第48课时 光的本性 (A卷)

电子课文·光的本性上一章我们学过了光的传播规律，但是，光到底是什么？这个问题早就引起了人们的注意，不过在很长的时期内对它的认识却进展得很慢，直到17世纪才明确地形成了两种学说，一种是牛顿主张的微粒说，认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀的介质中以一定的速度传播，另一种是和牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯(162－1695)提出的波动说，认为光是在空间传播的某种波．微粒说和波动说都能解释一些光现象，但又不能解释当时观察到的全部光现象．由于早期的波动说不能用数学作严格的表达和分析，再加上牛顿在物理学界的威望，微粒说一直占上风．到了19世纪初，人们在实验中观察到了光的干涉和衍射现象，这是波动的特征，不能用微粒说解释，因而证明了波动说的正确性．19世纪60年代，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并认为光也是一种电磁波．不久，赫兹在实验中证实了这种假说，这样，光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的地步，取得了巨大的成功．但是，19世纪末又发现了新的现象——光电效应，用波动说无法解释．爱因斯坦于20世纪初提出了光子说，认为光具有粒子性，从而解释了光电效应．不过，这里所说的光子完全不同于牛顿所说的“微粒”．现在人们认识到，光既具有波动性，又具有粒子性．本章就是要从光的波动性和粒子性两个方面认识光的本性电子课文·波的干涉和衍射波的干涉如图19－2，介质中有M、N两个周期相同(或说频率相同)的波源，都沿垂直于本页纸面的方向“同步”振动，这两个波源发出的波也都使得点A在垂直于纸面的方向振动．这里说的“同步”是说两个波源振动时．在振动方向上总是同时达到最高点和最低点，谁也不比谁早，谁也不比谁晚．图中M、N两个波源到A的距离相等，因此当M波传来，使得质点A的振动达到最高点时，N波的作用也是使质点A达到最高点．所以，由于两列波的共同作用，A所达到的最高点的高度会更高．同样，两列波同时使A达到最低点，最低点的高度会更低．这样，两列波的叠加使A点的振幅加强．如果恰好两列波的振幅相同，叠加的结果使A点的振幅变为单独一列波时的2倍．图19－2中，M、N两个波源产生的波可能是向各个方向传播的，但是为了插图的清晰，从两个波源都只画出了两条直线，代表窄窄的两束波．为了清楚，图19－2中没有画出C点．再看B点，波源M到B的距离比N到它的距离近些．这样，当N波使质点B 的振动达到最高点时，M波的作用已经是使B点回落了．如果M、N两个波源到B 点的距离差正好是半个波长，那么当一列波要使B达到最高点时，另一列波则要使它达到最低点，两列波叠加的结果是：B点的振幅为0，也就是说B点不振动！如果B点的上方还有一点C，两个波源到C点的距离差就更大了．如果距离差大到正好等于一个波长，两波在C点叠加的结果又是使这里的振幅最大．通过这个例子我们看到，频率相同的波叠加时，空间某些区域的振幅加强，另一些区域的振幅减弱，这种现象叫做波的干涉．如果两列波的频率不同，空间不会出现稳定的振幅加强和振幅减弱的区域，也就不会出现干涉现象．所以，只有频率相同的波才能互相干涉．水波的干涉可以在实验室中清楚地演示出来，所用装置如图19－3所示．透明水槽上安装着一对小锤，通电后能够振动，两锤以同样的频率同时敲击水面，产生水波．水槽放在投影仪上．水波的影投射到天花板上或屏幕上．图19－4是这个实验中水波干涉图样的照片．不仅水波，其他种类的波也会发生干涉现象．干涉是波所特有的现象．思考与讨论在两列波叠加后振幅最大的位置，两个波源到这点的距离之差和波长有什么关系？在叠加后振幅最小的位置，两个波源到这点的距离之差和波长有什么关系？波的衍射在墙这边说话，墙那边的人也会听见，这表明声波能够从墙头上绕过去．水塘里的水波会绕过水中的石块、芦苇而继续传播，好像这些障碍物并不存在．波绕过障碍物传播的现象，叫做波的衍射．除了小障碍物外，在波前进的方向上放一个有缝的屏，也可以观察到波的衍射．现在用水槽观察水波通过缝的情形，研究在什么条件下才能出现明显的衍射现象．水槽的波源前面放一个带缝的挡板．图19－5甲、乙、丙是三次实验的照片．三次实验所用的波长相同．但是缝宽不同，图甲的缝宽比波长大很多，图乙的缝宽稍小，图丙的缝宽更小，比波长还小．从图19－5的三个图可以看出，水波通过较宽的缝后基本上还是直进的，而在通过较窄的狭缝后可以在相当大的一个角度范围内传播，也就是说，水波通过狭缝后能够”拐弯”．与波长相比缝越窄，这个现象越明显．可见，能够发生明显衍射现象的条件是，障碍物或缝的尺寸比波长小．至少跟波长差不多．实验中我们也可以使用相同的缝，通过改变波长来验证这个结论．想一想，改变波源的哪个参数就能改变波长？思考与讨论算一算，如果一个人的嗓音的频率是200Hz，空气中的声速约为340m／s，他的声波的波长是多少？日常生活中会出现明显的衍射现象吗？频率高于20kHz的声音，人耳就听不见了，叫做超声波．超声波的频率高，因而波长很短，传播过程中的衍射现象不明显，可以认为是沿直线传播的．