人教版高中物理选修34教学案第十三章 第78节 光的颜色 色散 激光含答案.docx

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人教版高中物理选修34教学案第十三章第78节光的颜色色散激光含答案

第7、8节

光的颜色__色散__激光

1.光的颜色由频率决定，不同颜色的光波长不同。

2．含有多种颜色的光被分解为单色光的现象叫做光的色散，这些单色光按波长的有序排列就是光谱。

3．能使光色散的方法有：

（1）薄膜干涉色散；

（2）衍射色散；（3）折射色散。

4．在同一种物质中，不同波长的光波的传播速度不一样，波长越短，波速越慢。

5．激光是人工产生的，具有相干性好、平行度好、亮度高的特点。

一、光的颜色　色散

1．光的颜色与波长：

不同颜色的光，波长不同。

图1371

2．光的色散：

含有多种颜色的光被分解为单色光的现象。

如图1371。

3．光谱：

含有多种颜色的光被分解后，各种色光按其波长的有序排列。

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反射的光是由同一个实际的光源分解而成的，它们具有相同的频率，恒定的相位差。

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，前后两个面的反射光的路程差不同，在某些位置两列波叠加后相互加强，于是出现亮条纹；在另一些位置，两列波相遇后被相互削弱，于是出现暗条纹。

（2）衍射时的色散

用白光做衍射实验时，得到的条纹是彩色的。

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

图1372

如图1372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，这说明白光是由七色光组成的。

5．在同一种物质中，不同波长的光波的传播速度不一样，波长越短，波速越慢。

二、激光

1．激光的特点及应用

特点

性质

应用

相干性

激光具有频率单一、相位差恒定、偏振方向相同的特点，是人工产生的相干光，具有高度的相干性

光纤通信

平行度

激光的平行度非常好，传播很远的距离仍能保持一定的强度

精确的测距；读取光盘上记录的信息等

高亮度

它可以在很小的范围和很短的时间内集中很大的能量

用激光束切割、焊接，医学上可以用激光做“光刀”，激发核反应等

2．全息照相

（1）与普通照相技术的比较：

普通照相技术所记录的只是光波的强弱信息，而全息照相技术还记录了光波的相位信息。

（2）原理：

全息照相的拍摄利用了光的干涉原理，使参考光和物光在底片上相遇，发生干涉，形成复杂的干涉条纹。

这要求参考光和物光必须具有很高的相干性。

（3）观察全息照片时要用激光照射照片，从另一侧面观察。

1．自主思考——判一判

（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。

（×）

（4）激光可以进行光纤通信是利用了相干性好的特点。

（√）

（5）激光可用做“光刀”来切开皮肤是利用激光的相干性好。

（×）

（6）全息照相技术只能记录光波的强弱信息。

（×）

2．合作探究——议一议

（1）雨后天空出现的彩虹是怎样形成的？

提示：

由于光的折射发生了色散现象形成的。

（2）利用激光测量地球到月球的距离，应用了激光哪方面的性质？

提示：

应用了“平行度”非常好的性质。

对光的色散的理解

1．折射时的色散

（1）我们把射出棱镜的光线与入射光线方向的夹角叫通过棱镜的偏向角，如图1373所示，实验表明，白光色散时，红光的偏向角最小，紫光的偏向角最大。

这说明玻璃对不同色光的折射率是不同的。

紫光的最大，红光的最小。

图1373

（2）由于介质中的光速v＝

，故在同种介质中折射率大的光速小，各种色光在同种介质中的光速依次为v紫＜v蓝＜…＜v橙＜v红，即红光的速度最大，紫光的速度最小。

（3）如图1373所示，白光经过三棱镜后，在光屏上呈现七色光带；若从棱镜的顶角向底边看，由红到紫依次排列，紫光最靠近底边，光的色散实质上是光的折射现象。

2．双缝干涉中的色散

用不同的单色光做双缝干涉实验，得到的条纹之间的距离不一样，但都是明暗相同的单色条纹。

由Δx＝

λ知，红光波长最长，Δx最大，紫光波长最短，Δx最小。

白光干涉时的条纹是彩色的，即白光是由多种色光组成的复色光，发生干涉时，白光发生了色散现象。

[典例]　（多选）如图1374，一束光沿半径方向射向一块半圆柱形玻璃砖，在玻璃砖底面上的入射角为θ，经折射后射出a、b两束光线。

则（　　）

图1374

A．在玻璃中，a光的传播速度小于b光的传播速度

B．在真空中，a光的波长小于b光的波长

C．玻璃砖对a光的折射率小于对b光的折射率

D．若改变光束的入射方向使θ角逐渐变大，则折射光线a首先消失

E．分别用a、b光在同一个双缝干涉实验装置上做实验，a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距

