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1、第十三章光第十七章波粒二象性一、光的直线传播I.光在同一种均匀介质中是沿直线传播的前提条件是在同一种介质，而且是均匀介质。否则，可能发生偏折。如光从空气斜射入水中（不是同一种介质）；“海市蜃楼”现象（介质不均匀）。2.光速光在真空中的转播速度为c=3.00108mso光在不同介质中的传播速度是不同的。根据爱因斯坦的相对论光速不可能超过co二、反射平面镜成像1 .像的特点：平面镜成的像是正立等大的虚像，像与物关于镜面为对称。2 .光路图作法：根据平面镜成像的特点，在作光路图时，可以先画像，后补光路图。三、折射与全反射1 .折射定律折射定律的各种表达形式：=迎生=Z=一（6I为入、折射角中的较大者
2、。）sin%vsinC0折射光路也是可逆的。2 .各种色光性质比较可见光中，红光的折射率最小，频率最小，在同种介质中（除真空外）传播速度-最大，波长久最大,从同种介质射向真空时发生全反射的临界角C最大，以相同入射角在介质间发生折射时的偏折角最小（注意区分偏折角和折射角）。3边作图边计算：有关光的折射和全反射，在解题时要把计算和作图有机地结合起来，根据数据计算反射角、折射角，算一步画一步，画一步在根据需要算一步。作图要依据计算结果，力求准确。例1直角三棱镜的顶角=15o,棱镜材料的折射率=1.5,一细束单色光如图所示垂直于左侧面射入，试用作图法求出该入射光第一次从棱镜中射出的光线。全反射的一个重
3、要应用就是用于光导纤维（简称光纤）。光纤有内、外两层材料，其中内层是光密介质，外层是光疏介质。光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界面，都要求入射角大于临界角，从而发生全反射。这样使从一个端面入射的光，经过多次全反射能够没有损失地全部从另一个端面射出。例2如图所示，一条长度为1.=5.0m的光导纤维用折射率为=的材料制成。一细束激光由其左端的中心点以a=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。求：该激光在光导纤维中的速度V是多大？该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少？2.12108ms,2.7IO8S夕四、棱镜,1.棱镜对光的偏折作用A一般所说的棱镜都是用光密介质
4、制作的。入射光线经三棱镜两次折射后，射出方向与入射-VA方向相比，向底边偏折。（若棱镜的折射率比棱镜外介质小则结论相反。）作图时尽量利用对称性（把棱镜中的光线画成与底边平行）。例3.如图所示，一细束红光和一细束蓝光平行射到同一个三棱镜上，经折射后交于光屏上的同一个点M,若用m和2分别表示三棱镜对红光和蓝光的折射率，下列说a一AV法中正确的是（B）A.11i12,。为红光，6为蓝光B.7l2,为红光，为蓝光D.2,。为蓝光，6为红光4 .全反射棱镜横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。选择适当的入射点，可以使入射光线经过全反射棱镜的作用在射出后偏转90。（右图1）或18（右图2）。要特别注意
5、两种用法中光线在哪个表面发生全反射。例4.如图所示，自行车的尾灯采用了全反射棱镜的原理。它虽然本身不发光，但在夜间骑行时，从后面开耒的汽车发出的强光照到尾灯后，会有较强的光被反射回去，便汽车司机注意到前面有自行车。尾灯的原理如图所示，下面说法中正确的是（C）A.汽车灯光应从左面射过来在尾灯的左表面发生全反射B.汽车灯光应从左面射过来在尾灯的右表面发生全反射C.汽车灯光应从右面射过来在尾灯的左表面发生全反射D.汽车灯光应从右面射过来在尾灯的右表面发生全反射5 .玻璃砖所谓玻璃砖一般指横截面为矩形的棱柱。当光线从上表面入射，从下表面射出时，其特点是：（1谢出光线和入射光线平行；各种色光在第一次入射
6、后就发生色散；射出光线的侧移和折射率、入射角、玻璃砖的厚度有关；可利用玻璃砖测定玻璃的折射率。例5如图所示，两细束平行的单色光八方射向同一块玻隔砖的上表而，最终都从玻璃砖的下表面射出。已知玻璃对单色光”的折射率较小，那么下列说法中正确的有（C）A.进入玻璃砖后两束光仍然是平行的B.从玻璃转下表面射出后，两束光不再平行C.从玻璃转下表面射出后，两束光之间的距离一定减小了D.从玻璃砖下表面射出后，两束光之间的距离可能和射入前相同可能的光路是下图中的哪一个（D）例7.如图所示，用透明材料做成一长方体形的光学器材，要求从上表面射入的光线可能从右侧面射出，那么所选的材料的折射率应满足（B）A.折射率必须
7、大于JB.折射率必须小于近C.折射率可取大于1的任意值D.无论折射率是多大都不可能五、光的波动性1.光的干涉光的干涉的条件是有两个振动情况总是相同的波源，即相干波源。（相干波源的频率必须相同）。形成相干波源的方法有两种：利用激光（因为激光发出的是单色性极好的光）。设法将同一束光分为两束（这样两束光都来源于同一个光源，因此频率必然相等）。下面4个图分别是利用双缝、利用楔形薄膜、利例6.如图所示，AB为一块透明的光学材料左侧的端面。建立直角坐标系如图，设该光学材料的折射率沿），轴正方向均匀减小。现有一束单色光从原点O以某一入射角。由空气射入该材料内部，则该光线在该材料内部用空气膜、利用平面镜形成相
8、干光源的示意图。2 .干涉区域内产生的亮、暗纹（1）亮纹：屏上某点到双缝的光程差等于波长的整数倍，即O=/15=0,1,2,）暗纹：屏上某点到双缝的光程差等于半波长的奇数倍，即3=（2-1）（n=0,1,2,）相邻亮纹（暗纹）间的距离=zl8zl0用此公式可以测定单色光的波长。用白光作双缝干涉实验时，d由于白光内各种色光的波长不同，干涉条纹间距不同，所以屏的中央是白色亮纹，两边出现彩色条纹。例8用绿光做双缝干涉实验，在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹，相邻两条绿条线间的距离为Jto下列说法中正确的有（C）A.如果增大单缝到双缝间的距离，Ax将增大B.如果增大双缝之间的距离，x将增大C.如果增大双缝
