高三物理第二轮专题讲座344 光的有关现象和规律 新人教版

高三物理第二轮专题讲座344 光的有关现象和规律新人教版温故自查光的折射：光从一种介质射入另一种介质中，在两种介质的界面处，发生改变，这种现象叫光的折射．光的折射定律：折射光线、法线、入射光线都在；折射光线和入射光线分居在两侧；入射角的正弦值与折射角的正弦值的比值，即＝n(常量)．传播方向同一个平面内法线恒定考点精析1．在光的折射中光路是可逆的．2．折射不仅可以改变光的传播方向，还可以改变光束的性质．3．光从一种介质射入另一种介质时，折射角大小随着入射角大小的变化而变化，但是两个角的正弦值之比恒定．4．光从同一介质射入不同介质时，＝n的比值大小不同，即对于不同的介质，常量n不同，它是一个能够反映介质光学性质的物理量.温故自查折射率：光从空气或真空进入某种介质中，入射角的和折射角的正弦值之比，叫该介质的折射率，即n＝ .介质的折射率等于光在的速度c与光在该介质中的传播速度v的比值，即n＝ .正弦值真空中考点精析1．某种介质的折射率是指光从真空或空气进入该介质时入射角与折射角的正弦值之比．如果是从该介质进入空气或真空，则入射角与折射角的正弦值之比等于折射率的倒数．2．介质的折射率实际上指的是绝对折射率，所谓绝对折射率是指光从真空进入介质时入射角与折射角的正弦值之比．3．空气的折射率≈1，其他介质的折射率都>1.4．折射率的大小由介质本身和光的频率共同决定，与入射角、折射角的大小无关．5．折射率大小反映了介质的光学性质和入射光的频率：(1)折射率越大，说明介质对光的偏折作用越大，光线偏离原来传播方向的程度越厉害．(2)介质对光的折射率越大，说明该光在该介质中的传播速度越小．(3)相对于同一介质，折射率越大的光，其频率越大.3．空气的折射率≈1，其他介质的折射率都>1.4．折射率的大小由介质本身和光的频率共同决定，与入射角、折射角的大小无关．5．折射率大小反映了介质的光学性质和入射光的频率：(1)折射率越大，说明介质对光的偏折作用越大，光线偏离原来传播方向的程度越厉害．(2)介质对光的折射率越大，说明该光在该介质中的传播速度越小．(3)相对于同一介质，折射率越大的光，其频率越大.温故自查1．光从介质射向介质时，光线全部被返回原介质，这种现象叫做全反射．折射角等于时的入射角叫临界角．发生全反射的条件是：①光由介质射入介质；②入射角临界角．2．利用折射率的概念和折射定律可以求出临界角C：sin C＝ (用折射率表示)＝ (用光在真空和介质中的传播速度表示)．光密光疏90°光密光疏大于或等于考点精析光从一种介质射入另一种介质时一般都要同时发生反射与折射现象，如右图所示．当光线从光密介质射向光疏介质时，折射角大于入射角．这样就有可能在入射角还没有增大到90°以前，折射角就已经达到90°，以光从水进入空气为例，当入射角增大到某一数值C时，折射光线恰好掠过水面，和界面平行，折射角等于90°，再继续增大入射角，光线全部反射回水中，不再有折射光线进入空气中，于是形成光的全反射现象．光折射角为90°时的入射角C叫做临界角，可见发生全反射的条件是：(1)光线从光密介质射入光疏介质．(2)入射角≥临界角(C)时，对于临界角有：sin C＝ .温故自查光导纤维之所以能传光传像，就是利用了光的全反射现象，光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有1～100μm左右．如图所示，它是由和两层组成，内芯的折射率外套的折射率，光由一端进入，在两层的界面上经过多次，从另一端射出．内芯外套大于全反射考点精析1．光纤通信光纤通信是利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式．在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检验器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息．光纤通信的主要优点：容量大、衰减小、抗干扰强．2．内窥镜把光导纤维聚集成束，使其两端纤维排列的相对位置相同，具有亮暗色彩的图象就可以从一端传到另一端．实际的内窥镜装有两组光纤、一组用来把光传到人体内部，一组用来观察. 温故自查1．光的色散：把复色光分成单色光的现象叫光的色散．折射、干涉、衍射都可以产生色散现象．2．光谱：由七色光组成的称光谱．光带3．棱镜(1)含义：截面是的玻璃仪器，可以使光发生色散，白光的色散表明：各色光在同一介质中的不同．