高考物理一輪復(fù)習(xí)教案-光的本性物理光學(xué)

第二單元光的本性物理光學(xué)物理光學(xué)光的本性學(xué)說(shuō)發(fā)展史物理光學(xué)光的本性學(xué)說(shuō)發(fā)展史光的波粒二象性粒子性――光電效應(yīng)微粒說(shuō)（牛頓）波動(dòng)說(shuō)（惠更斯）電磁說(shuō)（麥克斯韋）光子說(shuō)（愛因斯坦）光的波粒二象說(shuō)光的干涉波動(dòng)性光的衍射一、粒子說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)微粒說(shuō)——（牛頓）認(rèn)為個(gè)光是粒子流，從光源出發(fā)，在均勻介質(zhì)中遵循力學(xué)規(guī)律做勻速直線運(yùn)動(dòng)。成功——直線傳播（勻速直線運(yùn)動(dòng)）、反射（經(jīng)典粒子打在界面上）困難——干涉，衍射（波的特性），折射（粒子受到界面的吸引和排斥：折射角、不能一視同仁），光線交叉2、波動(dòng)說(shuō)——（荷蘭）惠更斯、（法）菲涅爾，光在“以太”中以某種振動(dòng)向外傳播成功——反射、折射、干涉、衍射困難——光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、偏振19世紀(jì)以前，微粒說(shuō)一直占上風(fēng)人們習(xí)慣用經(jīng)典的機(jī)械波的理論去理解光的本性。牛頓的威望波動(dòng)理論本身不夠完善（以太、惠更斯無(wú)法科學(xué)的給出周期和波長(zhǎng)的概念）3、光的電磁說(shuō)——（英）麥克斯韋，光是一種電磁波4、光電效應(yīng)——證明光具有粒子性二、光的雙縫干涉——證明光是一種波實(shí)驗(yàn)1801年，（英）托馬斯·楊單色光單孔屏雙孔屏接收屏2、現(xiàn)象接收屏上看到明暗相間的等寬等距條紋。中央亮條紋波長(zhǎng)越大，條紋越寬如果用復(fù)色光（白），出現(xiàn)彩色條紋。中央復(fù)色（白）原因：相干光源在屏上疊加（加強(qiáng)或減弱）小孔的作用：產(chǎn)生同頻率的光雙孔的作用：產(chǎn)生相干光源（頻率相同，步調(diào)一致，兩小孔出來(lái)的光是完全相同的。）條紋的亮暗L2—L1=（2K+1）λ/2弱L2—L1=2K*λ/2=Kλ強(qiáng)條紋間距∝波長(zhǎng)△X=λL/d波長(zhǎng)雙縫到屏的距離雙縫距離6、1m=109nm1m=1010A【例1】用綠光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，在光屏上呈現(xiàn)出綠、暗相間的條紋，相鄰兩條綠條紋間的距離為Δx。下列說(shuō)法中正確的有（C）A.如果增大單縫到雙縫間的距離，Δx將增大B.如果增大雙縫之間的距離，Δx將增大C.如果增大雙縫到光屏之間的距離，Δx將增大D.如果減小雙縫的每條縫的寬度，而不改變雙縫間的距離，Δx將增大三、薄膜干涉——光是一種波實(shí)驗(yàn)酒精中撒鈉鹽，火焰發(fā)出單色的黃光現(xiàn)象薄膜的反射光中看到了明暗相間的條紋。條紋等寬波長(zhǎng)越大，條紋越寬如果用復(fù)色光，出現(xiàn)彩色條紋原因——從前后表面反射回來(lái)的兩列頻率相同的光波疊加，峰峰強(qiáng)、谷谷強(qiáng)、峰谷弱（陽(yáng)光下的肥皂泡、水面上的油膜、壓緊的兩塊玻璃）科技技上的應(yīng)用（1）查平面的平整程度單色光入射，a的下表面與b的上表面反射光疊加，出現(xiàn)明暗相間的條紋，如果被檢查的平面是平的，那么空氣厚度相同的各點(diǎn)就位于同一條直線上，干涉后得到的是直條紋，否則條紋彎曲。（2）增透膜膜的厚度為入射光在薄膜中波長(zhǎng)的1/4倍時(shí)，從薄膜的兩個(gè)面反射的波相遇，峰谷疊加，反射減，抵消黃、綠光，鏡頭呈淡紫色。【例2】運(yùn)動(dòng)員在登雪山時(shí)要注意防止紫外線的過(guò)度照射，尤其是眼睛更不能長(zhǎng)時(shí)間被紫外線照射，否則將會(huì)嚴(yán)重地?fù)p壞視力。有人想利用薄膜干涉的原理設(shè)計(jì)一種能大大減小紫外線對(duì)眼睛的傷害的眼鏡。他選用的薄膜材料的折射率為n=1.5，所要消除的紫外線的頻率為8.1×1014Hz，那么它設(shè)計(jì)的這種“增反膜”的厚度至少是多少？