高中物理 第4章 光 第6节 光的衍射和偏振教师用书 粤教版选修3-4-粤教版高二选修3-4物理教案

光的衍射和偏振-粤教版选修3-4教案一、引言光是一种波动现象，它在传播过程中会发生许多特殊的现象，如衍射和偏振。

本节课将讨论这两种光的现象，旨在让学生深入了解光的性质和特点，理解光的传播规律。

二、衍射1. 实验现象实验1：在一扇窗户上垂直放一根细针，当太阳的光照在窗户上时，可以观察到光通过针眼的部分会呈现一个圆形的光斑。

实验2：使用幅射计，将一条光线发送到屏幕上，并通过一个小孔观察到它的传播过程，可以观察到光线在小孔后会出现明暗相间的光斑。

2. 衍射现象的解释当光线穿过孔隙或通过一个边缘时，它就会发生衍射。

简单来说，衍射是指光通过一些物质界面或障碍物时发生的一种现象。

衍射的现象是由于光在物体阻挡下发生了多次折射和反射，导致光波的前后缘产生干涉，形成的立体光场。

波的干涉可以产生出不同的光强度和颜色，并在空间中形成特殊的分布规律。

3. 衍射的规律衍射的规律取决于光的波长、衍射孔的大小、形状和孔隙边缘的光滑程度等因素。

当光线通过一个孔隙时，会发生岛屿、极小值、干涉环等明显的现象。

1.一般会分为两类衍射：–小孔衍射：当光通过一个小孔时，会在屏幕上形成一个亮暗相间的光斑。

–大孔衍射：当光通过一个大于相干区域的孔时，会在衍射角的周边产生明暗相间、干涉现象的环状图案。

2.衍射的定量描述：用空间角衡量光的强度，可以用夫琅禾费衍射公式表达，有助于定量描述光的衍射。

夫琅禾费衍射公式中，光的波长、衍射孔的大小和孔隙边缘的光滑程度都是衍射干涉现象的重要因素。

数学上可以用衍射极小值来表达，公式为：$$\\sin\\theta=m\\lambda/d$$其中，$\\theta$为衍射角度，m为整数，λ为波长，d为孔径。

根据这个公式，可以预测衍射角和无比的样式。

4. 衍射的应用在日常生活中，衍射的现象可以见于许多物品，如照相机、显微镜、CD、DVD等。

衍射现象不仅帮助我们学习和理解物质媒体对光的作用，而且还有很多实际的应用，例如雷达、声纳和X光衍射成像等。

第六节 光的衍射和偏振1．(3分)用红光做双缝干涉实验时，在屏上观察到干涉条纹．在其他条件不变的情况下，改用紫光做实验，则干涉条纹间距将变________；如果改用白光做实验，在屏上将出现________色条纹．【解析】 在双缝干涉实验中，在其他条件不变的情况下，干涉条纹的间距与入射光的波长成正比，紫光波长小于红光波长，所以改用紫光做实验，干涉条纹间距将变小；若改用白光做实验，由于七色光的波长不同，各自干涉条纹的间距不同，在光屏上单色光加强的位置不同，于是出现彩色条纹，即发生了色散现象．【答案】 小 彩2．(3分)在“用双缝干涉测量光的波长”实验中，为使光屏上单色光的干涉条纹间距增大些，可采取的措施是( )A ．换用缝距大些的双缝片B ．换用缝距小些的双缝片C ．适当调大双缝片与屏的距离D ．适当调小双缝片与屏的距离【解析】 根据公式Δx ＝L dλ知B 、C 两项正确．【答案】 BC3．(4分)两列光干涉时，光屏上的亮条纹和暗条纹到两个光源的距离与波长有什么关系？声的干涉也遵从类似的规律。

