13.7 光的颜色 色散 优秀教案优秀教学设计高中物理选修3-4新课 (1)

13.7光的颜色 色散
1、教学目标
（1）、知道光的色散现象；
（2）、观察薄膜干涉现象，知道薄膜干涉能产生色散，并能利用它来解释生活中相关的现象。

（3）、理解棱镜能使射向棱镜侧面的光线向底面偏折的道理；
（4）、知道棱镜折射能产生色散。

（5）、认识对同一介质，不同颜色的光折射率不同。

2、教学重点
（1）认识光的色散现象及薄膜干涉产生的色散
（2）理解棱镜折射时的色散现象及其原因
3、教学难点
（1）利用薄膜干涉的原理解释相关现象
（2）用光的折射定律分析不同色光通过同一介质后的偏折情况
4、教学过程：
1）课堂导入
复习旧知：
在双缝干涉中，各种颜色的单色光都会发生干涉，条纹间的距离与什么有关呢？
2）重点讲解
一、光的颜色
1.光的颜色
光的频率决定光的颜色；不同颜色的光波长不同，在真空中λ=. 光的颜色由光的频率决定，不要认为光的颜色由光的波长决定，这是因为同一种光在不同的介质里传播时，频率始终不变，但是波长却不一样.
2.光的色散
含有多种颜色的光被分解为单色光的现象叫光的色散.
3.光谱的定义
含有多种颜色的光被分解后，各色光按其波长的有序排列就叫光谱.
f
c
总结：红到紫七色光中波长依次减小;红到紫七色光中频率依次增大.
二、薄膜干涉中的色散
1.薄膜干涉的成因
如图所示，竖直放置的肥皂薄膜由于受到重力的作用使下面厚、上面薄，因此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，若两列波叠加后互相加强，则出现亮纹；在另一些地方，叠加后互相减弱，则出现暗纹，故在单色光照射下，就出现了明暗相间的干涉条纹；若在白光照射下，则出现彩色干涉条纹.
(1)观察的是从膜前、后两表面反射回来的光，不是透过膜的光，眼睛与光源在膜的同一侧.(2)用单色光和白光分别照射同一膜，观察到的现象是不同的，用白光照射膜时，某一位置红光得到加强，其他颜色的光就被削弱，故在此位置看到的是红色，而另一位置则会看到黄色等其他颜色；而在单色照射下，则会出现明暗相间的条纹.
2.薄膜干涉的应用
（1）用干涉法检查平面：如图所示，被检查平面B与标准样板A之间形成了一个楔形的空气薄膜，用单色光射入，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，被检查平面若是平的，空气膜厚度相同的各点就位于一条直线上，干涉条纹平行；若被检查表面某些地方不平，那里空气膜产生的干涉条纹将发生弯曲.
（2）增透膜:光学元件（透镜、棱镜）的表面涂一层薄膜，当薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的1/4时，在薄膜的两个面上的反射光，光程差恰好等于半波长，因而相互抵消，达到减小反射光，增大透射光强度的作用.
三、折射时的色散
1.棱镜
常用棱镜的横截面为三角形，有的棱镜的横截面为梯形，通常都简称为棱镜.
2.棱镜的作用
（1）可以改变光的传播方向；
（2）可以使光发生色散.
3.通过棱镜的光线
如图所示，光线射到三棱镜上后，光路向着底面偏折，这是由于光在两个侧面上都发生了折射的缘故，偏角θ的大小与棱镜材料及入射角的大小有关.
对一般棱镜而言，透过棱镜看物体，会看到物体的虚像，且虚像的位置比物体的实际位置向顶角方向偏移.
因为常见的情景是如图所示的情况，司空见惯，就认为一定是这样的.其实不然，若组成棱镜的材料相比周围介质而言是光疏介质，则光路向顶角偏折，如图所示.
4.光折射的色散 （1）概念：一束白光通过三棱镜后扩展成由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫各色组成的光带，这种现象称为折射时的色散.这种按一定次序排列的彩色光带叫做光谱.
（2）光折射的色散的成因:光谱的产生表明，白光是由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.
（3）规律：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.
（4）由折射率的定义n =可知，在棱镜中紫光的速度最小，红光的速度最大. 各种不同颜色的光在真空中的传播速度是一样的，都等于3×108 m/s.但不同色光在同一种介质（如玻璃）中的传播速度却不同，波长越长，波速越快.
由于波速v =fλ，并且n =
，所以折射率n =,λ1表示在真空中的波长，λ2表示在介质中的波长.
3）问题探究
探究问题 虹和霓是太阳光射入大气中的水珠经折射、反射和色散产生的光学现象.虹的外圈是红色的，内圈是紫色的；霓的外圈是紫色的，内圈是红色的.能否通过作图定性说明虹是
太阳光在水珠中经过几次折射和几次反射形成的？霓是太阳光在水珠中经过几次折射和几v c v c 21λλ
次反射形成的？
探究过程：初看上去好像没有思路，但仔细分析，题中还是给出了一些线索.如水珠应是一个小球，太阳光从空气射入球内要发生折射，从球内射向空气可能要发生全反射等等，这些信息构建了解题的基本思路，通过作光路图可进行求解.形成虹和霓的折射及反射过程如图甲所示.虹的外圈是红色的，内圈是紫色的；霓的外圈是紫色的，内圈是红色的，如图乙所示.