(2)三棱镜对光线的作用：改变光的传播方向①光密三棱镜：当光线从一侧面射入，从另一侧面射出时，光线两次均向底面偏折．②光疏三棱镜：当光线从一侧面射入，从另一侧面射出时，光线两次均向顶角偏折．三角形折射率③全反射棱镜(等腰直角棱镜)：当光线从一直角边射入时，在斜边发生全反射，从另一直角边垂直射出．当光线垂直于斜边射入时，在发生全反射后又垂直斜边射出．④全反射棱镜对光路的控制如图所示．两直角边垂直⑤全反射棱镜的优点：全反射棱镜和平面镜在改变光路方面，效果是相同的，相比之下，全反射棱镜成像更、光能损失更．(3)三棱镜成像：当物体发出的光线从三棱镜的一侧面射入，从另一侧面射出时，逆着出射光线可以看到物体的．清晰少虚像考点精析1．全反射棱镜不能用平面镜替代．因为平面镜是在玻璃后表面镀银而成的．从发光点S发出的光照到平面镜上，经前玻璃面和后银面多次反射，S点就会生成多个虚像，反射光线好像从n个虚象发出的，这些反射光叠加，就影响精密光学仪器的成像质量．如图所示．2．光的折射色散在折射色散现象中，红光的偏向角最小即棱镜对红光的折射率最小，由公式n＝可知红光在介质中的传播速度最大．将各种色光的情况列表统计如下：各种色光红橙黄绿蓝靛紫1 偏向角小―→大2 折射率小―→大3 介质中光速大―→小3.虹霓形成的原因：我们平时所说的彩虹，确切地说应称之为虹霓，是由于小水滴对日光的折射、全反射、色散综合效应所形成的．通常可看到两道弓形彩带，里面的一道叫虹，比较明亮；外面的一道叫霓，较为暗淡，如图(a)所示，日光照射在小水滴上，先在小水滴的前表面处产生折射，再在后表面处部分反射，最后在水滴的前表面处折射射出，如图(b)所示．由于不同颜色的光在水中的折射率各不相同，在水滴的前后表面发生折射时会产生色散从而形成虹霓．虹是阳光在水滴内经两次折射一次全反射形成的，如图(c)所示．温故自查1．双缝干涉(1)干涉现象两列光波在空间相遇时发生叠加，在某些区域总加强，在另外一些区域总减弱，从而出现的现象叫光的干涉现象．亮暗相间的条纹(2)产生干涉的条件两个振动情况总是的波源叫相干波源，只有发出的光互相叠加，才能产生干涉现象，在屏上出现稳定的亮暗相间的条纹．相同波源相干2．薄膜干涉(1)薄膜干涉的成因由薄膜的反射的两列光波叠加而成．劈形薄膜干涉可产生的条纹．(2)薄膜干涉的应用①增透膜：透镜和棱镜表面的增透膜的厚度是入射光在薄膜中波长的 .前、后表面平行且明暗相间②检查平整程度：待检平面和标准平面之间的楔形空气薄膜，用单色光进行照射，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．待检平面若是平的，空气膜厚度相同的各点就位于同一条直线上，干涉条纹是平行的；反之，干涉条纹有现象．弯曲考点精析1．双缝干涉实验规律(1)双缝干涉实验中，光屏上某点P到相干光源S1、S2的路程之差为光程差，记为Δx.若光程差Δx是波长λ的整数倍，即Δx＝nλ(n＝0,1,2,3,4，…)，P点将出现亮条纹；若光程差Δx是半波长的奇数倍Δx＝ (n＝0,1,2,3，…)，P点将出现暗条纹．(2)屏上和双缝S1、S2距离相等的点P，若用单色光实验该点是亮条纹(中央条纹)，若用白光实验该点是白色的亮条纹．(3)屏上明暗条纹之间的距离总是相等的，其距离大小Δx与双缝之间距离d，双缝到屏的距离L及光的波长λ有关，即Δx＝ .在L和d不变的情况下，Δx和波长λ成正比，应用该式可测光波的波长λ.2．薄膜干涉(1)当光照在薄膜上时，从膜的前后表面各反射回一列光波，这两列波即是频率相同的相干光波，由于薄膜的厚度不同，这两列光波的路程差不同．当路程差为光波波长的整数倍时，则为波峰与波峰相遇，波谷与波谷相遇，使光波的振动加强，形成亮条纹；当光波的路程差为半波长的奇数倍时，则波峰与波谷相遇，光波的振动减弱，形成暗条纹．(2)相干光为薄膜前后两个界面的反射光．(3)图样特点：若单色光入射，出现亮暗相间的条纹(薄膜厚度相等的地方对应同一级条纹)；若白光入射，出现彩色条纹，在同一级条纹中，从紫色到红色对应的薄膜厚度从薄到厚.温故自查1．光的衍射现象光在遇到时，偏离直线传播方向而照射到的现象叫做光的衍射．障碍物阴影区域2．光发生明显衍射现象的条件当孔或障碍物的尺寸比光波波长，或者跟波长时，光才能发生明显的衍射现象．小差不多3．各种衍射图样(1)单缝衍射：中央为，两侧有明暗相间的条纹，但间距和亮度不同，白光衍射时，中央仍为白光，最靠近中央的是，最远离中央的是．