高中物理人教版选修34周末班讲义137光的颜色 色散教师版.docx

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高中物理人教版选修34周末班讲义137光的颜色色散教师版

●光的颜色色散

学习目标

1.知道光的色散现象，知道白光是由多种色光组成的．

2．理解薄膜干涉中的色散现象，并了解薄膜干涉的应用．（重点）

3．理解光折射时的色散现象，知道同一介质对不同色光的折射率不同．（重点、难点）

4．了解激光的特性和应用，应用激光观察全息照片.

考点一、光的颜色和色散

1．光的颜色与波长：

不同颜色的光，波长______．

2．光的色散：

含有多种颜色的光被分解为________的现象．

3．光谱：

含有多种颜色的光被分解后，各种色光按其______的有序排列．

答案：

不同单色光波长

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______的光是由同一个实际的光源分解而成的，它们具有相同的______，恒定的________．

答案:

反差频率相位差

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______光的______差不同，在某些位置两列波叠加后相互加强，于是出现________；在另一些位置，两列波相遇后被相互削弱，于是出现________．

答案：

反射路程亮条纹暗条纹

（2）衍射时的色散

用白光做衍射实验时，得到的条纹是_____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1371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______光组成的．

图1371

答案：

彩色七色

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．（×）

1．棱镜对不同单色光的折射率相同吗？

对哪种单色光的折射率最大？

【提示】　不相同，对紫光的折射率最大．

2．白光发生干涉时，出现彩色条纹的原因是什么？

【提示】　不同单色光的干涉条纹间距不同．

1．光的颜色

在双缝干涉实验中，不同色光发生干涉，条纹之间的距离不同，因为条纹之间的距离与光波的波长成正比，由此我们能够判定：

同种介质中不同颜色的光波长不同．由f＝

可知，不同颜色的光频率不同．

图1372

3．薄膜干涉中应注意的三个问题

（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，因此，用白光做这个实验看到的将是彩色条纹；而在单色光照射下，则会出现明、暗相间的条纹．

（3）每一条纹呈现水平分布，各条纹按竖直方向排列．

4．薄膜干涉在技术上的应用

（1）用干涉法检查平面

如图1373所示，两板之间形成一层空气膜，用单色光从上向下照射，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．如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等间距的．如果某处凹下，则对应明条纹（或暗条纹）提前出现，如图1374（a）所示；如果某处凸起来，则对应条纹延后出现，如图（b）所示（注：

“提前”与“延后”不是指在时间上，而是指由左向右的顺序位置上）．

图1373

图1374

（2）增透膜的应用

在光学仪器中，为了减少光在光学元件（透镜、棱镜）表面的反射损失，可用薄膜干涉相消来减少反射光，如照相机、测距仪、潜望镜上用的光学元件表面为了减少光的反射损失都镀上了一层介质薄膜（氟化镁），使薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的

，这样反射回来的两列光波经过的路程差恰好等于半个波长，它们叠加后相互抵消，从而减少了光学元件表面反射造成的光能损失，增强了透射光的能量，故称为增透膜．

1．一束白光通过双缝后在屏上观察到干涉条纹，除中央白色条纹外，两侧还有彩色条纹，其原因是什么？

【解析】　用白光做双缝干涉实验时，除中央白色条纹外，两侧出现彩色条纹，是因为条纹的间距与波长有关，各种色光的波长不同，条纹间距不同，除中央条纹外的各色条纹不能完全重合，出现彩色．

2．竖直的肥皂膜在单色光的照射下，表面会形成明暗相间的条纹，下列说法中正确的是（　　）

A．干涉条纹基本上是竖直的

B．干涉条纹基本上是水平的

C．干涉条纹的产生是由于光在肥皂膜前后表面上反射的两列波叠加的结果

D．干涉条纹是彩色的

E．若改用白光照射则干涉条纹是彩色的

【解析】　薄膜干涉条纹的产生是薄膜的前表面与后表面反射来的光叠加所产生的，同一明条纹或同一暗条纹应出现在膜的厚度相同的地方，同一水平高度处，膜的厚度相同，所以条纹基本是水平的，由于光是单色光，故不会发生色散．故正确答案为B、C、E.

