知识讲解光 复习与巩固基础.doc

学海在线资源中心 光 复习与巩固 编稿：张金虎 审稿：李勇康 【学习目标】 1．学会用光的折射、反射定律来处理有关问题． 2．知道测定玻璃砖的折射率的操作步骤． 3．了解相干光源，掌握产生干涉的条件． 4．明确《用双缝干涉测量光的波长》实验原理． 5．理解光产生衍射的条件． 6．知道光的偏振现象及偏振光的应用． 7．知道光的色散、光的颜色及光谱的概念． 8．知道激光和自然光的区别及应用 【知识网络】 现象 折射定律 入射角、折射角、折射率 折射定律： 实验：测定玻璃砖的折射率 光的折射 条件：两列波频率相等、相差恒定、振动情况相同实验装置 干涉图样：单色光是明暗相间、均匀分布的条纹 明暗条纹的产生条件：若，出现明条纹；出现 暗条纹（） 条纹间距： 实验：用双缝干涉测光的波长 双缝干涉 复色光的双缝干涉产生色散 复色光的薄膜干涉产生色散及其应用 复色光通过三棱镜折射产生色散 光的色散 发生明显衍射的条件：孔或障碍物尺寸可以与光的波长相比，甚至比光的波长还小 衍射图样：要会与干涉图样区别 实例应了解 单缝衍射、圆孔衍射、圆板衍射的特点 光的衍射 偏振光与自然光的区别 获取偏振光的两种方法：（1）用偏振片 （2）使反射光与折射光垂直，则它们都成为偏振光 偏振现象说明光是横波 光的偏振 条件：（1）光密介质→光疏介质 （2）入射角≥临界角 临界角C的计算 光的全反射 特点 应用 激光 【要点梳理】 要点一、测定水的折射率的五种方法 1．插针法． 原理：光的折射定律． 方法：如图所示，取一方木板。在板上画出互相垂直的两条线，从它们的交点处画直线（使），在直线上两点垂直插两枚大头针．把木板放入水中，使与水面相平，与水面垂直．在水面上观察，调整视线的像被的像挡住，再在木板处各插一枚大头针，使挡住的像，挡住及的像．从水中取出木板，画出直线，量出图中的角，则水的折射率。 2．成像法． 原理：利用水面的反射成像和水的折射成像． 方法：如图所示，在一盛满水的烧杯中，紧挨杯口竖直插一直尺，在直尺的对面观察水面，能同时看到直尺在水中的部分和露出水面部分的像，若从点看到直尺水下最低点的刻度的像（折射成像）恰好跟直尺在水面上刻度的像（反射成像）重合，读出的长，量出烧杯内径，即可求出水的折射率。 3．视深法． 原理：利用视深公式． 方法：在一盛水的烧杯底部放一粒绿豆，在水面上方吊一根针，如图所示．调节针的位置，直到针尖在水中的像与看到的绿豆重合，测出针尖距水面距离即为杯中水的视深，再测出水的实际深度，则水的折射 率． 4．全反射法． 原理：全反射现象． 方法：在一盛满水的大玻璃缸下面放一发光电珠，如图所示．在水面上观察，看到一圆的发光面，量出发光面直径及水深，则水的折射率。 5．观察法． 原理：光的折射定律． 方法：取一圆筒，放在水平桌面上，如图所示．从点观察，调整视线恰好看到筒底边缘点，慢慢向筒中注入清水至满，仍从点观察，能看到筒底的点，记录点位置，量出筒高，筒的内径及到筒另一边缘的距离，则水的折射率． 要点二、光的折射和全反射 1．正确、灵活地理解应用折射率公式． 教材中给出的折射率公式为（为真空中的入射角，为某介质中的折射角）．根据光路可逆原理，入射角、折射角是可以随光路的逆向而“换位”的．我们可以这样来理解记忆：． 对临界角的理解：光线从介质进入真空或空气，时，发生全反射，此时的入射角（介）叫临界角． 由，． 2．