解：為了減少進(jìn)入眼睛的紫外線，應(yīng)該使入射光分別從該膜的前后兩個(gè)表面反射形成的光疊加后加強(qiáng)，因此光程差應(yīng)該是波長(zhǎng)的整數(shù)倍，因此膜的厚度至少是紫外線在膜中波長(zhǎng)的1/2。紫外線在真空中的波長(zhǎng)是λ=c/=3.7×10-7m，在膜中的波長(zhǎng)是λ/=λ/n=2.47×10-7m，因此膜的厚度至少是1.2×10-7m。四．光的衍射——光是一種波1、實(shí)驗(yàn)a單縫衍射b小孔衍射光繞過(guò)直線路徑到障礙物的陰影里去的現(xiàn)象，稱光的衍射，其條紋稱衍射條紋2、條紋的特點(diǎn)：條紋寬度不相同，正中央是亮條紋，最寬最亮，若復(fù)色光（白），彩色條紋，中央復(fù)色（白）3、泊送亮斑——（法）菲涅爾理論泊松數(shù)學(xué)推導(dǎo)4、光的直線傳播是近似規(guī)律五．光的電磁說(shuō)——麥克斯韋根據(jù)電磁波與光在真空中的傳播速度相同，提出光在本質(zhì)上是一種電磁波，這就是光的電磁說(shuō)，赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了光的電磁說(shuō)的正確性。1、電磁波譜：波長(zhǎng)從大到小排列順序?yàn)椋簾o(wú)線電波、紅外線（一切物體都放出紅外線，1800年，英國(guó)赫謝爾）、可見光、紫外線（一切高溫物體，如太陽(yáng)、弧光燈發(fā)出的光都含有紫外線，1801年，德國(guó)里特）、X射線（高速電子流照射到任何固體上都會(huì)產(chǎn)生x射線，1895年，德國(guó)倫琴，）、γ射線。各種電磁波中，除可見光以外，相鄰兩個(gè)波段間都有重疊。各種電磁波的產(chǎn)生機(jī)理分別是：無(wú)線電波是振蕩電路中自由電子的周期性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的；紅外線、可見光、紫外線是原子的外層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的；倫琴射線是原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的；γ射線是原子核受到激發(fā)后產(chǎn)生的。2、各種電磁波的產(chǎn)生、特性及應(yīng)用。電磁波產(chǎn)生機(jī)理特性應(yīng)用無(wú)線電波LC電路中的周期性振蕩波動(dòng)性強(qiáng)無(wú)線技術(shù)紅外線原子的最外層電子受激發(fā)后產(chǎn)生的熱作用顯著，衍射性強(qiáng)加熱、高空攝影、紅外遙感可見光引起視覺產(chǎn)生色彩效應(yīng)照明、攝影、光合作用紫外線化學(xué)、生理作用顯著、能產(chǎn)生熒光效應(yīng)日光燈、醫(yī)療上殺菌消毒、治療皮膚病、軟骨病等倫琴射線原子的內(nèi)層電子受激發(fā)后產(chǎn)生的穿透本領(lǐng)很大醫(yī)療透視、工業(yè)探傷γ射線原子核受激發(fā)后產(chǎn)生的穿透本領(lǐng)最強(qiáng)探傷；電離作用；對(duì)生物組織的物理、化學(xué)作用；醫(yī)療上殺菌消毒；3、實(shí)驗(yàn)證明：物體輻射出的電磁波中輻射最強(qiáng)的波長(zhǎng)λm和物體溫度T之間滿足關(guān)系λmT=b（b為常數(shù)）。可見高溫物體輻射出的電磁波頻率較高。在宇宙學(xué)中，可以根據(jù)接收到的恒星發(fā)出的光的頻率，分析其表面溫度?！纠?】為了轉(zhuǎn)播火箭發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)況，在發(fā)射場(chǎng)建立了發(fā)射臺(tái)，用于發(fā)射廣播電臺(tái)和電視臺(tái)兩種信號(hào)。其中廣播電臺(tái)用的電磁波波長(zhǎng)為550m，電視臺(tái)用的電磁波波長(zhǎng)為0.566m。為了不讓發(fā)射場(chǎng)附近的小山擋住信號(hào)，需要在小山頂上建了一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)站，用來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)_____信號(hào)，這是因?yàn)樵撔盘?hào)的波長(zhǎng)太______，不易發(fā)生明顯衍射。