2018-2019学年高中物理人教版选修3-4教学案：第十三章 第7、8节 光的颜色 色散 激光

姓名，年级：
时间：
第7、8节光的颜色__色散__激光
1.光的颜色由频率决定，不同颜色的光波长不同。

2．含有多种颜色的光被分解为单色光的现象叫做光的色散，这些单色光按波长
的有序排列就是光谱。

3．能使光色散的方法有：（1)薄膜干涉色散；(2）衍射色散；（3）折射色散.
4．在同一种物质中，不同波长的光波的传播速度不一样，波长越短,波速越慢。

5．激光是人工产生的，具有相干性好、平行度好、亮度高的特点。

一、光的颜色色散
1．光的颜色与波长：不同颜色的光,波长不同。

2．光的色散：含有多种颜色的光被分解为单色光的现象。

如图。

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。

4．几种色散现象
(1）薄膜干涉中的色散
①薄膜干涉中相干光的获得
光照射到薄膜上，在薄膜的前后两个面反射的光是由同一个实际的光源分解而成的,它们具有相同的频率,恒定的相位差。

②薄膜干涉的原理
光照在厚度不同的薄膜上时，在薄膜的不同位置，前后两个面的反射光的路程差不同，在某些位置两列波叠加后相互加强，于是出现亮条纹；在另一些位置，两列波相遇后被相互削弱,于是出现暗条纹。

（2)衍射时的色散
用白光做衍射实验时,得到的条纹是彩色的。

这是因为衍射时不同色光的亮条纹的位置不同，于是各种色光就区分开了。

这种现象是光在衍射时的色散.
(3)折射时的色散
如图说明白光通过棱镜折射后，由上到下的色光顺序为:红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，这说明白光是由七色光组成的。

5．在同一种物质中,不同波长的光波的传播速度不一样，波长越短
,波
速越慢。

二、激光
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.
（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。

1．自主思考——判一判
（1)色散现象表明白光是复色光。

（√)
(2)单色光通过棱镜后也能发生色散。

(×）
(3)某单色光在不同介质中传播时光的频率、波长均不同。

(×）
（4）激光可以进行光纤通信是利用了相干性好的特点。

（√)
(5)激光可用做“光刀”来切开皮肤是利用激光的相干性好。

(×)
（6）全息照相技术只能记录光波的强弱信息。

(×）
2．合作探究——议一议
（1)雨后天空出现的彩虹是怎样形成的？
提示：由于光的折射发生了色散现象形成的。

（2)利用激光测量地球到月球的距离，应用了激光哪方面的性质？
提示：应用了“平行度”非常好的性质。

对光的色散的理
解
1．折射时的色散
(1）我们把射出棱镜的光线与入射光线方向的夹角叫通过棱镜的偏向角,如图所示,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是不同的.紫光的最大，红光的最小.
（2)由于介质中的光速v＝错误!,故在同种介质中折射率大的光速小，各种色光在同种介质中的光速依次为v紫＜v蓝＜…＜v橙＜v红，即红光的速度最大,紫光的速度最小。

（3）如图所示,白光经过三棱镜后，在光屏上呈现七色光带；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。

2．双缝干涉中的色散
用不同的单色光做双缝干涉实验,得到的条纹之间的距离不一样，但都是明暗相同的单色条纹。

由Δx＝错误!λ知，红光波长最长，Δx最大，紫光波长最短,Δx最小.白光干涉时的条纹是彩色的,即白光是由多种色光组成的复色光,发生干涉时，白光发生了色散现象。

[典例］实验表明,可见光通过三棱镜时各色光的折射率n随波长λ的变化符合科西经验
公式:n＝A＋B
λ2
＋错误!，其中A、B、C是正的常量。

太阳光进入三棱镜后发生色散的情形如图所示，则（）
A．屏上c处是紫光B．屏上d处是红光
C．屏上b处是紫光 D．屏上a处是红光
［解析] 可见光中红光波长最长,折射率最小，折射程度最小，所以a为红光，而紫光折
射率最大,所以d为紫光.
[答案] D
光的色散的物理意义
(1）光谱的产生表明，白光是各种单色光组成的复色光。

