物理人教版选修3-4 第十三章+光13-6+Word版含答案

[目标定位]　1.知道白光是由多种色光组成的.2.能说明薄膜干涉条纹的特点，能解释薄膜干涉的成因.3.理解折射中的色散，了解各种色光特性的差别.4.了解激光的特性和应用，了解全息照片的拍摄．
一、光的颜色　色散　薄膜干涉中的色散
1．不同颜色的光，波长不同．白光是由多种色光组成的．
2．光谱：含有多种颜色的光被分解后，各种色光按其波长的有序排列，就是光谱．
3．光的色散：含有多种颜色的光被分解为单色光的现象．
4．薄膜干涉中的色散
(1)薄膜干涉中相干光的获得
光照射到薄膜上，在薄膜的前后两个面反射的光是由同一个实际的光源分解而成的，它们具有相同的频率，恒定的相位差．
(2)薄膜干涉的原理
光照在厚度不同的薄膜上时，前后两个面的反射光的路程差等于相应位置膜厚度的2倍，在某些位置，两列波叠加后相互加强，于是出现亮条纹；在另一些位置，叠加后相互削弱，于是出现暗条纹．
(3)薄膜干涉中应注意的问题
①观察的是从膜前、后两表面反射回来的光(眼睛与光源在膜的同一侧)
②用单色光照射得到明暗相间的条纹，用白光照射得到彩色条纹．
③每一条纹是水平(填“水平”或“竖直”)的．
(4)薄膜干涉的应用
①用干涉法检查平面的平整度．
②光学仪器上的增透膜．
【深度思考】
小朋友吹出的肥皂泡、热菜汤表面的油花、马路上积水表面的油膜，都会看到彩色的条纹，这些彩色条纹是如何形成的呢？
答案　由薄膜干涉造成的．白光照射在肥皂泡膜、油膜表面，被薄膜前、后表面反射的两列反射波叠加，形成干涉条纹．由于白光中的各色光波长不同，干涉后的条纹间距不同，薄膜上就会出现彩色条纹．
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【例1】　如图1所示为一显示薄膜干涉现象的实验装置，P是附有肥皂薄膜的铁丝圈，S是一点燃的酒精灯，往火焰上撒些盐后，在肥皂膜上观察到的干涉图样应是下列图中的(　　)
图1
解析　铁丝圈上的肥皂泡薄膜在重力作用下上薄下厚，在同一水平线上厚度基本一致，如果某一厚度处前后表面反射的同一列光波叠加得到加强，那么这一水平线上同一厚度处形成亮条纹，所以干涉条纹应是水平的．
答案　D
在光的薄膜干涉中，前、后表面反射光的路程差由膜的厚度决定，所以薄膜干涉中同一亮条纹或同一暗条纹应出现在厚度相同的地方，因此又叫等厚干涉，由于光波波长极短，因此做薄膜干涉所用的介质膜应足够薄，才能观察到干涉条纹.
【例2】　关于薄膜干涉，下列说法中正确的是(　　)
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，观察者应和光源在液膜的同一侧
解析　当光从薄膜的一侧照射到薄膜上时，只要前后两个面反射回来的光波的路程差满足振动加强的条件，就会出现亮条纹，满足振动减弱的条件就会出现暗条纹．这种情况在薄膜厚度不均匀时才会出现；当薄膜厚度均匀时，不会出现干涉条纹，但也发生干涉现象．
答案　D
二、衍射时的色散　折射时的色散
1．用白光做衍射实验，得到的条纹是彩色的．这是因为白光中包含了各种颜色的光，衍射时不同色光的亮条纹的位置不同，于是各种色光就区分开了．
2．如图2是白光通过棱镜折射后，由上到下的色光顺序为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，这说明：
图2
(1)射出棱镜的光线与入射光线方向的夹角叫通过棱镜的偏向角，如图所示，白光色散时，红光的偏向角最小，紫光的偏向角最大，说明玻璃对不同色光的折射率是不同的．同一种物质对不同波长的光的折射率n不一样，λ越小，频率f越大，n越大．
(2)根据n＝可知：在同种介质中折射率大的速度小，各种色光在同种介质中的速度从小到大排序依次为v紫＜v蓝＜…＜v橙＜v红，即红光的速度最大，紫光的速度最小．
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【例3】　如图3所示，一细束由黄、蓝、紫三种色光组成的复色光通过三棱镜折射后分为a、b、c三种单色光，∠A大于c光在棱镜中的临界角而小于b光在棱镜中的临界角．下列说法中正确的是(　　)
图3
A．a种色光为紫光
B．在三棱镜中a光的传播速度最大
C．在相同实验条件下用a、b、c三种色光做双缝干涉实验，c光相邻亮条纹间距一定最大
D．若复色光绕着入射点O顺时针转动至与AB面垂直时，屏上最终只有a光