探究结论:太阳光经过水珠的两次折射、一次内反射形成虹；经水珠的两次折射、两次内反射形成霓.
4）难点剖析
知识点一折射中的色散
例1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向三棱镜的一个侧面，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s1、s2、s3，则（）
A.s1=s2=s3
B.s1＜s2＜s3
C.s1＞s2＞s3
D.s1＞s3＞s2
【答案】D
【解析】依据色散知识可知，光线经过三棱镜将偏向三棱镜的底边，延长后交于三棱镜底边上的一点，此点到底边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，因此D项对.
巧解提示根据对不同色光的折射率不同，画出光路图，就很形象直观地解决这种问题.
例2用薄玻璃片制成一个中间空的三棱镜放入水中，当一束白光从一个侧面斜射入并从三棱镜通过时，下面说法中正确的是（）
A.各色光都向顶角偏折
B.各色光都向底面偏折
C.红色光的偏折角比紫光的大
D.红色光的偏折角比紫光的小
【答案】AD
【解析】薄玻璃片的厚度可以忽略不计，这样这个水中的“空气三棱镜”的折射率比周围水的折射率小，这与放在空气中的玻璃三棱镜是不同的，同样根据折射定律，各色光都向顶角偏移，红光的偏折比紫光的仍然小，故A、D两项正确.
方法点拨在研究棱镜的色散现象时不可死记硬背有关结论，应根据实际情况，应用折射定律灵活解决.
知识点二薄膜干涉
例3如图所示，一束白光从左侧射入肥皂薄膜，下列说法正确的是（）
A.人从右侧向左看，可以看到彩色条纹
B.人从左侧向右看，可以看到彩色条纹
C.彩色条纹水平排列
D.彩色条纹竖直排列
【答案】BC
【解析】一束白光射到薄膜上，经前后两个面反射回来的光相遇，产生干涉现象，从左侧向右看可看到彩色条纹，又由于薄膜同一水平线上的厚度相同，所以彩色条纹是水平排列的. 深化升华从右侧向左看到的是折射光，折射光的偏折角与介质厚度有关，光经过薄膜后的偏折角很小，大面积光束照射后，各单色光的折射光相互重叠，所以难以看到折射时的色散现象.
例4如图所示，用单色光照射透明标准板M来检查平面N的上表面的水平情况，观察到如图所示的条纹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
【答案】BC
【解析】P处所在的条纹是同一条纹，若为直线，则说明该处同一水平线，线上各点对应的空气层厚度都相同，但实际上P处条纹向左弯曲，意味着后一级条纹（图中白色条纹）提前出现，可见P处对应的检测平板上的A点所对应的空气层厚度与后一级条纹对应的空气层厚度相同，而后一级条纹本来对应的空气层厚度比前一级大，可见A处向下凹陷，才能实现该处空气层厚度与下一级条纹对应的空气层厚度一样，C项对；同理B项对.
巧解提示在A处干涉条纹P向薄膜变薄的地方弯曲，说明该处空气层厚度变大，A处向下凹陷.在B处干涉条纹Q向薄膜变厚的地方弯曲，说明该处薄膜的厚度变小，B处向上凸起. 例5在研究材料A的热膨胀特性时，可采用如图所示的干涉实验法.A的上表面是一光滑平面，在A的上方放一个透明的平行板B，B与A上表面平行，在它们间形成一个厚度均匀的空气膜.现在用波长为λ的单色光垂直照射，同时对A缓慢加热，在B上方观察到B板的亮度发生周期性的变化.当温度为t1时最亮，然后亮度逐渐减弱至最暗；当温度升到t2时，亮度再一次回到最亮，则（）
A.出现最亮时，B上表面反射光与A上表面反射光叠加后加强
B.出现最亮时，B下表面反射光与A上表面反射光叠加后相抵消
C.温度从t1升至t2过程中，A的高度增加λ/4
D.温度从t1升至t2过程中，A的高度增加λ/2
【答案】D
【解析】如图所示，A和B之间形成一个厚度均匀的空气膜，则光在空气膜的前表面即B 下表面和后表面即A的上表面产生干涉，形成干涉条纹，当温度为t1时最亮，说明形成亮条纹，然后亮度逐渐减弱至最暗；当温度升到t2时，亮度再一次回到最亮，又一次形成亮条纹，由干涉的原理知，温度t1和t2时，光程差均为波长的整数倍，由材料A具有热膨胀特性所以温度t2比t1时高度增加，使光程差减小一个波长，则A的高度增加λ/2，D项正确. 方法归纳在解关于波膜干涉的问题时，关键是找出是哪两列光发生干涉，然后利用出现明
暗条纹的条件进行分析.
5）训练提升
1．如图所示是用干涉法检查某块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通过滤光片产生的，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线叠加而成的()
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的上表面
D．a的下表面和b的下表面
【答案】 C
【解析】干涉法的原理是利用单色光的薄膜干涉，这里的薄膜指的是样板与待测玻璃板之间的空气层。

