2021年高考物理總復習：光的本性

2021年高考物理總復習：光的本性復習要點1．了解光的“微粒說”與“波動說”。2．了解光的干涉現(xiàn)象，熟悉相干條件；掌握雙縫干涉的特征及規(guī)律，熟悉雙縫干涉的條紋分布情況及明、暗紋位置特征；了解薄膜干涉現(xiàn)象，熟悉薄膜干涉的特征及其應用。3．了解光的衍射現(xiàn)象，掌握產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件，熟悉單縫衍射條紋的人發(fā)布特征4．了解光的電磁說，熟悉電磁波譜，了解各種電磁波的產(chǎn)生機理、基本特征及應用類型。5．了解光電效應現(xiàn)象，熟悉光電效應現(xiàn)象所遵循的基本規(guī)律，掌握光子說理論。6．了解光的波粒二象性。二、難點剖析1．關(guān)于“微粒說”和“波動說”。“微粒說”和“波動說”都是對光的本性的認識過程中所提出的某種假說，都是建立在一定的實驗基礎(chǔ)之上的。以牛頓為代表的“微粒說”認為光是從光源發(fā)出的物質(zhì)微粒，這種假說很容易解釋光的直進現(xiàn)象，光的反射現(xiàn)象，光的折射現(xiàn)象，但在解釋一束光射到兩種介質(zhì)界面處會同時發(fā)生反射與折射現(xiàn)象時，發(fā)生了很大的困難。以惠更斯為代表的“波動說”認為光是某種振動以波的形式向周圍傳播，這種假說很容易解釋反射與折射同時存在的現(xiàn)象，但由于波應能繞過障礙物，所以在解釋光的直進現(xiàn)象時遇到了困難。2．楊氏雙縫干涉的定量分析如圖24—2—2所示，縫屏間距L遠大于雙縫間距d，O點與雙縫S1和S2等間距，則當雙縫中發(fā)出光同時射到O點附近的P點時，兩束光波的路程差為δ=r2－r1.由幾何關(guān)系得r12=L2+(x－)2，r22=L2+(x+)2.考慮到圖24—2—2L》d和L》x，可得δ=.若光波長為λ，則當δ=±kλ（k=0，1，2，…）時，兩束光疊加干涉加強；當δ=±(2k－1)(k=1，2，3，…)時，兩束光疊加干涉減弱，據(jù)此不難推算出（1）明紋坐標x=±kλ（k=0，1，2，…）（2）暗紋坐標x=±(2k－1)·（k=1，2，…）（3）條紋間距△x=λ.上述條紋間距表達式提供了一種測量光波長的方法。3．光的電磁說與電磁波譜光的干涉與衍射充分地表明光是一種波，光的偏振現(xiàn)象又進一步表明光是橫波。麥克斯韋對電磁理論的研究預言了電磁波的存在，并得到電磁波傳播速度的理論值3.11×108m/s，這和當時測出的光速3.15×108m/s非常接近，在此基礎(chǔ)上麥克斯韋提出了光在本質(zhì)上是一種電磁波，這就是所謂的光的電磁說。赫茲用實驗證實了電磁波的存在，并測出其波長與頻率，進而得到電磁波的傳播速度，用實驗證實了光的電磁說。光作為電磁波的一種，與其他的電磁波共同構(gòu)成電磁波譜。對于電磁波譜，應了解非排布情況、產(chǎn)生機理及實際用途。電磁波種類無線電波紅外線可見光紫外線倫琴射線γ射線頻率（Hz）104～3×10121012～3.9×10143.9×1014～7.5×10147.5×1014～5×10163×1016～3×10203×1019以上真空中波長（m）3×1014～10—43×104～7.7×10—77.7×10—7～4×10—74×10—7～6×10—910—8～10—1210—11以下觀察方法無線電技術(shù)利用熱效應激發(fā)熒光利用貫穿本領(lǐng)照相底片感光（化學效應）核技術(shù)產(chǎn)生方式LC電路中自由電子的的振蕩原子的外層電子受到激發(fā)原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)原子核受到激發(fā)用途通訊，廣播，導航加熱烘干、遙測遙感，醫(yī)療，導向等照明，照相，加熱日光燈，黑光燈手術(shù)室殺菌消毒，治療皮膚病等檢查探測，透視，治療等探測，治療等4．光電效應現(xiàn)象及其規(guī)律。（1）光電效應現(xiàn)象。