(2)圆孔衍射：明暗相间的不等距．(3)泊松亮斑：光照射到一个的圆板后，在圆板的阴影中心出现的亮斑，这是光能发生衍射的有力证据之一．亮条纹紫光红光圆环半径很小考点精析1．光的干涉和光的衍射的关系(1)光的干涉和光的衍射都是光波叠加的结果，只是干涉条纹是通过双缝的两束相干光的叠加，而衍射是通过单缝或三缝及更多缝的光相遇时叠加的结果．在双缝干涉实验中，光在通过其中的每个狭缝时，都会先发生衍射，而后衍射的光相遇再发生干涉．因此，干涉中也有衍射．(2)干涉和衍射的图样有相似之处，都是明暗相间的条纹．只是干涉条纹中各条纹宽度和亮度都相同，而衍射条纹中各条纹宽度和亮度均不等，中央条纹最宽最亮．2．光的直线传播与光的衍射的关系光的直线传播只是一种特殊情况和近似说法．光在没有障碍物的均匀介质中是沿直线传播的，在障碍物的尺寸比光的波长大得多的情况下，衍射现象不明显，也可以认为光是沿直线传播的．在障碍物的尺寸可以与光的波长相比，甚至比光的波长还小时，衍射现象十分明显，这时就不能说光是沿直线传播的了.温故自查1．光的偏振：沿着各个方向振动的光波强度都相同的光叫、通过后只剩下沿某一方向振动的光叫偏振光．2．光的偏振证明了光是一种波．自然光自然光偏振片横考点精析1．自然光与偏振光的区别除了直接从光源发出的光外，日常生活中遇到的光大都是偏振光．(1)自然光：在任意一个垂直于光传播方向振动的光波的强度都相同．(2)偏振光：在垂直于光波传播方向的平面内，只沿某一个特定方向振动的光．2．偏振光的产生方式(1)自然光通过起偏器：通过两个共轴的偏振片观察自然光，第一偏振片的作用是把自然光变成偏振光，叫起偏器，第二个偏振片的作用是检验光是否为偏振光，叫检偏器．(2)自然光射到两种介质的交界面上，如果光入射的方向合适，使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°时，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直．3．偏振光的理论意义及应用(1)理论意义：光的干涉和衍射现象充分说明了光是波，但不能确定光波是横波还是纵波．光的偏振现象说明光波是横波．(2)应用：照相机镜头、立体电影、消除车灯眩光等．命题规律根据光的直线传播规律，解释影子的形成，日食、月食现象或其他有关现象．[考例1] 如图所示，点光源S距墙MN的水平距离为L，现从S处以水平速度v0平抛一小球P，P在墙上形成的影是P′，在球做平抛运动的过程中，其影P′的运动速度v′是多大？[解析]由于P做平抛运动，在竖直方向上做自由落体运动，所以很多同学猜测影P′的运动是匀加速运动，其实是错误的，要解出运动速度v′的关键是找出OP′与时间t的函数关系．设经过t时间，小球P的水平方向位移为x，竖直方向位移为y，P′的竖直位移为y′，如图所示，根据△SAP和△SOP′相似，这样可以得到，解得y′＝根据平抛运动规律有：x＝v0t，代入上式后可以得到y′得到v′因为v′为定值，说明影P′的运动是匀速运动．2009年7月22日，我们国家大部分地区都观察到了500年一遇的日食现象，日全食的全食带大部分在太平洋上，位于陆地的几乎都在中国境内，穿过四川、重庆、湖北、安徽、江苏、浙江、上海等人口稠密的省市，而中国的其他省份有些只能看到不同情况的日偏食．关于日食下列说法正确的是( )A．日食现象是由光的衍射造成的B．日食现象是由光的干涉造成的C．日食现象说明光是沿直线传播的D．日食发生时，月球运动到太阳和地球中间E．日食发生时，地球运动到太阳和月球中间F．日食发生时，月球身后的影子正好落到地球上[答案]CDF命题规律根据光的反射定律和平面镜成像的规律确定视场、像的大小、像速及反射光线方向的改变．[考例2] 如图所示，S为一在xOy平面内的点光源．一平面镜垂直于xOy平面放置，它与xOy 平面的交线为MN，MN与x轴的夹角为θ＝30°.现保持S不动，令平面镜以速率v沿x轴正方向运动，则S经平面镜所成的像( )A．以速率v沿x轴正方向运动B．以速率v沿y轴正方向运动C．以速率沿像与S的连线方向向S运动D．以速率v沿像与S的连线方向向S运动[解析]据平面镜成像的规律知，S在平面镜中的像与S的连线总是垂直于平面镜，所以像应沿像与S的连线方向向S运动．将平面镜的速率v沿平行于平面镜和垂直于平面镜两个方向分解，如图所示，设在垂直于平面镜方向的分量为v1，则v1＝v sinθ＝v.像运动的速度大小应为2v1＝v，选D.