9、到光屏之间的距离，Nx将增大D.如果减小双缝的每条缝的宽度，而不改变双缝间的距离，Ix将增大例9.整山运动员在登雪山时要注意防止紫外线的过度照射，尤其是眼暗更不能长时间被紫外线照射，否则将会严重地损坏视力。有人想利用薄膜干涉的原理设计一种能大大减小紫外线对眼睛的伤害的眼镜。他选用的薄膜材料的折射率为n=1.5,所要消除的紫外线的频率为8.110,4Hz,那么它设计的这种“增反膜”的厚度至少是多少？3 .衍射各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射。发生明显衍射的条件是：障碍物（或孔）的尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还小。（当障碍物或孔的尺寸小于05mm时，有明显衍射现象C）在发生明显衍射的条件下，
10、当窄缝变窄时，亮斑的范围变大，条纹间距离变大，而亮度变暗。例10平行光通过小孔得到的衍射图样和泊松亮斑比较，下列说法中正确的有（AB）A.在衍射图样的中心都是亮斑B.泊松亮斑中心亮点周围的暗环较宽C.小孔衍射的衍射图样的中心是暗斑，泊松亮斑图样的中心是亮斑D.小孔衍射的衍射图样中亮、暗条纹间的间距是均匀的，泊松亮斑图样中亮、暗条纹间的间距是不均匀的4.光的电磁说（1）麦克斯韦根据电磁波与光在真空中的传播速度相同，提出光在本质上是一种电磁波一这就是光的电磁说，赫兹用实验证明了光的电磁说的正确性。（2）可见光频率范围是397.5l0UHz,波长范围是400.770nm0?振动垂5光的偏振X.三/（
11、1）光的偏振也证明了光是一种波，而且是横波。各种电磁波中电场E的方向、磁场B的方向和电磁波的传播方向之间，两两互相垂直。P；、在纸面（2）光波的感光作用和生理作用主要是由电场强度E引起的，因此将E的振动称为光振动。（3）自然光。太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫自然光。偏振光。自然光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，叫偏振光。自然光射到两种介质的界面上，如果光的入射方向合适，使反射和折射光之间的夹角恰好是90。，这时，反射光和折射光就都是偏振光，且它们的偏振方向互相垂直。我们通常
12、看到的绝大多数光都是偏振光。例Il有关偏振和偏振光的下列说法中正确的有（BD）A.只有电磁波才能发生偏振，机械波不能发生偏振B.只有横波能发生偏振，纵波不能发生偏振C.自然界不存在偏振光，自然光只有通过偏振片才能变为偏振光D.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（2）光电效应的规律。各种金属都存在极限频率I/O,只有N21/。才能发生光电效应/瞬时性（光电子的产生不超过10%）。爱因斯坦的光子说。光是不连续的，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V成正比:E=hv爱因斯坦光电效应方程：Ek=hv-W（Ek是光电子的最大初动能；W是逸出功，即从金属表
13、面直接飞出的光电子克服正电荷引力所做的功。）2.康普顿效应在研究电子对X射线的散射时发现：有些散射波的波长比入射波的波长略大。康普顿认为这是因为光子不仅有能量，也具有动量。实验结果证明这个设想是正确的。因此康普顿效应也证明了光具有粒子性。例12.对爱因斯坦光电效应方程Ek=Av-W,下面的理解正确的有（BC）A.只要是用同种频率的光照射同一种金属，那么从金属中逸出的所有光电子都会具有同样的初动能EKB.式中的W表示每个光电子从金属中飞出过程中克服金属中正电荷引力所做的功/C.逸出功W和极限频率坳之间应满足关系式W=60D.光电子的最大初动能和入射光的频率成正比例13如图，当电键K断开时，用光子
14、能量为2.5eV的一束光照射阴极尸，发现电流表读数P%N7不为零。合上电键，调节滑线变阻器，发现当电压表读数小于0.6OV时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于o.6ov时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为JqA.1.9eVB.0.6eVC.2.5eVD.3.1eV（八）l-1七、光的波粒二象性一IlZ1.光的波粒二象性干涉、衍射和偏振以无可辩驳的事实表明光是一种波；光电效应和康普顿效应又用无可辩驳的事实表明光是一种粒子；因此现代物理学认为：光具有波粒二象性。2.正确理解波粒二象性波粒二象性中所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义。波粒二象性中所说的粒子，是指其不连续性，是
15、一份能量。个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性。（2）v高的光子容易表现出粒子性；Iz低的光子容易表现出波动性。光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现为粒子性。（4）由光子的能量E=z/,光子的动量P=些表示式也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量一频率Iz和波长4O由以上两式和波速公式C=R1/还可以得出：E=pc例14已知由激光器发出的一细束功率为P=O.15kW的激光束，竖直向上照射在一个固态铝球的下部，使其恰好能在空中悬浮。已知铝的密度为p=27xl（）3kgm3,设激光束的光子全部被铝球吸收，求铝球的直径是多大？（计算中可取11=3,g=10ms2）3.3104m八、物质波（德布罗意波）由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得出物质波（德布罗意波）的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长