这样就可以用超声波来定位，检查钢铁制品中的砂眼、人体脏器中的病变等．超声波的应用，详见119页．各种波都会发生衍射现象．衍射也是波所特有的现象．练习一(1)要使两列波发生干涉，它们的周期(或频率)应该有什么关系？*(2)发生干涉的两列波，它们的振幅相同和振幅不同时，观察到的干涉现象有什么区别？(3)如图19－6，操场的两个电线杆上各有一只扬声器，接在同一个扩音机上．一位同学沿着MN方向走来，他听到的声音会有什么变化？为什么？如果在教室里做这个实验，能不能观察到同样的现象？为什么？(4)声波在人体内的传播速度大约是1500m／s．如果让你设计一个超声波扫描仪，用来发现人体内直径大于1cm的肿块，所用超声波频率的下限是多少？电子课文·光的干涉干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象．1801年，英国物理学家托马斯·杨(1773—1829)在实验室里成功地观察到了光的干涉．双缝干涉如图19－7，光源发出的光通过两个狭缝来到挡板后面的空间，在这里发生干涉：在一些地方，来自两条狭缝的光互相加强，在另一些地方互相削弱．如果在挡板后面放一个屏，就能在屏上看到明暗相间的条纹．实验果然得到了预期的结果，这就证明光的确是一种波．实际上，扬氏最初的实验所用的挡板上有两个小孔，而不是两条狭缝．后来他发现改用两条狭缝后干涉图样更加明亮，于是后人把他的实验叫做双缝干涉实验．今天，直接用激光照射两条狭缝，干涉条纹更加清晰．在双缝干涉实验中，被光照射的两条狭缝S1和S2相当于两个波源(图19－8)，两列相干的光波在狭缝右边的空间叠加．S1和S2到屏上P点的距离相同，所以两列波在这点同时出现波峰或波谷，P点的光波得到加强，在这里出现一个亮条．在P点上方，例如P1，它距S2比距S1远一些，两列波的波峰或波谷不再同时到达P1，时间差依路程差d的大小而变．如果路程差正好是半个波长，也就是说，时间差正好是半个周期，那么当一列波的波峰到达P1时，另一列波正好在这里出现波谷，两列波叠加的结果是互相削弱，于是在这里出现暗条．对于更远一些的点，例如P2，来自两个狭缝的光波的路程差d更大．如果路程差正好等于波长λ，那么两列光波的波峰或波谷又是同时到达这点，它们又在这里互相加强，这里再次出现亮条．距离屏幕的中心越远，路程差越大．每当路程差等于0、λ、2λ、3λ……时，两列光波就得到加强，屏幕上出现亮条．思考与讨论从图19－8可以看出，屏幕离挡板越远，条纹间的距离越大，这是很明显的．另一方面，实验所用光波的波长越大，条纹间的距离也越大，这是为什么？白光的干涉在两缝间的距离以及挡板和屏和距离一定的情况下，用不同颜色的单色光做双缝干涉实验，干涉条纹间的距离不同．用红光做实验时的间距比用蓝光时大，这表明红光的波长比蓝光的波长大．各种光的不同颜色，实际上反映了它们不同的波长(或频率)．如果用白光做双缝干涉实验，由于白光内各种单色光的干涉条纹间距不同，在屏上会出现彩色条纹．薄膜干涉酒精灯里的酒精中溶解一些氯化钠，灯焰就能发出明亮的黄光．把铁丝圈在肥皂水中蘸一下，让它挂上一层薄薄的液膜，用酒精灯的黄光照射液膜，液膜反射的光使我们看到灯焰的像(图19－9)．像上有明暗相间的条纹，这是光的干涉产生的．灯焰的像是液膜前后两个面反射的光形成的，这两列光波的频率相同，能够发生干涉．竖直放置的肥皂薄膜受到重力的作用，下面厚，上面薄，因此来自前后两个面的反射光所走的路程不同(图19－10)．在一些地方，这两列波叠加后振幅变大，于是出现了亮条，而在其他一些地方，由于两列反射波的路程差不同，叠加的结果可能是互相削弱，于是在这个位置出现暗条．光的波长越长，薄膜干涉时出现的条纹就越宽．为什么？图19－10是个示意图，实际上肥皂液膜没有这么厚，液膜两面的夹角也没有这么大，同一条入射光线从液膜前后两面反射之后在位置上和传播方向上都没有多大差别，所以能够叠加在一起，出现干涉现象．用不同颜色的光做这个实验，条纹的宽度是不一样的．所以如果用白光照射肥皂液膜，液膜上就会出现彩色条纹(彩图8)．肥皂泡上和水面的油膜上常常看到的彩色花纹，就是光的干涉造成的．光的干涉现象在技术中有重要应用．例如，在磨制各种镜面或其他精密的光学平面时，可以用干涉法检查平面的平整程度．如图19－11，在被测平面上放一个透明的样板，在样板的一端垫一个薄片，使样板的标准平面和被测平面之间形成一个楔形空气薄层．用单色光从上面照射，空气层的上下两个表面反射的两列光波发生干涉．空气层厚度相同的地方，两列波的路程差相同，两列波叠加时相互加强或削弱的情况也相同．所以，如果被测表面是平的，干涉条纹就是平直的(图19－12甲)．如果干涉条纹发生弯曲，就表明被测表面不平(图19－12乙)．这种测量的精度可达10-6cm．练习二(1)用白光做双缝干涉实验时，多数亮纹都是彩色的，为什么中间一条亮纹是白色的？(2)雨后，公路的积水上漂着薄薄的油层，看上去有许多彩色花纹，其中有一条绿色花纹和一条相邻的蓝色花纹．在这两条花纹处，哪里的油层更薄些？为什么？电子课文·光的衍射既然光也是一种波，为什么在日常生活中没有观察到光的衍射现象？从前面讲的光的干涉实验知道，光的波长很短，只有十分之几微米，通常的物体都比它大得多，因此很难看到光的衍射现象．