高中物理人教版选修3-4 学案 第十三章 第7节、第8节 光的颜色　色散　激光 Word版含解析

第7节　光的颜色　色散
第8节　激光
1．知道白光是由多种色光组成的，知道光的色散及光谱的概念。
2．知道薄膜干涉的原理、应用，及薄膜干涉中的色散。
3．理解衍射时的色散，理解折射时的色散，知道光的折射率与波长的关系，知道光在介质中的传播速度与波长的关系。
4．了解激光的特点和应用，了解全息照相的原理。
一、光的颜色与色散
1．双缝干涉实验中，条纹之间的距离与光波的波长成正比，用白光做实验时，得到彩色条纹，说明不同颜色的光，波长不同。
2．光的色散与光谱
(1)光的色散：含有多种颜色的光被分解为单色光的现象。
(2)光谱：含有多种颜色的光被分解后，各种色光按其波长有序排列。
二、薄膜干涉中的色散
竖直放置的肥皂薄膜受到重力作用，下面厚，上面薄，因此在膜上不同的位置，来自前后两个面的反射光，频率相同，但路程差不同，在某些位置，这两列波叠加后相互加强，出现亮条纹；在另一些位置，叠加后相互削弱，出现暗条纹。
三、衍射时的色散
用白光进行衍射实验时，得到的是彩色条纹，这是由于白光中包含各种颜色的光，不同色光亮条纹的位置不同造成的。
四、折射时的色散
如图说明通过棱镜折射后，由上到下的色光顺序为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，这说明：
(1)透明物质对真空中波长λ不同的光的偏折程度不同，折射率n也不一样，λ越小，n越大。
(2)又根据n＝，在同一种物质中，不同波长的光波的传播速度不一样，波长越短，波速越小。
(3)又根据sinC＝，在同一种物质中，不同波长的光波的临界角不同，波长越短，临界角越小。
五、激光
1．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)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：进行精确的测距。多用途的激光雷达不仅可以测量距离，而且能根据多普勒效应测出目标的运动速度。
(3)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，还可以用激光“焊接”剥落的视网膜。
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能量强弱信息，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。
判一判
(1)激光用于光纤通信是利用了它亮度高的特点。(　　)
(2)激光可用做“光刀”来切开皮肤，是利用了激光的相干性好。(　　)
(3)全息照相技术只能记录光波的强弱信息。(　　)
提示：(1)×　(2)×　(3)×
想一想
(1)太阳光谱由几种单色光组成？各单色光在同种介质中的波长长短是如何排列的？
提示：太阳光谱由七种色光组成，按各色光在同种介质中波长由长到短的顺序依次是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。
(2)光从真空进入介质中，其频率、波长、波速如何变化？
提示：光的频率是由光源的发光机理决定的，所以光由真空进入介质中时，光的频率不变，由n＝可知，光的传播速度减小，由v＝λf可知，波长变短。
(3)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：应用了其“平行度”非常好的性质。
课堂任务　光的颜色、色散
1．对光的颜色的理解：光的颜色由色光的频率决定。不同颜色的光频率不同，在同种介质中传播时波长不同，波速不同；光由一种介质进入另一种介质时，频率不变，故光的颜色不变。
2．色光特性比较
各种色光
红橙黄绿青蓝紫
频率
小→大
波长
长→短
临界角(同种介质中)
大→小
折射率
小→大
波速(真空中)
不变，c＝3×108 m/s
波速(介质中)
大→小
双缝干涉时所产生的条纹间距
大→小
经三棱镜折射时偏向角大小
小→大
3．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。
4．折射时的色散
(1)把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。实验表明，白光色散时，红光的偏向角最小，紫光的偏向角最大。这说明玻璃对不同色光的折射率是不同的。紫光的折射率最大，红光的折射率最小。
(2)白光经过三棱镜后，在光屏上呈现七色光带；若从棱镜的顶角向底边看，由红到紫依次排列，紫光最靠近底边。如图所示。
5．光的色散现象能表明的问题
(1)同一介质对不同色光的折射率不同，频率越高折射率越大，七色光中红光的折射率最小，紫光的折射率最大。
(2)由n＝可知，同一介质中各种色光的光速不同，红光的折射率最小，光速最大；而紫光的折射率最大，光速最小。
(3)光由一种介质进入另一种介质时，光的颜色不变，光速改变。
(4)光在介质中的传播速度与介质有关，与光的频率也有关，这一点与机械波是有区别的。
例1　如图所示，从点光源S发出的一束细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．在三棱镜中a侧光的传播速度大于b侧光的传播速度
B．b侧光更容易产生衍射现象
C．若改变白光的入射角，在屏上最先消失的是b侧光
D．通过同一双缝干涉装置产生的干涉条纹的间距Δxa＞Δxb
(1)比较a光与b光折射率、频率、波长、波速的大小。
提示：a光折射率大，光的频率大，在同种介质中的传播速度小，波长小。
(2)改变白光的入射角，光屏上为什么会有色光消失？
提示：光在三棱镜右侧面上发生了全反射，不会再射到光屏上了。
[规范解答]　根据色散形成的光谱，所以fa＞fb，λa＜λb，所以b更容易产生衍射，B正确；na＞nb，根据n＝，所以va＜vb，A错误；sinC＝，所以b光的临界角大，a光更容易发生全反射，C错误；根据Δx＝λ可知，Δxa＜Δxb，D错误。
[完美答案]　B
色散问题解题技巧
(1)同一种介质中，频率越大的折射率越大。
(2)熟记下面几个公式。
v＝，n＝，λ＝，Δx＝λ，sinC＝。
　已知某玻璃对蓝光的折射率比对红光的折射率大，则两种光(　　)
A．在该玻璃中传播时，蓝光的速度较大
B．以相同的入射角从空气斜射入该玻璃中，蓝光折射角较大
C．在该玻璃中传播时，红光的波长较长
D．用同一装置进行双缝干涉实验，蓝光的相邻条纹间距较大
答案　C
解析　由题意知n蓝＞n红，所以f蓝＞f红，由v＝知v红＞v蓝，A错误；由n＝知θ2红＞θ2蓝，B错误；由λ＝＝知λ红＞λ蓝，C正确；由Δx＝λ知Δx红＞Δx蓝，D错误。
