高中物理光学
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3.物理光学
⑴ 光的电磁说
①光的干涉现象:两列波长相同的单色光在相互覆盖的区域发生叠加,会出现明暗相间
的条纹,如果是白光,则会出现彩色条纹,这种现象称为光的干涉•
条件:频率相同、相差恒定、振动方向足足同一直线上
规律:若两光源同相振动的光程差为
3= k 入(k=1,2 ....... .. )----- 亮条纹
S= (2 k—1)入12 ( k=1,2 )——暗条纹
纹间距A x= l入Id
用双缝干涉测光的波长的原理:入= d • A x /l
特例:薄膜干涉
注意:关于薄膜干涉要弄清的几个问题
I是哪两列光波发生干涉
n应该从哪个方向去观察干涉图样
川条纹会向哪个方向侧移
②光的衍射现象:光通过很小的孔、缝或障碍物时,会在屏上出现明暗相间的条纹,且中
央条纹很亮,越向边缘越暗;如果是复色光发生衍射,则出现彩色条纹•
明显发生衍射的条件:障碍物(或孔、缝)的尺寸可与波长相比拟,且障碍物尺寸比波长越小,衍射越明显。
注意:I干涉、衍射现象证明光具有波动性
n干涉、衍射条纹在宽度、亮度上的区别
③光的偏振
波的偏振:横波只沿着某一特定的方向振动,称为波的偏振,光的偏振现象说明光
是横波。
偏振光:通过偏振片的光波,在垂直于传播方向的平面上,只沿着一个特定的方向振
动,称为偏振光。
实验:通过偏振片P的偏振光再通过偏振片Q (检偏器)时,如果两个偏振片的透振方向平行,则通过P的偏振光的振动方向跟偏振片Q的透振方向平行,透射光的强度最大;
如果两个偏振片的透振方向垂直,则通过P的偏振光的振动方向跟偏振片Q的透振方向垂直,偏振光不能通过Q透射光的强度为零。
如图所示。
本质:光波的感光作用和生理作用主要是由电场强度E引起的,因此常将E的振动称为光振
动。
在与光传播方向垂直的平面内,光振动的方向可以沿任意的方向,光振动沿各个方向均匀分布的光就是自然光。
光振动沿着特定的方向的光就是偏振光。
④光的电磁说、电磁波谱
〖例9〗在双缝干涉实验中,以白光为光源,在屏幕上观察到了彩色干涉条纹,若在双缝中
的一缝前放一红色滤光片 (只能透过红光),另一缝前放一绿色滤光片(只能透过绿光) ,这
时(
)
A. 只有红色和绿色的双缝干涉条纹,其它颜色的双缝干涉条纹消失
B. 红色和绿色的双缝干涉条纹消失,其它颜色的双缝干涉条纹依然存在
C. 任何颜色的双缝干涉条纹都不存在,但屏上仍有光亮
D. 屏上无任何光亮
〖例10〗市场上有种灯具俗称“冷光灯”,用它照射物品时能使被照物品处产生的的热效应 大大降
低,从而广泛地应用于博物馆、商店等处。
这种灯降低热效应的原因之一是在灯泡后 面放置的反光镜玻璃表面上镀一层薄膜(例如氟化镁) ,这种膜能消除不镀膜时玻璃表面反
射回来的热效应最显著的红外线。
以入表示此红外线的波长,则所镀薄膜的厚度最小应为
( )
1
1 1 A.