但是当光射向一个针孔、一条狭缝、一根细丝时，可以清楚地看到光的衍射．在不透光的挡板上安装一个宽度可以调节的狭缝，缝后放一个光屏(图19－13)．用平行单色光照射狭缝，我们看到，当缝比较宽时，光沿着直线方向通过狭缝，在屏上产生一条跟缝宽相当的亮线．但是，当缝调到很窄时，尽管亮线的亮度有所降低，但是宽度反而增大了．这表明，光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方．这就是光的衍射现象．用点光源照射具有较大圆孔的挡板AB，在后面的屏上就得到一个圆形亮斑，它的直径可以按照光的直线传播的规律作图得到(图19－14甲、乙)．但是，如果圆孔缩小到一定程度，可以在屏上看到，光所达到的范围会远远超过它沿直线传播所应照明的区域(图19－14丙)．这就是圆孔的衍射现象．缝变窄了，通过的光能少了，亮度会降低，这是意料之中的．同学们可能已经注意到，在单缝衍射和圆孔衍射的照片中，都有一些亮线和暗线．这是由于来自单缝或圆孔上不同位置的光，在光屏处叠加后光波加强或者削弱的结果，这个道理和两列光干涉时的道理相似．如果用白光做衍射实验，得到的亮线是彩色的，这也是由于不同波长的光在不同位置得到了加强．各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射，致使影的轮廓模糊不清，出现亮暗相间的条纹．图19－15是刮胡须刀片的影，可以在它的边缘看到由于衍射产生的条纹．衍射现象的研究表明，我们前面说的“光沿直线传播”只是一种特殊情况．光在没有障碍物的均匀介质中是沿直线传播的，在障碍物的尺寸比光的波长大得多的情况下，衍射现象不明显，也可以认为光是沿直线传播的，但是，在障碍物的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象十分明显，这时就不能说光沿直线传播了．做一做用铅笔观察衍射现象把两支铅笔并在一起，中间留一条狭缝，放在眼前，通过这条缝去看远处的日光灯，使狭缝的方向跟灯管平行，就会看到平行的彩色条纹．为什么会出现这些条纹？练习三(1)分别使用红光和蓝光做光的衍射实验，用哪种光更容易看到明显的衍射现象？为什么？(2)在光的衍射现象中为什么会出现明暗相间的条纹？做一做泊松亮斑图19－16是一个不透光的圆板的影，要特别注意中心的亮斑，它是光绕过盘的边缘在这里叠加后形成的．关于这个亮斑还有一段有趣的故事．1818年，法国的巴黎科学院为了鼓励衍射问题的研究，悬赏征集这方面的论文．一位年青的物理学家菲涅耳按照波动说深入研究了光的衍射，在论文中提出了严密地解决衍射问题的数学方法．当时的另一位法国科学家泊松是光的波动说的反对者，他按照菲涅耳的理论计算了光在圆盘后的影的问题，发现对于一定的波长、一定大小的圆盘，在一定的距离以外，会在影的中心看到一个亮斑！泊松认为这是非常荒谬可笑的，并认为这样就驳倒了光的波动说．但是就在关键时刻，菲涅耳在实验中观察到了这个亮斑，这样，泊松的计算反而支持了光的波动说．后人为了纪念这个有意义的事件，把这个亮斑称为泊松亮斑．电子课文·光的电磁说光的电磁说光的干涉和衍射现象无可怀疑地证明了光是一种波，到19世纪中叶，光的波动说已经得到公认．但是，光是什么样的波？难道像水波一样？像声波一样？光波的本质是什么，这个问题一直没有解决．那时候人们总是习惯于按照机械波的模型把光波看成是在某种弹性介质里传播的振动．到了19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦预言了电磁波的存在，并且从理论上得出，电磁波在真空中的传播速度应为 3.11×108m／s，而当时实验测得的光速为3.15×108m／s，两个数值非常接近．麦克斯韦认为这不是一种巧合，它表明光与电磁现象之间有本质的联系．由此他提出光在本质上是一种电磁波．这就是光的电磁说．不久，1887年，德国物理学家赫兹通过实验证实了电磁波的存在，并且测出了实验中的电磁波的频率和波长，从而计算出了电磁波的传播速度，发现电磁波速确实与光速相同．这样就证明了光的电磁说的正确性．红处线在电磁波中，能够作用于人的眼睛并引起视觉的，只是一个很窄的波段，通常叫做可见光．其中波长最短的紫光，波长约为370nm，波长最长的红光，波长约为750nm．波长更长的光不能引起视觉，叫做红外线．红外线的波长范围很宽，约为750nm到106nm．一切物体，包括大地、人体、农作物和车船，都在辐射红外线．物体的温度越高，它辐射的红外线越强，波长越短．在热学中所说的热辐射，指的就是红外线辐射，它是热传递的方式之一．利用灵敏的红外线探测器接收物体发出的红外线，然后用电子仪器对收到的信号进行处理，就可以探知被探物体的特征．这种技术叫做红外线遥感．利用红外线遥感技术可以在飞机或卫星上勘测地热、寻找水源、估计农作物的长势和收成等．如果用红外摄影对人体成像，做出体表的“热图”，可以通过皮肤温度的微小差别判断人体的健康状况．红外线还用于遥控，例如遥控式电视机、录像机等．按下遥控器上的按钮，遥控器就发出红外线脉冲信号，受控机器收到信号后进行相应的操作，变换频道、改变音量等．红外线的电磁场的频率比可见光更接近固体物质分子的固有频率，因此更容易引起分子的共振．所以，红外线的电磁场的能量更容易转变成物体的内能．