由于各种单色光通过棱镜时偏折的角度不同，所以产生了色散现象。

（2）色散现象表明，棱镜材料对不同色光的折射率是不同的。

紫光经棱镜后偏折程度最大，红光偏折程度最小,所以棱镜材料对紫光的折射率最
大，对红光的折射率最小.
(3）由折射率的定义n＝错误!可知,在棱镜中紫光的速度最小，红光的速度
最大。

1。

［多选]a、b两种单色光以相同的入射角从某种介质射向真空，光路如图所示，则下列叙述正确的是( )
A．a光的全反射临界角小于b光的全反射临界角
B．通过同一双缝干涉装置,a光的干涉条纹间距比b光的宽
C．在该介质中a光的传播速度大于b光的传播速度
D．在该介质中a光的波长小于b光的波长
解析：选BC 由图可知，b光比a光偏折角大，故b光的折射率大，由n＝错误!可知，b 光在该介质中传播速度小,由λ＝错误!可知，在该介质中a光的波长较长，再由Δx＝错误!λ可知,a光干涉条纹间距较大,故B、C正确，D错误;由sin C＝错误!可得，a光全反射的临界角较大，A错误。

2。

如图所示,一束白光通过玻璃棱镜发生色散现象，下列说法正确的是( ）
A．红光的偏折最大，紫光的偏折最小
B．红光的偏折最小，紫光的偏折最大
C．玻璃对红光的折射率比紫光大
D．玻璃中紫光的传播速度比红光大
解析：选B 白光中红光的频率最低,在玻璃中的折射率最小，由n＝c
v
可知，红光的传播速
度最大，紫光的频率最高，在玻璃中的折射率最大，传播速度最小，经过棱镜发生色散时，偏折最大,综上所述,A、C、D均错误,B正确。

3．［多选]关于光的传播现象及应用,下列说法正确的是( ）
A．一束白光通过三棱镜后形成了彩色光带是光的色散现象
B．光导纤维丝内芯材料的折射率比外套材料的折射率大
C．海面上的海市蜃楼将呈现倒立的像，位置在实物的上方，又称上现蜃景
D．一束色光从空气进入水中，波长将变短,色光的颜色也将发生变化
E．一束白光从空气斜射进入水中,也将发生色散
解析：选ABE 一束白光通过三棱镜后形成了彩色光带是光的色散现象，A正确；由全反射的条件可知，内芯材料的折射率比外套材料的折射率要大，故B正确；海市蜃楼将呈现正立的像，位置在实物的上方,又称上现蜃景，C错误;色光进入水中，光的频率不变，颜色不变,D错误；白光斜射入水中，由于水对不同色光的折射率不同，各种色光将分开，故E正确。

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＝错误!（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。

[典例] ［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，观察到的图像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] 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。

[答案］BC
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：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；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.
1.一个半径较大的透明玻璃球体,若截去其上面的一大部分，然后将这一部分放到标准的水平面上，现让单色光竖直射向截面,如图所示,在反射光中看到的是（）
A．平行的、明暗相间的干涉条纹
B．环形的、明暗相间的干涉条纹
C．只能看到同颜色的平行反射光
D．一片黑暗
解析：选 B 薄膜干涉条纹可看做等厚线，题图中，厚度相同的空气薄膜应是以切点为圆心的一个个圆，故干涉条纹应是环形的条纹，又因是单色光照射,所以是明暗相间的条纹，故选项B正确，A、C、D错误。

2．用如图所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象。

图（a）是点燃的酒精灯（在灯芯上撒些盐)，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
解析：选 D 竖直肥皂膜是由于重力作用产生的上薄下厚的薄膜，所以金属丝圈的缓慢转动，改变不了肥皂液膜的上薄下厚的形状,由干涉原理可知，同一厚度处的干涉条纹在同一级次上，所形成的干涉条纹都是水平的,与金属丝圈在该竖直平面内的转动无关，仍然是水平的干涉条纹，D正确。

3．用干涉法检查物体表面平滑程度,产生的干涉条纹是一组平行的条纹，若劈尖的上表面向上平移，如图甲所示,则干涉条纹的距离将________；若使劈尖角度增大，如图乙所示，干涉条纹的距离将________；若用折射率为n的透明介质充满劈尖，干涉条纹的距离将________。