[解析]　a光的折射角更大，则玻璃砖对a光的折射率大于对b光的折射率，在玻璃中a光的传播速度小于b光的传播速度，在真空中，a光的波长小于b光的波长，A、B项正确，C项错误；玻璃对a光的折射率大于对b光的折射率，a光的临界角小，改变光束的入射方向使θ角变大，则折射光线a首先消失，D项正确；a光的波长小于b光的波长，a光的干涉条纹间距小于b光的干涉条纹间距，E项错误。

[答案]　ABD

光的色散的物理意义

（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。

1.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（　　）

图1375

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．看不到光源的像

解析：

选C　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，故C正确。

2.如图1376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（　　）

图1376

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

解析：

选B　白光中红光的频率最低，在玻璃中的折射率最小，由n＝

可知，红光的传播速度最大，紫光的频率最高，在玻璃中的折射率最大，传播速度最小，经过棱镜发生色散时，偏折最大，综上所述，A、C、D均错误，B正确。

3.如图1377所示，在水中有一厚度不计的薄玻璃片制成的中空三棱镜，里面是空气，一束光A从棱镜的左边射入，从棱镜的右边射出时发生了色散，射出的可见光分布在a点和b点之间，则（　　）

图1377

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点射出的都是红光，从ab中点射出的是紫光

D．从a点和b点射出的都是紫光，从ab中点射出的是红光

解析：

选B　由红光的折射率小于紫光的折射率知，紫光偏离原来方向比红光严重，并且向顶端偏折，光路图如图所示，所以从a点射出的是紫光，从b点射出的是红光，选项B正确。

薄膜干涉的应用

1．用干涉法检查平面平整度

如图1378甲所示，两板之间形成一层空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等间距的。

如果被测表面某处凹下，则对应亮条纹（或暗条纹）提前出现，如图乙中P条纹所示；如果某处凸起来，则对应条纹延后出现，如图乙中Q所示，即亮条纹在凹陷处向空气膜较薄处弯曲，在凸起处向空气膜较厚处弯曲。

（注：

“提前”与“延后”不是指在时间上，而是指由左到右的位置顺序上）

图1378

2．增透膜

为了减少光学装置中的反射光的损失，可在元件表面涂一层透明薄膜，一般是氟化镁。

图1379

如图1379所示，在增透膜的前后表面反射的两列光波形成相干波，相互叠加，当路程差为半波长的奇数倍时，在两个表面反射的光反向，相互抵消，从而使反射的两列光波产生相消干涉，反射光的能量几乎等于零。

一般取最小厚度d满足2d＝

（此波长为光在该种介质中的波长），由于白光中含有多种波长的光，所以增透膜只能使其中一定波长的光相消。

因为人对绿光最敏感，一般选择对绿光起增透作用的膜，所以在反射光中绿光强度几乎为零，而其他波长的光并没有完全抵消，所以增透膜呈现淡紫色。

[典例]　（多选）如图13710甲所示，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，观察到的图像如图乙所示的条纹中的P和Q的情况，这说明（　　）

图13710

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

[解析]　利用光的薄膜干涉来检查平面的情况，就是由标准样板平面和被检查平面间形成一个楔形的空气薄层，用单色光从上面照射，入射光在空气层的上、下表面反射形成的两列光波发生干涉。

如果被检测的面是平的，那么空气层的厚度相同的各点的干涉条纹在一条直线上。

若是被检测平面的某处凹下去了，这时干涉条纹就不是直线，在凹处的干涉条纹将向楔形膜中薄的一侧弯曲。

这是因为凹处的两束反射光的路程差变大，它只能与膜厚一些位置的两反射光的路程差相同而形成同一级的条纹（路程差相同的干涉条纹为同一级，一般路程差大的干涉条纹级别高，路程差小的干涉条纹级别低），显然凹处的级别增大，将与膜厚一些位置的干涉条纹形成同一级别的条纹，故B、C正确。