【答案】　BCE

3.如图1375所示，一个小的光源S发出白光，经三棱镜分光，若人沿着折射光线的反方向观察，通过棱镜可以看到（　　）

A．白光点

B．光点上部红色，下部紫色

C．光点上部紫色，下部红色

D．看到的光点比实际光源的位置高

E．看到的光点是光源的虚像

【解析】　由于各种单色光中，紫光的折射率最大，偏折角也最大，成的像最高，红光的折射率最小，偏折角也最小，成的像最低．

【答案】　CDE

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＝

可知，在棱镜中紫光的速度最小，红光的速度最大．

【课堂自测】

知识点一　薄膜干涉的成因及特点

1．关于薄膜干涉，下列说法中正确的是（　　）

A．只有厚度均匀的薄膜，才会发生干涉现象

B．只有厚度不均匀的楔形薄膜，才会发生干涉现象

C．厚度均匀的薄膜会形成干涉条纹

D．观察肥皂液膜的干涉现象时，观察者应和光源在液膜的同一侧

1．D　[当光从薄膜的一侧照射到薄膜上时，只要前后两个面反射回来的光波的路程差满足振动加强的条件，就会出现亮条纹，满足振动减弱的条件就会出现暗条纹．这种情况在薄膜厚度不均匀时才会出现；当薄膜厚度均匀时，不会出现干涉条纹，但也发生干涉现象．如果是单色光照射，若满足振动加强的条件，整个薄膜前方都是亮的，否则整个薄膜的前方都是暗的．如果是复色光照射，某些颜色的光因干涉而减弱，另一些颜色的光会因干涉而加强．减弱的光透过薄膜，加强的光被反射回来，这时会看到薄膜的颜色呈某种单色光的颜色，但不形成干涉条纹．]

点评　薄膜干涉时不一定会看到干涉条纹，关键要把握干涉现象的实质：

光的叠加使某些地方的光振动加强，另一些地方的光振动减弱，此时出现条纹；或使某种色光振动加强，另一些色光振动减弱，这时只呈现某种色彩，如增透膜，这都是干涉现象，只有把握实质，才能灵活应对各种干涉情况．

2．用如图1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线圈，将金属线圈在其所在的竖直平面

内缓慢旋转，观察到的现象是（　　）

图1

A．当金属线圈旋转30°时，干涉条纹同方向旋转30°

B．当金属线圈旋转45°时，干涉条纹同方向旋转90°

C．当金属线圈旋转60°时，干涉条纹同方向旋转30°

D．干涉条纹保持不变

2．D　[竖直肥皂膜是由于重力作用产生的上薄下厚的薄膜，所以金属线圈的转动，改变不了肥皂液膜的上薄下厚的形状，由干涉原理可知，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，与金属线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．]

点评　竖直肥皂膜是由于重力作用产生的上薄下厚的薄膜，旋转改变不了薄膜上薄下厚的特点，肥皂膜干涉是等厚干涉，同一厚度处产生的干涉条纹在同一级次上．

知识点二　折射时的色散及各色光的特性

图2

3．如图2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

3．B　[由光的色散知识可知，红光的偏折最小，紫光的偏折最大，玻璃对红光的折射率比紫光小，玻璃中紫光的传播速度比红光小．]

点评　不同频率的光，在同一种介质中传播时，折射率不同，频率越大，折射率越大．由v＝

可知，折射率越大，波速越小．

图3

4．如图3所示，一束复色光从空气中沿半圆形玻璃砖半径方向射入，从玻璃砖射出后分

成a、b两束单色光．则（　　）

A．玻璃砖对a光的折射率为

B．玻璃砖对a光的折射率为1.5

C．b光的频率比a光的频率大

D．b光在玻璃中的传播速度比a在玻璃中的传播速度大

4．AC　[a光的折射率n＝

＝

，故A正确、B错．由题图可知，a光的偏折程度比b光的小，所以a光的频率小，折射率也小，由n＝

可得v＝

，a光在玻璃中的传播速度比b光的大，故C正确、D错．]

点评　

（1）折射率n＝

中分子上的角为空气中的角；分母上的角为玻璃中的角．

（2）光的频率越大，折射率越大；光在介质中的传播速度v＝

.

知识点三　激光的特点及应用

5．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．单色性好D．波动性好

5．C　[频率相同的两束光相遇才能发生干涉，激光的单色性好，频率单一，通过双缝时能够得到两束相干光．故本题的正确答案是C.]

