高三物理 光的本性tg

2014届高三物理总复习讲义《光的本性》
一．基础知识
1．光的干涉
⑴亮纹：屏上某点到双缝的光程差等于波长的整数倍，即δ= n λ（n=0，1，2，……） ⑵暗纹：屏上某点到双缝的光程差等于半波长的奇数倍，即δ=
)12(2-n λ（n=0，1，2，……） 相邻亮纹（暗纹）间的距离λλ∝=∆d l x 。

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，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。

2．光的衍射
注意关于衍射的表述一定要准确。

（区分能否发生衍射和能否发生明显衍射） ⑴各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射。

⑵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0.5mm 时，有明显衍射现象。

）
⑶在发生明显衍射的条件下，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。

3．光的电磁说
⑴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——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。

⑵电磁波谱。

波长从大到小排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、γ射线。

各种电磁波中，除可见光以外，相邻两个波段间都有重叠。

各种电磁波的产生机理分别是：无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；伦琴射线是原子的内层电子受到激发后产生的；γ射线是原子核受到激发后产生的。

⑷实验证明：物体辐射出的电磁波中辐射最强的波长λm 和物体温度T 之间满足关系λm = b （b 为常数）。

可见高温物体辐射出的电磁波频率较高。

在宇宙学中，可以根据接收到的恒星发出的光的频率，分析其表面温度。

⑸可见光频率范围是3.9-7.5×1014Hz ，波长范围是400-770nm 。

4．光电效应现象
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，用弧光灯照射锌版，有电
子从锌版表面飞出，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ν0，只有ν
≥ν0才能发生光电效应；②瞬时性（光电子的产生不超过
10-9s ）。

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ν成正比：E=h ν
⑷爱因斯坦光电效应方程：E k = h ν -W （E k 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。

）
5．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。

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。

⑵ν高的光子容易表现出粒子性；ν低的光子容易表现出波动性。

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=h ν，光子的动量λh
p =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——频率ν和波长λ。

由以上两式和波速公式c=λ ν ，还可以得出：E = p c
二．典型例题分析
例题一：（光的干涉现象）用绿光做双缝干涉实验，在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹，相邻两条绿条纹间的距离为Δx 。

下列说法中正确的有 （ ）
A ．.如果增大单缝到双缝间的距离，Δx 将增大
B ．如果增大双缝之间的距离，Δx 将增大
C ．如果增大双缝到光屏之间的距离，Δx 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，Δx 将增大
课堂练习1：单色光源发出的光经一狭缝，照射到光屏上，可观察到的图象是（ ）
(A)(B) (C)
(D)
课堂练习2：如图所示为一显示薄膜干涉现象的实验装置，p 是附有肥皂膜的铁丝圈，S 是一点燃的酒精灯，往火焰上洒些盐后，在肥皂膜上观察到的干涉图象应是下图中的（ ）。

课堂练习3：劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图1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2所示。

干涉条纹有
如下特点：⑴任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；⑵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1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
两张
纸片
图1（俯视图）
图
2
光屏 双缝
激光器 课堂练习4：如图为双缝干涉的实验示意图，若要使干
涉条纹的间距变大可改用长更___________（填长、短）
的单色光，或是使双缝与光屏间的距离___________（填
增大、减小）。

例题二：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8.1×1014Hz ，那么它设计的这种“增反膜”的厚度至少是多少？
例题三：（光的衍射现象）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（ ）
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
课堂练习：A 、B 两幅图是由单色光分别射到圆孔而形成的图象，
其中图A 是光的 （填干涉或衍射）图象。

由此可以判断
出图A 所对应的圆孔的孔径 （填大于或小于）图B 所对应
的圆孔的孔径。

例题四：（光的电磁说）为了转播火箭发射现场的实况，在发射场建立了发射台，用于发射广播电台和电视台两种信号。

其中广播电台用的电磁波波长为550m ，电视台用的电磁波波长为0.566m 。

为了不让发射场附近的小山挡住信号，需要在小山顶上建了一个转发站，用来转发_____信号，这是因为该信号的波长太______，不易发生明显衍射。

课堂练习1：用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图(a)、(b)、(c)所示的图像，则
(A)图像(a)表明光具有粒子性
(B)图像(c)表明光具有波动性
(C)用紫外光观察不到类似的图像
(D)实验表明光是一种概率波
课堂练习2：如图，当用激光照射直径小于激光束的不透明圆盘时，在圆盘后屏上的阴影中心出现了一个亮斑。

这是光的 (填“干涉”、“衍射”或“直
线传播”)现象，这一实验支持了光的 (填“波动说"、“微
粒说"或“光子说")。

例题五：（光电效应原理）对爱因斯坦光电效应方程E K= hν-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，那么从金属中逸出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ν0之间应满足关系式W= hν0
D、光电子的最大初动能和入射光的频率成正比
课堂练:1：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。

课堂练习2：在右图所示的光电管的实验中，发现用一定频率的A单色光照射光电管时，电流表指针会发生偏转，而用另一频率的B单色光照射时不发生光电效
应，那么（）
A.A光的频率大于B光的频率
B.B光的频率大于A光的频率
C.用A光照射光电管时流过电流表G的电流方向是a流向b
D.用A光照射光电管时流过电流表G的电流方向是b流向a
例题六：（光电管原理）如图，当电键K断开时，用光子能量为2.5eV 的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。

合上电键，调节滑线变阻器，发现当电压表读数小于0.60V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于0.60V时，电流表读数为零。

由此可知阴极材料的逸出功为（）
A、1.9eV
B、0.6eV
C、2.5eV
D、3.1eV
例题七：已知由激光器发出的一细束功率为P=0.15kW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ρ=2.7×103kg/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π=3，g=10m/s2）
课堂练习：某脉冲激光器的耗电功率为2 103瓦，每秒钟输出10个光脉冲，每个脉冲持续时间为10－8秒，携带的能量为0.2焦，则每个脉冲的功率为＿＿＿＿＿＿瓦，激光器将电能转化为激光能量的效率为＿＿＿＿＿＿＿。

课堂练习2：某半导体激光器发射波长为1.5×10-6m，功率为5.0×10-3W的连续激光。

已知可见光波长的数量级为10-7m，普朗克常量h＝6.63×10-34J·s，该激光器发出的（）(A)是紫外线(B)是红外线
(C)光子能量约为1.3×10-18J (D)光子数约为每秒3.8×1016个
例题八：（X射线管原理）右图是伦琴射线管的结构示意图。

电源E给灯丝K加热，从而发
对阴极A飞去。

电子流打到A极表面，激发出高频电磁
波，这就是X射线。

下列说法中正确的有（）
A、P、Q间应接高压直流电，且Q接正极
B、P、Q间应接高压交流电
C、K、A间是高速电子流即阴极射线，从A发出的是X射线即一种高频电磁波
D、从A发出的X射线的频率和P、Q间的交流电的频率相同。