设想在空旷的地方相隔一定位置有两个振动完全一样的声源，发出的声波波长是0.6 m ，观察者A 离两声源的距离分别是4.5 m 和 5.4 m ．观察者B 离两声源的距离分别是4.3 m 和5.5 m 这两个观察者听到声音的大小有什么区别？【解析】 观察者A 距两声源的路程差Δs A ＝(5.4－4.5) m ＝0.9 m ，Δs A λ2＝0.90.3＝3，Δs A 为半波长的奇数倍，声音在A 处减弱；观察者B 距两声源的路程差Δs B ＝(5.5－4.3) m＝1.2 m ，Δs B λ2＝1.20.3＝4，Δs B 为半波长的偶数倍，声音在B 处加强，所以B 听到的声音比A 听到的大．【答案】 见解析学生P55一、光的衍射1．衍射现象和衍射条纹(1)现象：光通过很窄的缝或很小的孔时，光没有沿直线传播，而是绕过缝或孔的边缘传播到相当宽的地方的现象．(2)条纹：衍射条纹是一些明暗相间的条纹，中央最宽、最亮，离中央条纹越远，亮条纹的宽度越小，亮度越低．2．光产生明显衍射现象的条件障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多．二、光的偏振1．横波与纵波的特点横波中各点的振动方向总与波的传播方向垂直．纵波中，各点的振动方向总与波的传播方向在同一直线上．横波有偏振现象．2．自然光和偏振光(1)自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，沿着各个方向振动的光波的强度都相同．(2)偏振光：在垂直于传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动的光．3．光的偏振学生P55一、衍射条纹产生的实质衍射条纹的产生实质上是光波发生干涉的结果，即相干波叠加的结果．当光源发出的光照射到小孔或障碍物时，小孔处或障碍物的边缘可看成许多点光源(这一点来自“惠更斯原理”，有兴趣的同学可以查阅相关资料或网站)，这些点光源是相干光源，发出的光相干涉，形成明暗相间的条纹．二、三种衍射图样的特点比较1．单缝衍射图样(1)缝变窄，通过的光变少，而光分布的范围更宽，所以亮纹的亮度降低．(2)中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单缝宽度有关，入射光波长越长，单缝越窄，中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大．(3)用白光做单缝衍射时，中央亮条纹是白色的，两边是彩色条纹，中央亮条纹仍然最宽最亮．2．圆孔衍射图样(1)中央是大且亮的圆形亮斑，周围分布着明暗相间的同心圆环，且越靠外，圆形亮条纹的亮度越弱，宽度越小．如图4－6－1所示．图4－6－1(2)只有圆孔足够小时，才能得到明显的衍射图样．在圆孔由较大直径逐渐减小的过程中，光屏上依次得到几种不同现象——圆形亮斑(光的直线传播)、光源的像(小孔成像)、明暗相间的圆环(衍射图样)、完全黑暗．(3)用不同色光照射圆孔时，得到的衍射图样的大小和位置不同，波长越长，中央圆形亮斑的直径越大．(4)白光的圆孔衍射图样中，中央是大且亮的白色光斑，周围是彩色同心圆环．(5)圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱．3．不透明的小圆板衍射图样(1)泊松亮斑图样中的亮环或暗环间距随半径增大而减小．(2)与圆孔衍射图样比较①均是明暗相间的图形条纹，中心均有亮斑．②圆孔衍射图样中心亮斑较大，而泊松亮斑较小．③圆孔衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而增大，圆板衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而减小．④圆孔衍射图样的背景是黑暗的，而小圆板衍射图样中的背景是明亮的．衍射是波的特有的现象，一切波均能发生衍射现象光遇小孔、可见光的波长范围：三、单缝衍射与双缝干涉的比较种类单缝衍射可以理解为若干个干涉，从而理解条纹相间排列光波的波长增大，衍射条纹、干涉条纹的宽度都变大复色光的衍射或干涉图样，可认为各单色光单独照射所成图样的叠加四、偏振现象1．横波、纵波的判定方法(1)直接看质点的振动方向与波传播方向的关系．若互相垂直，为横波；若在同一直线上，为纵波，这种方法适用于可看得见质点振动方向的机械波．(2)看波能否通过两个互相垂直且共线的“狭缝”，能通过两个“狭缝”的为纵波，不能通过的为横波．2．自然光和偏振光偏振现象在生活中非常普遍，并不是只有自然光通过偏振片后才生活中除光源直接发出的光外，射到水面时的反射和折射光线，尤其是二者互相垂直时，都是典型的偏振光只有横波能发生偏振现象，光是横波一、光的衍射现象分析关于光现象的叙述，以下说法正确的是( )A．太阳光照射下肥皂膜呈现的彩色属于光的干涉B．雨后天空中出现的彩虹属于光的衍射C．通过捏紧的两只铅笔间的狭缝观看工作着的日光灯管，看到的彩色条纹，属于光的色散D．阳光照射下，树影中呈现的一个个小圆形光斑，属于光的衍射现象【导析】正确理解干涉、衍射、色散及小孔成像等光现象的不同成因，是正确做出判断的关键，否则易被这些“彩色”现象所迷惑．【解析】太阳光照射下肥皂膜呈现彩色，属于薄膜干涉，A正确；雨后天空中出现的彩虹，是天空中小水滴对阳光色散形成的；通过笔间狭缝观看日光灯管出现彩色，属于单缝衍射；而阳光下树影中呈出的小圆斑，则属于树叶间形成的小孔成像，故B、C、D均错误．故选A.【答案】 A本题易误选1．对于光的衍射现象的定性分析，下列说法正确的是( )A．只有障碍物或孔的尺寸可以跟光波波长相比甚至比波长还要小的时候，才能产生明显的衍射现象B．光的衍射现象是光波相互叠加的结果C．光的衍射现象否定了光的直线传播的结论D．光的衍射现象说明了光具有波动性【解析】光的干涉现象和衍射现象无疑地说明了光具有波动性，光的直线传播规律只是近似的，只有在光波长比障碍物小的多的情况下，光才可以看作是直进的，所以光的衍射现象和直线传播是不矛盾的，它们是在不同条件下出现的两种现象，故上述选项中正确的是A、B、D.【答案】ABD二、光的衍射图样分析在单缝衍射实验中，下列说法正确的是( )A．将入射光由黄色换成绿色，衍射条纹间距变窄B．使单缝宽度变小，衍射条纹间距变窄C．换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽D．增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距变宽【导析】比较单色光波长的大小关系，利用光发生明显衍射现象的条件进行判断．【解析】当单缝宽度一定时，波长越长，衍射现象越明显，即光偏离直线传播的路径越远，条纹间距也越大；当光的波长一定时，单缝宽度越小，衍射现象越明显，条纹间距越大；光的波长一定、单缝宽度也一定时，增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距也会变宽，故B错误，A、C、D正确．【答案】ACD一般障碍物的尺寸都比可见光波波长大得多，2．一束红光射向一块有双缝的不透光的薄板，在薄板后的光屏上呈现明、暗相间的干涉条纹．现在将其中一条窄缝挡住，让这束红光只通过一条窄缝，则在光屏上可以看到( ) A．与原来相同的明暗相间的条纹，只是明条纹比原来暗些B．与原来不相同的明暗相间的条纹，而中央明条纹变宽些C．只有一条与缝宽对应的明条纹D．无条纹，只存在一片红光【解析】本题要考查学生对发生明显衍射的条件的理解，及单缝衍射图样特点的认识，能够比较双缝干涉图样和单缝衍射图样的异同点．本题中这束红光通过双缝时，产生了干涉现象，说明每一条缝宽都很窄，满足这束红光发生明显衍射的条件，这束红光通过双缝在光屏上形成的干涉图样的特点是：中央出现明条纹，两侧对称出现等间隔的明暗相间条纹．而这束红光通过单缝时形成的衍射图样特点是：中央出现较宽的明条纹，两侧对称出现不等间隔的明暗相间条纹，且距中央明条纹远的明条纹亮度迅速减小，所以衍射图样看上去明暗相间的条纹数量较少．本题正确选项是B项．【答案】 B三、偏振现象的应用两个偏振片紧靠在一起，将它们放在一盏灯的前面以至没有光通过．如果将其中的一片旋转180°，在旋转过程中将会产生下述的哪一种现象( ) A．透过偏振片的光强先增强，然后又减少到零B．透过的光强先增强，然后减少到非零的最小值C．透过的光强在整个过程中都增强D．透过的光强先增强，再减弱，然后又增强【导析】偏振片允许振动方向与其透振方向不垂直的光通过．【解析】起偏器和检偏器的偏振方向垂直时，没有光通过；偏振方向平行时，光强达到最大．当其中一个偏振片转动180°的过程中，两偏振片的方向由垂直到平行再到垂直，所以通过的光强先增强，然后又减小到零．故选A.【答案】 A通过光的起偏和检偏实验，1．某同学以线状白炽灯为光源，利用游标卡尺两脚间形成的狭缝观察光的衍射现象后，总结出以下几点，你认为正确的是( )A．若狭缝与灯泡平行，衍射条纹与狭缝平行B．若狭缝与灯泡垂直，衍射条纹与铗缝垂直C．衍射条纹的疏密程度与狭缝的宽度有关D．衍射条纹的间距与光的波长有关【解析】若狭缝与线状灯泡平行，衍射条纹与狭缝平行且现象明显，衍射条纹的疏密程度与缝宽有关，狭缝越小，条纹越疏；条纹间距与波长有关，波长越长，间距越大．【答案】ACD2．关于光的衍射现象，下面说法正确的是( )A．红光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹B．白光的单缝衍射图样是红暗相间的直条纹C．光照到不透明小圆盘上出现泊松亮斑，说明发生了衍射D．光照到较大圆孔上出现大光斑，说明光沿着直线传播，不存在光的衍射现象【解析】该题考查衍射图样和对衍射现象的理解．单色光照到狭缝上产生的衍射图样是亮暗相间的直条纹，白光的衍射图样是彩色条纹．光照到不透明圆盘上，在其阴影处出现光点，是衍射现象．光的衍射现象只有明显与不明显之分，D项中屏上大光斑的边缘模糊，正是光的衍射造成的．不能认为不存在衍射现象．【答案】AC3．下列现象中可以说明光是横波的是( )A．光的干涉和衍射现象B．光的色散现象C．光的全反射现象D．光的偏振现象【解析】根据光能发生干涉和衍射现象，说明光是一种波，具有波动性；根据光的色散现象，说明同一介质对不同光的折射率不同，也说明不同光在同一介质中的速度不同；根据光的全反射现象，说明光由光密介质进入光疏介质和由光疏介质进入光密介质会有不同的现象；光的偏振现象说明振动方向与光的传播方向垂直，即说明光是横波，所以正确选项为D.【答案】 D4．如图4－6－2所示，让自然光照到P、Q两偏振片上，当P、Q两偏振片的透射光偏振方向间的夹角为以下哪个度数时，透射光的强度最弱( )图4－6－2A．0°B．30°C．60°D．90°【解析】当两偏振片的夹角为90°时，偏振光的振动方向与偏振片透振方向垂直，透射光最弱，故正确答案为D.【答案】 D。