光照使物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫光電效應現(xiàn)象；所發(fā)射的電子叫光電子；光電子定向移動所形成的電流叫光電流。（2）光電效應現(xiàn)象所遵循的基本規(guī)律。物體在光照的條件下發(fā)射電子而發(fā)生光電效應現(xiàn)象時遵循如下規(guī)律：（1）對于任何一種金屬，入射光的頻率必須大于某一極限頻率才能產(chǎn)生光電效應，低于這個極限頻率，無論強度如何，無論照射時間多長，也不能產(chǎn)生光電效應；（2）在單位時間里從金屬極板中發(fā)射出的光電子數(shù)跟入射光的強度成正比；（3）發(fā)射出的光電子的最大初動能與入射光強度無關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大；（4）只要入射光的頻率高于金屬極板的極限頻率，無論其強度如何，光電子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時的，不超過10—9s.5．光子說光子說的主要內(nèi)容為：沿空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光量子，簡稱光子；光子的能量E與光的頻率ν成正比，比例系數(shù)即為普朗克常量E=hν6．光的波粒二象性光的干涉，衍射等現(xiàn)象充分表明光是波，而光電效應現(xiàn)象又表明光是粒子。事實上，光具有波動和粒子二重特性。俗稱光的波粒二象性。光在傳播時更多地表現(xiàn)為波動特性，在與物質(zhì)微粒發(fā)生作用時更多地表現(xiàn)為粒子特征；波長越長的光波動性越顯著，頻率越高的光粒子性越顯著；大量光子的整體行為表現(xiàn)為波動性，少量光子的個別行為表現(xiàn)為粒子性。三、典型例題例1．能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的兩束光是（）A．頻率相同、振幅相同的兩束光B．頻率相同、相位差恒定的兩束光C．兩只完全相同的燈光發(fā)出的光D．同一光源的兩個發(fā)光部分發(fā)出的光分析：比例考察的是對“相干條件”的了解解答：只有頻率相同、相差恒定、振動方向相同的光波，在它們相遇的空間里能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉，觀察到穩(wěn)定的干涉圖樣，但是，光波并不是一列連續(xù)波，它是由一段段不連續(xù)的具有有限長度的所謂“波列”組合而成的，并且波動間的間歇也是不規(guī)則的。兩個獨立光源發(fā)出的光，即使是“頻率相同的單色光（實際上嚴格的單色光并不存在），也不能保持有恒定的相差。因此，為了得到相干光波，通常是把同一光源發(fā)出的一束光分成兩束。楊氏雙縫干涉實驗中，所以在光源和雙縫間設置一個狹縫，就是讓點光源發(fā)出的一束光，先經(jīng)第一個縫產(chǎn)生衍射，使得由雙縫得到的兩束光成為相干光波。光源發(fā)光是以原子為發(fā)光單位的，由前面分析可知，我們無法使兩只完全相同的燈泡、同一光源的兩個發(fā)光部分發(fā)出頻率相同、相差恒定的光。這樣的光源不會產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉現(xiàn)象，無法觀察到干涉圖樣。所以應選B。例2．在真空中頻率為4×1014Hz的是紅光，頻率為6×1014Hz的是綠光，現(xiàn)在有一束單色光，它在n=1.5的玻璃中，波長為5000?，它在這種玻璃中的頻率是多少？是什么顏色？在真空中的頻率是多少？又是什么顏色？分析：光的頻率決定于光的顏色，光從一種介質(zhì)傳到另一種介質(zhì)時，由于頻率不變，故顏色不變，因此，本題關(guān)鍵是求頻率。由n=得，光在玻璃中的速度為υ==m/s=2×m/s它在玻璃中的頻率為ν==Hz=4×1014Hz由此可知，該單色光在真空中的頻率也為4×1014Hz，故為紅光。