹,选项D正确。
5.如图所示为双缝干涉实验的装置示意图,图甲为用绿光进行实验时屏上观察到的现象,图乙为换用另一颜色的单色光实验时观察到的条纹情况,则下列说法中正确的是( )
A.乙图可能是用紫光实验产生的条纹,表明紫光波长较长
B.乙图可能是用紫光实验产生的条纹,表明紫光波长较短
C.乙图可能是用红光实验产生的条纹,表明红光波长较长
D.乙图可能是用红光实验产生的条纹,表明红光波长较短
答案C
解析由λ=Δx可知,红光波长较长,条纹间距大。
6.
如图所示,用频率为f的单色光垂直照射双缝,在光屏上的P点出现第3条暗条纹。已知光速为c,则P点到双缝的距离之差r2-r1应为( )
A. B. C. D.
答案D
解析在某点产生暗条纹的条件是光程差 r2-r1为半波长的奇数倍。已知P点出现第3条暗条纹,说明r2-r1=λ,由c=λf得λ=,则r2-r1=。
7.
如图所示,在用单色光做双缝干涉实验时,若单缝S从双缝S1、S2的中央对称轴位置处稍微向上移动,则( )
A.不再产生干涉条纹
B.仍可产生干涉条纹,且中央亮纹P的位置不变
C.仍可产生干涉条纹,中央亮纹P的位置略向上移
D.仍可产生干涉条纹,中央亮纹P的位置略向下移
答案D
解析本实验中单缝S的作用是形成频率一定的线光源,双缝S1、S2的作用是形成相干光源,稍微移动S后,没有改变传到双缝的光的频率,由S1、S2射出的仍是相干光,若单缝S稍微向上移动,由单缝S发出的光经双缝到达屏上P点下方某点的路程差为零,故中央亮纹下移。
8.根据你学过的干涉原理,判断下列说法中正确的是( )
A.在真空中传播速度相同的两束光可以发生干涉现象
B.在双缝干涉实验中,用红光照射一条狭缝,用紫光照射另一条狭缝,屏上将呈现等间距的彩色条纹
C.其他条件不变的情况下,双缝的间距越大,光屏上产生的干涉条纹间距越小
D.在双缝干涉实验中,把其中一缝挡住,则干涉条纹与原来一样,只是亮度减半
答案C
解析由条纹间距公式可知,在其他条件不变的情况下,双缝的间距越大,光屏上产生的干涉条纹间距越小,选项C正确。
9.
某同学利用如图所示实验观察光的干涉现象,其中A为单缝屏,B为双缝屏,C为光屏。当让一束阳光照射A屏时,C屏上并没有出现干涉条纹,移走B后,C上出现一窄亮斑。分析实验失败的原因可能是( )
A.单缝S太窄
B.单缝S太宽
C.S到S1和S2距离不相等
D.阳光不能作为光源
答案B
解析双缝干涉中单缝的作用是获得线光源,而线光源可以看做是由许多个点光源沿一条线排列组成的,这里观察不到光的干涉现象是由于单缝太宽,得不到线光源。故选项B正确。
10.(多选)如图所示是光的双缝干涉的示意图,下列说法中正确的是( )
A.单缝S的作用是为了增加光的强度
B.双缝S1、S2的作用是为了产生两个频率相同的线状光源
C.当S1、S2发出两列光波到P点的路程差为光的波长λ的1.5倍时,产生第二条暗条纹
D.当S1、S2发出的两列光波到P点的路程差为波长λ时,产生中央亮条纹
答案BC
解析单缝是为了获得线光源,A项错,双缝是为了获得相干光源,B项对。当路程差为0时是中央亮纹,路程差为时产生第一条暗纹,则路程差为λ时产生第二条暗纹,故C项对,D项错。
11.(多选)在光的双缝干涉实验中,如果只改变一个条件,以下说法中正确的是( )
A.使双缝间距变小,则条纹间距变宽
B.使屏与双缝距离变小,则条纹间距变宽
C.将入射光由绿光改为红光,则条纹间距变宽
D.将入射光由绿光改为紫光,则条纹间距变宽
答案AC
解析由Δx=·λ知d减小时,条纹间距变宽,所以A项对,l变小时,Δx变小,B项错,λ变大,Δx变大,故C项对,λ变小,Δx变小,D项错。
12.如图所示是单色光双缝干涉实验某一时刻的波形图,实线表示波峰,虚线表示波谷。在此时刻,介质中A点为波峰相叠加点,B点为波谷相叠加点,A、B连线上的C点为某中间状态相叠加点。如果把屏分别放在A、B、C三个位置,那么( )
A.A、B、C三个位置都出现亮条纹
B.B位置出现暗条纹
C.C位置出现亮条纹或暗条纹要由其他条件决定
D.以上结论都不对
答案A
解析本题中,A、B、C三点总是振动加强的点,屏上对应出现的都是亮条纹。另外,要特别注意波谷与波谷相遇的点(图中B点)振动也是加强的,不要以为B点是暗的。
能力提升
13.如图所示是双缝干涉的实验装置,其光屏上P处发现明条纹,
则双缝到光屏上P点的距离之差为( )(导学号51150209)
A.光波的半波长的奇数倍
B.光波的波长的奇数倍
C.光波的半波长的偶数倍
D.光波的波长的偶数倍
答案C
解析在双缝干涉实验中,光屏上某点到双缝的路程差为半波长的偶数倍时,该点为加强点,出现亮条纹;光屏上某点到双缝的路程差为半波长的奇数倍时,该点为减弱点,出现暗条纹。
14.双缝干涉实验装置如图所示,绿光通过单缝S后,投射到具有双缝的挡板上,双缝S1和S2与单缝S的距离相等,光通过双缝后在与双缝平行的屏上形成干涉条纹。屏上O点距双缝S1和S2的距离相等,P点是距O点最近的第一条亮条纹。如果将入射的单色光换成红光或蓝光,讨论屏上O点及其上方的干涉条纹的情况是:①O点是红光的亮条纹;②红光的第一条亮条纹在P点的上方;③O点不是蓝光的亮条纹;④蓝光的第一条亮条纹在P点的上方。已知红光波长大于绿光波长,绿光波长大于蓝光波长,据此判断( )(导学号51150162)
A.只有①②正确 B.只有①④正确
C.只有②③正确 D.只有③④正确
答案A
解析由于O点到双缝的路程差为零,所以为各种色光的亮条纹,P点由于是绿光的第一条亮条纹,红光的波长大于绿光,条纹间距大于绿光的条纹间距,②也正确。
15.激光散斑测速是一种崭新的测速技术,它应用了光的干涉原理。用二次曝光照相所获得的“散斑对”相当于双缝干涉实验中的双缝,待测物体的速度v与二次曝光时间间隔Δt的乘积等于双缝间距。实验中可测得二次曝光时间间隔Δt、双缝到屏之间距离l以及相邻两条亮纹间距Δx。若所用激光波长为λ,则该实验确定物体运动速度的表达式是( )
(导学号51150210)
A.v= B.v=
C.v= D.v=
答案B
解析由双缝干涉条纹间距Δx=λ,代入Δx=λ,则v=,选B。
16.如图所示,在杨氏双缝干涉实验中,激光的波长为5.30×10-7 m,屏上P点距双缝S1和S2的路程差为7.95×10-7 m,则在这里出现的应是 (选填“明条纹”或“暗条纹”),现改用波长为6.30×10-7 m的激光进行上述实验,保持其他条件不变,则屏上的条纹间距将 (选填“变宽”“变窄”或“不变”)。(导学号51150212)?
答案暗条纹 变宽
解析由于光程差δ=7.95×10-7 m=1.5λ,所以将出现暗条纹。由Δx=λ可知,由于波长变大,所以条纹间距变宽。
17.光纤通信是20世纪70年代以后发展起来的新兴技术,世界上许多国家都在积极研究和发展这种技术。发射导弹时,可在导弹后面连一根细如蛛丝的光纤,就像放风筝一样,这种纤细的光纤在导弹和发射装置之间,起着双向传输信号的作用。光纤制导的下行光信号是镓铝砷激光器发出的在纤芯中波长为 0.85 μm 的单色光。上行光信号是铟镓砷磷发光二极管发射的在纤芯中波长为1.06 μm的单色光。这种操纵系统通过这根光纤向导弹发出控制指令,导弹就如同长“眼睛”一样盯住目标。根据以上信息,回答下列问题:(导学号51150163)
(1)在光纤制导中,上行光信号在真空中波长是多少?