点评　由发生双缝干涉的条件是频率相同、相位差恒定，以及激光的单色性好、频率单一的特点，很快得出正确选择．

6．美军空投传单，向伊军宣传说，美国利用卫星可以将地面状况看

得一清二楚．而伊方称，已在首都布满了对空机关炮．（《华盛顿邮报》3月2日报道）

试问：

在战争爆发时，伊方欲用激光器击毁位于地平线上方的空间站，则应将激光器

（　　）

A．瞄高些

B．瞄低些

C．沿视线直接瞄准

D．若激光束是红色，而空间站是蓝色的，则应瞄高些

6．C　[空间站反射太阳的光射向地球，通过地球大气层要发生折射，而激光器发出的光通过大气层射向空间站也要发生折射，根据光路可逆，两者的光路相同．因此，A、B错，C对．D选项中空间站是蓝色的，反射光也是蓝色的，比红色激光束的折射率大，由折射定律知应瞄低些方能射中，故D错．]

点评　激光遵循的折射规律与普通光相同．

图4

7．劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图4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．现若将图示

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

7．A　[光线在空气膜的上下表面上反射，并发生干涉，从而形成干涉条纹．设空气膜顶角为θ，d1、d2处为两相邻亮条纹到下表面的距离，如图所示，则两处光的路程差分别为δ1＝2d1，δ2＝2d2.

因为δ2－δ1＝λ，所以d2－d1＝

λ.

设条纹间距为Δl，则由几何关系得：

＝tanθ，

即Δl＝

.当抽去一张纸片时，θ减小，Δl增大，即条纹变疏．]

方法总结　两相干线光源发出的两列光到达某点的光程差为Δr，当Δr＝kλ（k＝0,1,2，…）时，产生亮条纹；当Δr＝（2k＋1）

（k＝0,1,2，…）时，产生暗条纹．

图5

8．如图5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

到的现象有如图所示的条纹中的P和Q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

8．BC　[空气厚度从左向右依次增大，则两表面的反射光其路程差自左向右依次增大．当Δr＝nλ时，出现明条纹，当Δr＝

λ时，出现暗条纹．同一条纹上的各点对应的厚度相同（类比于地理上的等高线），当条纹向左弯曲（P）说明等高线向左移动，即现在A处的高度和A处右边点的高度相同，因此高度变大，A处下凹．当条纹向右弯曲（Q），说明等高线右移，即现在B处的高度和左边点的高度相同，B处上凸．B、C正确．]

方法总结　同一条明条纹（暗条纹）上各点对应的空气膜的厚度相同．向楔形空气膜薄处弯曲则向下凹陷，向空气膜厚处弯曲则向上凸起．

1．一束白光通过双缝后在屏上观察到干涉条纹，除中央白色条纹外，两侧还有彩色条纹，

是因为（　　）

A．各色光的波长不同，因而各色光产生的干涉条纹间距不同

B．各色光的速度不同，造成条纹间距不同

C．各色光的强度不同

D．各色光通过双缝的距离不同

1．A　[双缝干涉条纹的宽度与波长成正比，各色光的波长不同，则条纹宽度不同，A正确．]

图6

2．如图6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

2．C　[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．]

3．光学镜头上涂的一层薄膜叫增透膜，以下说法不正确的是（　　）

A．增透膜的作用是为了减少光的反射损失，增强透射光的强度

B．增透膜的厚度等于入射光在真空中波长的

C．增透膜的厚度等于入射光在薄膜中波长的

D．因为增透膜的作用能使黄绿光反射时相互抵消，而红光、紫光的反射不能完全抵消，

所以涂有增透膜的透镜呈淡紫色

3．B　[根据薄膜干涉的原理，光学镜头上涂的增透膜的作用就是为了减少光的反射损失，增强透射光的强度，选项A正确．增透膜的厚度为光在其中波长的

，才能反射时相消，增强透射，选项B错误，C正确．因为人对黄绿光最敏感，所以增透膜应增强对黄绿光的透射，这时红光和紫光没有显著消弱，所以透镜通常呈淡紫色，选项D正确．]

图7

4．频率不同的两束单色光1和2以相同的入射角从同一点射入一厚玻璃板后，其光路如

图7所示，下列说法正确的是（　　）

A．单色光1的波长小于单色光2的波长

B．在玻璃中单色光1的传播速度大于单色光2的传播速度

C．单色光1通过玻璃板所需的时间小于单色光2通过玻璃板所需的时间

D．单色光1从玻璃到空气的全反射临界角小于单色光2从玻璃到空气的全反射临界角

4．AD　[本题考查光的折射、折射率、全反射及临界角知识．由图可以判断两种单色光的折射率关系为n1>n2，进一步可以判断出波长关系为λ1<λ2，A项正确；速度关系v1t2，故C项错误．]