在真空中與玻璃中均為紅顏色。例3．如圖24—2所示是雙縫干涉實驗裝置，屏上O點到雙縫S1、S2的距離相等。當用波長為0.75μm的單色光照射時，P是位于O上方的第二條亮紋位置，若換用波長為0.6μm的單色光做實驗，P處是亮紋還是暗紋？在OP之間共有幾圖24—2條暗紋？分析：P點是暗紋還是暗紋，關(guān)鍵取決于P到S1和S2的路程差△r=r2－r1；P是第幾級明（暗）紋，關(guān)鍵取決于△r是光波長（半波長）的多少倍。解答：當用波長為λ1=0.75μm單色光時P為O上方第二條亮紋，所以P到雙縫S1、S2的距離差△r=2λ1=2×0.75μm=1.5μm.改用λ2=0.6μm.的單色光時，路程差△r=λ2，所以P和為暗紋，從O到P路程差由零逐漸增大，必有路程差為和λ2的兩點，即OP之間還有兩條暗紋。例4．關(guān)于光電效應，有如下幾種陳述，其中正確的是（）A．金屬電子的逸出功與入射光的頻率成正比B．光電流的強度與入射光的強度無關(guān)C．用不可見光照射金屬一定比用可見光照射同種金屬產(chǎn)生的光電子的初動能要大D．對于任何一種金屬都存在一個“最大波長”，入射光的波長必須小于這個波長，才能產(chǎn)生光電效應分析：此例的解答要求熟悉光電效應現(xiàn)象的特征及其規(guī)律。解答：金屬的逸出功由該金屬決定，與入射光源頻率無關(guān)，光電流的強度與入射光強度成正比，選項A、B錯誤。不可見光包括能量大的紫外線、X射線、γ射線，也包括能量比可見光小的紅外線、無線電波，選項C錯誤。所以應選D。例5．已知金屬銫的逸出功為1.9eV，在光電效應實驗中，要使銫表面發(fā)出的光電子的最大功能為1.0eV，入射光的波長應為__________m.分析：要求了解光電效應的規(guī)律及光子說理論。解答：由愛因斯坦光電效應方程可得：=W+m∴=1.9+1.0=2.9eV=2.9×1.6×10—19J∴λ==4.3×10—7m例6．太陽光垂直射到地面上時，地面上1m2接受的太陽光的功率為1.4kW,其中可見部分約占45%（1）假如認為可見光的波長約為0.55μm，日地間距離R=1.5×1011m.普朗克恒量h=6.6×10—34J·s，估算太陽每秒輻射出的可見光子數(shù)為多少？（2）若已知地球的半徑為6.4×106m，估算地球接受的太陽光的總功率。分析：了解光子說理論，建立起適當?shù)哪Ｐ?，即可得出正確解答。解答：（1）設地面上垂直陽光的1m2面積上每秒鐘接收的可見光光子數(shù)為n.則有P×45%=n·h.解得：n===1.75×1021m—2設想一個以太陽為球心，以日、地距離為半徑的大球面積包圍著太陽，大球面接受的光子數(shù)即等于太陽輻射的全部光子數(shù)。則所求可見光光子數(shù)N=n·4πR2=1.75×1021×4×3.14×（1.5×1011）2=4.9×1044（2）地球背著陽光的半個球面沒有接收太陽光。地球向陽的半個球面面積也不都與太陽光垂直。接收太陽光輻射且與陽光垂直的有效面積是以地球半徑為半徑的圓平面的面積。則地球接收陽光的總功率P地=P·πr2=1.4×3.14×(6.4×106)2=1.8×1017kW.單元檢測一、選擇題1．下列哪些現(xiàn)象是光衍射產(chǎn)生的（）A．著名的泊松亮斑B．陽光下茂密樹蔭中地面上的圓形亮斑C．光照到細金屬絲上在其后面屏上得到的陰影中間出現(xiàn)亮線D．陽光經(jīng)凸透鏡后形成的亮斑2．下列屬于光的干涉現(xiàn)象的是（）A．雨后天空中出現(xiàn)的彩虹B．紅光比紫光更容易透過云霧煙塵C．人們在研究光的波動時，觀察的泊松亮斑D．在透鏡（或棱鏡）的表面鍍上一層氟化鎂薄膜，這樣可增加光的透射強度，減小反射光的強度3．在楊氏雙縫干涉實驗中，下列說法正確的是（）A．若將其中一縫擋位，則屏上條紋不變只是亮度減半B．若將其中一縫擋住，則屏上無條紋C．若將其中一縫用紅色濾光片擋住，另一縫用藍色濾光片擋住，屏上將出現(xiàn)紅藍相間條紋D．若將其中一縫用紅色濾光片擋住，另一縫用藍色濾光片擋住，屏上不出現(xiàn)條紋，但有亮光4．