入 B . 入 C . 入 D .入
8
4
2
1例11〗在太阳光照射下,水面油膜上会出现彩色的花纹,这是两列相干波发生干涉的结
果,这两列相干光波是太阳光分别经 __________ 而形成的。
用平行的单色光垂直照射不透明的 小圆板,在圆板后面的屏上发现圆板阴影中心处有一个亮斑,这是光的 现象。
〖例12〗图中为X 射线管的结构示意图, E 为灯丝电源。
要使射 线管
发出X 射线,须在K 、A 两电极间加上几万伏的直流高压,则 ( )
P 点,X 射线从K 极发出 P 点,X 射线从A 极发出 Q 点,X 射线从K 极发出 Q 点,X 射线从A 极发出 〖例13〗太阳的连续光谱中有许多暗线,它们对应着某些元素的特征
谱线。
产生这些暗线 是由于( )
A 太阳表面大气层中缺少相应的元素;
B .太阳内部缺少相应的元素; C.太阳表面大气层中存在着相应的元素;
D .太阳内部存在着相应的元素。
〖强化训练〗
〖练17〗用绿光照射一光电管,能产生光电效应。
欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能 增大,则
应(
)
A. ___________________________________ 改用红光照射 B .增大绿光的强度 C.增大光电管上的
加速电压 D .改用紫光照射
〖练18〗用红光做双缝干涉实验,在屏上观察到干涉条纹,在其它条件不变的情况下,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 ________ 条 纹。
〖练19〗从点光源L 发出的白光,经过透镜后成一平行光束,垂直照射到档光板
P 上,板
上开有两条靠得很近的平行狭缝 S 、S2如图所
示,在屏Q 上可看到干涉条纹, 图中O 点是屏 Q
上与两狭缝等距离的一点,则( )
A. 干涉条纹是黑白的, O 是亮点
B. 干涉条纹是黑白的, O 是暗点
A. 高压电源正极应接在
B. 高压电源正极应接在
C. 高压电源正极应接在
D. 高压电源正极应接在
C. 干涉条纹是彩色的,0是亮点
D. 干涉条纹是彩色的,0是暗点
1练20〗图46-5所示的是一竖立的肥皂液薄膜的横截面,关于竖立的肥皂薄膜上产生光的 干涉现象,看下列陈述,其中哪一些是正确的(
)
⑴干涉条纹产生是由于光线在薄膜前后两表面反射,形成的两列光波的叠加 ⑵干涉条纹的暗线是由于上述两列反射波的波谷与波谷叠加造成的 ⑶用绿光照射薄膜产生的干涉条纹间距比黄色光照射时小 ⑷薄膜上的干涉条纹基本上是竖直的 A .只有⑴和⑵ B .只有⑶和⑷
C .只有⑴和⑶
D .只有⑵和⑷
1练21〗关于光谱,下面说法中正确的是(
)
A. 炽热的液体发射连续光谱
B. 太阳光谱中的暗线说明太阳上缺少与这些暗线相应的元素
C. 明线光谱和吸收光谱都可用于对物质成份进行分析
D. 发射光谱一定是连续光谱
〖练22〗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源加滤光片产生的。
检查中所 观察到的干涉条纹是由下列哪两个表面反向的光叠加而成的
A. a 的上表面、b 的下表面
B. a 的上表面、b 的上表面
C. a 的下表面、b 的上表面
D. a 的下表面、b 的下表面
〖练23〗现代光学装置中的透镜, 棱镜的表面常涂上一层薄膜
般用氟化镁),当薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的
1/4时,可
以大大减少入射光的反射损失,从而增强透射光的强度,这种作用是应用了光的(
)
A.
色散现象 B
.全反射现象
C .干涉现象
D .衍射现象
后记:本课时复习物理光学的基本概念,学生对于记忆部分掌握较好,对光的干涉和衍射理 解深刻,能够用所学知识解释物理现象
第四课时
(1)光子说 ①
光电效应 现象:在一定频率光的照射下 ,从金属表面发射电子的 现象,发出的电子
叫光电子
规律:1 •光电效应的瞬时性(10-9
秒).
n .每种金属都有一个极限频率
,当入射光的频率大于 极限频率时,才能发生光
电效应•
② 光子说:光源发出的是不连续的,而是一份一份的,每一份光叫做一个光子,光子的能 量跟光的频率成正比,即E=h 光子论对光电效应的解释:
③ 爱因斯坦光电效应方程: E k =h — W
1.
光电效应:⑴在光的照射下物体发射电子的现象
叫光电效应。
(右图装置中,用弧光灯照射锌
图 46-5
()
单色光
版,有电子从锌版表面飞岀,使原来不带电的验电器带正电。
[⑵光电效应的规律:①各种金属都存在极限
频率V0,只有V》V0才能发生光电效应;②瞬时性(光电子的产生不超过10-9S )③、④••⑶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=h
⑷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,即从金属表面直接飞
出的光电子克服正电荷引力所做的功。
)
题30、对爱因斯坦光电效应方程E K= h v -W,下面的理解正确的有 A.只要是用同种频率的光照射同一种金
属,那么从金属中逸岀的所有光电子都会具有同样的初动能E K B.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v o之间应满足关系式W=h v