[答案]　BC

被测平面凹下或凸起的形象判断法

被测平面凹下或凸起的形象判断法——矮人行走法。

即把干涉条纹看成“矮人”的行走轨迹。

让一个小矮人在两板间沿着一条条纹直立行走，始终保持脚踏被测板，头顶样板，在行走过程中：

若遇一凹下，他必向薄膜的尖端去绕，方可按上述要求过去，即条纹某处弯向薄膜尖端，该处为一凹下；若遇一凸起，他必向薄膜的底部去绕，方可按上述要求过去，即条纹某处弯向薄膜底部，该处为一凸起。

1.如图13711所示是用干涉法检查某块厚玻璃块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射的光线叠加而成的（　　）

图13711

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

解析：

选C　样板和厚玻璃之间存在楔形空气薄膜，用单色光从这个空气薄膜表面照射，入射光从空气薄膜的上、下表面反射回的两列光波形成干涉条纹。

空气薄膜的上、下表面就是a的下表面和b的上表面，故选项C正确。

2.用如图13712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（　　）

图13712

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

解析：

选D　竖直肥皂膜是由于重力作用产生的上薄下厚的薄膜，所以金属丝圈的缓慢转动，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，与金属丝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。

3．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

解析：

选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，就会出现明条纹，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振动加强，另一些颜色的光会因干涉而振动减弱，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。

故选D。

激光

1．激光的产生

激光是原子受激辐射产生的光，发光的方向、频率、偏振方向均相同，两列相同激光相遇可以发生干涉。

激光是人工产生的相干光。

2．激光的特点

（1）激光是人工产生的相干光，其单色性好，相干性好。

激光的频率单一，相干性非常好，颜色特别纯。

用激光做衍射、干涉实验，效果很好。

（2）激光的平行度好。

从激光器发出的激光具有极好的平行性，几乎是一束方向不变、发散角很小的平行光。

传播几千米后，激光斑扩展范围不过几厘米，而探照灯的光束能扩展到几十米范围。

（3）亮度高。

激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。

3．激光的应用

（1）光纤通信。

（2）激光测距。

（3）激光读写。

（4）激光加工。

（5）激光手术（亦称光刀手术）。

（6）激光武器。

（7）可控聚变反应中的应用。

1．对于激光的认识，以下说法中正确的是（　　）

A．普通光源发出的光都是激光

B．激光是自然界普遍存在的一种光

C．激光是一种人工产生的相干光

D．激光一定比普通光的强度大

解析：

选C　激光是原子受激辐射产生的光，是人工产生的一种相干光，与普通光源发出的光不同，所以C正确，A、B错误；用途不同，不同激光的强度大小并不相同，激光不一定比普通光的强度大，D错误。

2．（多选）关于激光与自然光，下列说法正确的是（　　）

A．激光的频率单一，而自然光是含有各种色光频率的光，所以激光的相干性好

B．自然光是由物质的原子发射出来的，而激光是人工产生的，所以激光不是由物质的原子发射出来的

C．激光和自然光都具有相同的本质，它们都是由原子的跃迁产生的

D．相干性好是激光与普通光的根本区别

解析：

选ACD　激光的频率单一，相干性很好，自然光中含有各种频率的光，故A、D正确；激光和自然光都是由原子的跃迁产生的，故B错误，C正确。

1．汽车行驶时常会滴下一些油滴，滴下的油滴在有水路面上会形成一层薄油膜，并显现彩色，这是由于（　　）

A．空气的折射

B．膜的上、下表面反射形成光的干涉

C．光的衍射

D．水的折射

解析：

选B　白光射到油膜上，从膜的上、下表面反射回来，形成相干光源。

由于各种色光波长不同，所产生的干涉条纹的宽度不同，所以各色光在薄膜上形成干涉条纹呈现彩色，所以B项正确。

2．以下说法正确的是（　　）

A．真空中蓝光的波长比红光的波长长

B．天空中的彩虹是由光干涉形成的

C．光纤通信利用了光的全反射原理

D．机械波在不同介质中传播，波长保持不变

解析：

选C　真空中蓝光的波长比红光的波长短，A项错误；天空中的彩虹是由光的折射形成的，B项错误；光纤利用了光的全反射传递信息，C项正确；机械波在不同的介质中传播时频率不变，速度变化，因而波长会变化，D项错误。

3．（多选）激光火箭的体积小，却可以装载更大、更重的卫星或飞船。

激光由地面激光站或空间激光动力卫星提供，通过一套装置，像手电筒一样，让激光束射入火箭发动机的燃烧室，使推进剂受热而急剧膨胀，于是形成一股高温高压的燃气流，以极高的速度喷出，产生巨大的推力，把卫星或飞船送入太空。