分析、计算折射问题，要掌握好n的应用及有关数学知识． 如三角函数（尤其特殊角的函数）．例如同一介质对紫光折射率大，对红光折射率小．着重理解两点：第一，光的频率（颜色）由光源决定，与介质无关；第二，同一介质中，频率越大的光折射率越大．再应用等知识，就能准确而迅速地判断有关色光在介质中的传播速度、波长、入射光线与折射光线偏折程度等问题． 3．全反射现象． 要记住产生全反射的条件——光从光密介质射入光疏介质，且入射角大于或等于临界角． 4．有关色散现象的几个规律． （1）同种介质对波长不同的光的折射率不同，越大，越小；越小，越大． （2）由知：在同一介质中，不同波长的光传播速度不同，越大，越大；越小，越小． （3）光在介质中的速度由介质和光的频率共同决定．这与机械波有很大区别，因机械波的传播速度仅由介质决定． 要点三、两面平行的玻璃砖对光路的影响 光从玻璃砖上表面处折射后进入玻璃中，再从下表面射出玻璃时，满足发生全反射的条件之一：即光由光密介质（玻璃）进入光疏介质（空气），那么是否可能在玻璃砖下表面上发生全反射呢？回答是不可能．这是由于玻璃砖上、下两个表面是平行的，在下表面上的入射角等于上表面处的折射角，如图所示． 　　　　 由光路的可逆性可知在玻璃砖下表面上是不可能发生全反射现象的，但光路发生了侧移． （1）不改变入射光的性质和方向，只使光线向偏折方向平行侧移，且入射角（）、玻璃砖厚度（）和折射率（）越大，侧移越大． （2）平行光照射到平行玻璃砖上，入射光的宽度等于出射光的宽度，而玻璃砖中折射光的宽度随入射角的增大而增大． （3）从平行玻璃砖的正上方观察玻璃砖下面的发光体，观察到的位置比发光体更接近玻璃砖． 要点四、对光的干涉、衍射的理解及应用 1．双缝干涉． （如图所示） 　　　　 （1）条件：两列光波频率相同． （2）产生明暗条纹的条件（两列波频率相同，振动方向相同）． 某点到双缝的路程差为波长的整数倍时，该点为加强点，该处为亮纹； 即． 某点到双缝的路程差为半波长的奇数倍时，该处为减弱点，为暗纹． 即． ③图样特点： 单色光照射时为间距相同的明暗相间的条纹，白光照射时为彩色条纹． ④相邻明纹或暗纹间距． 2．单缝衍射． （1）发生明显衍射现象的条件：当障碍物或小孔的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还要小时． （2）图样特点：中央是一条宽度大的亮纹，其他亮条纹窄而暗，且宽度不等． 【典型例题】 类型一、光的折射和全反射综合分析 例1．（2015 海南卷）一半径为R的半圆形玻璃砖，横截面如图所示。已知玻璃的全反射临界角r（r<）。与玻璃砖的底平面成（）角度、且与玻璃砖横截面平行的平行光射到玻璃砖的半圆柱面上。经柱面折射后，有部分光（包括与柱面相切的入射光）能直接从玻璃砖底面射出。若忽略经半圆柱内表面反射后射出的光，求底面透光部分的宽度。 【答案】 【解析】光路图如图所示，沿半径方向射入玻璃砖的光线，即光线①射到MN上时，根据几何知识入射角恰好等于临界角，即恰好在圆心O处发生全反射，光线①左侧的光线，经球面折射后，射到MN上的角一定大于临界角，即在MN上发生全反射，不能射出，光线①右侧的光线射到MN上的角小于临界角，可以射出，如图光线③与球面相切，入射角，从MN上垂直射出， 根据折射定律可得， 根据全反射定律，两式联立解得 根据几何知识，底面透光部分的宽度 举一反三: 【高清课堂：光 复习与巩固 例1】 【变式1】如图为光由玻璃射入空气中的光路图。