在空气层的上表面和下表面分别反射的光会发生干涉，观察干涉后形成的条纹是否为平行直线，可以断定厚玻璃板的上表面是否平整。

因此选项C是正确的。

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(在灯芯上洒些盐)，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
【答案】 D
【解析】金属丝圈的转动，改变不了肥皂液膜的上薄下厚的形状，由干涉原理可知干涉条纹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，A、B、C错误，D正确。

3．一束由红、紫两色光组成的复色光，从空气斜射向玻璃三棱镜。

下面四幅图中能正确表示该复色光经三棱镜折射分离成两束单色光的是()
【答案】 B
【解析】光通过玻璃三棱镜后向它的横截面的底边偏折，故C、D选项错误；同一介质对频率越高的光的折射率越大，所以复色光经玻璃折射后，光路应分开，故A选项错误；紫光的频率比红光的大，故经玻璃三棱镜后紫光的偏折程度大于红光的，故B选项正确。

4．在演示双缝干涉的实验时，常用激光做光源，这主要是应用激光的()
A．亮度高B．平行性好C．相干性好D．波动性好
【答案】 C
【解析】频率相同的两束光相遇才能发生干涉，激光具有高度的相干性，通过双缝时能够得到两束相干光。

故本题的正确答案是C。

5、板书设计：
光的颜色色散
1、光的色散现象
含有多种颜色的光被分解为单色光的现象叫做光的色散现象。

红光的波长最长，紫光的波长最短；
红光的频率最低，紫光的频率最高；
2、薄膜干涉中的色散现象
发生干涉的两列光来自薄膜的前表面和后表面
增透膜的厚度为光波波长的四分之一
3、衍射时的色散现象
4、折射时的色散现象
同一种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。

在同一种介质中，红光的传播速度最快，紫光的传播速度最慢。

6、教学反思：
1、本节中薄膜干涉现象的分析是难点，需要让学生全员参与，动手进行实验。

2、本课教学内容较多，实验也较多，因此课堂要紧奏，以学生展示为主，教师点拨为辅，让学生多体验。

3、讲解薄膜干涉的时候可结合着“干涉现象其实是光能量的再分配”这一思想作指导会更清晰明了。

4、因为时间关系，没有让学生构建网络，这是一个遗憾。