(2)为什么上行光信号和下行光信号要采用两种不同频率的光?(已知光纤纤芯的折射率为1.47)
答案(1)1.56 μm (2)见解析
解析(1)设信号频率为f,在真空中的波长为λ0,c=λ0f,光在纤芯中的频率仍为f,波长为λ,则光在纤芯中的速度v=λf,又n=,可以得出λ0=nλ=1.47×1.06 μm=1.56 μm。
(2)若上行光信号和下行光信号的频率相同,将发生干涉现象而互相干扰。
课件17张PPT。目标导航预习导引目标导航预习导引一二三一、双缝干涉现象
1.干涉实验
将一激光笔发出的光照射在双缝上,双缝平面平行于墙壁,在墙壁上即可观察到光的干涉图样——明暗相间的条纹。
2.明暗条纹的成因
和机械波的干涉一样,激光笔发出的单色光经过双缝后成为两列频率相同的光,它们在空间产生干涉,某些区域得到了加强,出现明条纹;某些区域得到了削弱,出现暗条纹;而且这些明暗的区域也是相同的,从而形成了光的干涉图样。目标导航预习导引一二三把两支同样的激光笔发出的光射向墙上的同一个地方,能观察到明暗相间的干涉条纹吗?
提示 不能。两支激光笔属于各自独立发光的光源,两者发出的光是非相干光,因此它们照射到同一点上时不发生干涉,所以无干涉条纹。目标导航预习导引一二三二、光产生干涉的条件
1.干涉条件:两列光的频率相同、相差恒定、振动方向相同,即光波为相干光波。
2.相干光源:发出的光能够产生干涉的两个光源。
3.当两列相干光波到达明(暗)干涉条纹的位置的路程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,出现明条纹;当路程差等于半波长的奇数倍时,两列光波在这点相互削弱,出现暗条纹。
4.光程:介质的折射率n与光在该介质中传播的几何路程的乘积nr。
5.光程差:两列相干光从相位相同的地方达到空间某点P的光程的差。目标导航预习导引一二三6.如果两列光不是在真空或空气中传播,而是在折射率为n(绝对折射率)的介质中传播,对明暗条纹判断时,若光的波长还是用光在真空或空气中的波长,则路程差应换为光程差。
7.在双缝干涉实验中,如果观察屏(墙)到双缝挡板的距离为L,双缝之间的距离为d,光的波长为λ,则观察屏(墙)上的相邻明条纹(或暗条纹)间的距离目标导航预习导引一二三三、薄膜干涉
薄膜干涉的成因:竖直放置的肥皂液膜由于重力的作用,从膜的上部到膜的下部,厚度逐渐增加,形成了楔子形状。因此,在膜不同的地方,其内、外表面反射光的光程差不同,因而在不同的地方形成明条纹和暗条纹。一二知识精要典题例解迁移应用一、杨氏双缝干涉实验
杨氏双缝干涉的装置如图:
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,如果用激光直接照射双缝,可省去单缝屏。没有激光时,用强光照亮一条狭缝,通过这条狭缝的光再通过双缝产生相干光。
2.双缝屏的作用:平行光照射到单缝S上,又照到双缝S1、S2上,这样一束光被分成两束频率相同和振动情况完全一致的相干光。
3.干涉是波特有的现象,杨氏双缝干涉实验证明了光是一种波。
4.两个一般的光源或同一光源的两部分发出的两束光,互相叠加时并不产生干涉现象。一二知识精要典题例解迁移应用【例1】 在双缝干涉实验中,以白光为光源,在屏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),已知红光与绿光的频率、波长均不相等,这时( ) (导学号51150066)
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仍然存在
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
思路分析解答此类问题的关键是明确两列光波发生干涉的条件,知道不同色光的频率不同。一二知识精要典题例解迁移应用解析:两列光波发生干涉的条件之一是频率相同,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,但用绿色滤光片和红色滤光片分别挡住两条缝后,红光和绿光频率不相等,不能发生干涉,因此屏上不会出现干涉条纹。但由于红光和绿光可通过各自的单缝,因此屏上仍有光亮。故选项C正确。
答案:C一二知识精要典题例解迁移应用一二知识精要典题例解迁移应用由两个不同光源所发出的两束白光落在同一点上,不会产生干涉现象。这是因为( )
A.两个光源发出光的频率不同
B.两个光源发出光的强度不同
C.两个光源的光速不同
D.这两个光源是彼此独立的,不是相干光源
答案:D
解析:本题考查相干光的条件,题中两光源发的光都是白光,频率不确定,没法比较,选项A错误。光的强度对光是否发生干涉没有影响,选项B错误。光速在真空中是确定的,但它对光的干涉也没影响,选项C错误。两个独立光源,发光的频率是不相同的,不是相干光源,不能产生干涉现象,选项D正确。一二知识精要典题例解迁移应用二、决定干涉条纹间距的条件
1.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相反。
2.判断屏上某点是亮条纹还是暗条纹,要看该点到两个光源(双缝)的路程差与波长的比值。应记住,路程差等于波长整数倍处出现亮条纹,等于半波长的奇数倍处为暗条纹,还要记住这一结论成立的条件是:两个光源振动情况完全相同,即是两个相干光源。一二知识精要典题例解迁移应用【例2】 如图所示是双缝干涉实验的示意图,屏上O点到双缝S1、S2的距离相等。当用波长为0.75 μm的单色光照射时,P是位于O点上方的第二条亮条纹位置,若换用波长为0.6 μm的单色光做实验,P处是亮条纹还是暗条纹?在OP之间共有几条暗条纹? (导学号51150067)
思路分析解答本题的关键是理解干涉现象中产生亮条纹与暗条纹的条件。一二知识精要典题例解迁移应用答案:暗条纹 两条 一二知识精要典题例解迁移应用在双缝干涉实验中,双缝到光屏上P点的距离之差为0.6 μm,若分别用频率为f1=5.0×1014 Hz和f2=7.5×1014 Hz的单色光垂直照射双缝,则P点出现明、暗条纹的情况是( ) (导学号51150068)
A.用频率为f1和f2的单色光分别照射时,均出现明条纹
B.用频率为f1和f2的单色光分别照射时,均出现暗条纹
C.用频率为f1的单色光照射时出现明条纹,用频率为f2的单色光照射时出现暗条纹
D.用频率为f1的单色光照射时出现暗条纹,用频率为f2的单色光照射时出现明条纹
答案:C一二知识精要典题例解迁移应用第五节 用双缝干涉实验测定光的波长
课时训练17 用双缝干涉实验测定光的波长
基础夯实
1.用包括红光、绿光、紫光三种色光的复合光做光的干涉实验,所产生的干涉条纹中,离中央亮纹最近的干涉条纹是( )
A.紫色条纹 B.绿色条纹
C.红色条纹 D.都一样近
答案A
解析据不同色光波长不同及Δx=·λ知,波长最小的紫光条纹间距最小,所以靠近中央亮纹的是紫色条纹。
2.如图所示的双缝干涉实验,用绿光照射单缝S时,在光屏P上观察到干涉条纹。要得到相邻条纹间距更大的干涉图样,可以( )
A.增大S1与S2的间距
B.减小双缝屏到光屏的距离
C.将绿光换为红光
D.将绿光换为紫光
答案C
解析由Δx=λ知,减小S1与S2的间距d或增大双缝屏到光屏的距离l时,条纹间距变大,选项A、B错误;将绿光换为红光,波长变大,条纹间距变大,选项C正确;将绿光换为紫光,波长变小,条纹间距变小,选项D错误。
3.用绿光做双缝干涉实验,在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹,相邻两条绿条纹间的距离为Δx。下列说法中正确的有( )
A.如果增大单缝到双缝间的距离,Δx将增大
B.如果增大双缝之间的距离,Δx将增大
C.如果增大双缝到光屏之间的距离,Δx将增大
D.如果减小双缝的每条缝的宽度,而不改变双缝间的距离,Δx将增大
答案C
解析公式Δx=λ中l表示双缝到屏的距离,d表示双缝之间的距离。因此Δx与单缝到双缝间的距离无关,与缝本身的宽度也无关。本题选C。
4.一束白光在真空中通过双缝后在屏上观察到的干涉条纹,除中央白色亮纹外,两侧还有彩色条纹,其原因是( )
A.各色光的波长不同,因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同
B.各色光的速度不同,因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同
C.各色光的强度不同,因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同
D.上述说法都不正确
答案A
解析白光包含各颜色的光,它们的波长不同,在相同条件下做双缝干涉实验时,它们的干涉条纹间距不同,所以在中央亮条纹两侧出现彩色条纹。选项A正确。
5.在杨氏双缝干涉实验中,用一束白光照射小孔,在其后的双孔处,用红玻璃挡住一个孔,另用绿玻璃挡住另一个孔,则在光屏上能看到的现象是( )
A.红色干涉条纹 B.绿色干涉条纹
C.红绿相间的条纹 D.没有干涉条纹
答案D
解析光通过红、绿玻璃后得到的红光与绿光频率不同,不是相干光,故得不到相干条纹。
6.(多选)分别以红光和紫光先后用同一装置进行双缝干涉实验,已知λ红>λ紫,在屏上得到相邻亮纹间的距离分别为Δx1和Δx2,则( )
A.Δx1<Δx2
B.Δx1>Δx2
C.若双缝间距d减小,而其他条件保持不变,则Δx增大
D.若双缝间距d减小,而其他条件保持不变,则Δx不变
答案BC
解析该题考查条纹间距的表达式。由Δx=λ,λ红>λ紫,得Δx1>Δx2,B项正确。当双缝间距d减小,其他条件不变时,条纹间距Δx应增大,故C项正确。
7.(多选)现有毛玻璃屏A、双缝B、白光光源C、单缝D和透红光的滤光片E等光学元件,要把它们放在下图所示的光具座上组装成双缝干涉装置,用以测量红光的波长。
本实验的步骤有:
①取下遮光筒左侧的元件,调节光源高度,使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮;
②按合理顺序在光具座上放置各光学元件;
③用刻度尺测量双缝到屏的距离;
④用测量头(其读数方法同螺旋测微器)测量数条亮纹间的距离。
关于上面操作步骤②中应注意的问题正确的是( )
A.使各元件的中心位于遮光筒的轴线上
B.单缝和双缝间距大约为5~10 cm
C.单缝和双缝应互相垂直
D.单缝和双缝应互相平行
答案ABD
解析C项中如果单缝与双缝垂直,通过双缝的光的能量有限,在屏上很难看清干涉条纹。
8.(多选)如图所示,用波长为λ的单色光做双缝干涉实验时,设两个狭缝S1、S2到屏上某点P的路程差为δ,则( )
A.距O点最近的一条暗条纹必是δ=
B.对屏上某点,δ=(n为正整数)时出现暗条纹
C.距O点越远的点δ越大,就越容易出现暗条纹
D.用各色光在同一条件下实验,波长越短的色光条纹间距越小
答案AD
解析当路程差δ=nλ(n=0,1,2,3,…)时出现亮条纹,路程差δ=(2n+1)(n=0,1,2,3,…)时出现暗条纹,选项A正确,B、C错误;由Δx=λ可知,波长越短,干涉条纹之间的距离越小,选项D正确。
9.“用双缝干涉测量光的波长”是光学中的一个重要实验,通过本实验测出双缝到屏的距离L、双缝间的距离d及相邻两条亮条纹或暗条纹的中心间距Δx,就可以计算出光的波长λ,其公式是λ= 。若某次实验中测得双缝到屏的距离为600 mm,双缝间的距离为0.20 mm,7条亮条纹中心间的距离为9 mm,则该光的波长为 nm。?