0 D.光电子的最大初动能和入射光的频率成正比
题31、如图,当电键K断开时,用光子能量为的一束光照射阴极P,发现电流表读数不为零。
合
(V——1上电键,调节滑线变阻器,发现当电压表读数小于时,电流表读数仍不为零;当电压表读数大于或等于时,电
流表读数为零。
由此可知阴极材料的逸岀功为
(2 )玻尔的原子模型,能级轨道量子化:围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立
的数值,这种现象称为轨道量子化。
在这些状态中,尽管电子做变速运动,却不向外辐射能
量,因此这些状态是稳定的。
能量量子化:原子可能的状态是不连续的,因此各状态对应的能量也是不连续的。
这些能量
值叫做能级。
氢原子能级如图所示。
基态与激发态
光子的发射与吸收:原子从一种定态(En)跃迁到另一种定态(云)时,它辐射或吸收一定
频率的光子,光子的能量由这两种定态的能级差决定:h = E m- E n
原子光谱:稀薄气体通电时只能发出几种确定频率的光,通过分光镜得到的光谱是几条分立
的亮线,而且不同气体光谱的亮线位置不同,这种分立的线状光谱叫做原子光谱。
(3)光的波粒二象性物质波
1. 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,是一份能量。
⑴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。
⑵v高的光子容易表现岀粒子性;v低的光子容易表现岀波动性。
⑶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。
⑷由光子的能量E=hv,光子的动量
p=h/入表示式也可以看岀,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 ---------- 频率v和波长入。
由以上两式和波速公式c=Z_还可以得出:E = p c。
题32、已知由激光器发岀的一细束功率为P=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 =x 103kg/m3,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
n =3,g=10m/s2)
①光的波粒二象性:光既具有波动性,又具有微粒性,这种性质叫波粒二象性•
光子能量:E=h 光子动量:P=h/入
光子质量: m=E/c=h入/ c
②物质波:任何一个运动着的物体,小到电子、质子,大到行星、太阳,都有一种波与
它对应,波长入是入=h/p
1、原子模型:汤姆生模型(枣糕模型)一一卢瑟福模型(核式模型)一一•玻尔模型(半经典半量子模
型)一一现代模型(电子云模型)
2、玻尔假设:
(1)、原子只能处于一系列不连续的能量状态中,在这些状态中原子是稳定的,电子虽然做加速运动,
但并不向外辐射能量.
(2)、原于从一种能量状态(设能量为E i)跃迁到另一种能量状态(设能量为E2)时,它辐射(或吸收)一定频率的光子,光子的能量(E=h v )由这两种能量状态的能量差决定,即h v =E i=E2 .
(3)、原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应•原子的能量状态是不连续的,因此电子的可能轨道的分布也是不连续的.
3、玻尔原子理论对氢原子解释的两个公式:r n=n2r i,巳=巳伯2,(n= 1,2,3…)
4、原子光谱可以用原子的发光机制解释,原于从一种能量状态(设能量为E i)跃迁到另一种能量状态(设能量为巳)时,它辐射(或吸收)一定频率的光子,光子的能量(E=h v )由这两种能量状态的能量差决定,即h v =E i=£.
5、玻尔理论的局限性在于没有完全引入量子理论.
题34、氢原子的基态能量为E i,电子轨道半径为r i ,电子质量为m,电量大小为e .氢原子中电子在n=3 的定态轨道上运动时的速率为V3 ,氢原子从n=3的定态跃迁到n=i的基态过程中辐射光子的波长为入,则以下结果正确的是:
A. B . C .电子的电势能和动能都要减小 D.电子的电势能减小,电子的动能增大
题35、已知氢原子基态具有能量.有一群氢原子处于量子数n=3的激发态,请画出能级图,在图上用箭头标明这些原子可能发岀的几种频率的光,并计算岀其中最短波长。
6、氢原子中的电子云:
(1)对于宏观质点,只要知道它在某一时刻的位置和速度以及受力情况,就可以应用牛顿定律确定该质点运动的轨道,算岀它在以后任意时刻的位置和速度。
(2)对电子等微观粒子,牛顿定律已不再适用,因此不能用确定的坐标描述它们在原子中的位置。
玻尔理论中说的“电子轨道”实际上也是没有意义的。
(3)更加彻底的量子理论认为,我们只能知道电子在原子核附近各点出现的概率的大小。
在不同的能量状态下,电子在各个位置岀现的概率是不同的。
(4)如果用疏密不同的点子表示电子在各个位置岀现的概率,画岀图来,就像一片云雾一样,可以
形象地称之为电子云。
〖例I4〗某金属在单色光的照射下发射出光电子,这光电子的最大初动能()
A.随照射光的强度增大而增大 B .随照射光的频率增大而增大