第六节光的衍射和偏振第七节激光1．知道光的衍射现象、光的偏振现象和激光的特点．2．能分析单缝衍射现象和光的偏振现象．3．能探究光的衍射现象的特点和光的偏振现象的规律．4．了解偏振光和激光的应用．知识点一光的衍射1．定义光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，会偏离原有直线传播的途径而绕到障碍物后面的现象．2．常见的衍射现象(1)狭缝衍射现象：光通过狭缝时，在屏上出现明暗相间的条纹．(2)圆孔衍射现象：光通过小孔时，在屏上出现明暗相间的圆环．3．光的明显衍射的条件当障碍物或孔的尺寸与光的波长相当，甚至小于光的波长时，衍射现象将十分明显．知识点二光的偏振1．偏振片和透振方向．偏振片是一种由特殊材料制成的元件，它有一个特殊的方向，叫作透振方向．当光的振动方向与透振方向平行时，光能完全通过偏振片；当光的振动方向与透振方向垂直时，光不能通过偏振片，当处于两者之间时，光只能部分通过．2．只有横波才具有偏振性，光的偏振现象验证了光是横波．3．偏振现象在生活中的应用：(1)保护眼睛的偏振光眼镜．(2)摄影爱好者常备的偏振滤光片．知识点三激光1．激光的特性(1)单色性好：光谱宽度很窄．(2)相干性好：具有频率相同，相位差恒定，偏振方向一致的特点．(3)平行度好：能量在空间高度集中，不容易发散．(4)亮度高：可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量．2．激光的应用(1)光导纤维中用激光作为信息高速传输的载体．(2)激光在雷达上用于测量距离和跟踪目标．(3)工业上的激光切割、激光焊接技术，医学上切割肿瘤的“光刀”等．(4)全息照相．1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)．(1)衍射和干涉条纹都是明暗相间的，所以二者是一样的．(×)(2)所有光都能发生衍射现象．(√)(3)激光是人工产生的相干光，其单色性好、相干性好．(√)(4)光的偏振现象说明光是横波．(√) 2．(多选)关于衍射，下列说法正确的是( )A．衍射现象中条纹的出现是光叠加后产生的结果B．双缝干涉中也存在衍射现象C．一切波都很容易发生明显的衍射现象D．影的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实AB[衍射花纹图样是光波相互叠加的结果，故A正确；双缝干涉中缝的宽度与波长差不多，光通过缝时，也发生了衍射现象，故B正确；衍射是波特有的现象，一切波都能发生衍射，但只有波长大于或相当于障碍物或小孔的尺寸时，才能发生明显的衍射，故C错误；当波长比障碍物或小孔的尺寸小得多时，不能发生明显的衍射，这是表现出直线传播的特征，出现了影，影的存在与衍射现象并不是相互矛盾的，故D错误．]3．(多选)一束自然光通过起偏器照射到光屏上，则图中光屏上发亮的有(起偏器上用箭头表示其透射方向)( )A B C DABD[自然光通过起偏器后成为偏振光，当偏振光的振动方向与起偏器的透振方向平行时能够通过，否则不能通过，所以A、B、D正确．]取3块不透光的板，在每块板的中间各开1个圆孔，3块板所开的圆孔大小不一．先用点光源照射圆孔最大的那块板，在屏上会出现一个明亮的圆形光斑图a；再换上圆孔中等的那块板，在屏上会出现图b；最后用圆孔最小(直径约为 1 mm)的那块板，在屏上会出现图c.(1)屏上图b产生了什么现象？(2)比较屏上图b和图c，说明了什么？提示：(1)衍射现象．(2)孔越小，衍射现象越明显．光的衍射1．单缝衍射图样(1)单色光通过狭缝时，在屏上出现明暗相间的条纹，中央条纹最宽最亮，两侧的亮条纹逐渐变暗变窄；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色光纹，中央为白色条纹．(2)波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，条纹间距大；单缝一定时，光波波长大的中央条纹宽，条纹间距大．2．圆孔衍射图样(1)中央是大且亮的圆形亮斑，周围分布着明暗相间的同心圆环，且越靠外，圆形亮条纹的亮度越弱，宽度越小，如图所示．(2)圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱．(3)用不同色光照射圆孔时，得到的衍射图样的大小和位置不同，波长越大，中央圆形亮斑的直径越大．(4)白光的圆孔衍射图样中，中央是大且亮的白色光斑，周围是彩色同心圆环．(5)只有圆孔足够小时才能得到明显的衍射图样．在圆孔由较大直径逐渐减小的过程中，光屏上依次得到几种不同的现象——圆形亮斑(光的直线传播)、光源的像(小孔成像)、明暗相间的圆环(衍射图样)．3．不透明的小圆板衍射图样(泊松亮斑)(1)中央是亮斑．圆板阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环．(2)周围的亮环或暗环间距随半径增大而减小．【典例1】对于单缝衍射现象，下列说法正确的是( )A．缝的宽度d越小，衍射条纹越亮B．缝的宽度d越小，衍射现象越明显C．缝宽度d越小，光传播路线越接近直线D．入射光的波长越短，衍射现象越明显B[单缝衍射现象中，波长越长越容易衍射，中央亮纹越宽，所以d减小，相对波长变长，因此衍射现象越明显．缝宽度d越小，越体现光子的随机性，衍射越明显，入射光的波长越长，衍射现象越明显，所以答案为B.][跟进训练]1．(多选)在观察光的衍射实验中，分别观察到如图甲、乙所示的清晰的明暗相间的图样，图中黑线为暗纹．那么障碍物应是( )A．甲图对应的障碍物应是小圆孔B．甲图对应的障碍物是小圆板C．乙图对应的障碍物应是小圆板D．乙图对应的障碍物是小圆孔AC[比较两图，它们的背景明显不同，甲图的背景为黑色阴影，说明障碍物应是很大的不透明挡板，中间有透光并且带有衍射图样的花纹，说明挡板的中间有小圆孔；乙图的背景为白色，说明周围没有障碍物，中间有不透光圆形阴影，并且带有衍射图样的花纹，说明中间存在很小的不透明圆板，乙图正中央的小亮点是泊松亮斑．故A、C正确，B、D错误．] 单缝衍射、双缝干涉的比较单缝衍射与双缝干涉的比较名称单缝衍射双缝干涉不同点产生条件只要狭缝足够小，任何光都能发生频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两列光波相遇叠加或削弱条纹宽度条纹宽度不等，中央最宽条纹宽度相等条纹间各相邻条纹间距不等各相邻条纹等间距距亮度中央条纹最亮，两边变暗条纹清晰，亮度基本相等相同点成因都有明暗相间的条纹，条纹都是光波叠加时加强或削弱的结果意义都是波特有的现象，表明光是一种波【典例2】如图所示的4种明暗相间的条纹，是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分表示亮纹)．则在下面的四个图中从左往右排列，哪个图是黄光形成的条纹( )A B C DD[双缝干涉的图样是明暗相间的干涉条纹，所有条纹宽度相同且等间距，故A、C是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样；单缝衍射条纹是中间明亮且宽大，越向两侧宽度越小越暗，而波长越长，中央亮条纹越粗，故B、D是衍射图样，紫光波长较短，则中央亮条纹较细，故B是紫光的衍射条纹，D是黄光的衍射条纹，故选D.]区分双缝干涉条纹与单缝衍射条纹的方法(1)根据条纹的宽度区分：双缝干涉的条纹是等宽的，条纹间的距离也是相等的，而单缝衍射的条纹，中央亮条纹最宽，两侧的亮条纹逐渐变窄．(2)根据亮条纹的亮度区分：双缝干涉条纹，从中央亮纹往两侧亮度变化很小，而单缝衍射条纹的中央亮纹最亮，两侧的亮纹逐渐变暗．激光激光的特性及应用特点(与普通光相比)特点内容应用单色性好相干性好频率单一，相位差恒定，易发生干涉现象，可像无线电波一样调制激光全息照相、光纤通信、光的干涉方向性好激光的方向性非常好，是一束几乎不发散的平行光，可以会聚到很小的点上测距和跟踪目标、CD唱片、计算机光盘亮度高激光能在很小的空间、很短的时间内集中很大的能量“光刀”、激发核反应A．全息照片拍摄是利用了激光的全反射原理B．利用激光是相干光，可以用在雷达上进行精确的测距C．由于激光平行度好，它能像无线电波那样被调制，用来传递信息D．利用激光亮度高，可以用在医学上做光刀切除肿瘤，或“焊接”剥落的视网膜D[全息照片拍摄是利用了激光的频率单一，相干性好，能够产生明显的干涉，故A错误；利用激光平行度好，可以用在雷达上进行精确的测距，故B错误；利用激光相干性好，它能像无线电波那样被调制，用来传递信息，故C错误；利用激光光强度大、能量集中，可以用在医学上做光刀切除肿瘤，或“焊接”剥落的视网膜，故D正确．][跟进训练]2．激光可以用来进行精确的测距，激光测距雷达就是一种可以用来测距的装置，它是利用了激光的什么特点( )A．激光具有高度的相干性B．激光的平行度非常好C．激光的亮度高D．激光的单色性好B[“激光测距雷达”利用激光测量很远距离的目标是因为激光平行度好，方向性好．故B 正确．]光的偏振1．偏振现象对于横波通过狭缝的情况，只有狭缝的方向与横波质点的振动方向相同时，横波才能无阻碍地通过狭缝，而当狭缝的方向与横波质点的振动方向垂直时，横波不能通过狭缝，说明偏振是横波特有的现象．2．自然光与偏振光的区别种类自然光(非偏振光)偏振光不同点光的来源直接从光源发出的光自然光通过偏振片后的光或由某种介质反射或折射的光光的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿所有方向，且沿各个方向振动的光强度都相同在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿某一特定方向(与偏振片透振方向一致)【典例4】(多选)在垂直于太阳光的传播方向前后放置两个偏振片P和Q，在Q的后边放上光屏，如图所示，则下列说法正确的是( )A．Q不动，旋转偏振片P，屏上光的亮度不变B．Q不动，旋转偏振片P，屏上光的亮度时强时弱C．P不动，旋转偏振片Q，屏上光的亮度不变D．P不动，旋转偏振片Q，屏上光的亮度时强时弱[思路点拨]该题可按如下思路分析：太阳光是自然光→振动方向与偏振片的透振方向相同的光透过→两平行偏振片的透振方向平行时透光最多，垂直时不透光．BD[P是起偏器，它的作用是把太阳光(自然光)转变为偏振光，该偏振光的振动方向与P 的透振方向一致，所以当Q与P的透振方向平行时，通过Q的光强最大；当Q与P的透振方向垂直时，通过Q的光强最小，即无论旋转P或Q，屏上的光强都是时强时弱．]关于“偏振”的几个注意事项(1)偏振片是由特定的材料制成的，每个偏振片都有一个特定的方向，这个方向叫作“透振方向”，只有沿透振方向振动的光才能通过偏振片．(2)偏振片上的“狭缝”表示透振方向，而不是真实狭缝．(3)光的偏振现象说明光是一种横波．(4)自然光透过偏振片可以变成偏振光．(5)当偏振片的偏振方向与光的偏振方向夹角不同时，透过偏振片的光的强度不同．[跟进训练]3．关于自然光和偏振光，下列观点正确的是( )A．自然光能产生干涉和衍射现象，而偏振光却不能B．只有自然光透过偏振片才能获得偏振光C．自然光只能是白色光，而偏振光不能是白色光D．自然光和偏振光都能使感光底片感光D[振动沿各个方向均匀分布的光是自然光，而振动沿着特定方向的光是偏振光，但自然光和偏振光都能发生干涉、衍射，所以A错误；光的偏振现象并不罕见，除了从光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光都是偏振光，所以B错误；光的颜色由光的频率决定，与光的振动方向无关，所以C错误；自然光和偏振光都具有能量，都能使感光底片感光，D 正确．]1．(2022·北京卷)下列现象能说明光是横波的是( )A．光的衍射现象B．光的折射现象C．光的偏振现象D．光的干涉现象C[光的偏振现象能说明光是横波．故选C.]2．观察单缝衍射现象时，把缝宽由0.2 mm逐渐增大到 0.8 mm，看到的现象是( ) A．衍射条纹的间距逐渐变小，衍射现象逐渐不明显B．衍射条纹的间距逐渐变大，衍射现象越来越明显C．衍射条纹的间距不变，只是亮度增强D．衍射条纹的间距不变，只是亮度减弱A[由单缝衍射实验的调整与观察可知，狭缝宽度越小，衍射现象越明显，衍射条纹越宽，条纹间距也越大．将缝调宽，现象向相反方向变化，故A正确．]3．2016年，科学家利用激光干涉方法探测到由于引力波引起的干涉条纹的变化，这是引力波存在的直接证据．关于激光，下列说法中正确的是( )A．激光是自然界中某种物质直接发光产生的，不是偏振光B．激光相干性好，任何两束激光都能发生干涉C．用激光照射不透明挡板上小圆孔时，光屏上能观测到等间距的光环D．激光全息照片是利用光的干涉记录下物体三维图像的信息D[激光是人造光，也是偏振光，故A错误；激光相干性好，只有频率相同的两束激光才会发生干涉，故B错误；用激光照射不透明挡板上小圆孔时，光屏上能观测到衍射条纹，间距不等，故C错误；激光全息照片是利用光的干涉记录下物体三维图像的信息，故D正确．] 4．如图所示，电灯S发出的光先后经过偏振片A和B，人眼在P处迎着入射光方向看不到光亮，则( )A．图中a光为偏振光B．图中b光为自然光C．以SP为轴将B转过180°后，在P处将看到光亮D．以SP为轴将B转过90°后，在P处将看到光亮D[自然光在垂直于传播方向的平面内，沿各个方向的振动是均匀分布的，通过偏振片后，透射光是只沿着某一特定方向振动的光，从电灯直接发出的光为自然光，它通过偏振片A 后，即变为偏振光，故A、B错误；设通过A的光沿竖直方向振动，而偏振片B只能通过沿水平方向振动的偏振光，则P点无光亮，以SP为轴将B转过180°后，P处仍无光亮；以SP为轴将B转过90°后，则该偏振片将变为能通过沿竖直方向振动的光的偏振片，则偏振光能通过B，即在P处有光亮，故C错误，D正确．]5．应用激光平行性好的特性，可以精确地测量距离．对准目标发射一个极短的激光脉冲，测量发射脉冲与收到反射脉冲的时间间隔，就可以求出激光器到目标的距离．若在地球上向月球发射一个激光脉冲，测得从发射到收到反射脉冲所用的时间为 2.56 s，求月球到地球的距离大约是多少？[解析]真空中的光速c＝3.0×108 m/s，从发射脉冲到收到反射脉冲所用时间t ＝2.56 s ，月球与地球距离为l ＝12ct ＝12×3.0×108×2.56 m＝3.84×105 km.[答案] 3.84×105 km回顾本节内容，自主完成以下问题：1．圆孔衍射与泊松亮斑中央的条纹有什么不一样？提示：圆孔衍射的中央亮斑亮大，周围是明暗相间的条纹．泊松亮斑中央也是亮斑，比较小，周围是一大圈暗纹．2．干涉条纹与衍射条纹的不同点？提示：干涉条纹是等间距，衍射条纹是中央宽，两边窄，亮度变暗．3．光的偏振现象说明了什么？提示：光是横波．激光在眼科中的应用1．激光治疗青光眼眼球内是一个封闭的结构，正常情况下房水在前、后房不断循环流动，维持眼压在一个恒定水平．如果房水排出通道阻塞，房水排出受阻，眼压升高，引起眼球壁压力太大，重则导致视神经损害．激光巩膜切除术，具有操作简单、安全有效、切除精确易控制手术量、术后反应轻、并发症少、应用范围广等优点，是近年发展出的技术，被认为是最有潜力的发展方向．2．激光治疗白内障白内障是晶状体中出现浑浊而对视力产生影响的疾病．可以用激光乳化的方法除去晶状体核组织．当激光器发射激光后，能量迅速被晶状体组织中的水分子吸收，在光汽化作用下，水分子迅速蒸发膨胀，形成一个微小空穴泡，并发生微小爆破．当空穴泡塌陷后可使晶状体核组织乳化成微小颗粒，然后用手术仪的吸注系统吸除碎屑．3．激光治疗屈光不正屈光不正是指在眼球调节松弛状态下，来自 5 m 以外的平行光线，经过眼的屈光系统屈折后，不能在视网膜上清晰成像的情况．它包括远视、近视及散光．病因是眼球的形状改变，不能将光线准确对焦视网膜上．临床上可以用准分子激光来进行矫正，准分子激光是波长很短的紫外光，它与生物组织发生的是光化学效应而不是热效应，因此，不会产生热损伤．在计算机控制下，可根据所需矫正的屈光度，利用准分子激光对角膜组织进行精确切削，改变角膜弯曲度，从而实现矫正．4．激光治疗眼底病眼底由视网膜、眼底血管、视神经乳头、视神经纤维、视网膜上的黄斑部以及视网膜后的脉络膜等构成，这些部位的病变统称为眼底病．常见的眼底病有视网膜裂孔、糖尿病视网膜病变、视网膜中央静脉及分支阻塞、视网膜血管瘤、中心性浆液视网膜脉终膜病变，等等．由于眼球具有透明的间质等特殊结构，所以激光是一个良好的治疗眼底病的工具．1．激光治疗眼病主要应用激光的什么特点？提示：能量高．2．激光除了应用于医疗外，还用于哪些方面？举例说明。

