7 光的颜色 色散
8 激光
[学习目标] 1.知道光的色散现象，知道白光是由多种色光组成的.2.理解薄膜干涉中的色散现象，并了解薄膜干涉的应用．(重点)3.理解光折射时的色散现象，知道同一介质对不同色光的折射率不同．(重点、难点)4.了解激光的特性和应用，应用激光观察全息照片．
一、光的颜色和色散
1．光的颜色与波长：不同颜色的光，波长不同．
2．光的色散：含有多种颜色的光被分解为单色光的现象．
3．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．
4．几种色散现象
(1)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，在薄膜的不同位置，前后两个面的反射光的路程差不同，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，两列波相遇后被相互削弱，于是出现暗条纹．
(2)衍射时的色散
用白光做衍射实验时，得到的条纹是彩色的．这是因为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．这种现象是光在衍射时的色散．
(3)折射时的色散
如图说明白光通过棱镜折射后，由上到下的色光顺序为：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，这说明白光是由七色光组成的．
二、激光
1．激光的特点及应用
性质
应用
相干性：激光具有频率相同、相位差恒定、偏振方向一致的特点，具有高度的相干性
光纤通信
平行度：激光的平行度非常好，传播很远的距离仍能保持一定的强度
激光测距，读取光盘上记录的信息等
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
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)与普通照相技术的比较
普通照相技术所记录的只是光波的强弱信息，而全息照相技术还记录了光波的相位信息．
(2)原理：全息照片的拍摄利用了光的干涉原理．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)色散现象表明白光是复色光． (√)
(2)单色光通过棱镜后也能发生色散． (×)
(3)某单色光在不同介质中传播时光的频率、波长均不同． (×)
(4)激光可以进行光纤通信是利用了相干性好的特点． (√)
(5)激光可用做“光刀”来切开皮肤是利用激光的相干性好． (×)
2．竖直的肥皂膜在单色光的照射下，表面会形成明暗相间的条纹，下列说法中正确的是( )
A．干涉条纹基本上是竖直的
B．干涉条纹基本上是水平的
C．干涉条纹的产生是由于光在肥皂膜前后表面上反射的两列波叠加的结果
D．干涉条纹是彩色的
E．若改用白光照射则干涉条纹是彩色的
BCE [薄膜干涉条纹的产生是薄膜的前表面与后表面反射来的光叠加所产生的，同一明条纹或同一暗条纹应出现在膜的厚度相同的地方，同一水平高度处，膜的厚度相同，所以条纹基本是水平的，由于光是单色光，故不会发生色散．故正确答案为B、C、E.]
3．关于激光的应用，下列说法中正确的是( )
A．光纤通信是应用激光相干好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中进行信息传递
B．计算机内用“磁头”可读出光盘上记录的信息是应用了激光平行度好的特点来进行的
C．医学中用激光作“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
E．激光打孔是应用了激光相干性好的特点
ABC [光纤通信主要利用激光的相干性好的特点，选项A正确；计算机内的“磁头”可读出光盘上的信息主要应用了激光的平行度好的特点，选项B正确；医疗中用激光作“光刀”和工业上用激光打孔都是利用了激光的亮度高的特点，选项C正确，E错误；激光测距利用的是激光的平行度好的特点，选项D错误．]
光的颜色和色散
1．对光的颜色的理解
不同颜色的光，波长不同，频率不同，而同种颜色的光在不同介质中折射率不同，速度和波长均不相同，但频率相同，因此说光的颜色是由频率决定的，而不是由波长决定的．
2．棱镜对光线传播方向的改变
(1)正确画好光线通过棱镜的光路图，如图甲所示．
(2)棱镜成像的画法，如图乙所示．
3．各种色光特性的比较
各种色光