答案Δx 500
解析由Δx=λ得λ=Δx
由题中数据可知,Δx= mm=1.5 mm
故λ=Δx=×1.5 mm=500 nm。
10.用双缝干涉测光的波长,实验中采用双缝干涉仪,它包括以下元件:
A.白炽灯 B.单缝片 C.光屏 D.双缝
E.滤光片(其中双缝和光屏连在遮光筒上)
(1)把以上元件安装在光具座上时,正确的排列顺序是A、 (A已写好)。?
(2)正确调节后,在屏上观察到红光干涉条纹,用测量头测出10条红亮纹间的距离为a;改用绿色滤光片,其他条件不变,用测量头测出10条绿亮纹间的距离为b,则一定有a (选填“>”“=”或“<”)b。?
答案(1)E、B、D、C (2)>
解析光源、滤光片、单缝、双缝、光屏在光具座上可从左向右排,也可从右向左排,但任何两个元件之间的顺序不能颠倒,尤其是滤光片和单缝之间,好多初学者认为谁在前无所谓,其实不然,二者顺序颠倒后会使实验现象大打折扣,要注意这一点。
本题第一项已填好,故答案是唯一的。即A、E、B、D、C。
由Δx=λ知,波长越长,条纹越宽,间距越大,或由干涉条纹的特征均可得出a一定大于b。
11.某同学在做“用双缝干涉测定光的波长”实验时,第一次分划板中心刻度线对齐第2条亮纹的中心时(如图甲中的A),游标卡尺的示数如图乙所示。第二次分划板中心刻度线对齐第6条亮纹的中心时(如图丙中的B),游标卡尺的示数如图丁所示。已知双缝间距d=0.5 mm,缝到屏的距离L=1 m。则:
(1)图乙中游标卡尺的示数为 cm。?
(2)图丁中游标卡尺的示数为 cm。?
(3)所测光波的波长为 m。(保留两位有效数字)?
答案(1)1.250 (2)1.770 (3)6.5×10-7
解析(1)图乙中游标卡尺是20个等分刻度,精确度为0.05 mm,读数为12 mm+0.05 mm×10=12.50 mm=1.250 cm。
(2)图丁中游标卡尺也是20个等分刻度,读数为17 mm+0.05 mm×14=17.70 mm=1.770 cm。
(3)由Δx=λ可得
λ=Δx· m=6.5×10-7m。
12.某同学在做双缝干涉实验时,测得以缝间距d=3.0×10-3m,双缝到光屏间的距离为1 m,两次测量头手轮上的示数分别为0.6×10-3 m和6.6×10-3 m,两次分划板中心刻线间有5条亮条纹,求该单色光的波长。
答案4.5×10-6 m
解析依题意可知
Δx=m=1.5×10-3 m,
λ= m=4.5×10 -6 m。
能力提升
13.(双选)利用图中装置研究双缝干涉现象时,有下面几种说法:(导学号51150164)
A.将屏移近双缝,干涉条纹间距变窄
B.将滤光片由蓝色的换成红色的,干涉条纹间距变宽
C.将单缝向双缝移动一小段距离后,干涉条纹间距变宽
D.换一个两缝之间距离较大的双缝,干涉条纹间距变窄
E.去掉滤光片后,干涉现象消失
其中正确的是 。?
答案ABD
解析干涉条纹间距Δx=λ,将屏移近双缝,l变小,干涉条纹间距变窄,A正确。红色光的波长λ较长,所以将滤光片由蓝色的换成红色的,干涉条纹间距变宽,B正确。条纹宽度与单缝和双缝间的距离无关,这里的单缝相当于为双缝提供了一个线光源,C不正确。换一个两缝之间距离较大的双缝,d变大,干涉条纹间距变窄,D正确。去掉滤光片后,白光穿过双缝,产生彩色干涉条纹,E不正确。
14.某同学用如图甲所示的实验装置做“用双缝干涉测量光的波长”实验,他用带有游标尺的测量头(如图乙所示)测量相邻两条亮条纹间的距离Δx。转动测量头的手轮,使分划板的中心刻线对齐某一条亮条纹(将这一条亮条纹确定为第1亮条纹)的中心,此时游标尺上的示数情况如图丙所示;再转动测量头的手轮,使分划板的中心刻线对齐第6亮条纹的中心,此时游标尺上的示数情况如图丁所示,则图丙的示数x1= mm;图丁的示数x2= mm。如果实验所用双缝之间的距离d=0.2 mm,双缝到屏的距离L=60 cm,根据以上数据可得出光的波长λ= m。(导学号51150213)?
答案0.10 8.95 5.9×10-7
解析游标卡尺应先读主尺上的读数,再读游标尺上的读数。x1=0+2×0.05 mm,x2=8 mm+19×0.05 mm=8.95 mm。从第1亮条纹到第6亮条纹间有5个亮条纹间隔,每个亮条纹间隔为
Δx==1.77 mm
由公式Δx=λ可得
λ=m=5.9×10-7m。
15.利用双缝干涉测定光的波长实验中,双缝间距d=0.4 mm,双缝到光屏间的距离L=0.5 m,用某种单色光照射双缝得到干涉条纹如图所示,分划板在图中A、B位置时游标卡尺读数也如图中所给出,则:(导学号51150165)
(1)分划板在图中A、B位置时游标卡尺读数分别为 xA= mm,xB= mm,相邻两条纹间距Δx= mm;?
(2)波长的表达式λ= (用 Δx、L、d表示),该单色光的波长λ= m; ?
(3)若改用频率较高的单色光照射,得到的干涉条纹间距将 (选填“变大”“不变”或“变小”)。?
答案(1)11.1 15.6 0.75 (2)Δx 6.0×10-7
(3)变小
解析游标卡尺读数时:一要注意精确度,二要注意读数时主尺读数应为游标尺零刻度线所对主尺位置的读数;三要注意单位,无论是主尺读数还是游标尺读数要以mm为单位读取。本题中还要注意主尺上的数字单位是cm,不是mm。从λ=Δx可知,波长越长的光,干涉条纹间距越大。根据频率、光速与波长的关系可知,频率越大的光,波长越短,所以干涉条纹间距越小。
16.用氦氖激光器进行双缝干涉实验,已知使用的双缝间距离d=0.1 mm,双缝到屏的距离l=6.0 m,测得屏上干涉条纹中相邻亮纹的间距是3.8 cm,氦氖激光器发出的红光的波长λ是多少?假如把整个装置放入折射率是的水中,这时屏上的条纹间距是多少?(导学号51150166)
答案6.3×10-7 m 2.82×10-2 m
解析由条纹间距Δx、双缝间距离d、双缝到屏的距离l及波长λ的关系,可测波长。同理,知道水的折射率,可知该光在水中的波长,然后由d、Δx、l、λ的关系,可求出条纹间距。
由Δx=·λ,可以得出红光的波长λ。
λ=·Δx= m=6.3×10-7 m,
激光器发出的红光的波长是6.3×10-7 m。
如果整个装置放入水中,激光器发出的红光在水中的波长设为λ',由光的特点可知:光在传播过程中,介质发生变化,波长和波速发生改变,但频率不变。
由此可知
而=n
则λ'= m=4.7×10-7 m
这时屏上条纹的间距是
Δx'=·λ'= m=2.82×10-2 m。
课件21张PPT。目标导航预习导引目标导航预习导引一二一、观察双缝干涉图样
1.将光源、遮光筒、毛玻璃屏等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轴线射到光屏上。
4.安装双缝和单缝,中心大致位于遮光筒的中心轴线上,使双缝与单缝的缝平行,二者间距约5~10 cm,这时,可观察白光的干涉条纹。
5.在单缝和光源间放上滤光片,观察单色光的干涉条纹。目标导航预习导引一二二、测定单色光的波长
1.实验的步骤
(1)安装测量头,调节至可清晰观察到干涉条纹。
(2)使分划板中心刻线对齐某亮条纹中心时,记下手轮上的读数a1;转动手轮,使分划板中心刻线移动至另一亮条纹的中心时,记下此时手轮上的读数a2;并记下两次测量时移过的条纹数n,则相邻两亮条纹间距
(3)用刻度尺测量双缝到光屏间的距离l(d是已知的)。
(4)重复测量、计算,求出波长的平均值。
(5)换用不同滤光片,重复实验。目标导航预习导引一二实验中为什么不直接测相邻条纹间距Δx,而要测几个条纹间距来求平均值?