光的衍射和偏振教学目标（一）知识目标1、知道几何光学中所说的光沿直线传播是一种近似．2、知道光通过狭缝和圆孔的衍射现象．3、知道观察到明显衍射的条件4、知道振动中的偏振现象，了解什么是偏振现象，知道偏振是横波的特点．5、知道偏振光和自然光的区别，知道偏振光在实际生活中的应用．（二）能力目标1、了解单缝衍射、小孔衍射，并能用相关知识对生活中的有关现象进行解释和分析．2、通过光的偏振现象和机械波的偏振现象的实验对比，理解光波是横波的实质．（三）情感目标1、让学生知道科学研究必须重视理论的指导和实践的勤奋作用；2、必须有自信心和踏实勤奋的态度；3、在学习中也要有好品质、好作风．4、培养良好的物理实验习惯，学会用理论指导实践，用实验来验证理论．5、知道在学习物理的过程中，做好实验的重要性．教学建议有关光的衍射的教学建议应该让学生了解，光的直进，是几何光学的基础，光的衍射现象并没有完全否定光的直进，而是指出了光的直进的适用范围或者说它的局限性．课本只要求学生初步了解光的衍射现象，不做理论讨论，因此与机械波类比和观察实验现象是十分重要的．首先，要结合机械波的衍射，使学生明确光产生衍射的条件．讲光的衍射要配合演示实验、要让学生能区分干涉图样与衍射图样的区别．单色光干涉图样条纹等间距，衍射图样中间宽两边窄．除了演示实验外，要尽可能多地让学生自己动手做实验进行观察．包括节后的小实验2，以及观察小孔衍射(在铝箔或胶片上打出尺寸不同的小孔，以小电珠作光源，距光源1～2米，眼睛靠近小孔观察光通过小孔的衍射花样--彩色圆环)．还可让学生通过羽毛、纱巾观看发光的灯丝(对见到的彩色花样可不作解释)等等，以补学生对这一现象的不熟悉和帮助学生理解．在本节教材中提到泊松亮斑--泊松原以为这下子可以驳倒菲涅尔的波动理论了，事与愿违，菲涅尔和阿拉果接受了泊松的挑战，用实验验证了这个理论结论，实验却成了波动理论极其精彩的实证，菲涅尔为此获得了科学奖金(1819年)．这个科学小故事告诉我们，在科学研究上必须重视理论的指导作用和实践的检验作用；作为科研工作者，必须有坚定的自信心和踏实勤奋的工作态度．今天的学习，在掌握知识的同时，也应培养自己这方面的好品质、好作风．在复习前两节内容干涉、衍射的基础上进行小结，让学生了解：光的干涉和衍射说明光具有波动性；光的偏振说明光是横波.可以先向学生介绍波的偏振现象，然后演示光的偏振现象实验，最好由学生自己亲自动手观察偏振光．引导学生分析横波的偏振特性，区别纵波的无偏振特性，再让学生区别偏振光与自然光．并分析讲解偏振光的产生方式，这一部分知识也可以让学生自己学习，查找资料．最后进行总结。