EKAEKAPQ【例5】倫琴射線管的結(jié)構(gòu)，電源E給燈絲K加熱，從而發(fā)射出熱電子，熱電子在K、A間的強(qiáng)電場(chǎng)作用下高速向?qū)﹃帢OA飛去。電子流打到A極表面，激發(fā)出高頻電磁波，這就是X射線。正確的有（AC）A.P、Q間應(yīng)接高壓直流電，且Q接正極B.P、Q間應(yīng)接高壓交流電C.K、A間是高速電子流即陰極射線，從A發(fā)出的是X射線即一種高頻電磁波D.從A發(fā)出的X射線的頻率和P、Q間的交流電的頻率相同六．光電效應(yīng)——在光的照射下物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)。（右圖裝置中，用弧光燈照射鋅版，有電子從鋅版表面飛出，使原來(lái)不帶電的驗(yàn)電器帶正電。）光效應(yīng)中發(fā)射出來(lái)的電子叫光電子。（1）光電效應(yīng)的規(guī)律。①各種金屬都存在極限頻率ν0，只有ν≥ν0才能發(fā)生光電效應(yīng)；②光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨入光的頻率增大而增大；③當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí)，光電流的強(qiáng)度與入光的強(qiáng)度成正比；④瞬時(shí)性（光電子的產(chǎn)生不超過(guò)10-9s）。（2）．光子說(shuō)①、普朗克量子理論～電磁波的發(fā)射和接收是不連續(xù)的，是一份一份的，每一份叫能量子或量子，每一份的能量是E＝hγ，h＝6.63×10－34J·s，稱為普朗克常量。②愛因斯坦光子說(shuō)～光的發(fā)射、傳播、接收是不連續(xù)的，是一份一份的，每一份叫一個(gè)光子。其能量E＝hγ。解釋：一對(duì)一，不積累，能量守恒，③愛因斯坦光電效應(yīng)方程E=⑷：Ek=-W（Ek是光電子的最大初動(dòng)能；W是逸出功，即從金屬表面直接飛出的光電子克服正電荷引力所做的功。）（3）．光電管陰極K陽(yáng)極A玻璃泡陰極K陽(yáng)極A玻璃泡（堿金屬）【例7】對(duì)愛因斯坦光電效應(yīng)方程EK=-W，下面的理解正確的有（C。）A.只要是用同種頻率的光照射同一種金屬，那么從金屬中逸出的所有光電子都會(huì)具有同樣的初動(dòng)能EKB.式中的W表示每個(gè)光電子從金屬中飛出過(guò)程中克服金屬中正電荷引力所做的功C.逸出功W和極限頻率ν0之間應(yīng)滿足關(guān)系式W=hν0D.光電子的最大初動(dòng)能和入射光的頻率成正比（4）．康普頓效應(yīng)在研究電子對(duì)X射線的散射時(shí)發(fā)現(xiàn)：有些散射波的波長(zhǎng)比入射波的波長(zhǎng)略大?？灯疹D認(rèn)為這是因?yàn)楣庾硬粌H有能量，也具有動(dòng)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這個(gè)設(shè)想是正確的。因此康普頓效應(yīng)也證明了光具有粒子性。七康普頓效應(yīng)八、光的波粒二象性1．光的波粒二象性人們無(wú)法用其中一種觀點(diǎn)把光的所有現(xiàn)象解釋清楚，只能認(rèn)為光具有波粒二象性，但不能把它看成宏觀經(jīng)典的波和粒子。減小窄縫的寬度，減弱光的強(qiáng)度，使光子一個(gè)一個(gè)的通過(guò)，到達(dá)接收屏的底片上。若暴光時(shí)間短，底片上是不規(guī)則的亮點(diǎn)，若暴光時(shí)間長(zhǎng)，底片上是條紋干涉、衍射和偏振以無(wú)可辯駁的事實(shí)表明光是一種波；光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)又用無(wú)可辯駁的事實(shí)表明光是一種粒子；因此現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為：光具有波粒二象性。2．正確理解波粒二象性波粒二象性中所說(shuō)的波是一種概率波，對(duì)大量光子才有意義。波粒二象性中所說(shuō)的粒子，是指其不連續(xù)性，是一份能量。⑴個(gè)別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性；大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動(dòng)性。