用黃光照射一不透明的圓板時，在圓板的背影中恰能觀察到一黃色光斑，若用紅色光、綠色光和紫色光照射圓板，能夠觀察到光斑的是（）A．只有紅色光B．只有紫色光C．只有紅色光和紫色光D．三種色光都能5．如圖24—3所示，一束白光從左側(cè)射入肥皂薄膜，下列說法中正確的是（）A．人從右側(cè)向左看，可看到彩色條紋B．人從左側(cè)向右看，可看到彩色條紋C．彩色條紋平行排列D．彩色條紋豎直排列圖24—36．楊氏雙縫干涉實驗中，下列說法正確的是（n為自然數(shù)，λ為光波波長）①在距雙縫的路程相等的點形成暗條紋②在距雙縫的路程差為nλ的點形成亮條紋③在距雙縫的路程差為n的點形成亮條紋④在距雙縫的路程差為(n+)λ的點形成暗條紋A．①②B．②③C．③④D．②④7．各種電磁波的產(chǎn)生機理不同，下面給出的幾組電磁波中，哪一組中的電磁波都是由原子外層電子受激發(fā)后產(chǎn)生的（）A．紅外線、紫外線、倫琴射線B．微波、紅外線、紫光、紫外線C．無線電波、微波、紅外線D．黃光、綠光、紫光8．關(guān)于光譜，下面說法中正確的是（）A．熾熱的液體發(fā)射連續(xù)光譜B．太陽光譜中的暗線說明太陽上缺與這些暗線相應的元素C．明線光譜和暗線光譜都可用于對物質(zhì)成分進行分析D．發(fā)射光譜一定是連續(xù)光譜9．太陽光譜有許多暗線，它們對應著某些元素的特征光譜，產(chǎn)生這些暗線是由于（）A．太陽內(nèi)部缺少相應的元素B．太陽表面大氣層中存在著相應的元素C．太陽表面大氣層中缺少相應的元素D．太陽內(nèi)部存在著相應的元素10．下列說法中正確的是哪些（）A．可見光是原子外層電子受激發(fā)產(chǎn)生B．β射線是原子外層電子脫離原子放出的C．一切物質(zhì)都在不停地輻射紅外線D．α、β、γ其中α射線的電離本領(lǐng)最強11．用愛因斯坦光子說解釋光電效應時，正確的說法是（）A．每個光電子都是吸收一個光子后跑出來的B．光電子克服原子核的引力并從金屬內(nèi)部逸出來所需要的能量等于逸出功C．光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比D．光子的能量由頻率決定，也與光的強度和光波的振幅有關(guān)12．關(guān)于光的波粒二象性，下面說法中正確的是（）A．大量光子的效果往往顯示波動性，個別光子產(chǎn)生的效果往往顯示出粒子性B．光在傳播時往往表現(xiàn)波動性，光在跟物質(zhì)相互作用時往往表現(xiàn)出粒子性C．頻率大的光粒子性顯著，頻率小的光波動性顯著D．光既有波動性，又有粒子性，兩者相互矛盾，是不能統(tǒng)一的13．在演示光電效應的實驗中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連，用弧光燈照射鋅板時，驗電器的指針就張開一個角度，如圖24—4所示。這時（）圖24—4A．鋅板帶正電，指針帶負電B．鋅板帶正電，指針帶正電C．鋅板帶負電，指針帶正電D．鋅板帶負電，指針帶負電14．下列哪組現(xiàn)象胡說明光具有波粒二象性（）A．光的色散和光的干涉B．光的衍射和光的干涉C．泊松亮斑和光電效應D．以上三組現(xiàn)象都不行二、填空題15．已知綠光頻率為ν，增透膜對它的折射率為n，則增透膜厚度為________.（光速為c）16．使金屬鈉產(chǎn)生光電效應的光的最長波長是5000?，因此，金屬鈉的逸出功W=______J，現(xiàn)在用頻率在3.90×1014Hz到7.50×1014Hz范圍內(nèi)的光照射鈉，那么使鈉產(chǎn)生光電效應的頻率范圍是從_______Hz到________.（普朗克常量h=6.63×10—34J·s）17．如圖24—5（a）所示，用單色光照射透明標準板M來檢查零件N的表面情況，觀察到如圖24—5（b）所示的條紋，則P條紋的彎曲情況表明零件N的表面上A處是_______的；P處條紋的彎曲情況表明零件N的表面上B處是_________的。（填“凸