课堂互动三点剖析1.光的衍射现象（1)衍射现象：光绕过障碍物或通过小孔进入几何阴影区的现象.（2)发生明显的衍射现象的条件：障碍物或小孔的尺寸与波长相比差不多或比光波的波长小.说明：光的干涉现象表明光是一种波,由于衍射是波的特点,则光能够发生衍射,因此光能够绕过障碍物或通过小孔进入几何阴影区而传播,即发生衍射现象.但由于可见光的波长较短,由发生明显的衍射现象的条件可知,光的衍射现象不易观察.2.光的偏振不同的横波振动方向可以不同,但对于一个确定的横波而言,它的振动方向是确定的,并且与传播方向垂直,这就是我们利用横波与纵波的区别来判断某种波是横波,还是纵波.光的偏振现象（1)自然光：从普通光源（如太阳、电灯等）直接发出的光，包含着在垂直于光的传播方向上一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同.（2)偏振光：自然光通过偏振片后,只有振动方向跟偏振片的透振方向一致的光波才能通过,这时的光只沿着一个特定的方向振动.各个击破【例1】下列哪些属于光的衍射现象( )A.雨后美丽的彩虹B.对着日光灯从两铅笔的缝中看到的彩色条纹C.阳光下肥皂膜上的彩色条纹D.光通过三棱境产生的彩色条纹解析：雨后的彩虹和光通过三棱镜产生的彩色条纹都是光的折射现象,阳光下肥皂膜上的彩色条纹是光的薄膜干涉现象,对着日光灯从两铅笔的缝中看到的彩色条纹是单缝衍射现象.故本题选项为B项.答案：B类题演练1对于单缝衍射现象,以下说法正确的是( )A.缝的宽度d越小,衍射条纹越亮B.缝的宽度d越小,衍射现象越明显C.缝的宽度d越小,光的传播路线越接近直线D.入射光的波长越短,衍射现象越明显解析：产生明显的衍射现象的条件是：障碍物或孔的尺寸跟波长差不多,或者比波长小,由于光波波长都很短,所以在单缝衍射现象中,缝的宽度d越小,衍射现象越明显.所以B答案的正确的.缝的宽度d越小,透过缝的光的能量越小,亮度也越小,即A错误,缝的宽度d越小,越容易发生衍射,即容易偏离直线路径绕到障碍物阴影中去.故C错.在缝的宽度d不变的情况下,入射光波长越短,越不容易发生明显的衍射现象,故D错误,所以选B.答案：B【例2】两个偏振片紧靠在一起,将它们放在一盏灯的前面以至没有光通过,如果将其中的一片旋转180°,在旋转过程中,将会产生下述的哪一种现象( )A.透过偏振片的光强先增强,然后又减少到零B.透过偏振片的光强先增强，然后减少到非零的最小值C.透过偏振片的光强在整个过程中都增强D.透过偏振片的光强先增强,再减弱,然后又增强解析：起偏器和检偏器的偏振方向垂直时,没有光通过;偏振方向平行时,光强度达到最大,当其中一个偏振片转动180°的过程中,两偏振片的方向由垂直到平行再到垂直,所以通过的光先增强,又减小到零,所以答案为A.答案：A类题演练2通过一块偏振片去观察电灯、蜡烛、月亮、反光的黑板，当以入射光线为轴转动偏振片时，看到的现象有何不同？解析：通过一块偏振片去观察电灯、蜡烛时，透射光的强度不随偏振片的旋转而变化.因为灯光、烛光都是自然光，沿各个方向振动的光的强度相同，因此，当偏振片旋转时，透射出来的光波的振动方向虽然改变了（肉眼对此不能感觉到），但光的强弱没有改变，月亮、黑板反射的光已经是偏振光，它们通过偏振片透射过来的光线的强弱会随偏振片的旋转发生周期性的变化.课堂互动三点剖析1.经典的相对性原理，狭义相对论的两个基本假设经典的相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的.狭义相对论的两个基本假设：（1)狭义相对性原理：在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的.（2)光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性系中都是相同的.2.“同时”的相对性在狭义相对论的时空观中认为：同时是相对的，即在一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中不一定是同时的.各个击破【例1】判断是否正确：伽利略的相对性原理和爱因斯坦相对性原理是相同的.解析：伽利略相对性原理适用低速，爱因斯坦的相对论适用于高速.答案：错.类题演练1牛顿的经典力学只适用于_____________和_____________.答案：宏观低速【例2】考虑几个问题：（1)如图5-1-1所示，参考系O′相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？图5-1-1（2)参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？（3)参考系O相对于参考系O′以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？解析：根据狭义相对论理论，光速是不变的，都应是c.答案：三种情况都是c.类题演练2为光速不变原理提供有力证据的实验是什么实验？答案：麦克耳孙——莫雷实验.【例3】试说明“同时”的相对性如图5-1-2所示，火车以v匀速直线运动，车厢中央有一闪光灯发出光信号，光信号到车厢前壁为事件1，到后壁为事件2；地面为S系，列车为S′系.图5-1-2在S′系中，A以速度v向光接近，B以速度v离开光，事件1与事件2同时发生.在S系中，光信号相对车厢的速度v′1=c-v,v′2=c+v,事件1与事件2不是同时发生.即S′系中同时发生的两个事件，在S系中观察却不是同时发生的.因此，“同时”具有相对性.类题演练3地面上A、B两个事件同时发生，对于坐在火箭中沿两个事件发生地点连线从A到B飞行的人来说哪个事件先发生？答案：B事件先发生。

相对论质能关系Ⅰ实验一：探究单摆的运动、用单摆测定重力加速度卷Ⅰ：T34(1)填空题实验二：测定玻璃的折射率实验三：用双缝干涉测光的波长基础课1 机械振动知识点一、简谐运动单摆、单摆的周期公式1．简谐运动(1)定义：物体在跟位移大小成正比并且总是指向平衡位置的回复力作用下的振动。

(2)平衡位置：物体在振动过程中回复力为零的位置。

(3)回复力①定义：使物体返回到平衡位置的力。

②方向：总是指向平衡位置。

③来源：属于效果力，可以是某一个力，也可以是几个力的合力或某个力的分力。

(4)简谐运动的特征①动力学特征：F回＝－kx。

②运动学特征：x、v、a均按正弦或余弦规律发生周期性变化(注意v、a的变化趋势相反)。

③能量特征：系统的机械能守恒，振幅A不变。

2．简谐运动的两种模型模型弹簧振子单摆示意图简谐运动条件(1)弹簧质量可忽略(2)无摩擦等阻力(3)在弹簧弹性限度内(1)摆线为不可伸缩的轻细线(2)无空气等阻力(3)最大摆角小于5°回复力弹簧的弹力提供摆球重力沿与摆线垂直(即切向)方向的分力平衡位置弹簧处于原长处最低点周期与振幅无关T＝2π lg能量转化弹性势能与动能的相互转化，机械能守恒重力势能与动能的相互转化，机械能守恒知识点二、简谐运动的公式和图象1．简谐运动的表达式(1)动力学表达式：F＝－kx，其中“－”表示回复力与位移的方向相反。