红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫
频率
小→大
折射率
小→大
经三棱镜折射时的偏折角
小→大
波长
长→短
介质中的波速
大→小
双缝干涉的条纹间距
大→小
薄膜干涉的条纹间距
大→小
4．双缝干涉中的色散
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．
白光干涉时的条纹是彩色的，可见，白光是由多种色光组成的复色光，发生干涉时，白光发生了色散现象．
【例1】 (单选)如图所示，一束白光通过玻璃棱镜发生色散现象，下列说法正确的是( )
A．红光的偏折最大，紫光的偏折最小
B．红光的偏折最小，紫光的偏折最大
C．玻璃对红光的折射率比紫光大
D．玻璃中紫光的传播速度比红光大
B [玻璃对频率不同的各种色光的折射率不同，在可见光中，对红光的折射率最小，对紫光的折射率最大．因此在空气和玻璃的第一个界面上，虽然各单色光入射角相同，但各单色光的折射角不同，由n＝可知，红光的折射角最大，紫光的折射角最小．在另一个界面上，光由玻璃进入空气，根据光路的可逆性可知，紫光的折射角最大，红光的折射角最小．由n＝可知，可见光中红光在玻璃中的传播速度最大．]
同种介质对不同波长单色光的折射率不同，折射率由小到大的顺序是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫．根据真空中光速相同，即c＝λf，可知不同单色光波长由大到小的顺序是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫．
1.如图所示，一个小的光源S发出白光，棱镜分光，若人沿着折射光线的反方向观察，通过棱镜可以看到( )
A．白光点
B．光点上部红色，下部紫色
C．光点上部紫色，下部红色
D．看到的光点比实际光源的位置高
E．看到的光点是光源的虚像
CDE [由于各种单色光中，紫光的折射率最大，偏折角也最大，成的像最高，红光的折射率最小，偏折角也最小，成的像最低．]
薄膜干涉现象及应用
1．薄膜干涉中相干光的光源
一列光在膜的前表面和后表面分别反射，如同由前、后表面反射出来的两列完全相同的光，满足相干条件．
2．薄膜干涉的成因
如图所示，竖直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用使下面厚、上面薄，因此在薄膜上不同的地方，从膜的前、后表面反射的两列光波叠加，若两列波叠加后互相加强，则出现亮纹；在另一些地方，叠加互相减弱，则出现暗纹．故在单色光照射下，就出现了明暗相间的干涉条纹；若在白光照射下，则出现彩色干涉条纹．
3．薄膜干涉中应注意的三个问题
(1)观察的是从膜前、后两表面反射回来的光，不是透过膜的光，眼睛与光源在膜的同一侧．
(2)用单色光和白光分别照射同一膜，观察到的现象是不同的．用白光照射膜时，某一位置红光得到加强，其他颜色的光就被削弱，故在此位置看到的是红色，而另一位置则会看到黄色等其他颜色，因此，用白光做这个实验看到的将是彩色条纹；而在单色光照射下，则会出现明、暗相间的条纹．
(3)每一条纹呈现水平分布，各条纹按竖直方向排列．
4．薄膜干涉在技术上的应用
(1)用干涉法检查平面
如图所示，两板之间形成一层空气膜，用单色光从上向下照射，入射光从空气膜的上下表面反射出两列光波，形成干涉条纹．如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等间距的．如果某处凹下，则对应明条纹(或暗条纹)提前出现，如图(a)所示；如果某处凸起来，则对应条纹延后出现，如图(b)所示(注：“提前”与“延后”不是指在时间上，而是指由左向右的顺序位置上)．
(2)增透膜的应用
在光学仪器中，为了减少光在光学元件(透镜、棱镜)表面的反射损失，可用薄膜干涉相消来减少反射光，如照相机、测距仪、潜望镜上用的光学元件表面为了减少光的反射损失都镀上了一层介质薄膜(氟化镁)，使薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的，这样反射回来的两列光波经过的路程差恰好等于半个波长，它们叠加后相互抵消，从而减少了光学元件表面反射造成的光能损失，增强了透射光的能量，故称为增透膜．
【例2】 如图甲所示，用平行单色光照射透明标准样板来检查零件表面的情况，观察到如图乙所示的条纹，这说明被检查平面的条纹弯曲处是________(填“凹”或“凸”)的，该方法检查平面测量的精度可达________m.