利用红外线的这种热作用，可以加热物体、烘干油漆和谷物、进行医疗等．市场上烤制鸡鸭等肉类食品的“远红外烤箱”，它的灯管工作时发出的光从可见的红光到波长很长的红外线，加热作用主要是靠其中的长波红外线来实现的，并由此得名．不要以为烤箱中的红光就是红外线！红外线是看不见的．紫外线紫外线也是不可见光，它的波长比紫光还短，大约为5nm至370nm．紫外线有荧光作用．有些物质，受到紫外线照射时能够发出可见光．日光灯管的管壁上涂的就是一种荧光物质．大额钞票上也有用荧光物质印刷的文字，在可见光下肉眼看不见，用紫外线照射则会发出可见光，这是一种防伪措施．紫外线能促使人体合成维生素D，这种维生素有助于人体对钙的吸收，所以儿童常晒太阳能够防止缺钙引起的佝倭病．但是过多的紫外线会使皮肤粗糙，甚至诱发皮肤癌，这点也要引起注意．紫外线能杀死多种细菌，所以医院和食品店常用紫外线消毒．波长比紫外线更短的光叫做X射线，也叫伦琴射线．因为X射线的穿透能力很强，医学上用来进行人体透视．此外还有比伦琴射线波长更短的电磁波，那就是γ射线，我们将在下章学习．无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线，都是电磁波，按波长或频率的不同顺序排列起来，称做电磁波谱．消毒用的紫外线灯看起来是淡蓝色的，这是因为它不仅发出看不见的紫外线，而且发出少量紫光和蓝光．练习四(1)赫兹在一次实验中测得他所产生的电磁波的周期为1.4×10-8s，波长的一半为4.8m，这样算出来的电磁波的波速是多少？(2)响尾蛇能够感受红外线，它能在夜里“看”见东西吗？为什么？有一种被动制导的空对空导弹(导弹本身不发射电磁波，靠接受目标的电磁辐射来制导)，就是靠探测飞机发动机辐射的红外线来射向目标的．电子课文·光电效应光子到了19世纪后半叶，光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的地步，完全取代了光的微粒说．但是，还在赫兹用实验证实光的电磁说的时候，人们就已经发现了后来叫做光电效应的现象，这个现象使光的电磁说遇到了无法克服的困难．光电效应把一块擦得很亮的锌板连接在验电器上，用弧光灯照射锌板(图19－19)，验电器的指针就张开了，这表示锌板带了电．进一步检查表明锌板带的是正电．这说明在弧光灯的照射下，锌板中有一些自由电子从表面飞出来了，锌板中缺少了电子，于是带了正电．这里说的光包括不可见光．在光的照射下物体发射电子的现象，叫做光电效应，发射出来的电子叫做光电子．最初观察到光电效应的时候，物理学家们没有感到惊奇．他们想，光是一种电磁波，当它射入金属时，金属里的自由电子会由于变化着的电场的作用而做受迫振动．如果光足够强，也就是说光的振幅足够大，经过一段时间后电子的振幅就会很大，有可能飞出金属表面，这就像一锅开水，由于锅中水的剧烈运动，会有水花溅到锅外．不同的金属，极限频率也不一样．但是，对光电效应的进一步研究发现，对各种金属都存在着一个极限频率(见下表)，如果入射光的频率比极限频率低，那么无论光多么强，照射时间多么长，都不会发生光电效应；而如果入射光的频率高于极限频率，即使光不强，当它射到金属表面时也会立即观察到光电子发射．光子说 1900年，德国物理学家普朗克在研究物体热辐射的规律时发现，只有认为电磁波发射和吸收的能量不是连续的，而是一份一份地进行的，理论计算的结果才能跟实验事实相符，他还认为，每一份能量等于hν，其中ν是辐射电磁波的频率，h是一个常量，叫做普朗克常量．实验测得上节已经学过，热辐射实际上也是电磁辐射．h＝6.63×10－34J·s(1)受到普朗克的启发，爱因斯坦(1879－1955)于1905年提出，在空间传播的光也不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量E跟光的频率ν成正比，即别忘了，同样颜色的光，频率相同．E= hv(2)式中的h就是上面讲的普朗克常量．这个学说后来叫做光子说．光子说认为，每个光子的能量只决定于光的频率，例如蓝光的频率比红光高，所以蓝光光子的能量比红光光子的能量大．同样颜色的光，强弱的不同则反映了单位时间内入射光子数的多少．光子说能够很好地解释光电效应中为什么存在极限频率．光子照到金属上时，它的能量可以被金属中的某个电子立即全部吸收．电子吸收光子的能量后，它的能量增加．如果能量足够大，电子就能克服金属离子对它的引力，离开金属表面，逃逸出来，成为光电子．不同金属中的离子对电子的约束程度不同，因此电子逃逸出来所做的功也不一样．如果光子的能量E小于使电子逃逸出来所需的功，那么无论光多么强，照射时间多么长，也就是说这种能量比较小的光子无论数目多么多，也不能使电子从金属中逃逸出来．这样就解释了为什么存在着极限频率．光电效应可以把光信号转变成电信号，光电管就是利用光电效应的一种传感器．碱金属的极限频率较低，常用来制做光电管．如图19－20甲，真空玻璃管内有一半涂着碱金属，如钠、锂、铯等，作为阴极K，管内另有一个阳极A．使用时照图19－20乙那样连接电路．当光照到阴极K时，阴极发射光电子，光电子在电场的作用下飞向阳极，形成电流，光越强，电流越大；停止光照，电流消失．光电管可以用在自动控制的机械中，由光照控制电路的接通和断开；在电影中则可用于录音和放音．。

