2019-2020学年高中物理三维设计人教版选修3-4浙江专版讲义：第十三章 第7、8节 光的颜色 色散 激光 Word

第7、8节光的颜色__色散__激光

光的颜色 色散

[探新知·基础练]

1．光的颜色与波长的关系

不同颜色的光，波长不同。

2．光的色散与光谱

(1)光的色散：含有多种颜色的光被分解为单色光的现象。

(2)白光是复色光：白光的干涉条纹是彩色的，可见白光是由多种色光组成的。白色光包含七种色光，色散后形成的光谱按波长由大到小的排列顺序为，红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。

(3)光谱：含有多种颜色的光被分解后，各种色光按其波长的有序排列。

[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)

1．光的颜色取决于折射率。(×)

2．光的颜色取决于光的频率。(√)

[释疑难·对点练]

1．对光的颜色的理解

不同颜色的光，波长不同，频率不同，而同种颜色的光在不同的介质中折射率不同，速度和波长均不相同，但频率相同，由此可知，光的颜色是由频率决定的，而不是由波长决定的。

2．白光的干涉图样

若用白光作光源，则干涉条纹是彩色条纹，且中央条纹是白色的。这是因为：

(1)从双缝射出的两列光波中，各种色光都能形成明暗相间的条纹，各种色光都在中央条纹处形成亮条纹，从而复合成白色条纹。

(2)两侧条纹间距与各色光的波长成正比，即红光的亮条纹间距宽度最大，紫光的亮条纹间距宽度最小，即除中央条纹以外的其他条纹不能完全重合，便形成了彩色干涉条纹。

[特别提醒] 用白光做干涉实验，从红光到紫光其波长由大到小，它们的干涉条纹间距也是从大到小，屏中央各色光都得到加强，混合成白色，但两侧因条纹间距不同而分开形成彩色，而且同一级条纹内紫外红。 [试身手]

1．用白光做双缝干涉实验时，得到彩色的干涉条纹，下列说法正确的是( )

A．干涉图样的中央亮条纹是彩色的

B．在靠近中央亮条纹两侧最先出现的是红色条纹

C．在靠近中央亮条纹两侧最先出现的是紫色条纹

D．在靠近中央亮条纹两侧最先出现的彩色条纹的颜色与双缝间距离有关

解析：选C 白光是各种不同色光组成的复色光，光屏中央到两狭缝距离相等，各色光经双缝到达光屏中央的路程差为零，在光屏中央均出现亮条纹，各色光复合成白光，所以中央亮条纹为白色。由Δx＝ldλ可知，不同色光的干涉条纹间距Δx随波长的增大而增大，紫光的波长最短，所以靠近中央亮条纹两侧最先出现的是紫色条纹。故C正确。

薄膜干涉中的色散

[探新知·基础练]

薄膜干涉

(1)观察薄膜干涉：如图所示，把这层液膜当成一个平面镜，用它观察灯焰的像，可以观察到沿水平方向的明暗相间的条纹。

(2)相干光源：液膜前后表面反射的光波。

(3)形成明暗相间条纹的原因：与双缝干涉的情况相同，在膜上不同位置，来自薄膜前后两个面的反射光分别用图中实、虚线来代表，所走的路程差不同。路程差是光在介质中波长的整数倍的位置上，叠加后加强，出现了亮条纹；路程差是光在介质中半波长的奇数倍的位置上，叠加后相互削弱，于是出现了暗条纹。

(4)薄膜干涉的应用：光学器材镜头上的增透膜，检查精密仪器的表面。

[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)

1．薄膜干涉是利用薄膜前后两个面的反射光的干涉现象。(√)

2．雨后在路上小水潭看到的彩色是由于发生薄膜干涉的缘故。(√)

3．利用薄膜干涉原理不能检查平面平整度。(×)

[释疑难·对点练]

薄膜干涉的应用

1．用干涉法检查平面平整度

如图甲所示，两板之间形成一层空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等间距的。如果被测表面某处凹下，则对应亮条纹(或暗条纹)提前出现，如图乙中P条纹所示；如果某处凸起来，则对应条纹延后出现，如图乙中Q所示，即亮条纹在凹陷处向空气膜较薄处弯曲，在凸起处向空气膜较厚处弯曲。

(注：“提前”与“延后”不是指在时间上，而是指由左到右的位置顺序上)

2．增透膜

为了减少光学装置中的反射光的损失，可在元件表面涂一层透明薄膜，一般是氟化镁。

如图所示，在增透膜的前后表面反射的两列光波形成相干波，相互叠加，当路程差为半波长的奇数倍时，在两个表面反射的光反向，相互抵消，从而使反射的两列光波产生相消干涉，反射光的能量几乎等于零。一般取最小厚度d满足2d＝λ2(此波长为光在该种介质中的波长)，由于白光中含有多种波长的光，所以增透膜只能使其中一定波长的光相消。因为人对绿光最敏感，一般选择对绿光起增透作用的膜，所以在反射光中绿光强度几乎为零，而其他波长的光并没有完全抵消，所以增透膜呈现淡紫色。

[特别提醒] 增透膜的“增透”应理解为：两束反射光相互抵消，反射光的能量减少，由于总的能量是守恒的，反射光的能量被削弱了，透射光的能量就必然得到增强。增透膜是通过“消反”来确保“增透”的。

[试身手]

2．如图所示是用干涉法检查厚玻璃板的上表面是否平整的装置。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叠加而成的(

)

A．a的上表面和b的下表面

B．a的上表面和b的上表面

C．a的下表面和b的下表面

D．a的下表面和b的上表面

解析：选D 利用薄膜干涉检查玻璃表面是否平整的方法中所说的薄膜在这里指的是标准样板与待测玻璃板间的空气膜。单色光在这个空气膜的上下表面的反射光形成相干光，由于膜呈楔形，故产生明暗相间条纹。易知，D正确。 衍射和折射时的色散

