13.7 光的颜色、色散-人教版高中物理选修3-4教案

1.7光的色散教案

【学习目标】

1．知道光的色散、光的颜色及光谱的概念．

2．理解薄膜干涉的原理并能解释一些现象．

知识回顾：

1. 光通过界面都发生什么现象？

答：反射和折射

2. 光透过三棱镜是光的折射还是反射？

答：光透过三棱镜是折射现象

3. 我们初中学过光透过三棱镜发生的想象是什么？

答：光的色散

知识点一、光的颜色、色散

双缝干涉中的色散：

用不同的单色光作双缝干涉实验，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Lxd△知，不同颜色的光，波长不同．红光x最大，波长最长，紫光x最小，波长最短．

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，发生干涉时，白光发生了色散现象．

薄膜干涉中的色散：

用单色光照射薄膜时，两个表面反射的光是相干的，形成明暗相间的条纹．

用不同的单色光照射，看到亮纹的位置不同．

用白光照射时，不同颜色的光在不同位置形成不同的条纹，看起来就是彩色的．

折射时的色散：

如图所示，一束白光通过三棱镜后会扩展成由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫各色组成的光谱．注意：

(1)我们把射出棱镜的光线与入射光线方向的夹角叫光通过棱镜的偏向角．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不同．紫光的折射率最大，红光的折射率最小，依次为nn红紫．

由于介质中的光速cvn，故折射率大的光速小，各种色光在介质中的光速依次为：vvv靛红紫，即红光的速度最大，紫光速度最小．

如图所示，白光经三棱镜后，在光屏上呈现七色光带(光谱)；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．光的色散实质上是光的折射现象．

(1) 色散现象的产生表明，白光是由各种单色光组成的复色光．由于各种单色光通过棱镜时因折射率不同使光线偏折的角度不同，所以产生了色散现象．单色光通过棱镜不能再分，所以不能发生色散现象．

薄膜干涉：

竖直放置的肥皂膜受到重力的作用，形成上薄下厚的楔形薄膜，在薄膜上不同的地方，来自前后两个面的反射光所走的路程差不同，在一些地方，这两列波叠加后互相加强，于是出现了亮纹；在另一些地方，叠加后互相削弱，于是出现了暗纹．

要点诠释：用单色光照射薄膜，看到的是明暗相间的条纹．用白光照射时，某一厚度的地方，是这一种色光被加强，另一厚度的地方则是另一种色光被加强，因此看到的是彩色条纹．水面上的油膜，马路上的油膜和肥皂泡上的彩色条纹都是薄膜干涉形成的．

薄膜干涉现象的观察方法：

用酒精灯火焰和肥皂薄膜观察光的薄膜干涉现象时，观察者眼睛、酒精灯、薄膜位置应如图所示，注意：观察的是火焰经薄膜反射的像，像上会出现明暗相间的水平条纹．本实验成功的关键是膜一定要薄，但又要有足够的韧性，不致很快破掉，以便有足够长的时间可以观察(可在清水中加一些洗洁精)．

各种色散现象的规律：

(1)光的颜色取决于频率，从红光到紫光，频率逐渐增大，波长逐渐减小，色光由真空进入介质，频率不变，波长减小．

(2)色光从真空进入介质速度都要减小，在同一种介质中，从红光到紫光，速度逐渐减小．

(3)在同一种介质中，从红光到紫光，折射率逐渐增大．

用干涉法检查平面：

如图（a）所示，两板之间形成一层空气膜，用单色光从上向下照射，入射光从空气膜的上下表面反射出两列光波，形成干涉条纹．如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等间距的．如果某处凹下，则对应明纹(或暗纹)提前出现，如图(b)所示；如果某处凸起来，则对应条纹延后出现，如图(c)所示．(注：“提前”与“延后”不是指在时间上，而是指由左向右的顺序位置上)

增透膜的应用：

在光学仪器中，为了减少光在光学元件(透镜、棱镜)表面的反射损失，可用薄膜干涉相消来减少反射光．像照相机、测距仪、潜望镜上用的光学元件表面为了减少光的反射损失都镀上了介质薄膜(氟化镁)，使薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的14，这样反射回来的两列光波经过路程差恰好等于半个波长，它们干涉后就相互抵消．

要点诠释：这种薄膜减少光学表面反射造成的光能损失，增强了透镜透光的能量，故称之为增透膜．

而入射光一般是白光，增透膜不可能使所有的单色光干涉相消．由于人眼对绿光最敏感，一般增透膜的厚度做到使绿光垂直入射时完全抵消，这时红光和紫光没有显著削弱，所以有增透膜的光学镜头显淡紫色．

雨后天空中的彩虹产生的原因和条件：

(1)彩虹是由于日光经过球状小水滴时，从空气射入球内要发生折射，从球内射向空气可能要发生全反射形成的．当阳光进入水滴后就被分解为七色光，这七色光再经过内表面反射进入我们的视角，我们就看见了七彩的虹．