⑵ν高的光子容易表現(xiàn)出粒子性；ν低的光子容易表現(xiàn)出波動(dòng)性。⑶光在傳播過(guò)程中往往表現(xiàn)出波動(dòng)性；在與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)往往表現(xiàn)為粒子性。⑷由光子的能量E=hν，光子的動(dòng)量表示式也可以看出，光的波動(dòng)性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和動(dòng)量的計(jì)算式中都含有表示波的特征的物理量——頻率ν和波長(zhǎng)λ。由以上兩式和波速公式c=還可以得出：E=pc?！纠?】已知由激光器發(fā)出的一細(xì)束功率為P=0.15kW的激光束，豎直向上照射在一個(gè)固態(tài)鋁球的下部，使其恰好能在空中懸浮。已知鋁的密度為ρ=2.7×103kg/m3，設(shè)激光束的光子全部被鋁球吸收，求鋁球的直徑是多大？（計(jì)算中可取=3，g=10m/s2）解：設(shè)每個(gè)激光光子的能量為E，動(dòng)量為p，時(shí)間t內(nèi)射到鋁球上的光子數(shù)為n，激光束對(duì)鋁球的作用力為F，鋁球的直徑為d，則有：光子能量和動(dòng)量間關(guān)系是E=pc，鋁球的重力和F平衡，因此F=ρgd3，由以上各式解得d=0.33mm。八、物質(zhì)波（德布羅意波）由光的波粒二象性的思想推廣到微觀粒子和任何運(yùn)動(dòng)著的物體上去，得出物質(zhì)波（德布羅意波）的概念：任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體都有一種波與它對(duì)應(yīng)，該波的波長(zhǎng)λ=?！纠?0】為了觀察到納米級(jí)的微小結(jié)構(gòu)，需要用到分辨率比光學(xué)顯微鏡更高的電子顯微鏡。下列說(shuō)法中正確的是AA.電子顯微鏡所利用電子物質(zhì)波的波長(zhǎng)可以比可見光短，因此不容易發(fā)生明顯衍射B.電子顯微鏡所利用電子物質(zhì)波的波長(zhǎng)可以比可見光長(zhǎng)，因此不容易發(fā)生明顯衍射C.電子顯微鏡所利用電子物質(zhì)波的波長(zhǎng)可以比可見光短，因此更容易發(fā)生明顯衍射D.電子顯微鏡所利用電子物質(zhì)波的波長(zhǎng)可以比可見光長(zhǎng)，因此更容易發(fā)生明顯衍射解：為了觀察納米級(jí)的微小結(jié)構(gòu)，用光學(xué)顯微鏡是不可能的。因?yàn)榭梢姽獾牟ㄩL(zhǎng)數(shù)量級(jí)是10-7m，遠(yuǎn)大于納米，會(huì)發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，因此不能精確聚焦。如果用很高的電壓使電子加速，使它具有很大的動(dòng)量，其物質(zhì)波的波長(zhǎng)就會(huì)很短，衍射的影響就小多了。因此本題應(yīng)選A。九．光的偏振⑴光的偏振也證明了光是一種波，而且是橫波。各種電磁波中電場(chǎng)E的方向、磁場(chǎng)B的方向和電磁波的傳播方向之間，兩兩互相垂直。⑵光波的感光作用和生理作用主要是由電場(chǎng)強(qiáng)度E引起的，將E的振動(dòng)稱為光振動(dòng)。⑶自然光。太陽(yáng)、電燈等普通光源直接發(fā)出的光，包含垂直于傳播方向上沿一切方向振動(dòng)的光，而且沿各個(gè)方向振動(dòng)的光波的強(qiáng)度都相同，這種光叫自然光。⑷偏振光。自然光通過(guò)偏振片后，在垂直于傳播方向的平面上，只沿一個(gè)特定的方向振動(dòng)，叫偏振光。自然光射到兩種介質(zhì)的界面上，如果光的入射方向合適，使反射和折射光之間的夾角恰好是90°，這時(shí)，反射光和折射光就都是偏振光，且它們的偏振方向互相垂直。我們通常看到的絕大多數(shù)光都是偏振光。十、激光（1）方向性好．激光束的光線平行度極好，從地面上發(fā)射的一束極細(xì)的激光束，到達(dá)月球表面時(shí)，也只發(fā)散成直徑lm多的光斑，因此激光在地面上傳播時(shí)，可以看成是不發(fā)散的．（2）單色性強(qiáng)．激光器發(fā)射的激光，都集中在一個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，由于光的顏色是由頻率決定的，因此激光器是最理想的單色光