入射光线与直线的夹角为，折射光线与直线的夹角为，，该玻璃的折射率等于 _______________。 【答案】 【解析】由光路图可知为法线，为界面；左边为玻璃，右边为空气。则 ． 【高清课堂：光 复习与巩固 例3】 【变式2】如图示，一块用折射率 的透明材料制成的柱体，其截面为圆，圆半径，当一束平行光垂直照射面时，请作出图中代表性光线通过该透明材料的光路图（忽略二次反射光线），并计算弧面上被照亮的弧长为多少？ 【答案】见解析 【解析】,当 时全反射。如图示 对光线2：，，全反射； 对光线3：， ，不会全反射。如图示。 射到弧面上的光线刚能全反射为，则弧面被照亮： ∴ ． 【高清课堂：光 复习与巩固 例6】 【变式3】红、黄、蓝三束单色光,在某介质内以相同的入射角射入真空中,下列说法中正确的是（ ） A在该介质中传播时蓝光速度最大 B光从该介质射入真空时蓝光偏折角最大 C若蓝光发生了全反射,则红光、黄光也一定发生了全反射 D若三种色光分别用同一个装置进行双缝干涉，蓝光干涉条纹间距最大。 【答案】B 类型二、反射与折射的综合应用 例2．(2014 江苏卷)Morpho蝴蝶的翅膀在阳光的照射下呈现出闪亮耀眼的蓝色光芒,这是因为光照射到翅膀的鳞片上发生了干涉。电子显微镜下鳞片结构的示意图如图。一束光以入射角i从a点入射,经过折射和反射后从b点出射。设鳞片的折射率为n,厚度为d,两片之间空气层厚度为h。取光在空气中的速度为c,求光从a到b所需的时间t 【答案】 【解析】设光在鳞片中的折射角为γ,折射定律sini=nsinγ 在鳞片中传播的路程,传播速度 , 传播时间 解得, 同理,在空气中的传播时间。 从a到b所需的时间 类型三、折射率的测量方法 例3．在一个圆形轻木塞的中心插上一根大头针，然后把它倒放在水面上，调节针插入的深度，使观察者不论在什么位置都刚好不能看到水面下的大头针，如图（），量出针露出的长度为，木塞的半径为，求水的折射率． 【思路点拨】使观察者不论在什么位置都刚好不能看到水下的大头针，这个现象是光的全反射现象．利用去思考。 【答案】见解析 【解析】在调节针插入的深度后，使观察者不论在什么位置都刚好不能看到水下的大头针，这个现象是光的全反射现象． 产生全反射的条件有两条：（1）光从光密介质射向光疏介质；（2）入射角大于或等于临界角． 当光从某种物质射向真空（或空气）时，其临界角为： ， （为介质对光的折射率）， 作图（b），当发出的光到达点时恰以临界角入射，因此 ． 在中： ， 由此求得 。 【总结升华】测量折射率的基本方法都应从或全反射现象中去思考． 举一反三: 【高清课堂：光 复习与巩固 例2】 【变式】一潜水员自水下目测站立于船头的观察者距水面高为,而观察者目测潜水员距水面深,则( ) A、潜水员实际深度大于,观察者实际高度大于, B、潜水员实际深度小于,观察者实际高度小于, C、潜水员实际深度大于,观察者实际高度小于, D、潜水员实际深度小于,观察者实际高度大于。 【答案】C 【解析】设观察者实际高底为，则，；设潜水员实际深度为，则，故正确选项为C. 类型四、光学知识的技术应用 例4．