提示 由于光的波长很小,实验中条纹宽度很小,直接测出一条条纹的宽度不准确或较难实现,只能先测出n个条纹间距,再求相邻亮条纹间的距离,这样既便于测量,又可以减小误差。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用一、观察双缝干涉图样
器材的安装与调整时应注意:
(1)先将光源、遮光筒依次放于光具座上,调整光源的高度,使它发出的一束光沿着遮光筒的轴线把屏照亮。
(2)将单缝和双缝安装在光具座上,使光源、单缝及双缝三者的中心位于遮光筒的轴线上,并注意使双缝与单缝相互平行,在遮光筒有光屏一端安装测量头,如图所示,调整分划板位置直到分划板中心刻线位于光屏中央。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用1.不同颜色的单色光的干涉条纹会有什么不同?请你作出猜想,并在后面实验中验证。
答案:据 知,不同颜色单色光的干涉条纹间距不同,波长越长,条纹间距离越大。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用2.在实验中,若用白光作光源,得到的干涉图样有什么不同?中央亮纹为什么是白色?其他亮纹中为什么红色在最外侧、紫色在最内侧?
答案:若用白光作光源,则干涉条纹是彩色条纹,且中央是白色的。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。两侧条纹间距与各色光的波长成正比,即红色光的亮条纹间的宽度最大,红色在亮纹的最外侧,紫色光亮条纹间的宽度最小,紫色在亮纹的最内侧,即除中央条纹以外的其他条纹不能完全重合,这样就形成了彩一二知识精要思考探究典题例解迁移应用【例1】 如图所示是用双缝干涉测光的波长的实验装置示意图。 (导学号51150069)
(1)图中①是光源,⑤是光屏,它们之间的②、③、④依次是 、 、 。?
(2)以下哪些操作能够增大光屏上相邻两条亮条纹之间的距离( )
A.增大③和④之间的距离
B.增大④和⑤之间的距离
C.将红色滤光片改为绿色滤光片
D.增大双缝之间的距离一二知识精要思考探究典题例解迁移应用(3)在某次实验中,已知双缝到光屏之间的距离是600 mm,双缝之间的距离是0.20 mm,单缝到双缝之间的距离是100 mm。某同学在用测量头测量时,先将测量头目镜中看到的分划板中心刻线对准某条亮条纹(记作第1条)的中心,这时手轮上的示数如图甲所示,然后他转动测量头,使分划板中心刻线对准第7条亮条纹的中心,这时手轮上的示数如图乙所示,这两次示数依次为 mm和 mm,由此可以计算出所测单色光的波长为 nm。?一二知识精要思考探究典题例解迁移应用解析:(1)各器件在光具座上的排序依次为:光源、滤光片、单缝、双缝、光屏。
(2)根据 ,增大④和⑤之间的距离l,能增大光屏上相邻两条亮条纹之间的距离,故选项A错误,B正确;将红色滤光片改为绿色滤光片,λ减小,则Δx减小,选项C错误;增大双缝之间的距离即增大d,则Δx减小,选项D错误。答案:(1)滤光片 单缝 双缝 (2)B (3)0.640(0.639~0.641均正确) 10.793(10.792~10.794均正确) 564一二知识精要思考探究典题例解迁移应用一二知识精要思考探究典题例解迁移应用(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不平行,偏差较大
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.光源发出的光太强
答案:AC
解析:安装实验器材时要注意:光束的中央轴线与遮光筒的轴线要重合,光源与光屏正面相对,滤光片、单缝和双缝要在同一高度,中心位置在遮光筒的轴线,单缝与双缝要互相平行才能使实验成功。当然还要使光源发出的光束不能太暗,据上述分析可知选项A、C正确。一二知识精要典题例解迁移应用二、测定单色光的波长一二知识精要典题例解迁移应用【例2】 用单色光做双缝干涉实验,下列说法中正确的是( ) (导学号51150070)
A.中间部分两相邻明条纹的间距是两边两相邻明条纹的间距的2倍
B.两相邻明条纹的间距是相等的
C.屏与双缝之间的距离减小,则屏上两相邻明条纹的间距增大
D.在实验装置不变的情况下,红光的两相邻明条纹的间距小于蓝光的两相邻明条纹的间距
思路分析根据两相邻明条纹的间距公式 ,可以看出两相邻明条纹的间距是相等的,条纹间距与波长、双缝到屏间的距离和双缝间的距离有关。一二知识精要典题例解迁移应用解析:双缝干涉实验中,明条纹是等间距的,选项A错误,B正确。两相邻明条纹的间距 ,其中d是双缝间的距离,l是双缝到屏的距离,λ是光的波长,可见,屏与双缝之间的距离减小,则屏上两相邻明条纹的间距减小,选项C错误。红光的频率比蓝光的小,则红光的波长比蓝光的长,故红光的两相邻明条纹的间距大于蓝光的两相邻明条纹的间距,选项D错误。
答案:B一二知识精要典题例解迁移应用一二知识精要典题例解迁移应用用双缝干涉测光的波长。实验装置如图甲所示,已知单缝与双缝的距离l1=60 mm,双缝与屏的距离l2=700 mm,单缝宽d1=0.10 mm,双缝间距d2=0.25 mm。用测量头来测量光屏上干涉亮纹中心的距离。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屏上亮纹的中心(如图乙所示),记下此时手轮的读数,转动测量头,使分划板中心刻线对准另一条亮纹的中心,记下此时手轮上的刻度。 (导学号51150071)一二知识精要典题例解迁移应用甲 乙 一二知识精要典题例解迁移应用(1)当分划板的中心刻线分别对准第1条和第4条亮纹的中心时,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,相邻两条亮纹间的距离Δx= mm。?