如图甲所示是由于太阳光经过小水滴时，受到两次折射，一次反射，产生第一次彩虹，偏向程度与日光进行方向差138，因此我们看到第一道彩虹呈现42方位角，如图乙所示．

如图丙、丁所示，若目光受到两次折射、两次反射，则产生第二道彩虹(50)．由于红光受折射偏向最小，蓝光最大．第一道彩虹的颜色排列由内向外是：蓝→红，第二道则是红→蓝．

彩虹多发生在大雨过后，需背对阳光才看得到，每个人看到的彩虹都以观察者为中心形成42或50的光环．

其实，彩虹不仅仅来自天空，在有水雾和阳光的地方，都有可能看见彩虹，因为彩虹实际上是白光通过水滴折射、反射后产生的．

(2)大城市由于环境污染严重，空气中漂浮大量的粉尘等颗粒杂质，也使得空中的小水珠不再纯净，难以形成日光的折射和全反射，所以很难看到彩虹．

(3)要爱护环境，保护大气层，减小有害气体的排放，植树造林．

例题3.如图所示一个小的光源S发出白光，经三棱镜分光．若人沿着折射光线的反方向观察，通过棱镜可以看到( )．

A．白光点

B．光点上部红色，下部紫色

C．光点上部紫色，下部红色

D．看不到光源的像

【思路点拨】不同颜色的光发生折射时折射角不同。

【答案】C

【解析】由于各种单色光中，紫光的折射率最大，偏折角也最大，成的像最高，红光的折射率最小，偏折角也最小，成的像最低，故C正确．

【总结升华】此题易错选B，将右边光屏显示光谱颜色顺序跟人眼逆着光线看到的像的颜色混淆，两者是有区别的．

课堂练习一：

用如图所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象．图甲是点燃酒精灯(在灯芯上洒些盐)，图乙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

【答案】D

【解析】金属丝圈在竖直平面内缓慢旋转时，楔形形状薄膜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．

【总结升华】肥皂膜在重力作用下，形成劈形膜在同一水平线上、厚度相同，干涉出现直线条纹．

课堂练习二：

如图所示，把一个平行玻璃板压在另一个平行玻璃板上，一端用薄片垫起，构成空气劈尖．让单色光从上方射入，这时可以看到亮暗相间的条纹．下面关于条纹的说法中正确的是( )．

A．干涉条纹的产生是由于光在空气劈尖膜的前后两表面反射形成的两列光波叠加的结果

B．干涉条纹中的暗纹是由于上述两列反射光的波谷与波谷叠加的结果

C．将上玻璃板平行上移，条纹向着劈尖移动

D．观察薄膜干涉条纹时，应在入射光的另一侧

【答案】A、C

【解析】根据薄膜干涉的产生原理，上述现象是由空气膜前后表面反射的两列光叠加而成的，当波峰与波峰、波谷与波谷相遇叠加时，振动加强，形成亮条纹，所以A项对B项错；因相干光是反射光，故观察薄膜干涉时，应在入射光的同一侧，故D项错误；根据条纹的位置与空气膜的厚度是对应的．当上玻璃板平行上移时，同一厚度的空气膜向劈尖移动，故条纹向着劈尖移动，故C项正确．

【总结升华】薄膜干涉常用在科学技术上检查表面平整情况．

课堂练习三：

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)任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；(2)任意相邻明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．则当光垂直人射到新劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹( )．

A．变疏 B．变密 C．不变 D．消失

【答案】A

【解析】光线在空气膜的上、下表面发生反射，并发生干涉，从而形成干涉条纹．设空气膜顶角为，12dd、处为两相邻亮条纹，如图所示，则此两处的光传播的路程分别为112d，222d．

因为路程差为21，所以2112dd．

设此两相邻亮条纹中心的距离为l， 则由几何关系得21tanddl，即2tanl．

当抽去一张纸片减小时，l增大，故选A．

【总结升华】本题考查了对薄膜干涉的正确理解，特别是同一条纹对应的空气薄膜的厚度相同这一知识点的灵活运用，考查了学生的应用能力．

课堂练习四：

虹和霓是太阳光在水珠内分别经过一次和两次反射后出射形成的，可用白光照射玻璃球来说明.两束平行白光照射到透明玻璃球后，在水平的白色桌面上会形成MN和PQ两条彩色光带，光路如图所示. M 、N、P、Q点的颜色分别为( )

A. 紫、红、红、紫

B. 红、紫、红、紫

C. 红、紫、紫、红

D. 紫、红、紫、红

【答案】A

【解析】白光中的可见光部分从红到紫排列，对同一介质的折射率nn红紫，由折射定律知紫光的折射角较小，由光路可知，紫光将到达M点和Q点，而红光到达N点和P点，故选A。

【思路点拨】本题考查光的折射和全反射、光路、折射率。

解题的根据。