利用激光遇到物体发生反射的特点，可以测定物体的有关参量，如图甲所示，为固定的激光发生器和接收器于一体的装置，为一辆在水平地面上做匀速直线运动的小车，现使对准匀速行驶的小车，使每隔固定时间发射一激光脉冲如图乙所示中幅度大的波形，接收的由小车返回的激光脉冲为图乙所示中幅度较小的波形，发射、接收激光脉冲的时间间隔如图乙中所示，均为已知，则根据所给信息判断小车的运动方向为________（填“向左”或“向右”），速度大小为________（光速为）． 【答案】向右 【解析】若小车不动，发射激光脉冲后到接收返回脉冲的时间应恒定，而从图形看，从发射到接收的时间间隔逐渐增大，故可知小车速度方向与激光发射的方向一致，即小车向右运动． 要求小车的速度，关键是要求出小车通过的某段位移和所用时间，可用运动学中处理追及问题的方法求解。作出运动示意图，如图所示． 小车在第一次收到脉冲至第二次收到脉冲时，运动的距离等于第二次与第一次激光单程到达小车时的路程之差． ， 如图所示，可知在这段位移削、车运动的时间 ， 故小车的速度大小为 ． 类型五、利用光学知识解释自然现象 例5．在新世纪来临之际，我国天文工作者通过计算机确定了我国新世纪第一道曙光的到达地——浙江温岭的石塘镇（天文学上规定：太阳边缘上发出的光线与地球相切于点的时刻，就是点日出时刻，如图所示）．但由于地球大气层的存在，光线会发生折射，因此，地球上真实看到日出的时刻与天文学上规定的日出时刻有所不同．已知地球平均半径为，且日地之间的距离约为，假设点为石塘镇，地球大气层的厚度约为．若认为大气层是均匀的，且折射率为，则由于大气层的存在，石塘镇看到真实日出的时刻比天文学上规定的第一道曙光的时刻约（ ）到达． A．提前 B．提前 C．推迟 D．推迟 【思路点拨】根据题意作出示意图，运用光的折射定律求解。 【答案】B 【解析】根据题意作出示意图如图所示， 小圆表示地球，大圆表示大气外层，点表示石塘镇，为太阳的第一道曙光，由图可知，如果没有大气层，那么，点只有等到地球转到点时才能看到第一道曙光，然而，由于大气层的折射，在点就可以看到曙光．由此可见，石塘镇的第一道曙光会提前出现．在直角三角形中， ， 所以 ． 根据折射定律有 ， 则 ， 得 ． 又由图示可知， ， ， ， ， 则 ， 因此，提前时间为 ． 【总结升华】这是一道光学知识应用能力题，要求用光的折射定律解释地球上真正看到日出的时刻与天文学上规定的日出时刻有所不同的物理现象． 类型六、两面平行的玻璃砖对不同色光的影响 例6．如图所示，宽为的平行光束从空气斜射到两面平行的玻璃板上表面，入射角为，光束中包含两种波长的光，玻璃对这两种波长的光的折射率分别为，. 　　　　 （1）求每种波长的光射入上表面后的折射角． （2）为使光束从玻璃下表面出射时能分成不交叠的两束，玻璃板的厚度至少为多少？并画出光路示意图． 【答案】见解析 【解析】本题考查光的折射定律、有关计算和作图方法，是一道很有特色的试题． （1）由 ， 得 ， 。 故 ，。 （2）为使光束从玻璃下表面出射时能分成不交叠的两束，设玻璃板的厚度为， 　　　　 由图所示可得： ． ． 其中 ， ． 解得 ． 举一反三: 【高清课堂：光 复习与巩固 例4】 【变式】如图示，有一玻璃直角三棱镜，其临界角小于，一束平行于边的白光射到面，在光束射在三棱镜时，（设光线在三棱镜内射到边上）（ ） A.从玻璃直角三棱镜面，射出的是白色光束 B.从玻璃直角三棱镜面，射出的是白色光束 C.从玻璃直角三棱镜面，射出的是彩色的不平行光束 D.从玻璃直角三棱镜面，射出的是平行于入射线的彩色光束 【答案】D 【解析】 画出光路图如图示，光在面全发射。由于色散，经面成彩色平行光射出.