丙
(2)计算波长的公式λ= ;求得的波长值是 nm。?一二知识精要典题例解迁移应用第六节 光的衍射和偏振
课时训练18 光的衍射和偏振
基础夯实
1.人隔着墙说话,能听见声音而看不见人,下列说法中解释正确的是( )
A.光波是电磁波,而声波是纵波
B.光波是横波,而声波是机械波
C.光速太大
D.声波波长长,光波波长短
答案D
解析由于声波的波长长,相对于墙能够发生明显的衍射现象,因此墙内的人能听到声音,而光波的波长短,相对于墙不能发生明显的衍射现象,因此墙内的人看不到说话的人。故正确答案为D。
2.纵波不可能产生的现象是( )
A.偏振现象
B.反射现象
C.折射现象
D.衍射现象
答案A
解析任何波都能发生反射、折射和衍射现象,只有偏振现象是横波特有的,所以纵波不可能产生的是偏振现象。选A项。
3.在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的亮暗相间的图样,图中四幅图片中属于光的单缝衍射图样的是( )
A.a、c B.b、c C.a、d D.b、d
答案D
解析单缝衍射图样是明暗相间,条纹间距不等,中间条纹最宽,故b、d正确。
4.用卡尺观察单缝衍射现象时,把缝宽由0.2 mm逐渐增大到0.8 mm,看到的现象将是( )
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.衍射条纹间距不变,只是亮度增强
D.以上现象都不发生
答案A
解析单缝衍射现象中,缝变宽时,衍射条纹的间距逐渐变小,衍射现象逐渐不明显。故正确答案为A。
5.一束红光射向一块有双缝的不透光的薄板,在薄板后的光屏上呈现亮暗相间的干涉条纹。现将其中一个窄缝挡住,让这束红光只通过一条窄缝,则在光屏上可以看到( )
A.与原来相同的亮暗相间的条纹,只是明条纹比原来暗些
B.与原来不相同的亮暗相间的条纹,而中央亮条纹变宽些
C.只有一条与缝宽对应的亮条纹
D.无条纹,只存在一片红光
答案B
解析本题一开始告诉我们产生了干涉现象,说明两缝都很窄,能够满足使红光发生明显衍射的条件,挡住一缝后,在屏上得到的是衍射图样,中央亮条纹较宽,两侧都出现亮暗相间的条纹;干涉图样为等间隔的亮暗相间的条纹,而衍射图样两侧为不等间隔的亮暗相间的条纹且亮度迅速减弱。所以本题正确选项为B。
6.(多选)对于光的衍射现象的定性分析,下列说法正确的是( )
A.只有障碍物或孔的尺寸可以跟光波波长相比相差不大甚至比波长还要小的时候,才能产生明显的衍射现象
B.光的衍射现象是光波相互叠加的结果
C.光的衍射现象否定了光沿直线传播的结论
D.光的衍射现象说明了光具有波动性
答案ABD
解析光的干涉现象和衍射现象无疑说明了光具有波动性,而小孔成像说明光沿直线传播,而要出现小孔成像,孔不能太小,光的直线传播规律只是近似的,只有在光的波长比障碍物小很多的情况下,光才可以看成是直线传播的,所以光的衍射现象和直线传播是不矛盾的,它们是在不同条件下出现的两种现象,故上述选项中正确的是A、B、D。
7.在观察光的衍射现象的实验中,通过紧靠眼睛的卡尺测脚形成的狭缝观看远处的线状白炽灯丝(灯丝或灯管都要平行于狭缝),可以看到( )
A.黑白相间的直条纹
B.黑白相间的弧状条纹
C.彩色的直条纹
D.彩色的弧状条纹
答案C
解析白炽灯(或日光灯管)发出的光是复色光,其中各种色光的波长不同,产生的单缝衍射的图样中条纹宽度和间距都不相同,因此各单色光亮纹或暗纹不能完全重叠在一起,所以成为彩色条纹,因为狭缝,所以是彩色直条纹,故选项C正确,A、B、D错误。
8.(多选)抽制高强度纤维细丝时可用激光监控其粗细,如图所示,观察激光束经过细丝时在光屏上所产生的条纹即可判断细丝粗细的变化。下列说法正确的是( )
A.这主要是光的干涉现象
B.这主要是光的衍射现象
C.如果屏上条纹变宽,表明抽制的丝变粗
D.如果屏上条纹变宽,表明抽制的丝变细
答案BD
解析由题意知,激光束经过细丝时在光屏上产生的条纹是衍射条纹,所以本装置是光的衍射,选项A错误,选项B正确;根据衍射规律得细丝变细,会使条纹更宽,所以选项C错误,选项D正确;综上所述,本题的正确选项为B、D。
9.如图所示,让太阳光或白炽灯光通过偏振片P和Q,以光的传播方向为轴旋转偏振片P或Q,可以看到透射光的强度会发生变化,这是光的偏振现象。这个实验表明( )
A.光是电磁波
B.光是一种横波
C.光是一种纵波
D.自然光是偏振光
答案B
解析偏振现象是横波特有的,光的偏振现象说明光是一种横波,选项B正确。
10.两个偏振片紧靠在一起,将它们放在一盏灯的前面以至没有光通过。如果将其中的一片旋转180°,在旋转过程中,将会产生下述的哪一种现象?( )
A.透过偏振片的光强先增强,然后又减小到零
B.透过偏振片的光强先增强,然后减小到非零的最小值
C.透过偏振片的光强在整个过程中都增强
D.透过偏振片的光强先增强,再减弱,然后又增强
答案A
解析起偏器和检偏器的偏振方向垂直时,没有光通过;偏振方向平行时,光强达到最大。当其中一个偏振片转动180°的过程中,两偏振片的方向由垂直到平行再到垂直,所以通过的光强先增强,然后又减小到零。
11.(多选)关于立体电影,以下说法正确的是( )
A.观众戴上特制眼镜是为了防止伤害眼睛
B.这副眼镜其实就是一对偏振方向互相垂直的偏振片
C.戴上特制眼镜的观众若只用一只眼睛看,则银幕上只是一片光亮而无图象
D.产生立体视觉是因为人的两只眼睛同时观察物体时,在视网膜上形成的像并不完全相同
答案BD
解析看立体电影必须用偏振片才能达到好的观看效果。
12.(多选)在观察光衍射的实验中,分别观察到如图甲、乙所示的清晰的明暗相间的同心圆环图样,图中黑线为暗纹。那么对应的障碍物分别是( )
A.甲图对应的是很大的不透明圆盘
B.乙图对应的是很小的不透明圆盘
C.甲图对应的是很大的中间有小圆孔的不透明挡板
D.乙图对应的是很大的中间有大圆孔的不透明挡板
答案BC
解析题图甲是圆孔衍射图样,对应的障碍物是很大的中间有小圆孔的不透明挡板,题图乙是圆盘衍射图样,对应的障碍物是很小的不透明圆盘,故选项B、C正确。
13.如图所示,甲、乙两幅图是由单色光分别照射半径不同的圆孔而形成的图象,其中图甲是光的 (选填“干涉”或“衍射”)图象。由此可以判断出图甲所对应的圆孔的孔径 (选填“大于”或“小于”)图乙所对应的圆孔的孔径。?
答案衍射 小于
解析根据甲图中图样的特点可知甲图为单孔衍射的图样。乙图中只有一个圆形亮斑,周围没有衍射条纹说明乙图所对应的情景中没有发生明显衍射,说明孔的尺寸比光的波长大得多。
14.如图所示,电灯S发出的光a穿过偏振片A后变为光b,穿过偏振片B而被P处眼睛看到,则其中光b是 (选填“自然光”或“偏振光”);若人眼此时看到透过B的光最强,则将B转过 角时,人眼看到的光最弱。?
答案偏振光 90°
解析由偏振光和偏振片的原理知,电灯S发出的光a是自然光,但通过偏振片A后光b则成为偏振光,当偏振片B的透振方向和偏振片A的透振方向一致时,人眼此时看到透过B的光最强,当偏振片B的透振方向和偏振片A的透振方向垂直时,人眼此时看到透过B的光最弱,所以将B转过90°角时,人眼看到的光最弱。
能力提升
15.如图所示,白炽灯的右侧依次平行放置偏振片P和Q,A点位于P、Q之间,B点位于Q右侧。旋转偏振片P,A、B两点光的强度变化情况是( )(导学号51150214)
A.A、B均不变
B.A、B均有变化
C.A不变,B有变化
D.A有变化,B不变
答案C
解析白炽灯光属于非偏振光,通过偏振片P后的自然光变成了偏振光,当P转动时,通过偏振片P后光强不变,选项B、D错误;同时,P的偏振方向发生变化,使B处光强发生变化,选项A错误,C正确。
16.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( )(导学号51150167)
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.增强光由水中射入空气中的折射光进入镜头的强度
D.减弱光由水中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中的折射光。前者光线进入镜头所摄得照片是实际景物在水中的倒影的像,而后者光线进入镜头所摄得照片才是水面下景物的像,两者在同一底片上相互干扰,使照片模糊不清。若在镜头前安装一偏振片,转动偏振片使其透振方向与反射光的振动方向垂直,即可最大限度地阻止反射光进入镜头,增强摄像的清晰度。故选项B正确。
17.用一单色光源垂直照射带有圆孔的不透明光屏,下列几种情况中,在圆孔后面的光屏上各看到什么现象?(导学号51150168)
(1)圆孔的直径为1 cm。
(2)圆孔的直径为1 mm。
(3)圆孔的直径为0.5 μm。
(单色光的波长约为5×10-7 m)
答案(1)当圆孔的直径为1 cm时,在光屏上只能看到与圆孔形状相同的亮斑,这是光沿直线传播的结果。
(2)当圆孔的直径为1 mm时,在光屏上能看到单色光源倒立的像,这是小孔成像,也是光沿直线传播的结果。
(3)当圆孔的直径为0.5 μm时,在光屏上能看到衍射条纹,这是由于小孔的尺寸与光波波长差不多,光发生衍射的结果。
18.实验证明让一束太阳光入射到平静的水面上,如果入射角合适,其反射光线和折射光线是互相垂直的,且偏振方向也是互相垂直的偏振光。已知水的折射率为1.33,求这一入射角。(导学号51150169)
答案53°
解析设入射角为θ1,折射角为θ2,反射角为θ1'。
由光的反射定律知θ1'=θ1;
由光的折射定律得n=,
由题给条件知θ1+θ2=90°,故有
sin θ2=sin(90°-θ1)=cos θ1,
n==tan θ1,θ1=arctan 1.33=53°。
课件22张PPT。目标导航预习导引目标导航预习导引一二一、光的衍射
1.衍射现象:光通过很窄的缝或很小的孔时,光没有沿直线传播,而是绕过缝或孔的边缘传播到相当宽的地方的现象。
2.衍射现象的分类:圆孔衍射、狭缝衍射、圆板衍射等。
3.狭缝衍射条纹特点:衍射条纹是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,亮度越低。
4.光产生明显衍射现象的条件
障碍物或小孔、狭缝的尺寸比波长小或跟波长相差不多。目标导航预习导引一二用两支圆柱形铅笔并在一起,形成一个狭缝,使狭缝平行于日光灯,眼睛透过狭缝观察日光灯,会看到什么现象?改变狭缝的宽度,观察到的现象有何变化?