[探新知·基础练]

1．衍射时的色散

用白光进行衍射实验时，得到的是彩色条纹，这是由于白光中包含各种颜色的光，不同色光亮条纹的位置不同造成的。

2．折射时的色散

(1)偏向角：光通过棱镜后向它的横截面的底边方向偏折，如图甲中的θ为光的偏向角，光的偏向角越大，棱镜对光的偏折程度越大。

(2)白光通过棱镜时的色散：

①一束白光通过三棱镜后形成如图乙所示的光谱，由上到下的色光顺序为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。它说明白光是由这七种色光组成的复色光；

②结论：白光色散时，红光的偏向角最小，紫光的偏向角最大。这说明同种物质对波长不同的光的折射率不一样，波长越短，折射率越大；

③不同色光在同种介质中有以下关系：f越大，λ越小，n越大，v越小，θ越大；f越小，λ越大，n越小，v越大，θ越小。

[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)

1．色散现象说明白光是一种复色光。(√)

2．衍射和折射都可以发生色散现象。(√)

[释疑难·对点练]

各种色光特性的比较

各种色光 红橙黄绿青蓝紫

频率 小→大

折射率 小→大

经三棱镜折射时的偏向角 小→大

波长 长→短

介质中的波速 大→小

[试身手]

3．红、绿、黄三条入射光线，分别沿与三棱镜的底面平行的方向射入三棱镜的一个侧面，从三棱镜的另一个侧面射出，且出射光线交于三棱镜底边延长线上的三点，三点到三棱镜底边中点的距离分别为x1、x2、x3，则( )

A．x1＝x2＝x3 B．x1

C．x1>x2>x3 D．x1>x3>x2 解析：选D 依据色散知识可知，光线经过三棱镜折射将偏向三棱镜的底边，交于三棱镜底边延长线上的一点，此点到底边中点的距离与光线偏折的角度有关，偏折的角度越大，交点到底边中点的距离越小。因此，红光出射光线与底边延长线的交点距底边中点的距离大于黄光的，黄光的又大于绿光的，故选项D正确。

激光

[探新知·基础练]

1．激光的特点及应用

特点 性质 应用

相干性 激光具有频率单一、相位差恒定、偏振方向相同的特点，是人工产生的相干光，具有高度的相干性 光纤通信

平行度 激光的平行度非常好，传播很远的距离仍能保持一定的强度 精确的测距；读取光盘上记录的信息等

高亮度 它可以在很小的范围和很短的时间内集中很大的能量 用激光束切割、焊接，医学上可以用激光做“光刀”，激发核反应等

2.全息照相

(1)与普通照相技术的比较：普通照相技术所记录的只是光波的强弱信息，而全息照相技术还记录了光波的相位信息。

(2)原理：全息照相的拍摄利用了光的干涉原理，使参考光和物光在底片上相遇，发生干涉，形成复杂的干涉条纹。这要求参考光和物光必须具有很高的相干性。

(3)观察全息照片时要用激光照射照片，从另一侧面观察。

[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)

1．利用激光平行度好可以用来测距。(√)

2．利用激光的相干性好可以用来做“光刀”。(×)

[释疑难·对点练]

1．激光的产生

激光是原子受激辐射产生的光，发光的方向、频率、偏振方向均相同，两列相同激光相遇时可以发生干涉。

2．激光的特点

(1)激光是人工产生的相干光，其单色性好，相干性好。

激光的频率单一，相干性非常好，颜色特别纯。用激光做衍射、干涉实验，效果很好。

(2)激光的平行度好。从激光器发出的激光具有极好的平行性，几乎是一束方向不变、发散角很小的平行光。传播几千米后，激光斑扩展范围不过几厘米，而探照灯的光束能扩展到几十米范围。

(3)亮度高。激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。

[试身手]

4．(多选)关于激光，下列说法正确的是( )

A．激光是用人工方法激发出的一种特殊的光

B．自然界中某些天然物体也可以发出激光

C．激光可以像刀子一样切除肿瘤

D．由于激光的方向性好，所以激光不能发生衍射现象

解析：选AC 激光是用人工方法激发出的一种特殊的光，A项正确，B项错误；激光具有方向性好、亮度高、强度大等特点，可以像刀子一样切除肿瘤，C项正确；激光是一种波，只要是波就能发生衍射现象，D项错误。

薄膜干涉的理解与应用

[典例1]

(多选)如图甲所示，用单色光照射透明标准板M来检查平面N的上表面的平滑情况，观察到的图象如图乙所示的条纹中的P和Q的情况，这说明( )

A．N的上表面A处向上凸起

B．N的上表面B处向上凸起

C．N的上表面A处向下凹陷

D．N的上表面B处向下凹陷

[解析]选BC 利用光的薄膜干涉来检查平面的情况，就是由标准样板平面和被检查平面间形成一个楔形的空气薄层，用单色光从上面照射，入射光在空气层的上、下表面反射形成的两列光波发生干涉。如果被检测的面是平的，那么空气层的厚度相同的各点的干涉条纹在一条直线上。若是被检测平面的某处凹下去了，这时干涉条纹就不是直线，在凹处的干涉条纹将向楔形膜中薄的一侧弯曲。这是因为凹处的两束反射光的路程差变大，它只能与膜厚一些位置的两反射光的路程差相同而形成同一级的条纹(路程差相同的干涉条纹为同一级，一般路程差大的干涉条纹级别高，路程差小的干涉条纹级别低)，显然凹处的级别增大，将与膜厚一些位置的干涉条纹形成同一级别的条纹，故B、C正确。