[解析] 因为同一条亮(暗)纹上各处空气厚度相同，由垫片位置和弯曲方向可知，弯曲处的空气层厚度应该比同一条纹上其他位置的空气层厚度小，而现在实际上是一样厚度，可见，该处一定存在凹陷．干涉法检查平面精确度很高，可达10－8 m.
[答案] 凹 10－8
被测平面凹下或凸起的形象判断法
被测平面凹下或凸起的形象判断法——矮人行走法．即把干涉条纹看成“矮人”的行走轨迹．让一个小矮人在两板间沿着一条条纹直立行走，始终保持脚踏被测板，头顶样板，在行走过程中：若遇一凹下，他必向薄膜的尖端去绕，方可按上述要求过去，即条纹某处弯向薄膜尖端，该处为一凹下；若遇一凸起，他必向薄膜的底部去绕，方可按上述要求过去，即条纹某处弯向薄膜底部，该处为一凸起．
2．劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图甲所示．将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜．当光垂直入射后，从上往下看到的干涉条纹如图乙所示．干涉条纹有如下特点：
(1)任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等．
(2)任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定．
现将甲图装置中的纸片抽去一张，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，则条纹( )
A．变疏 B．变密 C．不变 D．消失
A [根据形成明条纹的条件可知，相邻明条纹对应的路程差等于入射光的波长．抽去一张纸片，样板的倾角变小，要使相邻明条纹对应的路程差仍等于入射光的波长，则样板上条纹间的距离将会增大，即干涉条纹将变疏．]
激光
1．激光的相干性好
所谓相干性好，是指容易产生干涉现象．普通光源发出的光(即使是所谓的单色光)频率是不一样的，而激光器发出的激光的频率几乎是单一的，并且满足其他的相干条件．所以，现在我们做双缝干涉实验时，无需在双缝前放一个单缝，而是用激光直接照射双缝，就能得到既明亮又清晰的干涉条纹．利用相干光易于调制的特点，传输信息，所能传递的信息密度极高，一条细细的激光束通过光缆可以同时传送一百亿路电话和一千万套电视，全国人民同时通话还用不完它的通讯容量，而光纤通信就必须借助激光技术才能发展．
2．激光的平行度非常好
与普通光相比，传播相同距离的激光束的扩散程度小，光线仍能保持很大的强度，保持它的高能量，利用这一点可以精确测距．现在利用激光测量地月距离的精确度已达到1 m.
3．激光的亮度非常高
它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量．如果把强大的激光束会聚起来，可使物体被照部分在千分之一秒的时间内产生几千万度的高温．不能直接照射眼睛，否则会伤害眼睛．
4．激光单色性很好
激光的频率范围极窄，颜色几乎是完全一致的．
【例3】 准分子激光器利用氩气和氟气的混合物产生激光刀，可用于进行近视眼的治疗．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，以下说法中正确的是( )
A．近视眼是物体成像在眼球中的视网膜的前面，使人不能看清物体
B．激光具有很好的方向性，用激光刀可以在非常小的面积上对眼睛进行手术
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削
E．激光治疗近视眼手术是利用激光的相干性好
ABD [激光手术是物理技术用于临床医学的最新成果．人的眼睛是一个光学成像系统，角膜和晶状体相当于一个凸透镜，物体通过凸透镜成像在视网膜上，人就能看清楚物体．当角膜和晶状体组成的这个凸透镜的焦距比较小，物体成像在视网膜的前面时，人就不能看清物体，这就是近视眼，A对；激光具有很好的方向性，用激光刀可以在非常小的面积上对眼睛进行手术，B对，E错；激光手术不是修复视网膜，而是对角膜进行切削，改变角膜的形状，使眼球中的凸透镜的焦距适当变大，物体经过角膜和晶状体后成像在视网膜上，C错、D对．]
3．激光全息照片的底片上记录了光的干涉条纹，含有被拍摄物体反射的光的所有信息，实现了照片的立体性．若照相时，被摄物体被挡住一部分，通过调整视线仍可看见被挡部分．照片被切开成两半，从一半上仍可看到物体的全像，照片就像一个观察物体的窗口．激光全息照相利用了激光________的性质．
[解析] 全息照相利用激光的频率单一、相干性好的特点，使参考光和物光有很高的相干性，拍摄立体照片．
[答案] 相干性好
激光的特点及其应用
特点
作用
应用实例
相干光
可进行调制、传递信息
光纤通信、全息照相
平行度
非常好
传播很远距离仍能保持一定强度，可精确测距、测速
激光雷达
平行度
非常好
可会聚于很小的一点，记录信息密度高
DVD机、CD唱机、计算机的光驱
亮度高
可在很小空间、短时间内集中很大能量
激光切割、焊接、打孔、医疗手术
亮度高
产生高压引起核聚变
人工控制聚变反应
课 堂 小 结
知 识 脉 络
1.光的色散现象，白光是由多种色光组成的．
2．棱镜折射时的色散现象，同一种介质对不同色光的折射率不同．
3．薄膜干涉能产生色散．
4．激光的特性和应用，全息照相的原理.