《光的本性》知识归类（一） 光相性学说发展简史牛顿支持微粒说惠更斯提出波动说。

到19世纪初，在实验室中观察到光的现象，这是波的特征，无法用微粒说解释，使波动说得到公认。

到19世纪末，又发现了波动说不能解释的新现象（如光电效应等），证实光具有粒子性。

人们终于认识到光具有________性。

（二） 光的波动性1、 光的干涉（1）相干光源的条件是两光源______相同。

获得相干光的办法是：把一个点光源（或线光源）发出的光分为两列光。

如杨氏双缝干涉实验；利用薄膜前后表面的反射光等。

（2）杨氏双缝干涉中出现亮、暗条纹的条件路程差等于波长_____倍；即路程差=2,1,0(=λ±k k ┈)处，出现亮纹。

K=0为______亮纹。

路程差等于半波长的_____倍，即路程差=2)12(λ-±k (k=1,2,3….)处出现暗纹。

明纹之间或暗纹之间的距离总是相等的，在狭缝间距离和狭缝与屏距离都不变的条件下，条纹的间距跟____正比。

在波长不变的条件下，当狭缝与屏的距离增大或狭缝间的距离减小时，条纹的间距________。

（也可由间距公式λ=∆dLx 来说明）。

（3）实例：薄膜干涉：如肥皂泡、水面上或马路上的薄油层、检查精密零件的表面质量。

增透膜的厚度是入射光在薄膜介质中波长的_____时，大大减少了光的反射损失，所以涂有增透膜的光学镜头呈淡紫色。

2、 光的衍射：光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象，叫光的衍射。

（1）产生明显衍射的条件：障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长相比甚至比光的波长还要小。

（2）图样：产生明暗（或彩色）条纹或光环。

3、 光的电磁本性光的____证实光具有波动性。

麦克斯韦首先从理论上提出光是一种电磁波。

赫兹用实验加以证实。

按频率从大到小的顺序组成的电磁波谱，其显著特性及产生机理如下： 无线电波：是由__________________________________产生的。

红外线：热作用显著。

（一）光的本性的学说(二)光的干涉和衍射1、光的干涉：（1）产生条件：两束频率相同的光迭加（2）干涉现象：I.双缝干涉（1801年杨氏实验）实验装置：单缝（单孔）获得频率一定的线（点光源；双缝（双孔）将频率一定的光分成两束条纹特征：单色光：中央亮纹；两侧明暗相间；宽度相等，亮度基本相同；条纹间距（宽度：ΔX=Lλ/d）白光：中央为白色；两侧明暗相间的条纹；每条亮纹靠近中央为紫色，外侧为红色条纹明暗：距离两缝路程差为半波长的奇数倍为暗条纹；偶数倍为亮条纹II.薄膜干涉：相干光的获得：一定频率的光经薄膜前后表面反射，两束频率相同的反射光相迭加条纹特征：单色光：明暗相间白光：彩纹；同一亮条纹薄膜薄处为紫光，厚处为红光应用：检查平面、增透膜（入射光波长的1/4 ，淡紫色的原因）2、光的衍射（1）产生条件：孔、缝或障碍物的尺寸很小，与可见光波长相比差不多或更小时才有明显的衍射现象（2）干涉现象：I．单缝衍射：条纹特征：单色光：中央条纹宽而亮；两侧明暗相间的条纹；两侧条纹窄而亮度递减快白光：中央条纹为宽亮的白色条纹；两侧为彩纹，每一亮纹内侧为紫色，外侧为红色条纹观察：游标卡尺的构造、原理、读数方法；缝由0.2mm变宽时条纹由稀变密II．小孔衍射：孔由大到小：屏上见到的现象：亮斑→小孔成像→衍射花样；单色光：中央亮点大而亮；四周明暗相间圆条纹窄而亮度递减快；白光：中央为白色亮点，四周彩纹；中央亮点大而亮，四周彩纹窄而暗III.不透明圆盘衍射：影的轮廓模糊不清，出现明暗相间的条文，阴影中心有亮斑-泊松亮斑（三）光的电磁本性（四）光电效应：1、意义：在光（包括不可见光）照射下，从物体发射出电子的现象叫光电效应2、实验规律：I.每种金属都有一种极限频率ν0，入射光的ν〉ν0才发出光电子，入射光ν〈ν0不论光照射时间多长，光多强也不能发生光电效应；II.光电子的最大初动能随入射光的ν的增大而增大，与光强无关；III.瞬时发生：入射光照射到金属上到发射电子几乎不需要时间，小于1纳秒；IV.饱和光电流与光强度成正比3、波动说与光电效应的矛盾：波动理论：光的能量由光的强度决定，光的强度又由光的振幅决定，与频率无关；波动理论与光电效应实验的前3条矛盾4、光子说对光电效应的解释：——I. 金属中的一个电子吸收一个光子的全部能量；——II. 逸出功W是从金属表面上逸出的电子克服原子核的引力做的功，W由金属本身的特性决定，对一种金属为定值；III.从能量关系搞清mvm2/2=hν-W（不要求计算）（五）光谱光谱分析：原理：利用明线、吸收光谱中的特征谱线；用途：鉴别物质、确定成分（六）光的波粒二象性1、光既具有波动性，又具有粒子性，有的波动性显著，有的粒子性显著2、物质波：也称德布罗意波，波长λ=h/p.3、波粒二象性中的波是几率波（物质波），不是机械波，也不是电磁波，不是宏观意义中的波；波粒二象性中的粒子也不是宏观意义中的粒子（质点），光子运动既没有一定的轨道，是无规则的，与质点运动不同，不遵从牛顿定律。