提示 会看到平行于日光灯的彩色衍射条纹;狭缝越窄,衍射条纹间距越大,亮度越小。目标导航预习导引一二二、光的偏振
1.自然光和偏振光
(1)自然光:太阳、电灯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,沿着各个方向振动的光波的强度都相同。
(2)偏振光:在垂直于传播方向的平面上,只沿着某个特定的方向振动的光。
(3)光的偏振现象,表明光是一种横波。目标导航预习导引一二2.光的偏振 一二知识精要思考探究典题例解迁移应用一、光的衍射
衍射现象的分析方法
1.用单色光照射狭缝,在狭缝较宽时,屏上出现一段亮条纹,且缝越窄,亮条纹也越窄,因为此时狭缝宽度比波长大很多,不会发生明显衍射,所以光沿直线传播到达光屏;当狭缝很窄时,屏中央出现一条比狭缝宽度大很多的亮条纹,两侧出现明暗相间,但间距和亮度不等的条纹;当狭缝更窄时,中央亮条纹更宽,两侧的亮条纹离中央亮条纹更远,产生了明显的衍射现象。
2.用单色光照射小孔,随着圆孔的减小,屏上先后出现的是
圆形亮斑→光源倒立的像(小孔成像)→明暗相间的圆环(衍射图样)。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用3.衍射条纹的产生,实质上是光波发生干涉的结果,即相干波叠加的结果。当光源发出的光照射到小孔或障碍物上时,小孔处看作有许多点光源,障碍物的边缘也可看成许多点光源(惠更斯原理)。这些点光源是相干光源,发出的光相干涉,在光屏上形成亮暗相间的条纹。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用1.在我们生活中你观察到了哪些衍射现象?
答案:雨天的晚上,透过眼镜片上的水滴看路灯,水滴边缘有衍射条纹。对着日光灯从窄缝中看到的彩色条纹。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。晚上眯着眼睛看月亮、星星,会在视网膜上形成衍射光斑等都是衍射现象。
2.日常生活中我们难以观察到光的衍射,而为什么光沿直线传播却普遍存在?
答案:可见光的波长范围是4×10-7~7.6×10-7 m,由发生明显衍射的条件可知,障碍物或孔的尺寸都比光的波长大得多,所以光沿直线传播。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用【例1】 (多选)关于光的衍射,下列说法正确的是( ) (导学号51150072)
A.衍射现象中条纹的出现是光叠加后产生的结果
B.双缝干涉中也存在衍射现象
C.一切光波都很容易发生明显的衍射现象
D.影的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实
思路分析解答本题的关键是
(1)明确不论干涉还是衍射都是光叠加的结果;
(2)明确产生干涉的条件、产生明显衍射的条件及影形成的原因。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用解析:衍射图样是很复杂的光波的叠加现象,选项A正确;双缝干涉中每条缝中透过的光自身必然发生衍射,因为它完全符合衍射的条件,选项B正确;发生明显的衍射现象的条件是障碍物或小孔的尺寸比光波波长小或相差不多,选项C错误;影的存在与衍射条纹是光波在不同条件下的表现,选项D错误。
答案:AB一二知识精要思考探究典题例解迁移应用一二知识精要思考探究典题例解迁移应用(多选)在单缝衍射实验中,下列说法中正确的是 ( )
A.将入射光由黄色换成绿色,衍射条纹间距变窄
B.使单缝宽度变小,衍射条纹间距变窄
C.换用波长较长的光照射,衍射条纹间距变宽
D.增大单缝到屏的距离,衍射条纹间距变宽
答案:ACD
解析:当单缝宽度一定时,波长越长,衍射现象越明显,即光偏离直线传播的路径越远,条纹间距也越大;当光的波长一定时,单缝宽度越小,衍射现象越明显,条纹间距越大;光的波长一定、单缝宽度也一定时,增大单缝到屏的距离,衍射条纹间距也会变宽。故选项A、C、D正确。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用二、光的偏振
自然光和偏振光的比较一二知识精要思考探究典题例解迁移应用摄影师在拍摄池中的游鱼、玻璃橱窗里的陈列物时,为什么要在照相机镜头前装一片偏振滤光片?
答案:摄影师拍摄时,由于水面和玻璃表面的反射光的干扰,景像不清楚,因为反射光是偏振光,照相机镜头前装一片偏振滤光片后,让它的透振方向与反射光方向垂直,就可以减弱反射光而使景像清晰。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用【例2】 关于光的偏振现象,下列说法中正确的是( ) (导学号51150073)
A.偏振光沿各个方向振动的光波的强度都相同
B.自然光入射到水面时,反射光和折射光都是一定程度的偏振光
C.光的偏振现象说明光是一种纵波
D.照相机镜头表面的镀膜是光的偏振现象的应用
思路分析解答本题的关键是明确有关概念,即自然光在垂直于传播方向上沿一切方向振动且沿各个方
向振动的光波强度都相同,而偏振光在垂直于传播方向的平面内,只沿某个特定方向振动。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用解析:偏振光在垂直于传播方向的平面内只沿某个特定的方向振动,选项A错误;自然光入射到水面时,反射光和折射光的振动方向不同,都是一定程度的偏振光,选项B正确;光的偏振现象说明光是一种横波,选项C错误;照相机镜头表面的镀膜是利用膜前后两束反射光的干涉现象来提高透过率的,选项D错误。
答案:B一二知识精要思考探究典题例解迁移应用一二知识精要思考探究典题例解迁移应用(多选)如图所示,P是偏振片,P的透振方向(用带箭头的实线表示)为竖直方向。下列四种入射光束中,哪几种照射P时能在P的另一侧观察到透射光?( )
A.太阳光
B.沿竖直方向振动的光
C.沿水平方向振动的光
D.沿与竖直方向成45°角振动的光
答案:ABD
解析:根据光的现象,只要光的振动方向不与偏振片的狭缝垂直,光都能通过偏振片。太阳光、沿竖直方向振动的光、沿与竖直方向成45°角振动的光均能通过偏振片。故A、B、D正确。知识链接案例探究思悟升华单缝衍射和双缝干涉的异同点 知识链接案例探究思悟升华(多选)关于光的干涉、衍射及其应用,下列说法中正确的是( )
A.在光的干涉和衍射现象中,都呈现明暗相间的条纹或彩色条纹,因此干涉现象和衍射现象是相同的
B.泊松亮斑是衍射现象
C.阳光照射下,树影中呈现的一个个小圆斑是光的衍射现象
D.激光防伪商标看起来是彩色的,这是光的干涉现象
思路分析解答本题的关键是正确理解干涉、衍射及小孔成像,并能区分它们。
解析:光的干涉和衍射虽然有很多共性,但属于不同的光现象,选项A错误;泊松亮斑是很小的圆斑,是光衍射产生的,选项B正确;阳光照射下,树影中呈现一个个小圆斑,属于小孔成像,选项C错误;激光防伪商标看起来是彩色的,是光的干涉引起的,选项D正确。
答案:BD知识链接案例探究思悟升华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。第七节 激光
课时训练19 激光
基础夯实
1.(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
答案AC
解析激光是人工方法激发的一种特殊的光,A对,B错;激光具有亮度高、方向性好、能量强等特点,可以像刀子一样切除肿瘤,C项正确;激光是一种波,只要是波就能发生衍射现象,D错。
2.(多选)以下说法正确的是( )
A.光纤通信利用了激光相干性好的特点
B.激光武器利用了激光亮度高的特点
C.激光写、读利用了激光亮度高的特点
D.激光加工、激光手术利用了激光亮度高的特点
答案ABD
解析利用激光的相干性进行信息的传递,例如利用激光相干性好进行光纤通信;利用激光的平行度好进行精确测量和数据采集;利用激光的亮度高进行光切割和焊接。
3.(多选)对激光的认识,以下说法正确的是( )
A.普通光源发出的光都是激光
B.激光是自然界普遍存在的一种光
C.激光是一种人工产生的相干光
D.激光已经深入到我们生活的各个方面
答案CD
解析普通光源发出的光是自然光,自然光不能发生干涉,是非相干光,激光是人工产生的光,具有很好的相干性,激光已得到广泛的应用。
4.(多选)关于激光所具有的特点,下列说法中正确的是( )
A.激光相干性好
B.激光平行度好
C.激光亮度高
D.激光易色散
答案ABC
解析由于激光可以看作是频率稳定的光,频率决定颜色,即激光可看作是单色,当然不能发生色散,故D错。
5.利用激光束来切割各种物质,是利用激光的( )
A.相干性好的特点
B.方向性好、平行度高的特点
C.亮度高的特点
D.单色性好的特点
答案C
解析由于其亮度高可以切割物质,医学上作“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤等。
6.2001年国家最高科学技术奖授予中科院院士王选,表彰他在激光排版上的重大科技贡献。激光是一种电磁波,某种排版系统中激光频率为4×1014 Hz,则该激光的波长为( )
A.0.25 μm
B.0.50 μm
C.0.75 μm
D.1.33×10-6 m
答案C
解析根据公式v=λf有
λ= m=0.75×10-6 m=0.75 μm。
7.以下说法正确的是( )