图8

5．如图8所示，一束白光从顶角为θ的棱镜的一个侧面AB以较大的入射角θ1入射，

经过三棱镜后，在屏P上可得到彩色光带，当入射角逐渐减小到零的过程中，若屏上的

彩色光带先后全部消失，则（　　）

A．红光最先消失，紫光最后消失

B．紫光最先消失，红光最后消失

C．紫光最先消失，黄光最后消失

D．红光最先消失，黄光最后消失

5．B　[依题意作出白光通过三棱镜的光路，

如图所示，可看出由于紫光的偏折最大，由全反射临界公式sinC＝

，紫光的临界角最小，所以紫光一定首先在AC面上发生全反射而从光屏上消失．由以上分析可知，屏上彩色光带中的紫光先消失，后面依次是靛、蓝、绿、黄、橙、红，选项B正确．]

6.如图9所示，在水中有一厚度不计的薄玻璃片做成的中空三棱镜，里面是空气，一束

光A从棱镜的左边射入，从三棱镜的右边射出时发生色散，射出的可见光分布在a点和

b点之间，则（　　）

图9

A．从a点射出的是红光，从b点射出的是紫光

B．从a点射出的是紫光，从b点射出的是红光

C．从a点和b点射出的都是紫光，从ab中点射出的是红光

D．从a点和b点射出的都是红光，从ab中点射出的是紫光

6．B　[光从左边界面入射后，发生折射现象，此时光从光密介质射向光疏介质，由于水对紫光的折射率比对红光的大，所以在入射角相同的情况下，折射角不同，紫光的折射角大于红光，故a为紫光，b为红光．]

7．发出白光的细线光源ab，长度为l0，竖直放置，上端a恰好在水面以下，如图10所

示．现考虑线光源ab发出的靠近水面法线（图中的虚线）的细光束经水面折射后所成的像，

由于水对光有色散作用，若以l1表示红光成的像的长度，l2表示蓝光成的像的长度，则

（　　）

图10

A．l1＜l0＜l2B．l1＞l2＞l0

C．l2＞l1＞l0D．l2＜l1＜l0

7．D　[作出自b点发出一条光线的出射光线，反向延长后与ab的交点在b点的上方．由于蓝光的折射率比红光的折射率大，则蓝光偏折的角度大，则成像较短，故D对．]

8．如图11所示，

图11

两束平行的红光和紫光，相距为d，斜射到玻璃砖的上表面上（玻璃砖足够长），当它们从

玻璃砖的下表面射出时（　　）

A．两条出射光线仍平行，但距离大于d

B．两条出射光线仍平行，但距离小于d

C．两条出射光线仍平行，距离仍为d

D．两条出射光线将不再平行

8．B　[如图所示，由折射定律可知两条光线出射后仍与入射光线平行，两条出射光线也平行，由于紫光的折射率大于红光的折射率，所以紫光折射角β小于红光折射角α，导致d′

9．将激光束的宽度集中到纳米范围内，可修复人体已损坏的器官，对DNA分子进行超

微型基因修复，把诸如癌症、遗传疾病等彻底根除，在上述技术中，人们利用了激光的

（　　）

A．单向性B．单色性

C．亮度高D．粒子性

9．AC

10．让激光照到VCD机、CD机或计算机的光盘上，就可以读出盘上记录的信息，经过

处理后还原成声音和图像，这是利用光的（　　）

A．平行度好，可以会聚到很小的一点上

B．相干性好，可以很容易形成干涉图样

C．亮度高，可以在很短时间内集中很大的能量

D．波长短，很容易发生明显的衍射现象

10．A　[激光的特点之一是平行度好，它可以会聚到一个很小的点上，DVD、VCD、CD唱机或电脑上的光驱及刻录设备就利用了激光的这一特点，选项A正确，B、C、D错误．]

11．一激光器发光功率为P，发出的激光在折射率为n的介质中波长为λ，c表示光在真

空中的速度，下列说法中正确的是（　　）

A．该光在真空中的波长为nλ

B．该光在真空中的波长为λ/n

C．该光的频率为c/λ

D．该光的频率为c/nλ

11．AD　[注意光从一种介质进入另一种介质时，频率不会发生变化，对激光也是一样．由于速度变化的原因，波长会相应变化．对同一频率的光，它在真空中的波长应大于在介质中的波长．]