经典课时作业光的本性（含标准答案及解析）时间：45分钟分值：100分1.在杨氏双缝干涉实验中,如果( )A.用白光作为光源,屏上将呈现黑白相间的条纹B.用红光作为光源,屏上将呈现红黑相间的条纹C.用红光照射一条狭缝,用紫光照射另一条狭缝,屏上将呈现彩色条纹D.用紫光作为光源,遮住其中一条狭缝,屏上将呈现间距不等的条纹2.下列有关光现象的说法正确的是( )A.在光的双缝干涉实验中,若仅将入射光由紫光改为红光,则条纹间距一定变大B.以相同入射角从水中射向空气,紫光能发生全反射,红光也一定能发生全反射C.紫光照射某金属时有电子向外发射,红光照射该金属时也一定有电子向外发射D.拍摄玻璃橱窗内的物品时,往往在镜头前加装一个偏振片以增加透射光的强度3.用如图所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象.图(a)是点燃酒精灯(在灯芯上洒些盐),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,观察到的现象是( )A.当金属丝圈旋转30°时干涉条纹同方向旋转30°B.当金属丝圈旋转45°时干涉条纹同方向旋转90°C.当金属丝圈旋转60°时干涉条纹同方向旋转30°D.干涉条纹保持原来状态不变4.光热转换是将太阳能转换成其他物质内能的过程,太阳能热水器就是一种光热转换装置,它的主要器件是真空玻璃管,这些玻璃管可将太阳能转换成水的内能,真空玻璃管表面采用镀膜技术增加透射性,使尽可能多的太阳能转换为内能,这种镀膜技术的物理依据是( )A.光的衍射B.光的粒子性C.光的干涉D.光的直线传播5.夜晚,汽车前灯发出的强光将迎面驶来的汽车的司机照射的睁不开眼晴,影响行车安全,若将汽车前窗玻璃和前灯玻璃都改用偏振玻璃,使双方司机都看不见对方车灯发出的炫目灯光,但能看清自己车灯发出的光所照亮的物体.所以汽车前窗玻璃､前灯玻璃的透振方向应该是( )A.前窗玻璃的透振方向是竖直的,前灯玻璃的透振方向是水平的B.前窗玻璃的透振方向是竖直的,前灯玻璃的透振方向是竖直的C.前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°,前灯玻璃的透振方向是斜向左上45°D.前窗玻璃的透振方向和前灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°6.如图所示是用干涉法检查某块厚玻璃的上表面是否平的装置.a为标准样板,b为待测厚玻璃板,所用单色光是用普通光源加滤光片产生的,检查中所观察到的干涉条纹是由下列哪两个表面反射的光线叠加而成的( )A.a的上表面和b的下表面B.a的上､下表面C.a的下表面和b的上表面D.b的上､下表面7.如图,P是一偏振片,P的透振方向(用带有箭头的实线表示)为竖直方向,下列四种入射光束中,哪几种照射P时能在P的另一侧观察到透射光( )A.太阳光B.沿竖直方向振动的光C.沿水平方向振动的光D.沿与竖直方向成45°角振动的光8.为了观察到纳米级的微小结构,需要用到分辨率比光学显微镜更高的电子显微镜.有关电子显微镜的下列说法中正确的是( )A.它是利用电子物质波的波长比可见光短,因此不容易发生明显衍射B.它是利用电子物质波的波长比可见光长,因此不容易发生明显衍射C.它是利用电子物质波的波长比可见光短,因此更容易发生明显衍射D.它是利用电子物质波的波长比可见光长,因此更容易发生明显衍射9.如图所示,为双缝干涉实验装置,使用波长为600 nm的橙光照射,在光屏中心P点呈现亮条纹,在P点上方的P1点到S1,S2的路程恰为λ.现改用波长为400 nm的紫光照射,则P点处为__________条纹,P1点处为__________条纹.10.1801年,托马斯·杨用双缝干涉实验研究了光波的性质.1834年,洛埃利用单面镜同样得到了杨氏干涉的结果(称洛埃镜实验).(1)洛埃镜实验的基本装置如图所示,S为单色光源,M为一平面镜. 试用平面镜成像作图法画出S经平面镜反射后的光与直接发出的光在光屏上相交的区域.(2)设光源S到平面镜的垂直距离和到光屏的垂直距离分别为a和L,光的波长为λ,在光屏上形成干涉条纹.写出相邻两条亮纹(或暗纹)间距离Δx的表达式.11.若已知两狭缝间距为1 mm,双缝到屏的距离为200 cm,屏上得到的干涉图样如图所示,请根据图中的测量数据,求出该单色光的波长和频率.12.为了减少光在透镜表面由于反射带来的损失,可在透镜表面涂上一层增透膜,一般用折射率为1.38的氟化镁,为了使波长为5.52×10-7 m的绿光在垂直表面入射时使反射光干涉相消,求所涂的这种增透膜的厚度.标准答案及解析：1.解析:白光作为光源,屏上将呈现彩色条纹,A错;B为红光的双缝干涉,图样为红黑相间,故B正确;红光和紫光频率不同,不能产生干涉图样,C错;遮柱一条狭缝时,紫光将发生单缝衍射,形成衍射图样,D正确.答案:BD2.解析:在双缝干涉实验中,条纹间距d与入射光波长成正比,所以入射光由紫光改为红光时波长增长,条纹间距d变大,A项正确.全反射中的临界角为C,由sinC=1n可知,折射率越大,临界角越小,即紫光的临界角小于红光的临界角,所以紫光能发生全反射时,红光不一定能发生全反射,则B错误.金属的逸出功一定,由hν=W+E k,紫光能使金属发生光电效应,而红光频率低不一定能使金属发生光电效应,所以C错误.在镜头前加装偏振片是为减弱玻璃反射的光对拍摄的负面影响,所以D错误.答案:A3.解析:金属丝圈在竖直平面内缓慢旋转时,楔形薄膜形状各处厚度形状几乎不变.因此,形成的干涉条纹保持原状态不变,D正确,A､B､C错误.答案:D4.解析:为了增加透射光,可在真空玻璃管表面镀一层厚度为14λ的增透膜,物理依据是薄膜干涉,正确选项为C.答案:C5.解析:汽车前灯采用偏振玻璃后,从中发出的是偏振光,要使司机能看清自己的车灯所照亮的物体(使物体反射的车灯光最大限度地透过前窗玻璃),应使自己前窗玻璃的偏振方向与车灯发出的光的偏振方向一致.另外,应使对方车灯光的偏振方向恰好和自己车前窗玻璃的偏振方向垂直,使得对方车灯射过来的灯光几乎不能透过,防止了司机炫目情况的发生,而A､C 选项会造成司机看不到被自己的车灯照亮的物体,B选项会使对方司机看到自己的车灯射出的灯光,影响行车安全.所以A､B､C是错误的,只有D正确.答案:D6.解析:本题是薄膜干涉的应用.本题易错选项是D.错选D是理解为检查的样品是b,故干涉是发生在b的上､下表面.答案:C7.解析:偏振片具有滤光功能,振动方向完全垂直于偏振方向的光不能透过偏振片,因为偏振方向竖直,所以沿水平方向振动的光不能透过此偏振片.即A､B､D正确.答案:ABD8.解析:为了观察纳米级的微小结构,用光学显微境是不可能的.因为可见光的波长数量级是10-7m,远大于纳米,会发生明显的衍射现象,因此不能精确聚焦.如果用很高的电压使电子加速,使它具有很大的动量,其物质波的波长就会很短,衍射的影响就小多了.因此本题应选A.答案:A9.解析:P 点到S 1,S 2的路程差为0,所以P 为亮纹,而P 1点到S 1,S 2的路程差为600 nm,λ′=400 nm,Δx=600 nm=32λ′,即P 1点为暗纹. 答案:亮 暗10.答案:(1)如图所示(2)Δx=2L aλ 点评:本题考查了平面镜成像,光路图以及光的干涉规律.并能够根据题意分析出该题的本质是双缝干涉.11.解析:由图可知Δx=0.55cm=0.1 cm Δx=l d λ. λ=331101102d x l --∆⨯⨯⨯= m=5×10-7 m f=87310510cλ-⨯=⨯ Hz=6×1014 Hz 答案:λ=5×10-7 m f=6×1014 Hz点评:根据双缝干涉条纹特点和决定条纹间距的因素分析讨论.再根据图中的测量结果,可求出相邻亮纹间距Δx;由Δx=l d λ,f=c λ,然后求出λ及f. 12.解析:由于人眼对绿光最敏感,所以通常所用的光学仪器其镜头表面所涂的增透膜的厚度只使反射的绿光干涉相消,但薄膜的厚度不宜过大,只须使其厚度为绿光在膜中波长的14,使绿光在增透膜的前后两个表面上的反射光互相抵消,而光从真空进入某种介质后,其波长会发生变化.若绿光在真空中波长为λ0,在增透膜中的波长为λ,由折射率与光速的关系和光速与波长及频率的关系得: n=0,f c v f λλ=得λ0.nλ= 那么增透膜厚度 h=14λ=70 5.521044 1.38nλ-⨯=⨯ m=1×10-7 m. 答案:1×10-7 m。