解析　a光的偏折最小，说明其折射率最小，显然a光为黄光，选项A错误；a光的折射率最小，根据关系式v＝可知，a光的传播速度最大，选项B正确；根据双缝干涉条纹间距公式Δx＝λ，c光的折射率最大，波长最短，做双缝干涉实验时相邻亮条纹间距一定最小，选项C错误；若复色光绕着入射点O顺时针转动至与AB面垂直，那么各单色光在AC界面上的入射角会逐渐增大到等于∠A，已知∠A大于c光在棱镜中的临界角而小于b光在棱镜中的临界角，所以只有c光会发生全反射，屏上最终还有a光和b光，选项D错误．
答案　B
三、激　光
1．激光的特点及其应用
特点
性质
应用
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
光纤通信
平行度
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
精确的测距；读取光盘上记录的信息等
高亮度
它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量
用激光束切割、焊接；医学上可以用激光做“光刀”；激发核反应等
2．全息照相
(1)普通照相技术所记录的只是光波的强弱信息，而全息照相技术还可以记录光波的相位信息．
(2)全息照相的拍摄利用了光的干涉原理，这就要求参考光和物光有很高的相干性．
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【例4】　关于激光的应用问题，下列说法中正确的是(　　)
A．光纤通信是应用激光平行度非常好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中传递信息的
B．计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光有相干性的特点
C．医学中用激光做“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点
D．“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点
解析　由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用了激光的相干性，A错误；计算机内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的平行性好，B错误；医疗中的激光“光刀”利用了激光的亮度高的特点，C正确；激光测距利用的是激光的平行度和方向性好的特点，D错误．
答案　C
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1．(薄膜干涉)如图4所示是用干涉法检查某块厚玻璃板的上表面是否平整的装置，所用单色光是用普通光通过滤光片产生的，检查中所观察到的干涉条纹是由下列哪两个表面反射的光线叠加而成的(　　)
图4
A．a的上表面和b的下表面
B．a的上表面和b的上表面
C．a的下表面和b的上表面
D．a的下表面和b的下表面
答案　C
解析　干涉法的原理是利用单色光的薄膜干涉，这里的薄膜指的是样板与待测玻璃板之间的空气层．在空气层的上表面和下表面分别反射的光会发生干涉，观察干涉后形成的条纹是否为平行直线，可以断定厚玻璃板的上表面是否平整．因此选项C是正确的．
2．(薄膜干涉)用如图5所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象．图(a)是点燃的酒精灯(在灯芯上洒些盐)，图(b)是竖立的附着一层肥皂液薄膜的金属丝圈．将金属丝圈在其所在的竖直平面内缓慢旋转，观察到的现象是(　　)
图5
A．当金属丝圈旋转30°时干涉条纹同方向旋转30°
B．当金属丝圈旋转45°时干涉条纹同方向旋转90°
C．当金属丝圈旋转60°时干涉条纹同方向旋转30°
D．干涉条纹保持原来状态不变
答案　D
解析　金属丝圈的转动，改变不了肥皂液膜的上薄下厚的形状，由干涉原理可知干涉条纹与金属丝圈在该竖直平面内的转动无关，仍然是水平的干涉条纹，A、B、C错误，D正确．
3．(折射中的色散)一束由红、紫两色光组成的复色光，从空气斜射向玻璃三棱镜．下面四幅图中能正确表示该复色光经三棱镜折射分离成两束单色光的是(　　)
答案　B
解析　光通过玻璃三棱镜后向它的横截面的底边偏折，故C、D选项错误；同一介质对频率越高的光的折射率越大，所以复色光经玻璃折射后，光路应分开，故A选项错误；紫光的频率比红光的大，故经玻璃三棱镜后紫光的偏折程度大于红光的，故B选项正确．
4．(激光的应用)在演示双缝干涉的实验时，常用激光做光源，这主要是应用激光的(　　)
A．亮度高 B．平行性好
C．相干性好 D．波动性好
答案　C
解析　频率相同的两束光相遇才能发生干涉，激光具有高度的相干性，通过双缝时能够得到两束相干光．故本题的正确答案是C.