(2)运动学表达式：x＝Asin(ωt＋φ)，其中A代表振幅，ω＝2πf表示简谐运动的快慢。

2．简谐运动的图象(1)从平衡位置开始计时，函数表达式为x＝Asin ωt，图象如图1甲所示。

图1(2)从最大位移处开始计时，函数表达式为x＝Acos ωt，图象如图1乙所示。

知识点三、受迫振动和共振1．受迫振动系统在驱动力作用下的振动。

做受迫振动的物体，它做受迫振动的周期(或频率)等于驱动力的周期(或频率)，而与物体的固有周期(或频率)无关。

2．共振图2做受迫振动的物体，它的固有频率与驱动力的频率越接近，其振幅就越大，当二者相等时，振幅达到最大，这就是共振现象。

第4章光一、光的折射和全反射光在涉及两个界面或两个以上界面问题时，难点集中在第二个界面，此时经常要利用一些数学知识得到对应的入射角后，再来判断，可能会发生全反射现象．若是平行玻璃砖的双界面是不会发生全反射的，若是其他的双界面，比如半圆形玻璃砖与空气构成的双界面等，就可能发生全反射．单色细光束射到折射率n ＝2的透明球表面，光束在过球心的平面内，入射角i ＝45°.研究经折射进入球内后又经内表面反射一次，再经球面折射后射出的光线，如图4－1所示(图上已画出入射光线和出射光线)．图4－1(1)在图上大致画出光线在球内的路径和方向．(2)求入射光线与出射光线之间的夹角α.(3)如果入射的是一束白光，透明球的色散情况与玻璃相仿，问哪种颜色光的α角最大，哪种颜色光的α角最小？【解析】 (1)如图(2)由折射定律sin r ＝sin i n ＝222＝12， 得r ＝30°.由几何关系及对称性有：α2＝r －(i －r )＝15°，α＝30°. (3)由于α＝4r －2i ＝4r －90°，因此，n 越大，r 越小，α越小，所以紫光α最小，红光α最大．【答案】 (1)如图所示 (2)30° (3)紫光α角小，红光α角大二、测介质的折射率前面已学习了测定玻璃折射率的一些方法，下面再介绍几种测液体(如水)折射率的一些方法．1．成像法(1)利用水面的反射成像和水的折射成像．方法：如图4－2所示，图4－2在一盛满水的烧杯中，紧挨杯口竖直插一直尺，在直尺的对面观察水面，能同时看到直尺在水中的部分和露出水面部分的像，若从点P看到直尺在水下最低点的刻度B的像B′(折射成像)恰好跟直尺在水面上刻度A的像A′(反射成像)重合，读出AC、BC的长，量出烧杯内径d，即可求出水的折射率n ＝BC2＋d2AC2＋d2.(2)利用折射成像2．插针法原理：光的折射定律．方法：如图4－3所示，图4－3取一方木板，在板上画出互相垂直的两条线AB、MN，从它们的交点O处画直线OP(使∠PON ＜45°)，在直线OP上P、Q两点垂直插两枚大头针．把木板放入水中，使AB与水面相平，MN与水面垂直．在水面上观察，调整视线使P的像被Q的像挡住，再在木板S、T处各插一枚大头针，使S挡住Q、P的像，T挡住S及Q、P的像．从水中取出木板，画出直线ST，量出图中的角i、r，则水的折射率n＝sin i/sin r.3．视深法原理：利用视深公式h′＝h/n.方法：在一盛水的烧杯底部放一粒绿豆，在水面上方吊一根针，如图4－4所示．调节针的位置，直到针尖在水中的像与看到的绿豆重合，测出针尖距水面距离即为杯中水的视深h′，再测出水的实际深度h，则水的折射率n＝h/h′.图4－44．全反射法原理：全反射现象．方法：在一盛满水的大玻璃缸下面放一发光电珠，如图4－5所示．在水面上观察，看到一圆的发光面，量出发光面直径D及水深h，则水的折射率n＝D2＋4h2D.图4－5一圆柱形容器，底半径与高之比为2∶3，眼睛沿DA方向看去恰能看到底部边缘P点，将容器注满某种液体，眼睛仍保持DA方向看去，恰能看到底部圆心Q点，如图4－6所示．图4－6(1)求此液体的折射率；(2)从液面上方垂直向下观察，桶底看起来的深度是多少？【解析】(1)依题意做折射光路图，设容器高为3H，n＝sin θ1sin θ2，由几何关系知：sin θ1＝2RAP，R＝2H，AP＝5H.sin θ2＝RAQ，AQ＝13H.所以n＝sin θ1sin θ2＝4/52/13＝2135＝1.44.(2)从液面正视容器底部Q点，由折射而成的虚像深度H′＝3Hn＝3H2135＝152613H.由设容器高为3H，得H′为容器高度(液体实际深度)的0.69倍．【答案】(1)1.44 (2)是实际深度0.69倍三、光的干涉和衍射现象的分析概述：光在传播过程中，若遇到的障碍物、孔或缝的尺寸比光波的波长小或相差不大时，光就会偏离原来的直线传播路径而绕到“阴影”区域发生衍射。