光的本性复习题1．在水面的油膜上常常看到彩色花纹，这是光的A．干涉现象B．衍射现象C．全反射现象D．色散现象2．下面是四种与光有关的现象或应用，其中与光的干涉有关的是A．用光导纤维传播信号B．用透明的标准样板和单色光检查平面的平整度C．一束白光通过三棱镜形成彩色光带D．利用分光镜进行光谱分析3．下面几种光学现象中，属于光的衍射现象的是A．浮在水面上的薄油层在太阳光的照射下呈现各种不同颜色B．将两块平玻璃片紧紧捏在一起会从玻璃片表面上看到彩色花纹C．通过并在一起的两根铅笔间的狭缝看远处与缝平行的线状白炽灯会看到彩色条纹D．雨后的彩虹4．关于光的本性，以下说法中正确的是A．光既具有波动性，又具有粒子性B．光的波长越大，光子的能量越大C．光的颜色与光的频率无关D．某些物体是不辐射红外线的5．关于光电效应，下列说法中错误的是A．光电效应说明光具有粒子性B．发生光电效应时，如果增大入射光的频率可以增大从锌板发射的光电子的最大动能C．若红光照射某种材料能发生光电效应，那么紫光一定能使这种材料发生光电效应D．若紫光可以使某种材料发生光电效应，那么红光一定不能使这种材料发生光电效应6．对爱因斯坦光电效应方程E k=hν-W，下面的理解错误的有A．用同种频率的光照射同一种金属，从金属中逸出的光电子可能具有不同的的初动能B．式中的W表示使电子脱离金属过程克服正电荷引力所做功的最小值C．逸出功W和极限频率ν0之间应满足W= hν0D．光电子的最大初动能和入射光的频率成正比7．关于光电效应的下列说法中正确的是A．光电子的最大初动能随入射光强度的增大而增大B．只要入射光的强度足够大或照射时间足够长，就一定能产生光电效应C．任何一种金属都有一个极限频率，低于这个频率的光就不能发生光电效应D．在光电效应中，照射光的强度越弱，产生光电子所需的时间就越长8．关于光的波动性和粒子性，下列说法中正确的是A．爱因斯坦的光子说彻底否定了光的波动学说，建立起全新的现代光学理论B．大量光子作用的效果容易显示粒子性，个别光子作用的效果容易显示出波动性C．所有电磁波中红外线最容易发生明显衍射现象D．由于γ射线的波长非常短，要想观察到它的干涉现象非常困难9．用同一双缝干涉装置观察光的干涉现象，双缝到光屏上P点的距离之差为0.6μm, 若分别用频率为ν1=7.5×1014Hz和ν2=5×1014Hz的单色光照射双缝，则P点出现明暗纹的情况是A．用ν1照射时出现明纹, 用ν2照射出现暗纹B．用ν1照射时出现明纹, 用ν2照射出现明纹C．用ν1照射出现暗纹, 用ν2照射出现明纹D．用ν1照射出现暗纹, 用ν2照射出现暗纹10．将两块平行玻璃板叠在一起用手捏紧，会在玻璃板表面看到干涉条纹，干涉条纹产生自A．上、下两块玻璃板上、下表面反射的光B．上玻璃板上、下表面反射的光C．上、下玻璃板间空气膜的上、下表面反射的光D．下玻璃板上、下表面反射的光11．声波和光波都从空气进入水中，它们的波长、波速变化情况是A．它们的波长、波速都变小B．它们的波长、波速都变大C．光波的波长、波速都变小，声波的波长、波速都变大D．光波的波长、波速都变大，声波的波长、波速都变小12．频率为ν的光，在真空中波长是λ。