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
题组一　薄膜干涉中的色散
1．下列现象中可以用薄膜干涉来解释的是(　　)
A．雨后的彩虹
B．水面上的油膜在阳光照射下呈彩色
C．透过昆虫的翅膀看阳光呈彩色
D．荷叶上的水珠在阳光下晶莹透亮
答案　B
解析　雨后的彩虹是色散现象，故选项A错误；透过昆虫的翅膀看阳光呈彩色是衍射现象，故选项C错误；水珠在阳光下晶莹透亮是全反射的结果，故选项D错误；油膜在阳光照射下呈彩色是薄膜干涉的结果，故选项B正确．
2．(多选)如图1所示，一束白光从左侧射入肥皂薄膜，下列说法中正确的是(　　)
图1
A．人从右侧向左看，可以看到彩色条纹
B．人从左侧向右看，可以看到彩色条纹
C．彩色条纹水平排列
D．彩色条纹竖直排列
答案　BC
解析　一束白光射到薄膜上，经前后两个面反射回来的光相遇，产生干涉现象，从左侧向右看可看到彩色条纹，又由于薄膜同一水平线上的厚度相同，所以彩色条纹是水平排列的，故正确答案为B、C.
3．(多选)把一平行玻璃板压在另一个平行玻璃板上，一端用薄片垫起，构成空气劈尖，让单色光从上方射入，如图2所示，这时可以看到明暗相间的条纹，下面关于条纹的说法中正确的是(　　)
图2
A．干涉条纹的产生是由于光在空气劈尖膜的上下两表面反射形成的两列光波叠加的结果
B．干涉条纹中的暗条纹是由于上述两列反射光的波谷与波谷叠加的结果
C．将上玻璃板平行上移，条纹向着劈尖移动
D．观察薄膜干涉条纹时，应在入射光的另一侧
答案　AC
解析　根据薄膜干涉的产生原理，上述现象是由空气膜上下两表面反射的两列光叠加而成的，当波峰与波峰、波谷与波谷相遇叠加时，振动加强，形成亮条纹，所以A项正确，B项错误；因相干光是反射光，故观察薄膜干涉时，应在入射光的同一侧，故D项错误；根据条纹的位置与空气膜的厚度是对应的，当上玻璃板平行上移时，同一厚度的空气膜向劈尖移动，故条纹向着劈尖移动，故C项正确．
4．市场上有种灯具俗称“冷光灯”，用它照射物品时能使被照物品处产生的热效应大大降低，从而广泛地应用于博物馆、商店等处．这种灯降低热效应的原因之一是在灯泡后面放置的反光镜玻璃表面上镀一层薄膜(例如氟化镁)，这种膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的热效应最显著的红外线．以λ表示此红外线在薄膜中的波长，用λ0表示此红外线在真空中的波长，则所镀薄膜的厚度最小应为(　　)
A.λ0 B.λ C.λ D.λ0
答案　B
解析　要消除反射回来的红外线，即从薄膜前后表面反射回来的红外线发生干涉，相互抵消，即2d＝，解得：d＝，选项B正确．
5．一个半径较大的透明玻璃球体，截取其下面的一部分，然后将这一部分放到标准的水平面上，现让单色光竖直射向截面，如图3所示，在反射光中看到的是(　　)
图3
A．平行的明暗相间的直干涉条纹
B．环形的明暗相间的干涉条纹
C．只能看到同颜色的平行反射光
D．一片黑暗
答案　B
题组二　折射中的色散
6．(多选)白光通过三棱镜发生色散现象，下列说法正确的是(　　)
A．白光是由不同频率的光组成的
B．棱镜材料对各种色光的折射率不同
C．棱镜对红光的折射率大，对紫光的折射率小
D．出现色散现象是棱镜改变了颜色
答案　AB
解析　从红光到紫光，频率越来越大，折射率也越来越大，A、B正确．
7．一束复色光由空气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．下面的几个图中哪个光路图可能是正确的(　　)
答案　B
解析　由于a光的频率小于b光的频率，可知a光的折射率小于b光的折射率．在上表面a、b两束单色光的入射角相同，由折射定律可判断出a光的折射角大于b光的折射角．在下表面光线由玻璃射向空气，入射角等于上表面的折射角，故下表面的折射角应与上表面的入射角相同，即通过玻璃砖后的出射光线应与原入射光线平行．