课件54张PPT。第十三章 光7 光的颜色 色散
8 激光不同 单色光 波长 反射 频率 相位差 反射 路程 亮条纹 暗条纹 彩色 七色 相同 恒定 一致 平行度 测距 空间 时间 能量 强弱 相位 干涉 √
×
×
√
×光的颜色和色散薄膜干涉现象及应用 激光 点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(十六)
(限时40分钟)
[基础达标练]
1．关于薄膜干涉，下列说法中正确的是( )
A．厚度均匀的薄膜，也会发生干涉现象
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
E．厚度不均匀的薄膜才会形成干涉条纹
ADE [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，如果是单色光照射，若满足振动加强的条件，整个簿膜前方都是亮的，否则整个薄膜的前方都是暗的．如果是复色光照射，某种颜色的光因干涉而振动加强，另一些颜色的光会因干涉而振动减弱，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呈某种单色光的颜色，但不形成干涉条纹．]
2.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，如图所示，这时可以看到亮暗相间的条纹．下面关于条纹的说法中正确的是( )
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
E．如果上边玻璃板的下表面有凸凹不平的地方，则对应的干涉条纹不再是平行直条纹
ACE [根据薄膜干涉的产生原理，上述现象是由空气膜上下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、E项正确．]
3．如图所示，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( )
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侧光的折射率大于对b侧光的折射率
D．在三棱镜中，a侧光的波速大于b侧光的波速
E．在真空中两a、b两侧光的波速相同
BCE[]
4．对于激光的认识，以下说法中正确的是( )
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
E．激光比普通光的相干性好
CDE [激光是人工产生的一种相干光，与普通光源发出的光不同，激光与我们的生活密切相关，所以C、D、E正确．]
5．白光通过三棱镜发生色散现象，下列说法正确的是( )
A．不同颜色的光在真空中的光速不同
B．在同一介质中红光的折射率比紫光小
C．在同一介质中红光的光速比紫光大
D．每种颜色的光通过三棱镜都会分成几种颜色的光
E．只有复色光才会出现色散现象
BCE [色散的原因是不同色光折射率不同．由n＝判断光在介质中波速是：n越大，v越小；n越小，v越大．]
6．汽车行驶时常会滴下一些油滴，滴下的油滴在带水路面上会形成一层薄油膜，并显现彩色，这是为什么？
[解析] 白光射到油膜上，从膜的上、下表面反射回来，形成相干光源．由于各种色光波长不同，所产生的干涉条纹的宽度不同，所以各色光在薄膜上形成干涉条纹呈现彩色．
[答案] 见解析
7．激光火箭的体积小，却可以装载更大、更重的卫星或飞船．激光由地面激光站或空间激光动力卫星提供，通过一套装置，像手电筒一样，让激光束射入火箭发动机的燃烧室，使推进剂受热而急剧膨胀，于是形成一股高温高压的燃气流，以极高的速度喷出，产生巨大的推力，把卫星或飞船送入太空．激光火箭利用了激光的什么特性？
[解析] 激光的平行度好且亮度高，可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量，这样可以给火箭提供高能量．
[答案] 平行度好和能量高的特性