C.随照射光的波长增大而增大 D .与照射光的照射时间无关〖例I5〗某单色光照射某金属时不能产生光电效应,则下述措施中可能使该金属产生光电效应的是()
A延长光照时间B增大光的强度 C.换用波长较短的光照射D换用频率较低的光照射
〖例i6((I998年高考全国卷)一细束平行光经玻璃三棱镜折射后分解为互相分离的三束光,分别照射到相同的金属板a、b、c上,如图所示,已知金属板b有光电子放出,则可知()
A.板a 一定不放出光电子
B.板a 一定放出光电子
C.板c 一定不放出光电子
D.板c 一定放出光电子
〖例17〗在演示光电效应的实验中,原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连。
用弧光灯照射锌板时,验电器的指针就张开一个角度,如图所示。
这时()
A.锌板带正电,指针带负电
B.锌板带正电,指针带正电
C.锌板带负电,指针带正电
D.锌板带负电,指针带负电
1例18〗氢原子的基态能量为E ,下列四个能级图,正确代表氢原子的是(
0_________ _
乂----
i-ffi --------
沁----
B
〖例19〗已知铯的极限频率为x 10 14赫,钠的为X 10 14赫,银的为X 10 15赫,铂的为X 10 15 赫。
当用波长为微米的光照射它们时,可发生光电效应的是________________ 。
(铯和钠)
〖例20〗根据玻尔理论,氢原子的电子由高能级跃迁到较低能级后()A原子的能量增加,电子的动能减少 B 原子的能量增加,电子的动能增加
C原子的能量减少,电子的动能减少 D 原子的能量减少,电子的动能增加
〖强化训练〗
〖练24〗关于光电效应的下述说法中,正确的是()
A.光电子的最大初动能随着入射光强度的增大而增大
B.只要入射光的强度足够大或照射的时间足够长,就一定能产生光电效应
C.任何一种金属都有一个极限频率,低于这个频率的光不能产生光电效应
D在光电效应中,光电流的强度与入射光强度无关
〖练25〗下列实验中,能证实光具有粒子性的是()
A光电效应实验B光的双缝干涉实验C光的圆孔衍射实验D a粒子散射实验
〖练26〗用同一束单色光,在同一条件下,先后照射锌片和银片,都能产生光电效应,对于这两个过程,下列括号所列的4个物理量中,一定相同的是______________ ,可能相同的
是 _____ , 一定不同的是____________ (只须填写各量前的编号)〔⑴照射光子的能量;⑵光
电子的逸出功;⑶光电子的动能;⑷光电子的最大初速度〕。
〖练27〗在演示光电效应的实验中,把某种金属板连在验电器上,第一次,用弧光灯直接照射金属板,验电器的指针就张开一个角度。
第二次,在弧光灯和金属板之间,插入一块普
通的玻璃板,再用弧光灯照射,验电器指针不张开。
由此可以判定,使金属板产生光电效应
的是弧光中的()
A.可见光成份B •紫外光成份 C •红外光成份 D •无线电波成份
〖练28〗下列陈述中哪一些是正确的()
⑴在相同条件下,用紫光照射双缝产生的干涉条纹间距比用红光时大;
⑵衍射现象的研究表明“光沿直线传播”只是一种近似规律;
⑶产生光电效应的极限频率,只与金属的逸出功有关;
⑷光电效应实验表明,入射光波的振幅越大,所产生的光电子的初动能就越大。
其中正确的是(
)
A.只有⑴和⑵ B .只有⑶和⑷ C .只有⑴和⑷ D .只有⑵和⑶
〖练29〗下列关于光的说法中正确的是()
A.在真空中红光波长比紫光波长短 B .红光光子能量比紫光光子能量小
C.红光和紫光相遇时能产生干涉现象
D .红光照射某金属时有电子向外发射,紫光照射该金属时一定也有电子向外发射
〖练30〗在X射线管中,由阴极发射的电子被加速后打到阳极,会产生包括X光在内的各
种能量的光子,其中光子能量的最大值等于电子的动能。
已知阳极与阴极之间的电势差U
普朗克常数h、电子电量e和光速c,则可知该X射线管发出的X光的()
c c eU eU
A最短波长为B最长波长为h C最小频率为 D •最大频率为 -
eUh eU h h
〖练31〗(2000年春季高考北京、安徽卷)根据玻尔理论,某原子的电子从能量为E的轨道跃迁到能量为巳的轨道,辐射出波长为入的光。
以h表示普朗克常量,c表示真空中的光速,则E/等于()
A. E —h_ B . E + h_ C . E —h _c D . E + h _c
c c
〖练32〗(1998年高考全国卷)处于基态的氢原子在某单色光束照射下,只能发出频率为
V i、V 2、V 3的三种光,且V l< V 2< V 3,则该照射光的光子能量为()
A、h V i
B、h V 2
C、h V 3 D h (V i + V 2 + V 3)
〖练33〗某种金属的极限波长为X 10—7m氢原子能级跃迁时释放的光子打到此金属表面能发生光电效应,可知这次能级跃迁一定是从高能状态跃迁到量子数n= _________ 时的能量状态。
欲使处于这种能量状态的氢原子电离,所吸收光子的能量至少应为 ____ (已知氢原子
基态时的能量为E=)
〖练34〗(1995年高考全国卷)如图给出氢原子最低的四个能级•氢原子在这些能级之间跃
迁所辐射的光子的频率最多有 _
种,其中最长的波长等于—「,最短的波长等于_m「(保留两个数字)
后记:原子的能级结构过于抽象,虽然复习,学生还是有些模糊,对于光谱不能准确的理解。