(均选填“变窄"“变宽”或“不变”)
解析:劈尖的上表面向上平移时，上下表面的反射光的光程差增大，但变化情况仍相同，只是条纹平移了,条纹间距不变；若劈尖角度增大，则光程差变大的快了，因而条纹间距变窄；如果用折射率为n的透明介质充满劈尖，光波的波长变小，因而条纹间距变窄。

答案：不变变窄变窄
激光
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,两列相同激光相遇可以发生干涉。

激光是人工产生的相干光.
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。

3．激光的应用
（1)光纤通信。

（2）激光测距。

（3)激光读写。

(4）激光加工.（5)激光手术（亦称光刀手术）。

(6）激光武器。

（7)可控聚变反应中的应用.
1．对于激光的认识，以下说法中正确的是( )
A．普通光源发出的光都是激光
B．激光是自然界普遍存在的一种光
C．激光是一种人工产生的相干光
D．激光一定比普通光的强度大
解析：选C 激光是原子受激辐射产生的光,是人工产生的一种相干光，与普通光源发出的光不同，所以C正确，A、B错误;用途不同，不同激光的强度大小并不相同，激光不一定比普
通光的强度大,D错误。

2．激光火箭的体积小，却可以装载更大、更重的卫星或飞船。

激光由地面激光站或空间激光动力卫星提供，通过一套装置，像手电筒一样，让激光束射入火箭发动机的燃烧室,使推进剂受热而急剧膨胀，于是形成一股高温高压的燃气流,以极高的速度喷出，产生巨大的推力，把卫星或飞船送入太空。

激光火箭利用了激光的( ）
A．单色性好 B．平行度好
C．高能量 D．相干性好
解析:选C 利用激光的高能量特点，使推进剂急剧膨胀，喷出类似于现代火箭的燃料燃烧后产生的燃气流.
1．［多选］下列与光的干涉有关的事实是（）
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．水面上的油膜呈现彩色
解析:选BD 光导纤维是利用光的全反射原理与光的干涉无关，故选项A错误；白光通过三棱镜出现彩色光带是色散现象,故C错；用透明的标准样板和单色光检查平面的平整度、水面上的油膜呈现彩色是光在前后两个表面反射的光干涉形成的，故选项B、D正确.
2。

用如图所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象.左侧点燃酒精灯(在灯芯上洒些盐),右侧是竖立的附着一层肥皂液薄膜的金属丝圈。

下面说法正确的是( )
A．火焰的像在肥皂液薄膜上
B．若要观察到干涉图样，人应位于金属丝圈的左侧
C．若要观察到干涉图样,人应位于金属丝圈的右侧
D．由于重力作用，使肥皂液薄膜上薄下厚,相当于三棱镜，所以这一现象实际上是光的色
散
解析：选B 根据透镜或平面镜成像原理，火焰的像都在薄膜右侧，不在薄膜上,故选项A 错误；肥皂膜的彩色条纹是前后两表面反射的光束干涉的结果,故选项D错误；观测到干涉图样，应该在入射光一侧观察，故选项B正确,选项C错误。

3．激光具有相干性好、平行度好、亮度高等特点,在科学技术和日常生活中应用广泛。

下面关于激光的叙述正确的是( ）
A．激光是纵波
B．频率相同的激光在不同介质中的波长相同
C．两束频率不同的激光能产生干涉现象
D．利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离
解析：选D 一切光都是横波，故选项A错误；根据v＝λf，光在不同介质中的传播速度不同，频率相同，波长不同，故选项B错误；发生干涉现象的两束光频率必须相同，故选项C 错误；D项正确。

4．登山运动员在登雪山时要注意防止紫外线的过度照射，尤其是眼睛更不能长时间被紫外线照射，否则将会严重地损伤视力。

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f＝8。

1×1014 Hz，那么他设计的这种“增反膜"的厚度至少是（）
A．9.25×10－8 m B．1.85×10－7 m
C．1.24×10－7 m D．6.18×10－8 m
解析：选C 由n＝错误!得v＝错误!＝错误! m/s＝2×108 m/s。