①光的偏振现象说明光是电磁波 ②紫外线是原子外层电子受激发产生的 ③泊松亮斑是一种光的衍射现象 ④原子自发辐射的光是激光
A.① B.②③
C.①②③④ D.①②③
答案B
解析光的偏振现象说明光是一种横波,原子自发辐射的光是自然光。
8.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.单色性好 D.波动性好
答案C
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对。
9.(多选)准分子激光器利用氩气和氟气的混合物产生激光,用这样的激光刀对近视眼进行手术,手术时间短、效果好、无痛苦。关于这个治疗的说法正确的是( )
A.近视眼是因为物体成像在眼球中视网膜的前面,使人不能看清物体
B.激光具有高度的方向性,可以在非常小的面积对眼睛进行修复
C.激光治疗近视眼手术是对视网膜进行修复
D.激光治疗近视眼手术是对角膜进行切除
答案ABD
10.(多选)将激光束的宽度聚焦到纳米级范围内,可修复人体已损坏的器官,参考DNA分子进行超微型基因修复,把至今还令人无奈的癌症、遗传疾病等彻底根除。这里应用了激光的( )
A.平行性好的特性
B.单色性好的特性
C.亮度高的特性
D.粒子性好的特性
答案AC
11.下列应用激光的事例中错误的是( )
A.利用激光进行长距离的精确测量
B.利用激光进行通信
C.利用激光进行室内照明
D.利用激光加工坚硬的材料
答案C
解析激光的单色性好,不利于室内照明,并且大功率的激光要靠专门的激光器产生,成本太高,且由于激光的能量集中,会对人体产生伤害,因此选项C所述的激光的应用是错误的。
12.应用激光平行性好的特性,可以精确地测量距离。对准目标发射一个极短的激光脉冲,测量发射脉冲的时间间隔,就可以求出激光器到目标的距离。若在地球上向月球发射一个激光脉冲,测得从发射到收到反射脉冲所用的时间为2.56 s,则月球到地球的距离大约是多少?(导学号51150170)
答案3.84×105 km
解析真空中的光速c=3×108 m/s,从发射脉冲到收到反射脉冲的时间t=2.56 s,月球与地球的距离为l=ct=3.84×105 km。
能力提升
13.下列说法正确的是( )(导学号51150215)
A.两支铅笔靠在一起,自然光从笔缝中通过后就成了偏振光
B.偏振光可以是横波,也可以是纵波
C.因为激光的方向性好,所以激光不能发生衍射现象
D.激光可以像刀子一样切除肿瘤
答案D
解析两支普通铅笔靠在一起,中间的缝远远地大于光的波长,因此,光从中通过时不会成为偏振光;光是横波,偏振光也是横波;激光也是光,因此激光就具有光波的特性,能够发生衍射现象;激光有很多用途,其中可用来做手术,切除肿瘤。
14.激光散斑测速是一种崭新的测速技术,它应用了光的干涉原理。用二次曝光照相所获得的“散斑对”相当于双缝干涉实验中的双缝,待测物体的速度v与二次曝光时间间隔Δt的乘积等于双缝间距。实验中可测得二次曝光时间间隔Δt、双缝到屏之间的距离l以及相邻两条亮条纹的间距Δx。若所用激光波长为λ,则该实验确定物体运动速度的表达式为( )(导学号51150216)
A.v=
B.v=
C.v=
D.v=
答案B
解析设双缝的间距为d,则由题设得d=vΔt。双缝到屏之间的距离l以及相邻两条亮条纹的间距Δx、双缝的间距d、光波波长λ满足Δx=λ,由以上两式可解得v=。故选项B正确。
15.一台激光器,它的功率为P,如果它发出的单色光在空气中波长为λ,则这束单色光的频率是 ,它在t时间内辐射的能量为 。如果这束单色光在某介质中传播速度为v,那么这束单色光从该介质射向真空发生全反射的临界角为 。(导学号51150217)?
答案 Pt arcsin
解析根据c=λf可得这束单色光的频率f=;激光器在时间t内所做的功W=Pt转化为光能;这束光对该介质的折射率n=,设它从该介质射向真空发生全反射的临界角为C,则sin C=,所以C=arcsin。
16.一种红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道闪光,每道闪光称为一个光脉冲,若这种激光器光脉冲的持续时间为1.0×10-11s,波长为694.3 nm,发射功率为1.0×1010 W。(导学号51150171)
(1)每列光脉冲的长度是多少?
(2)用红宝石激光照射皮肤色斑,每1 cm2吸收能量达到60 J以后,色斑便逐渐消失,一颗色斑的面积为50 mm2,则它需要吸收多少个红宝石激光脉冲才能逐渐消失?
答案(1)3.0×10-3 m (2)300
解析(1)光脉冲持续时间即为发射一个光脉冲所需的时间。
一个光脉冲长度
Δl=c·Δt=3.0×108×1.0×10-11m=3.0×10-3m。
(2)一个光脉冲所携带的能量
ΔE=P·Δt=1.0×1010×1.0×10-11J=0.1 J。
消除面积为50 mm2的色斑需要光脉冲数为
n==300。
课件10张PPT。目标导航预习导引目标导航预习导引一二一、激光的特点和应用
1.相干性与应用
(1)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。
(2)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.亮度及应用
(1)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。
(2)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。目标导航预习导引一二3.平行度及应用
(1)平行度:激光的平行度非常好,所以它在传播很远的距离后仍能保持一定的强度。
(2)应用:在雷达上用于测量距离和跟踪目标。多用途的激光雷达能根据多普勒效应测出目标的运动速度和运动方位,从而对目标进行跟踪。目标导航预习导引一二二、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振幅和频率信息,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.观察全息照片时要用激光照射照片,从另一侧面观察。目标导航预习导引一二在日常生活中,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?
用激光扫描条形码
提示 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。知识精要典题例解迁移应用激光的特性
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。知识精要典题例解迁移应用【例题】 纳米科技是跨世纪新科技,将激光束宽度聚焦到纳米范围,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。 (导学号51150074)
(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 m B.10-9 m
C.10-10 m D.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知识精要典题例解迁移应用知识精要典题例解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.单色性好 D.波动性好
答案:C
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。课件18张PPT。光 光 专题一专题二专题三专题一 折射率的测定
折射率的计算与测定是几何光学中的重要内容,其测定方法较多,有成像法、插针法、视深法、全反射法等。成像法利用了水面的反射成像和水的折射成像的原理;插针法利用了光的折射定律,即公式 ;全反射法则利用了全反射现象的原理。在测定介质折射率时,应灵活运用这些方法。专题一专题二专题三【例1】 如图所示,ABC是一个透明的薄壁容器,内装液体,当光垂直射向AC面时,光在AB面恰好发生全反射,已知光在真空中的传播速度为c,求液体的折射率及光在该液体中传播速度多大? (导学号51150075)专题一专题二专题三专题一专题二专题三迁移训练1
为了测定水的折射率,某同学将一个高为32 cm,底面直径为24 cm的圆筒内注满水,如图所示,这时从P点恰能看到筒底的A点。把水倒掉后仍放在原处,这时再从P点观察只能看到B点,B点和C点的距离为18 cm。由以上数据可求得水的折射率为多少?(导学号51150076)专题一专题二专题三专题一专题二专题三专题二 全反射在实际问题中的应用
与实际问题相联系的全反射现象,需要建立一定的物理模型,这样可以把一些看似很难解决的实际问题转化为熟悉的物理情境,然后根据题意获取有效信息来求解问题。专题一专题二专题三【例2】 某有线制导导弹发射时,在导弹发射基地和导弹间连一根细如蛛丝的特制光纤(像放风筝一样),它可以双向传输信号,能起到有线制导的作用。光纤由纤芯和包层组成,其剖面如图所示,其中纤芯材料的折射率n1=2,包层的折射率n2=3,光纤长度为2 km。(已知当光从折射率为n1的介质射入折射率为n2的介质时,入射角θ1、折射角θ2间满足关系:n1sin θ1=n2sin θ2)(导学号51150077)
(1)试通过计算说明从光纤一端入射的光信号是否会通过包层“泄漏”出去;