激光火箭利用了激光的（　　）

A．单色性好　　　　　　　B．平行度好

C．高能量D．相干性好

解析：

选BC　激光的平行度好且亮度高，可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量，这样可以给火箭提供高能量，B、C正确。

4．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，否则将会严重地损伤视力。

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f＝8.1×1014Hz，那么他设计的这种“增反膜”的厚度至少是（　　）

A．9.25×10－8mB．1.85×10－7m

C．1.24×10－7mD．6.18×10－8m

解析：

选C　由n＝

得v＝

＝

m/s＝2×108m/s。

根据波速公式v＝λf，得λ＝

＝

m＝2.47×10－7m。

要实现“增反”的效果，薄膜的厚度至少为半个波长，那样在薄膜的表面两列反射光相互加强，从而使入射到眼睛的紫外线减弱，减轻紫外线对眼睛的伤害，故C选项正确。

5.某物理兴趣小组用实验探究光的色散规律，他们将半圆形玻璃砖放在竖直面内，在其左方竖直放置一个很大的光屏P，让一复色光束SA射向玻璃砖的圆心O后，有两束单色光a和b射向光屏P，如图1所示。

他们根据实验现象提出了以下四个猜想，你认为正确的是（　　）

图1

A．单色光a的波长小于单色光b的波长

B．在玻璃中单色光a的传播速度大于单色光b的传播速度

C．单色光a通过玻璃砖所需的时间大于单色光b通过玻璃砖所需的时间

D．当光束SA绕圆心O逆时针转动过程中，在光屏P上最早消失的是a光

解析：

选B　根据光的折射定律可知a光的折射率小于b光的折射率，则a光的频率小于b光的频率，由λ＝

可知A项错误；由v＝

可知B项正确；由于复色光在玻璃砖中传播距离相同，根据t＝

可知C项错误；由sinC＝

可知D项错误。

6．虹和霓是太阳光在水珠内分别经过一次和两次反射后出射形成的，可用白光照射玻璃球来说明。

两束平行白光照射到透明玻璃球后，在水平的白色桌面上会形成MN和PQ两条彩色光带，光路如图2所示。

M、N、P、Q点的颜色分别为（　　）

图2

A．紫、红、红、紫B．红、紫、红、紫

C．红、紫、紫、红D．紫、红、紫、红

解析：

选A　光在水珠中折射时，折射率越大，折射角越大，故选项A正确。

7．劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图3甲所示，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乙所示。

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。

现若在图中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（　　）

图3

A．变疏B．变密

C．不变D．消失

解析：

选A　干涉条纹是由空气薄膜的上下两个表面反射的光线叠加而成的，当抽去一张纸片后，劈形空气薄膜倾角减小，相邻明条纹（或暗条纹）变疏。

8.用三棱镜可使阳光折射成一条彩色光带，如图4所示，请回答下列问题：

图4

（1）B、C、D区域分别是什么色光区？

（2）将一瓶绿藻放在A处，则B、C、D哪一处变暗？

（3）将一瓶绿藻放在B、C、D的哪一位置上，就会严重影响它的生长？

解析：

（1）B为红光区，C为绿光区，D为蓝光区。

（2）由绿藻呈绿色可知其对绿光的吸收最弱，故B和D处变暗。

（3）由

（1）可知，C为绿光区，故绿藻只能得到极少量可利用的光来进行光合作用，因而会严重影响其生长。

答案：

见解析

9．一种红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道闪光，每道闪光为一个（列）光脉冲，若这种激光器光脉冲的持续时间为1.0×10－11s，波长为694.3nm，发射功率为1.0×1010W，求：

（1）每列光脉冲的长度是多少？

（2）用这种红宝石激光器照射皮肤上的色斑，每平方厘米色斑吸收能量达到60J以后，色斑便逐渐消失，一块色斑的面积为50mm2，则它要吸收多少个（列）红宝石激光脉冲才能逐渐消失？

解析：

（1）光脉冲持续时间即为发射一个光脉冲所需的时间，所以一个光脉冲长度Δl＝c·Δt＝3×108×1.0×10－11m＝3.0×10－3m。

（2）面积为1cm2色斑吸收的能量E＝60J，色斑便逐渐消失。

而1个光脉冲的能量为ΔE＝P·Δt＝1.0×1010×1.0×10－11J＝0.1J

消除50mm2的色斑需要光脉冲数为

n＝

＝

＝300（个）