课堂任务　薄膜干涉
1．薄膜干涉的成因
如图所示，竖直放置的肥皂液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，则出现亮条纹；在另一些地方，叠加后互相减弱，则出现暗条纹。
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。
2．薄膜干涉的应用
(1)用干涉法检查平面平整度
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，如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等间距的。如果被检测表面某处凹下，则对应亮条纹(或暗条纹)提前出现，如图甲所示；如果某处凸起来，则对应条纹延后出现，如图乙所示。(注：“提前”与“延后”不是指在时间上，而是指由左向右的位置顺序上)
(2)增透膜
为了减少光学装置中的反射光的损失，可在元件表面涂一层透明薄膜，一般是氟化镁。
如图所示，在增透膜的前后表面反射的两列光波形成相干波，相互叠加，当路程差为半波长的奇数倍时，在两个表面反射的光反相，相互抵消，从而使反射的两列光波产生相消干涉，反射光的能量几乎等于零。
一般取最小厚度d满足d＝(此波长为光在该种介质中的波长)。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，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，所以增透膜呈现绿光的互补色——淡紫色。
　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
例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块平板玻璃之上，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)任意一条亮条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；(2)任意相邻亮条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定。现若在图甲装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹(　　)
A．变疏 B．变密 C．不变 D．消失
(1)同一干涉条纹对应的空气膜厚度有何特点？
提示：同一干涉条纹对应的空气膜厚度相等。
(2)抽去一张纸片后，空气膜厚度变化减小，原来的某一明条纹的位置怎样变化？
提示：向空气膜厚度增大的方向移动。
[规范解答]　干涉条纹是由空气薄膜的上下两个表面反射的光线叠加而成的，当抽去一张纸片后，劈形空气薄膜倾角减小，相邻明条纹(或暗条纹)必须变疏才能符合所在位置下面对应的薄膜厚度差跟原先一样，故A正确。
[完美答案]　A
被测平面凹下或凸起的判断方法
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：若遇凹下，他必向薄膜的尖端去绕，方可按上述要求行走，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，方可按上述要求行走，即条纹某处弯向薄膜底部，该处为一凸起。
　(多选)如图所示，用单色光照射透明标准板M来检查平面N的上表面的平滑情况，观察到如图所示条纹中的P和Q情况，这说明(　　)
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　空气厚度从左向右依次增大，则两表面的反射光的路程差自左向右依次增大。同一条纹上的各点对应的厚度相同(类比于地理上的等高线)，当条纹向左弯曲(P)说明等高线向左移动，即现在A处的高度和A处右边点的高度相同，因此高度变大，A处下凹。当条纹向右弯曲(Q)，说明等高线右移，即现在B处的高度和左边点的高度相同，B处上凸。B、C正确。
课堂任务　激光
1．激光
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。激光是相干光，激光是人工产生的光。
2．激光的特点及应用
特点
性质
应用
相干性
激光具有频率单一、相位差恒定、偏振方向相同的特点，是人工产生的相干光，具有高度的相干性
光纤通信
平行度
激光的平行度非常好，传播很远的距离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
它可以在很小的范围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
3．全息照相
同一束激光被分为两部分，一部分直接照射到底片上，另一部分通过被拍摄物反射再到达底片。参考光和物光在底片上相遇时会发生干涉，形成复杂的干涉条纹。在底片上某点亮暗程度反映了两束光叠加后到达这点时光波的强弱。
例3　(多选)关于应用激光的事例中，下列说法正确的是 (　　)
A．激光平行度好可以用于测距
B．激光能量十分集中，为治疗近视眼而研制的“激光刀”就利用了这个特点，优点是有效地减少了细菌的感染
C．激光的亮度高，可以用于城市广场照明
D．激光的相干性好，可用于双缝干涉实验
(1)光发生干涉的条件是什么？
提示：频率相同、相位差恒定、偏振方向一致。
(2)激光的什么特点与干涉条件相符合？
提示：激光具有高度的相干性。
[规范解答]　激光平行度好，即使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，A正确；激光的亮度高，能量十分集中，可应用于金属的加工、激光医疗、激光美容、激光武器等，B正确；激光具有很好的相干性，可应用于双缝干涉实验、全息照相等，D正确；激光亮度高，但是是单色的，因此不能用于广场照明，所以C错误。
[完美答案]　ABD
激光相关问题解题关键
(1)熟记激光的主要特点及应用。
(2)激光作为一种光，具有光的一切性质，能发生衍射、干涉、反射、折射等。遵从反射定律、折射定律等。
　激光液面控制仪的原理是：固定的一束激光AO以入射角θ照射到液面上，反射光OB射到水平的光屏上，屏上用光电管将光信号转变成电信号，如图所示。如发现光点向右移动Δs的距离到达B′，则液面是升高了还是降低了？变化了多少？
答案　降低　cotθ
解析　变化前后的光路图如图，由图知光点右移时液面下降，由几何知识知：ODB′B为平行四边形，△OCD为等腰三角形，CE为其高，在△OCD中可解得：液面下降Δh＝·cotθ。