[答案] D[总结评述] 该题若只将S沿x轴负方向以速度v移动，则像点S′以速度v与x轴成60°向平面镜运动，注意移镜与移物时像点移动的速度是不同的．(2009·全国Ⅰ)某物体左右两侧各有一竖直放置的平面镜，两平面镜相互平行，物体距离左镜4m，右镜8m，如图所示．物体在左镜所成的像中从右向左数的第三个像与物体的距离是( )A．24m B．32m C．40m D．48m[解析]由图可知，物体在两平行平面镜中能成无数个像，在左边镜成第三个像A3，可得物体与A3的间距为32m，故B项正确．[答案] B命题规律根据光的折射定律，不同的色光在同一介质中的折射率不同，临界角不同，解释或计算有关全反射现象的问题及解释光的色散现象．[考例3] (2009·江苏)如图是北京奥运会期间安置在游泳池底部的照相机拍摄的一张照片，相机的镜头竖直向上．照片中，水立方运动馆的景象呈现在半径r＝11cm的圆形范围内，水面上的运动员手到脚的长度l＝10cm.若已知水的折射率n＝，请根据运动员的实际身高估算该游泳池的水深h.(结果保留两位有效数字)[解析]设照片中圆形区域的实际半径为R，运动员从手到脚的实际长度为L.折射定律n sinα＝sin90°.由几何关系得取L＝2.2m，解得h＝2.1m(1.6m～2.6m都算对)．[答案] 2.1m(2009·全国卷Ⅱ)一玻璃砖横截面如图所示，其中ABC为直角三角形(AC边未画出)，AB为直角边∠ABC＝45°；ADC为一圆弧，其圆心在BC边的中点．此玻璃的折射率为1.5.P为一贴近玻璃砖放置的、与AB垂直的光屏．若一光束宽度与AB边长度相等的平行光从AB边垂直射入玻璃砖，则( )A．从BC边折射出光束宽度与BC边长度相等的平行光B．屏上有一亮区，其宽度小于AB边的长度C．屏上有一亮区，其宽度等于AB边的长度D．当屏向远离玻璃砖的方向平行移动时，屏上亮区先逐渐变小后逐渐变大[解析]因为sin C＝，则C<45°，光不能从BC面射出，均发生全反射，从ADC面射出，如图所示．由此可判断B、D项正确．[答案]BD命题规律根据光的干涉条件和光的相干原理，判断干涉图样或干涉条纹的位置与衍射图样的区别．解释一些有关干涉、衍射的现象．[考例4] 用单色光做双缝干涉实验，下述说法中正确的是( ) A．相邻干涉条纹之间的距离相等B．中央明条纹宽度是两边明条纹宽度的2倍C．与双缝之间距离减小，则屏上条纹间的距离增大D．在实验装置不变的情况下，红光的条纹间距小于蓝光的条纹间距[解析]因为相邻两条亮纹(或暗纹)间的距离Δx＝λ，其中d为缝间距离，L为缝到屏的距离，λ为光波波长，对于一单色光，干涉条纹间距相等，A正确，C错误．又因为λ红>λ蓝，所以Δx红>Δx蓝，故D错．[答案] A(2009·天津模拟)抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细，如图所示，观察光束经过细丝后在光屏上所产生的条纹即可以判断细丝粗细的变化( )A．这里应用的是光的衍射现象B．这里应用的是光的干涉现象C．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗D．如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细[解析]本题为光的衍射现象在工业生产中的实际应用，考查光的衍射现象，若障碍物的尺寸与光的波长相比差不多或更小，衍射现象较明显．通过观察屏上条纹的变化情况，从而监测抽制的丝的情况，故选AD.[答案]AD命题规律考查偏振光的产生、应用，激光的特征及应用．[考例5] 如图，P是一偏振片，P的透振方向(用带箭头的实线表示)为竖直方向．下列四种入射光束中哪几种照射P时能在P的另一侧观察到透射光( )A．太阳光B．沿竖直方向振动的光C．沿水平方向振动的光D．沿与竖直方向成45°角振动的光[解析]当光的振动方向与偏振光的方向平行时，透光最强；垂直时，无光透过；若为某一角度时，有部分光透过．而太阳光是自然光，沿各个方向的振动都存在，因此A、B、D选项正确．[答案]ABD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，以下说法正确的是( )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[解析]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．[答案]BD。