(2)若导弹飞行过程中,会将有关参数转变为光信号,利用光纤发回发射基地,经瞬间处理后转化为指令光信号返回导弹,求信号往返需要的最长时间。专题一专题二专题三专题一专题二专题三答案:(1)不会 (2)5.3×10-5 s 专题一专题二专题三专题一专题二专题三迁移训练2 如图所示,在水中深度为h的地方有一点光源,为了使光不露出水面之外,在该点光源的正上方的水面上漂浮一遮盖物,设水的折射率为n,这个遮盖物的最小面积为多少? (导学号51150078)专题一专题二专题三专题三 光的干涉、衍射和偏振
光的干涉、衍射现象是光的波动性的重要特征,偏振现象更进一步说明光是横波,光的干涉图样、衍射图样、偏振的特点及其应用频繁考查,题型多为选择题。专题一专题二专题三【例3】 关于光的干涉和衍射现象,下列说法正确的是( ) (导学号51150079)
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.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:从成因分析,光的干涉现象、衍射现象都是光波叠加的结果,两者都表明光是一种波,故A、C错,D对。从条纹特点看,虽然条纹宽度、间距方面两者有所区别,但单色光的干涉条纹、衍射条纹都是黑白相间的,白光的干涉条纹、衍射条纹都是彩色的,故B错。
答案:D专题一专题二专题三专题一专题二专题三迁移训练3 如图所示为条纹总宽度相同的4种明暗相间的条纹,其中有两种是红光、蓝光各自通过同一双缝干涉仪器形成的干涉图样,还有两种是黄光、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)。则图中从左向右排列,亮条纹的颜色依次是 ( )
A.红黄蓝紫 B.红紫蓝黄 C.蓝紫红黄 D.蓝黄红紫
答案:B
解析:由双缝干涉条纹间距公式可知,左侧第一个是红光通过双缝干涉仪器形成的干涉图样,第三个是蓝光通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样;由单缝衍射条纹分布特点可知,第二个是紫光通过单缝形成的衍射图样,第四个是黄光通过同一个单缝形成的衍射图样,所以选项B正确。第四章过关检测
(时间:45分钟 满分:100分)
一、选择题(每小题6分,共48分。在每小题给出的四个选项中,第1~5小题只有一个选项正确,第6~8小题有多个选项正确)
1.关于自然光和偏振光,下列说法正确的是( )
A.自然光能产生光的干涉现象和衍射现象,而偏振光却不能
B.只有自然光透过偏振片才能获得偏振光
C.自然光只能是白光,而偏振光不能是白光
D.自然光和偏振光都能使感光底片感光
答案D
解析自然光和偏振光都能产生干涉和衍射,都能使感光底片感光,A错,D对;光的偏振现象并不罕见,除了从光源直接发出的光以外,我们通常看到的光绝大部分都是偏振光,B错,光的颜色由光的频率决定,与光的偏振方向无关,C错。
2.激光具有相干性好、平行度好、亮度高等特点,在科学技术和日常生活中应用广泛。下列关于激光的叙述正确的是( )
A.激光是纵波
B.频率相同的激光在不同介质中的波长相同
C.两束频率不同的激光能产生干涉现象
D.利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离
答案D
解析激光是横波,选项A错误;激光在不同介质中的波速不同,由λ=可以判断选项B错误;发生干涉现象的条件是两束光必须为频率相同的相干光源,选项C错误;利用激光平行度好的特点,可以通过光的反射测量激光往返所用时间,达到测量月球到地球距离的目的,选项D正确。
3.劣质的玻璃中往往含有空气泡,这些空气泡看上去比较亮,对这一现象有以下不同的解释,其中正确的是( )
A.空气泡对光线有会聚作用,因而较亮
B.空气泡对光线有发散作用,因而较亮
C.从空气泡到达玻璃的界面处的光一部分发生全反射,因而较亮
D.从玻璃到达空气泡的界面处的光一部分发生全反射,因而较亮
答案D
解析要注意发生全反射的条件是:光从光密介质进入光疏介质,且入射角大于或等于临界角。一部分从玻璃到达空气泡的界面处的光满足了发生全反射的条件,因而发生全反射,这也就是气泡看上去比较亮的原因。
4.如图为红光或紫光通过双缝或单缝所呈现的图样,则( )
A.甲为紫光的干涉图样
B.乙为紫光的干涉图样
C.丙为红光的干涉图样
D.丁为红光的干涉图样
答案B
解析紫光的波长较红光短,条纹间距窄,所以B项正确,A项错误;丙、丁均为衍射图样,所以C、D两项错误。
5.雨后太阳光入射到水滴中发生色散而形成彩虹。设水滴是球形的,图中的圆代表水滴过球心的截面,入射光线在过此截面的平面内,a、b、c、d代表四条不同颜色的出射光线,则它们可能依次是( )
A.紫光、黄光、蓝光和红光
B.紫光、蓝光、黄光和红光
C.红光、蓝光、黄光和紫光
D.红光、黄光、蓝光和紫光
答案B
解析作出a、b、c、d四条光线第一次折射时的法线,可知其折射率大小关系为na>nb>nc>nd,则它们可能依次是紫光、蓝光、黄光和红光,所以本题只有选项B正确。
6.频率不同的两束单色光1和2以相同的入射角从同一点射入一厚玻璃板后,其光路如图所示。下列说法正确的是( )
A.单色光1的波长小于单色光2的波长
B.在玻璃中单色光1的传播速度大于单色光2的传播速度
C.单色光1通过玻璃板所需的时间小于单色光2通过玻璃板所需的时间
D.单色光1从玻璃到空气的全反射临界角小于单色光2从玻璃到空气的全反射临界角
答案AD
解析根据题图知,光1的折射率较大,与光2相比,其波长较小,在玻璃中传播速度较小,临界角较小,通过玻璃的时间较大,选项A、D正确。
7.在双缝干涉实验中,某同学用黄光作为入射光。为了增大干涉条纹的间距,该同学可以采用的方法有( )
A.改用红光作为入射光
B.改用蓝光作为入射光
C.增大双缝到屏的距离
D.增大双缝之间的距离
答案AC
解析根据条纹间距Δx=·λ可知:要增大干涉条纹的间距,可增大λ,λ红>λ黄,选项A正确;λ黄>λ蓝,选项B错误;增大到屏的距离l,Δx增大,选项C正确;增大双缝间距d,Δx减小,选项D错误。
8.用薄玻璃片制成一个中间空的三棱镜放入水中,当一束白光从一个侧面斜射入并从三棱镜通过时,下面说法中正确的是( )
A.各色光都向顶角偏折
B.各色光都向底面偏折
C.红色光的偏向角比紫光的大
D.红色光的偏向角比紫光的小
答案AD
解析薄玻璃片的厚度可以忽略不计,这样在水中的“空气三棱镜”的折射率比周围水的折射率小,这与放在空气中的玻璃三棱镜是不同的,同样根据折射定律,各色光都向顶角偏移,红光的偏向角仍然比紫光的小,故A、D两项正确。
二、填空题(每小题10分,共20分。把答案填在相应的横线上)
9.在“用双缝干涉测光的波长”的实验中,装置如图所示。双缝间的距离d=3 mm。(导学号51150172)
(1)若测定红光的波长,应选用 色的滤光片。实验时需要测定的物理量有 和 。?
(2)若测得双缝与屏之间距离为0.70 m,通过测量头(与螺旋测微器原理相似,手轮转动一周,分划板前进或后退0.500 mm)观察到第1条亮纹的位置如图(a)所示,观察到第5条亮纹的位置如图(b)所示。则可求出红光的波长λ= m。(保留一位有效数字)?
答案(1)红 双缝到屏的距离l n条亮(或暗)纹间距离a
(2)7×10-7
解析(1)测红光波长应选红色滤光片,因为红色滤光片能透过红光。
据Δx=λ知,需测双缝到屏的距离l和n条亮(或暗)纹间距离a,从而计算出条纹间距离Δx,最后算出λ。
(2)根据题图(a)(b)可求出两相邻亮条纹间距Δx= mm≈0.163 mm,所以λ=≈7×10-7 m。
10.在利用插针法测定玻璃砖折射率的实验中:
(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,甲同学利用插针法确定入射光线、折射光线后,测得的入射角、折射角没有受到影响,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。
三、计算题(每小题16分,共32分)
11.一厚度为h的大平板玻璃水平放置,其下表面贴有一半径为r的圆形发光面。在玻璃板上表面放置一半径为R的圆纸片,圆纸片与圆形发光面的中心在同一竖直线上。已知圆纸片恰好能完全遮挡住从圆形发光面发出的光线(不考虑反射),求平板玻璃的折射率。(导学号51150173)
答案
解析如图,考虑从圆形发光面边缘的A点发出的一条光线,假设它斜射到玻璃上表面的A'点折射,根据折射定律有
nsin θ=sin α
式中,n是玻璃的折射率,θ是入射角,α是折射角。
现假设A'恰好在纸片边缘。由题意,在A'点刚好发生全反射,故
α=
设AA'线段在玻璃上表面的投影长为L,由几何关系有
sin θ=
由题意,纸片的半径应为
R=L+r
联立以上各式得
n=
12.用某一单色光做双缝干涉实验时,已知双缝间距离为0.25 mm,在距离双缝为1.2 m处的光屏上,测得5条亮纹间的距离为7.5 mm。(导学号51150174)
(1)求这种单色光的波长。
(2)若用这种单色光照射到增透膜上,已知增透膜对这种光的折射率为1.3,则增透膜的厚度应取多少?
答案(1)3.9×10-7 m (2)7.5×10-8 m
解析(1)根据公式Δx=λ,得λ=Δx
由题意知Δx=
又l=1.2 m,d=0.25×10-3 m
所以λ=Δx=m=3.9×10-7m。
(2)根据公式n=,c=λf,v=λ'f得n=
所以λ'= m=3.0×10-7 m
故增透膜的厚度d'=λ'=7.5×10-8m。