第四章光及其应用第一节光的折射定律.................................................................................................. - 1 - 第二节测定介质的折射率.......................................................................................... - 6 - 第三节光的全反射与光纤技术................................................................................ - 10 - 第四节光的干涉........................................................................................................ - 15 - 第五节用双缝干涉实验测定光的波长.................................................................... - 21 - 第六节光的衍射和偏振、激光................................................................................ - 25 -第一节光的折射定律知识点一光的折射定律如图所示，当光线从空气射入介质时，发生折射，折射光线、入射光线和法线在同一平面内，折射光线和入射光线分别位于法线两侧；入射角i的正弦值跟折射角γ的正弦值成正比．用公式表示为：sin isin γ＝n．知识点二折射率1．定义：光从真空射入某种介质发生折射时，入射角i的正弦值与折射角γ的正弦值之比n，叫作这种介质的折射率．2．公式：n＝sin i sin γ．3．意义：折射率与介质的自身性质有关，与入射角大小无关，是一个反映介质光学性质的物理量．4．折射率与光速的关系：不同介质的折射率不同，是由光在不同介质中的传播速度不同引起的，即n＝cv，式中c为光在真空中的传播速度．由于c＞v，故n＞1．考点1光的折射定律和折射率有经验的渔民叉鱼时，不是正对着看到的鱼去叉，而是对着所看到鱼的下方叉，如图所示．你知道这是为什么吗？提示：从鱼身上反射的光线由水中进入空气时，在水面上发生折射，折射角大于入射角，折射光线进入人眼，人眼会逆着折射光线的方向看去，就会觉得鱼变浅了，眼睛看到的是鱼的虚像，在鱼的上方，所以叉鱼时要瞄准像的下方，如图所示．(1)光从一种介质进入另一种介质时，折射角与入射角的大小关系不要一概而论，要视两种介质的折射率大小而定．(2)当光从折射率小的介质斜射入折射率大的介质时，入射角大于折射角，当光从折射率大的介质斜射入折射率小的介质时，入射角小于折射角．2．折射光路是可逆的在光的折射现象中，光路是可逆的，即让光线逆着原折射光线射到界面上，光线就逆着原来的入射光线发生折射．3．对折射率的理解(1)关于正弦值：当光由真空射入某种介质时，入射角、折射角以及它们的正弦值是可以改变的，但正弦值的比值是一个常数．(2)关于常数n：入射角的正弦值跟折射角的正弦值之比是一个常数，但不同介质具有不同的常数，说明常数反映了该介质的光学特性．(3)折射率与光速的关系：光在介质中的传播速度v跟介质的折射率n有关，即n＝cv，由于光在真空中的传播速度c大于光在任何其他介质中的传播速度v，所以任何介质的折射率n都大于1．(4)决定因素：介质的折射率是反映介质的光学性质的物理量，它的大小由介质本身及光的性质共同决定，不随入射角、折射角的变化而变化．【典例1】如图所示，一束单色光射入一玻璃球体，入射角为60°，已知光线在玻璃球内经一次反射后，再次折射回到空气中时与入射光线平行．此玻璃的折射率为()A．2B．1.5C．3D．2C[作出光线在玻璃球体内光路图如图所示：A、C是折射点，B是反射点，OD平行于入射光线，由几何知识得，∠AOD ＝∠COD＝60°，则∠OAB＝30°，即折射角r＝30°，入射角i＝60°，根据折射定律有：n＝sin isin r＝3，故C正确，A、B、D错误．]折射问题的四点注意(1)根据题意画出正确的光路图．(2)利用几何关系确定光路中的边、角关系，要注意入射角、折射角的确定．(3)利用反射定律、折射定律求解．(4)注意光路可逆性、对称性的应用．考点2光的色散如图所示是一束白光照射到三棱镜上后出现的色散现象，请问玻璃对哪种色光的折射率最大，对哪种色光的折射率最小？提示：由图可知，红光经过棱镜后偏折程度最小，紫光经过棱镜后偏折程度最大，故玻璃对紫光的折射率最大，对红光的折射率最小．1．同一介质对不同色光的折射率不同，对红光的折射率最小，对紫光的折射率最大．2．由n ＝c v 可知，各种色光在同一介质中的光速不同，红光速度最大，紫光速度最小．3．同一频率的色光在不同介质中传播时，频率不变，光速改变⎝ ⎛⎭⎪⎫v ＝c n ＝λf ，波长亦随之改变． 【典例2】 如图所示，有一截面是直角三角形的棱镜ABC ，∠A ＝30°，它对红光的折射率为n 1，对紫光的折射率为n 2，在距AC 边d 处有一与AC 平行的光屏，现有由以上两种色光组成的很细的光束垂直AB 边射入棱镜．(1)红光和紫光在棱镜中的传播速度之比为多少？(2)若两种色光都能从AC 面射出，求在光屏MN 上两光点的距离．[解析] (1)v 红＝c n 1，v 紫＝c n 2，所以v 红v 紫＝n 2n 1． (2)画出两种色光通过棱镜的光路图，如图所示，由图得sin r 1sin 30°＝n 1，sin r 2sin 30°＝n 2， 由数字运算得：tan r 1＝n 14－n 21，tan r 2＝n 24－n 22， x ＝d (tan r 2－tan r 1)＝d ⎝ ⎛⎭⎪⎫n 24－n 22－n 14－n 21． [答案] (1)n 2n 1 (2)d ⎝ ⎛⎭⎪⎫n 24－n 22－n 14－n 21复色光通过三棱镜发生色散的规律如图所示，复色光经过棱镜折射后分散开来，是因为复色光中包含多种颜色的光，同一种介质对不同色光的折射率不同．(1)折射率越大，偏折角也越大，经棱镜折射后，越靠近棱镜的底部．(2)折射率大的，在介质中传播速度小，复色光经三棱镜折射后，靠近顶端的色光的传播速度大，靠近棱镜底端的色光的传播速度小．第二节测定介质的折射率[实验目标]1．测量玻璃的折射率．2．学习用插针法确定光路．一、实验原理用插针法确定光路，找出跟入射光线相对应的折射光线，用量角器测出入射角i和折射角γ，根据折射定律计算出玻璃的折射率n＝sin isin γ．二、实验器材玻璃砖、白纸、木板、大头针四枚、图钉四枚、量角器、刻度尺、铅笔．三、实验步骤(1)如图所示，将白纸用图钉钉在平木板上；(2)在白纸上画出一条直线aa′作为界面(线)，过aa′上的一点O画出界面的法线NN′，并画一条线段AO作为入射光线；(3)把长方形玻璃砖放在白纸上，使它的长边跟aa′对齐，画出玻璃砖的另一边bb′；(4)在直线AO上竖直插上两枚大头针P1、P2，透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线方向直到P2的像挡住P1的像．再在观察者一侧竖直插上两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P3及P1、P2的像，记下P3、P4的位置；(5)移去大头针和玻璃砖，过P3、P4所在处作直线O′B与bb′交于O′，直线O′B 就代表了沿AO方向入射的光线通过玻璃砖后的传播方向；(6)连接OO′，入射角i＝∠AON，折射角γ＝∠O′ON′，用量角器量出入射角和折射角，从三角函数表中查出它们的正弦值，把这些数据记录在自己设计的表格中；(7)用上述方法分别求出入射角分别为30°、45°、60°时的折射角，查出它们的正弦值，填入表格中．四、数据处理方法一：平均值法求出在几次实验中所测sin isin γ的平均值，即为玻璃砖的折射率．方法二：图像法在几次改变入射角、对应的入射角和折射角正弦值的基础上，以sin i值为横坐标、以sin γ值为纵坐标，建立直角坐标系，如图所示．描数据点，过数据点连线得一条过原点的直线．求解图线斜率k，则k＝sin γsin i＝1n，故玻璃砖折射率n＝1k．方法三：作图法在找到入射光线和折射光线以后，以入射点O为圆心，以任意长为半径画圆，分别与AO交于C点，与OE(或OE的延长线)交于D点，过C、D两点分别向N′N 作垂线，交NN′于C′、D′，用直尺量出CC′和DD′的长，如图所示．由于sin i＝CC′CO，sin γ＝DD′DO，而CO＝DO，所以折射率n1＝sin isin γ＝CC′DD′．五、注意事项(1)实验时，尽可能将大头针竖直插在纸上，且大头针之间及大头针与光线转折点之间的距离要稍大一些．(2)入射角i应适当大一些，以减小测量角度的误差，但入射角不宜太大．(3)在操作时，手不能触摸玻璃砖的光洁面，更不能把玻璃砖界面当尺子画界线．(4)在实验过程中，玻璃砖与白纸的相对位置不能改变．(5)玻璃砖应选用宽度较大的，宜在5 cm以上．若宽度太小，则测量误差较大．六、实验误差(1)入射光线和出射光线画得不够精确．因此，要求插大头针时两大头针间距应稍大．(2)入射角、折射角测量不精确．为减小测角时的相对误差，入射角要稍大些，但不宜太大，入射角太大时，反射光较强，折射光会相对较弱．【典例1】如图所示，关于“测定玻璃的折射率”的实验，回答以下问题．(1)请证明图中的入射光线和射出玻璃砖的光线是平行的；(2)为减小实验误差，入射角大一些好还是小一些好？[解析](1)如图所示，证明：n＝sin i1sin r1＝sin r2sin i2，而r1＝i2，所以i1＝r2，所以入射光线平行于出射光线．(2)大一些好．这样测量的误差会小些，可以减小实验误差．[答案](1)见解析(2)大一些【典例2】小显和小涛同学“用插针法测玻璃棱镜的折射率”．甲乙(1)小显同学按实验步骤，先在纸上插下二枚大头针P1、P2，然后在玻璃棱镜的另一侧插下另外二枚大头针，如图甲所示．则插针一定错误的是________(选填“P3P4”或“P5P6”)，按实验要求完成光路图，并标出相应的符号，所测出的玻璃棱镜的折射率n＝________．(2)小涛同学突发奇想，用两块同样的玻璃直角三棱镜ABC来做实验，两者的AC面是平行放置的，如图乙所示．插针P1、P2的连线垂直于AB面，若操作正确的话，则在图乙中右边的插针应该是________(选填“P3P4”“P3P6”“P5P4”或“P5P6”)．[解析](1)光线经三棱镜折射后应该偏向底边，故插针一定错误的是“P5P6”；光路如图；根据光的折射定律：n＝sin θ1 sin θ2．(2)根据光路图可知，经过P1P2的光线经两块玻璃砖的分界处后向下偏，然后射入右侧玻璃砖后平行射出，则图乙中右边的插针应该是P5P6．[答案](1)P5P6见解析图sin θ1sin θ2(2)P5P6第三节 光的全反射与光纤技术知识点一 光的全反射现象1．光的全反射 当光从折射率较大的介质(光密介质)射入折射率较小的介质(光疏介质)时，折射角大于入射角且随入射角增大而增大．当入射角达到一定角度，折射角变成90°，继续增大入射角，折射角将大于90°．此时，入射光线全都被反射回折射率较大的介质中，这种现象称为光的全反射．2．临界角在光的全反射现象中，折射角等于90°时的入射角，记作i c 且sin i c ＝1n ．3．发生光的全反射的两个必要条件(1)光线从光密介质射入光疏介质；(2)入射角等于或大于临界角．知识点二 光导纤维的工作原理1．光纤及原理光导纤维简称光纤，它能把光(信号)从一端远距离传输到光纤的另一端，其原理就是利用了光的全反射．2．光纤的构造光纤用的是石英玻璃或塑料拉制成的细丝，光纤由纤芯和包层组成，纤芯的折射率大于包层的折射率．知识点三 光纤技术的实际应用1．光缆可以用来传送图像，医学上用来检查人体消化道的内窥镜就是利用了这种性质．2．光纤宽带、光纤电话、光纤有线电视等光纤通信网络进入千家万户． 考点1 全反射光照到两种介质界面处，发生了如图所示的现象．(1)上面的介质与下面的介质哪个折射率大？(2)全反射发生的条件是什么？提示：(1)下面的介质折射率大．(2)一是光由光密介质射入光疏介质；二是入射角大于等于临界角．