批扯州址走市抄坝学校第48 课时光的波动性和粒子性〔A卷〕考测点导航一、光的波动性1．光的干预(1)相干条件：两束光频率相同，振动方向一致，相差恒(步调差恒)。

(2)双缝干预：(杨氏双缝)①推导：假设S1、S2光振动情况完全相同，那么δ=κλ明条纹，δ=〔2κ+1〕λ/2暗条纹〔κ=0、1、2、3……〕条纹宽度(相邻亮条纹或暗条纹间距)Δx=L/dλ②图象特点：为明条纹，两边间距对称分布明暗相间条纹。

白光干预图象明条纹外侧为。

2．光的衍射(1)产生条件：障碍物或孔的尺寸与波长可比(相差不多)。

(2)单缝衍射：图象特点：最宽最亮，与两侧不间隔的明暗相间的条纹(白光入射为彩色条纹)。

3．光的偏振:光是横波，是电磁波，场强E和磁感强度B均与波速V垂直。

所以光有偏振现象。

4．光的电磁说：光是一种电磁波。

〔电磁波谱〕二、光的粒子性(光子说)1．光子说：光子的能量为E=hυ2．光电验规律3．爱因斯坦光电效方程：E k=hυ-w三、光的波粒二象性:1.光是一种波，同时也是一种粒子。

2.物质波：实物粒子动量为p，那么对的物质波的波长为λ=h/p (德布罗意波)，是一种概率波典型题点击1.在双缝干预中，双缝到光屏上P点的距离之差d=0.6μm；假设分别用频f1=5.0x1014Hz和频率为f2= x1014Hz的单色光垂直照射双缝，那么P点出现条纹的情况是以下哪种( )A．用频率为f1的单色光照射时，P点出现明条纹B．用频率为f2的单色光照射时，P点出现明条纹C．用频率为f1的单色光照射时，P点出现暗条纹D．用频率为f2的单色光照射时，P点出现暗条纹〔该题考查对双缝干预规律的理解和用〕2.以下关于光的现象的说法中正确的选项是( )A.用白光做双缝干预时，屏上从条纹向外，紫光的亮条纹偏离的距离最大B.白光单缝衍射时，偏离亮条纹远的是红光C.白光经三棱镜折射发生色散，红光偏向角最大D.涂有增透膜的照相机镜头看上去呈淡紫色，说明增透膜增强了对淡紫色光的透〔该题考查对不同色光因波长不同，在干预衍射和色散现象中偏折程度不同的理解和用。