8.用三棱镜可使阳光折射成一条彩色光带，如图所示，请回答下列问题：
(1)B、C、D区域分别是什么色光区？
(2)将一瓶绿藻放在A处，则B、C、D哪一处变暗？
(3)将一瓶绿藻放在B、C、D的哪一位置上，就会严重影响它的生长？
[解析] (1)B为红光区，C为绿光区，D为蓝光区．
(2)由绿藻呈绿色可知其对绿光的吸收最弱，故B和D处变暗．
(3)由(1)可知，C为绿光区，故绿藻只能得到极少量可利用的光来进行光合作用，因而会严重影响其生长．
[答案] 见解析
[能力提升练]
9．某物理兴趣小组用实验探究光的色散规律，他们将半圆形玻璃砖放在竖直面内，在其左方竖直放置一个很大的光屏P，让一复色光束SA射向玻璃砖的圆心O后，有两束单色光a和b射向光屏P，如图所示．他们根据实验现象提出了以下猜想，你认为正确的是( )
A．单色光a的波长大于单色光b的波长
B．在玻璃中单色光a的传播速度大于单色光b的传播速度
C．单色光a通过玻璃砖所需的时间大于单色光b通过玻璃砖所需的时间
D．当光束SA绕圆心O逆时针转动过程中，在光屏P上最早消失的是a光
E．用a、b两单色光分别做双缝干涉实验时，a光的条纹间距比b光的大
ABE [根据光的折射定律可知a光的折射率小于b光的折射率，则a光的频率小于b光的频率，由λ＝和Δx＝λ可知A、E项正确；由v＝可知B项正确；由于复色光在玻璃砖中传播距离相同，根据t＝可知C项错误；由sin C＝可知D项错误．]
10．用如图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(在灯芯上撒些盐)，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，观察到的条纹现象是怎样的？
[解析] 竖直肥皂膜是由于重力作用产生的上薄下厚的薄膜，所以金属丝圈的缓慢转动，改变不了肥皂液膜的上薄下厚的形状，由干涉原理可知，同一厚度处的干涉条纹在同一级次上，所形成的干涉条纹都是水平的，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．
[答案] 见解析
11.在研究材料A的膨胀特性时，可采用如图所示的干涉实验法．A的上表面是一光滑平面，在A的上方放一个透明的平行板B，B与A上表面平行，在它们之间形成一厚度均匀的空气膜．现在用波长为λ的单色光垂直照射，同时对A缓慢加热，在B上方观察到B板的亮度发生周期性变化．当温度为t1时最亮，然后亮度逐渐减弱至最暗；当温度升高到t2时，亮度再一次回到最亮．问：
(1)在B板上方观察到的亮暗变化是由哪两个表面的反射光叠加形成的？
(2)温度由t1升高到t2时，A的高度升高多少？
[解析] (1)A、B间为空气薄膜，在B板上方观察到的亮暗变化，是由B的下表面反射的光和A的上表面反射的光叠加产生的．(2)当温度为t1时，设空气薄膜厚度为d1，此时最亮说明2d1＝kλ.当温度为t2时，设空气薄膜厚度为d2，此时再一次最亮说明2d2＝(k－1)λ，得d1－d2＝，故温度由t1升高到t2时，A的高度升高.
[答案] 见解析
12．一束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，若这种激光器产生的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．求：
(1)每列光脉冲的长度；
(2)用这种激光照射皮肤色斑，每1 cm2皮肤吸收的能量达到60 J以后，色斑便逐渐消失，一个色斑的面积为50 mm2，则它需要吸收多少列红宝石激光脉冲才能逐渐消失？
[解析] (1)光脉冲的持续时间即为发射一个光脉冲所需的时间．一列光脉冲的长度Δl＝c·Δt＝3.0×108×1.0×10－11m＝3.0×10－3 m.
(2)一列光脉冲所携带的能量ΔE＝P·Δt＝1.0×1010×1.0×10－11J＝0.1 J．清除面积为50 mm2的色斑需要光脉冲数为n＝E·＝＝300(列)．
[答案] (1)3.0×10－3 m (2)300列