8．如图4所示，从点光源S发出的一细束白光以一定的角度入射到三棱镜的表面，经过三棱镜的折射后发生色散现象，在光屏的ab间形成一条彩色光带．下面的说法中正确的是(　　)
图4
A．a侧是红色光，b侧是紫色光
B．在真空中a侧光的波长小于b侧光的波长
C．三棱镜对a侧光的折射率小于对b侧光的折射率
D．在三棱镜中a侧光的传播速度大于b侧光的传播速度
答案　B
解析　由于玻璃对各色光的折射率不同，导致色散的形成，玻璃对紫光的折射率最大，对红光的折射率最小，据n＝可知a侧为紫光，b侧为红光，在真空中，红光的波长大于紫光的波长，由n＝可以求出，在三棱镜中，红光的传播速度大于紫光的传播速度．
9．如图5所示为用a、b两种单色光分别通过同一双缝干涉装置获得的干涉图样．现让a、b两种光组成的复色光穿过平行玻璃砖或三棱镜时，光的传播路径与方向可能正确的是(　　)
图5
答案　D
解析　根据Δx＝λ，从干涉图样可知a光的波长大于b光的波长，因此a光的频率小于b光的频率，所以b光的折射率更大．选项A应是左侧b光，右侧a光；选项B中射出的两光线应都与复色光平行；由于b光的折射率更大，所以b光的临界角更小，因此选项C错误，选项D正确．
10．如图6，半圆形玻璃砖置于光屏PQ的左下方．一束白光沿半径方向从A点射入玻璃砖，在O点发生反射和折射，折射光在光屏上呈现七色光带，a、b是其中的两单色光．若入射点由A向B缓慢移动，并保持白光沿半径方向入射到O点，观察到各色光在光屏上陆续消失．下面说法正确的是(　　)
图6
A．紫光最先消失
B．红光最先消失
C．a光在玻璃中的传播速度小于b光在玻璃中的传播速度
D．通过同一双缝发生干涉，a光相邻条纹间距小于b光相邻条纹间距
答案　A
解析　玻璃对紫光的折射率最大，由sin C＝可知，紫光发生全反射的临界角最小，故紫光最先消失，选项A对，B错；由题图可知，玻璃对a光的折射率比对b光的折射率小，由n＝得v＝，故a光在玻璃中的传播速度大于b光在玻璃中的传播速度，选项C错；由题图可知，玻璃对a光的偏折程度较小，故a光波长较长，若通过同一双缝发生干涉，a光相邻条纹间距大于b光相邻条纹间距，选项D错．
11．如图7所示，在水中有一厚度不计的薄玻璃片做成的中空三棱镜，里面是空气，一束光A从棱镜的左边射入，从三棱镜的右边射出时发生色散，射出的可见光分布在a点和b点之间，则(　　)
图7
A．从a点射出的是红光，从b点射出的是紫光
B．从a点射出的是紫光，从b点射出的是红光
C．从a点和b点射出的都是紫光，从ab中点射出的是红光
D．从a点和b点射出的都是红光，从ab中点射出的是紫光
答案　B
解析　
由红光的折射率小于紫光的折射率知，紫光偏离原来方向比红光严重，并且向顶端偏折，光路图如图所示，所以从a点射出的是紫光，从b点射出的是红光，故选项B正确．
题组三　激光及应用
12．(多选)下列说法正确的是(　　)
A．激光可用于测距
B．激光能量十分集中，只可用于加工金属材料
C．激光是一种人工产生的相干光
D．激光可用于全息照相，有独特的特点
答案　ACD
解析　激光平行度好，即使在传播了很远的距离之后，它仍保持一定的强度，此特点可用于激光测距，选项A正确；激光的亮度高，能量十分集中，可用于金属加工、激光医疗、激光美容、激光武器等，选项B错误；激光是一种人工产生的相干光，选项C正确；激光具有很高的相干性，可用于全息照相，由于它记录了光的相位信息，所以看起来立体感较强，选项D正确．
13．让激光照到VCD机、CD机或计算机的光盘上，就可以读出盘上记录的信息，经过处理后还原成声音或图象，这是利用激光的(　　)
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，可以在很短时间内集中很大的能量
D．波长长，很容易发生明显的衍射现象
答案　A
解析　激光的特点之一是平行度好，它可以会聚到一个很小的点上，DVD、VCD、CD唱机或电脑上的光驱及刻录设备就利用了激光的这一特点，选项A正确，B、C、D错误．