(1)光疏介质和光密介质的比较：种类光的传播速度折射率光疏介质大小光密介质小大较光在其中传播速度的大小或折射率的大小来判断谁是光疏介质或光密介质．2．全反射规律(1)全反射的条件：①光由光密介质射向光疏介质．②入射角大于或等于临界角．(2)全反射遵循的规律：发生全反射时，光全部返回原介质，入射光与反射光遵循光的反射定律，由于不存在折射光线，光的折射定律不再适用．3．不同色光的临界角：不同颜色的光由同一介质射向空气或真空时，频率越高的光的临界角越小，越易发生全反射．【典例1】一厚度为h的大平板玻璃水平放置，其下表面贴有一半径为r的圆形发光面．在玻璃板上表面放置一半径为R的圆纸片，圆纸片与圆形发光面的中心在同一竖直线上．已知圆纸片恰好能完全遮挡住从圆形发光面发出的光线(不考虑反射)，求平板玻璃的折射率．[思路点拨](1)由圆纸片恰好完全挡住圆形发光面的光线可确定临界角．(2)根据sin i c＝1n可计算折射率．[解析] 根据全反射定律，圆形发光面边缘发出的光线射到玻璃板上表面时入射角为临界角(如图所示)，设为θ，且sin θ＝1n ．根据几何关系得：sin θ＝L h 2＋L 2， 而L ＝R －r ，联立以上各式，解得n ＝1＋⎝ ⎛⎭⎪⎫h R －r 2． [答案] 1＋⎝ ⎛⎭⎪⎫h R －r 2全反射定律的应用技巧(1)首先判断是否为光从光密介质进入光疏介质，如果是，下一步就要再利用入射角和临界角的关系进一步判断，如果不是则直接应用折射定律解题即可．(2)分析光的全反射时，根据临界条件找出临界状态是解决这类题目的关键．(3)当发生全反射时，仍遵循光的反射定律和光路可逆性．(4)认真规范作出光路图，是正确求解这类题目的重要保证．考点2 光导纤维的应用如图所示是光导纤维的结构示意图，其内芯和外套由两种光学性能不同的介质构成，内芯对光的折射率要比外套对光的折射率高．请问：在制作光导纤维时，选用的材料为什么要求内芯对光的折射率要比外套对光的折射率高？提示：光只有满足从光密介质射入光疏介质，才会发生全反射．而光导纤维要传播加载了信息的光，需要所有光在内芯中经过若干次反射后，全部到达目的地，所以需要发生全反射，故内芯对光的折射率必须要比外套对光的折射率高．1．构造及传播原理(1)构造：光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有1～100 μm ，如图所示，它是由内芯和外套两层组成，内芯的折射率大于外套的折射率．(2)传播原理：光由一端进入，在两层的界面上经过多次全反射，从另一端射出，光导纤维可以远距离传播光，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像． 2．光导纤维的折射率设光导纤维的折射率为n ，当入射角为θ1时，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图所示，则有：sin i c ＝1n ，n ＝sin θ1sin θ2，i c ＋θ2＝90°，由以上各式可得：sin θ1＝n 2－1． 由图可知：当θ1增大时，θ2增大，而从纤维射向空气中光线的入射角θ减小，当θ1＝90°时，若θ＝i c ，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即解得n ＝2，以上是光从纤维射向真空时得到的折射率，由于光导纤维包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此折射率要比2大些．【典例2】 如图所示，一根长为l ＝5.0 m 的光导纤维用折射率n ＝2的材料制成．一束激光由其左端的中心点以45°的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出来，求：(1)该激光在光导纤维中的速度v是多大．(2)该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少．[思路点拨](1)由光导纤维的折射率可计算临界角．(2)光在光导纤维侧面上发生全反射现象，计算出光的总路程，根据光速可求出传播时间．[解析](1)由n＝cv可得v≈2.1×108 m/s．(2)由n＝sin θ1sin θ2可得光线从左端面射入后的折射角为30°，射到侧面时的入射角为60°，大于临界角45°，因此发生全反射．同理光线每次在侧面都将发生全反射，直到光线到达右端面．由几何关系可以求出光线在光导纤维中通过的总路程s＝2l 3，因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间t＝sv≈2.7×10－8s．[答案](1)2.1×108 m/s(2)2.7×10－8s光导纤维问题的解题关键第一步：抓关键点．关键点获取信息光导纤维工作原理：全反射光束不会侧漏光束在侧壁发生全反射“从一个端面射入，从另一个端面射出”，根据这句话画出入射、折射及全反射的光路图，根据全反射的知识求解问题．第四节光的干涉知识点一光的双缝干涉现象将一支激光笔发出的光照射在双缝上，双缝平行于屏，在屏上观察到了明暗相间的条纹．知识点二光产生干涉的条件1．产生稳定干涉图样的条件两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向相同，即光波为相干波，而且两列相干光波到达明(暗)干涉条纹的位置的路程差Δr是波长的整数倍(或半波长的奇数倍)，即满足：Δr＝kλ，k＝0，±1，±2，…(明条纹)Δr＝(2k＋1)λ2，k＝0，±1，±2，…(暗条纹)2．干涉条纹间距公式屏上相邻明条纹(或暗条纹)间的距离Δx＝Ldλ，式中L为观察屏到双缝挡板的距离，d为双缝之间的距离，λ为光的波长．知识点三薄膜干涉1．定义薄膜干涉是光通过薄膜时产生的干涉．薄膜可以是透明固体、液体或由两块玻璃所夹的气体薄层．2．应用举例(1)在相机的镜头上通过镀上增透膜产生干涉，增加透射，减少反射．(2)肥皂泡上的颜色是由肥皂膜的前、后表面反射回来的两组光波相遇后形成的．考点1杨氏双缝干涉如图所示是杨氏双缝干涉实验的示意图，请问在该实验中单缝屏和双缝屏分别所起的作用是什么？提示：单缝屏是为了获得具有唯一频率和振动情况的线光源；双缝屏是为了获得两束频率相同、振动情况完全一致的相干光．1．双缝干涉的示意图2．屏上某处出现亮、暗条纹的条件频率相同的两列波在同一点引起的振动的叠加，如亮条纹处某点同时参与的两个振动步调总是一致，即振动方向总是相同；暗条纹处振动步调总是相反．具体产生亮、暗条纹的条件为(1)亮条纹产生的条件：屏上某点P 到两条缝S 1和S 2的路程差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍．即：|PS 1－PS 2|＝kλ＝2k ·λ2(k ＝0,1,2,3，…)k ＝0时，PS 1＝PS 2，此时P 点位于屏上的O 处，为亮条纹，此处的条纹叫中央亮条纹或零级亮条纹．k 为亮条纹的级次．(2)暗条纹产生的条件：屏上某点P 到两条缝S 1和S 2的路程差正好是半波长的奇数倍．即：|PS 1－PS 2|＝(2k －1)·λ2(k ＝0,1,2,3，…)k 为暗条纹的级次，从第1级暗条纹开始向两侧展开．3．干涉图样的特点(1)单色光的干涉图样特点：中央为亮条纹，两边是明、暗相间的条纹，且相邻亮条纹与亮条纹中心间、相邻暗条纹与暗条纹中心间的距离相等．(2)白光的干涉图样：若用白光做实验，则中央亮条纹为白色，两侧出现彩色条纹，彩色条纹显示不同颜色光的干涉条纹间距是不同的．【典例1】如图所示为双缝干涉实验装置，当使用波长为6×10－7m的橙色光做实验时，光屏P点及上方的P1点形成相邻的亮条纹．若使用波长为4×10－7 m 的紫光重复上述实验，在P和P1点形成的亮、暗条纹的情况是()A．P和P1都是亮条纹B．P是亮条纹，P1是暗条纹C．P是暗条纹，P1是亮条纹D．P和P1都是暗条纹[思路点拨](1)光的路程差为半波长的偶数倍时出现亮条纹．(2)光的路程差为半波长的奇数倍时出现暗条纹．B[λ橙λ紫＝6×10－74×10－7＝1.5＝32，P1点对橙光：Δr＝n·λ橙，对紫光：Δr＝nλ橙＝n·32λ紫＝3n·λ紫2，因为P1与P相邻，所以n＝1，P1点是暗条纹．对P点，因为Δr＝0，所以仍是亮条纹，B正确．]分析双缝干涉中明暗条纹问题的步骤(1)由题设情况依λ真＝nλ介，求得光在真空(或空气)中的波长．(2)由屏上出现明暗条纹的条件判断光屏上出现的是明条纹还是暗条纹．(3)根据明条纹的判断式Δr＝kλ(k＝0,1,2，…)或暗条纹的判断式Δr＝(2k＋1)λ2(k＝0,1,2，…)，判断出k的取值，从而判断条纹数．考点2薄膜干涉及应用如图所示是几种常见的薄膜干涉图样，这些干涉图样是怎样形成的呢？提示：是由薄膜前、后或上、下表面反射光束相遇而产生的干涉．1．薄膜干涉现象(1)现象：①每一条纹呈水平状态排列．②由于各种色光干涉后相邻两亮纹中心的距离不同，所以若用白光做这个实验，会观察到彩色干涉条纹．(2)成因：①如图所示，竖直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用，下面厚、上面薄．②在薄膜上不同的地方，从膜的前、后表面反射的两列光波叠加，在某些位置这两列波叠加后互相加强，则出现亮条纹；在另一些位置，叠加后互相削弱，则出现暗条纹．故在单色光照射下，就出现了明暗相间的干涉条纹．③若在白光照射下，则出现彩色干涉条纹．2．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．(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)甲乙3．增透膜(1)为了减少光学装置中的反射光的能量损失，可在元件表面涂一层透明薄膜，一般是氟化镁．(2)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产生相消干涉，反射光的能量几乎等于零．增透膜的最小厚度：增透膜厚度d＝(2k＋1)λ4(k＝0,1,2,3，…)，最小厚度为λ4．(λ为光在介质中传播时的波长)(3)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．(4)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．【典例2】(多选)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．如图所示，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，使样板的标准平面与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，在样板上方向下观测时可以看到干涉条纹．如果被测表面是平整的，干涉条纹就是一组平行的直线(如图甲)，下列说法正确的是()A．这是空气层的上下两个表面反射的两列光波发生干涉B．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相互削弱的情况也相同C．如果干涉条纹如图乙所示发生弯曲，就表明被测表面弯曲对应位置向下凹D．如果干涉条纹如图乙所示发生弯曲，就表明被测表面弯曲对应位置向上凸ABC[在标准样板平面和被测平面间形成了很薄的空气薄膜，用单色光从标准平面上面照射，从空气薄膜的上下表面分别反射的两列光波频率相等，符合相干条件，在样板平面的下表面处发生干涉现象，出现明暗相间的条纹，A正确；在空气层厚度d相等的地方，两列波的波程差均为2d保持不变，叠加时相互加强和削弱的情况是相同的，属于同一条纹，故薄膜干涉也叫等厚干涉，B正确；薄膜干涉条纹，又叫等厚条纹，厚度相同的地方，应该出现在同一级条纹上．图乙中条纹向左弯曲，说明后面较厚的空气膜厚度d，在左面提前出现，故左方存在凹陷现象，C正确，D错误．故本题选ABC．]被测平面凹下或凸起的形象判断法被测平面凹下或凸起的形象判断法——矮人行走法．即把干涉条纹看成“矮人”的行走轨迹．让一个小矮人在两板间沿着一条条纹直立行走，始终保持脚踏被测板，头顶样板，在行走过程中：(1)若遇一凹下，他必向薄膜的尖端去绕，方可按上述要求过去，即条纹某处弯向薄膜尖端，该处为一凹下．(2)若遇一凸起，他必向薄膜的底部去绕，方可按上述要求过去，即条纹某处弯向薄膜底部，该处为一凸起．因此，条纹向薄膜尖端弯曲时，说明下凹，反之，上凸．。