根据波速公式v＝λf，得λ＝错误!＝错误! m＝2。

47×10－7m。

要实现“增反”的效果，薄膜的厚度至少为半个波长，那样在薄膜的表面两列反射光相互加强，从而使入射到眼睛的紫外线减弱，减轻紫外线对眼睛的伤害，故C选项正确。

5。

某物理兴趣小组用实验探究光的色散规律，他们将半圆形玻璃砖放在竖直面内，在其左方竖直放置一个很大的光屏P，让一复色光束SA射向玻璃砖的圆心O后，有两束单色光a和b射向光屏P，如图所示.他们根据实验现象提出了以下四个猜想，你认为正确的是（）
A．单色光a的波长小于单色光b的波长
B．在玻璃中单色光a的传播速度大于单色光b的传播速度
C．单色光a通过玻璃砖所需的时间大于单色光b通过玻璃砖所需的时间
D．当光束SA绕圆心O逆时针转动过程中，在光屏P上最早消失的是a光
解析：选B 根据光的折射定律可知a光的折射率小于b光的折射率,则a光的频率小于b 光的频率，由λ＝错误!可知A项错误；由v＝错误!可知B项正确；由于复色光在玻璃砖中传播距离相同，根据t＝错误!可知C项错误;由sin C＝错误!可知D项错误.
6．泉城广场灯光音乐喷泉的水池中，有处于同一深度的若干彩灯，晚上在彩灯上方附近观察不同颜色彩灯的深度会有所不同,假设所有彩灯均视为点光源，现就红光灯和绿光灯比较，下列说法正确的是( ）
A．红光灯看起来较浅，因为红光折射率较大
B．绿光灯看起来较浅，因为绿光折射率较小
C．绿光灯看起来较深，因为绿光折射率较大
D．红光灯看起来较深，因为红光折射率较小
解析：选D 红绿两种色光中，折射率n红<n绿，设灯的实际深度为H，则它们在水中视深h ＝错误!，红光看起来较深，则正确答案为D。

7．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.现若在图中装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹（)
A．变疏B．变密
C．不变D．消失
解析：选 A 干涉条纹是由空气薄膜的上下两个表面反射的光线叠加而成的，当抽去一张纸片后，劈形空气薄膜倾角减小，相邻明条纹(或暗条纹)变疏.
8．如图所示，从点光源S发出的一束细白光以一定的角度入射到三棱镜的表面，经过三棱镜的折射后发生色散现象,在光屏的ab间形成一条彩色光带.下面的说法中正确的是( ）
A．在三棱镜中a侧光的传播速率大于b侧光的传播速率
B．b侧光更容易产生衍射现象
C．若改变白光的入射角，在屏上最先消失的是b侧光
D．通过同一双缝干涉装置产生的干涉条纹的间距Δx a＞Δx b
解析：选B 根据色散形成的光谱，可知f a＞f b，λa＜λb，所以b更容易产生衍射，故B 正确；n a＞n b，根据n＝错误!，所以v a<v b，故选项A错误；sin C＝错误!，所以b光的临界角大，a光更容易发生全反射,故选项C错误;根据Δx＝错误!λ可知，Δx a<Δx b，故选项D错误。

9．一种红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道闪光，每道闪光为一个(列）光脉冲,若这种激光器光脉冲的持续时间为1。

0×10－11s，波长为694.3 nm，发射功率为1。

0×1010W,求:
（1）每列光脉冲的长度是多少？
（2)用这种红宝石激光器照射皮肤上的色斑，每平方厘米色斑吸收能量达到60 J以后，色斑便逐渐消失,一块色斑的面积为50 mm2，则它要吸收多少个(列)红宝石激光脉冲才能逐渐消失？
解析：(1)光脉冲持续时间即为发射一个光脉冲所需的时间,所以一个光脉冲长度Δl＝c·Δt＝3×108×1。

0×10－11 m＝3。

0×10－3 m。

（2）面积为1 cm2色斑吸收的能量E＝60 J,色斑便逐渐消失.而1个光脉冲的能量为ΔE ＝P·Δt＝1。

0×1010×1。

0×10－11 J＝0.1 J
消除50 mm2的色斑需要光脉冲数为
n＝ES
1
ΔE
＝错误!＝300（个）。

答案：（1）3。

0×10－3 m （2）300个。