2019-2020學年高考物理 主題3 光及其應用 7-8 光的顏色 色散 激光學案（必修1）

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1、7　光的顏色　色散 8　激光 [學科素養(yǎng)與目標要求]　 物理觀念：1.知道白光是由多種色光組成的，知道光的色散及光譜的概念.2.理解折射時的色散，知道不同色光的折射率不同.3.了解激光的特點和應用，了解全息照相的原理. 科學思維：能說明薄膜干涉條紋的特點，能解釋薄膜干涉的成因. 一、光的顏色　色散 1.光的顏色與波長：不同顏色的光，波長不同. 2.光的色散：含有多種顏色的光被分解為單色光的現(xiàn)象. 3.光譜：含有多種顏色的光被分解后，各種色光按其波長的有序排列. 二、色散 1.薄膜干涉中的色散 薄膜干涉的原理：光照在厚度不同的薄膜上時，在薄膜的不同位置，前、后兩個面的反射

2、光的路程差不同，在某些位置兩列波疊加后相互加強，于是出現(xiàn)亮條紋；在另一些位置，兩列波疊加后相互削弱，于是出現(xiàn)暗條紋. 2.衍射中的色散 用白光進行衍射實驗時，得到的是彩色條紋，這是由于白光中包含各種顏色的光，不同色光亮條紋的位置不同. 3.折射中的色散 一束白光通過棱鏡折射后，在屏上的光斑是彩色的，是因為透明物質對于波長不同的光的折射率n不一樣，λ越小，n越大，波速v越慢(填“快”或“慢”). 三、激光 1.激光的特點及應用 特點 應用 相干性強：激光具有頻率相同、相位差恒定、偏振方向一致的特點，是人工產生的相干光，具有高度的相干性 光纖通信 平行度好：激光的平行度非常好

3、，傳播很遠的距離后仍能保持一定的強度 激光會聚一點，讀取光盤上記錄的信息，激光測距等 亮度高：它可以在很小的空間和很短的時間內集中很大的能量 用激光束切割、焊接，醫(yī)學上可以用激光做“光刀”，激發(fā)核聚變等 2.全息照相 (1)普通照相技術所記錄的只是光波的強弱信息，而全息照相技術還可以記錄光波的相位信息. (2)原理：全息照片的拍攝利用了光的干涉原理. 1.判斷下列說法的正誤. (1)光的波長決定光的顏色.(　×　) (2)水面上的油膜呈現(xiàn)彩色條紋，是油膜表面反射光與入射光疊加的結果.(　×　) (3)白光通過單縫的衍射條紋是彩色的，說明白光衍射后可以改變顏色.(　×

4、　) (4)用激光做雙縫干涉實驗是應用了激光具有高度的相干性的特點.(　√　) 2.水面上的油膜在陽光照射下呈彩色是光的________(填“干涉”“衍射”或“折射”)形成的色散現(xiàn)象；通過狹縫觀察發(fā)光日光燈時看到的彩色條紋是光的________(填“干涉”“衍射”或“折射”)形成的色散現(xiàn)象. 答案　干涉　衍射 一、薄膜干涉中的色散 小朋友吹出的肥皂泡、熱菜湯表面的油花、馬路上積水表面的油膜，都會看到彩色的條紋，這些彩色條紋是如何形成的呢？ 答案　由薄膜干涉造成的.白光照射在肥皂泡膜、油膜表面，被薄膜前、后表面反射的兩列反射光疊加，形成干涉條紋.由于白光中的各色光波長不同，干涉后

5、的條紋間距不同，薄膜上就會出現(xiàn)彩色條紋. 1.薄膜干涉中相干光的獲得 光照射到薄膜上，在薄膜的前、后兩個面反射的光是由同一個實際的光源分解而成的，它們具有相同的頻率，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時，前、后兩個面的反射光的路程差等于相應位置膜厚度的2倍，在某些位置，兩列波疊加后相互加強，于是出現(xiàn)亮條紋；在另一些位置，疊加后相互削弱，于是出現(xiàn)暗條紋. 3.薄膜干涉是經(jīng)薄膜前、后表面反射的兩束光疊加的結果 出現(xiàn)亮條紋的位置，兩束光的路程差Δr＝kλ(k＝0，1，2，3…)，出現(xiàn)暗條紋的位置，兩束光的路程差Δr＝λ(k＝0，1，2，3…). 4.薄膜干涉

6、的應用 (1)檢查平面平整度的原理 光線經(jīng)空氣薄膜的上、下兩面的反射，得到兩束相干光，如果被檢測平面是光滑的，得到的干涉條紋是等間距的.如果被檢測平面某處凹下，則對應條紋提前出現(xiàn)，如果某處凸起，則對應條紋延后出現(xiàn). (2)增透膜的原理 在增透膜的前、后表面反射的兩列光波形成相干波，當路程差為半波長的奇數(shù)倍時，兩光波相互削弱，反射光的能量幾乎等于零. 例1　用單色光照射位于豎直平面內的肥皂液薄膜，所觀察到的干涉條紋為(　　) 答案　B 解析　由于在光的干涉中亮、暗條紋的位置取決于兩列光波相遇時通過的路程差，則在薄膜干涉中取決于入射點處薄膜的厚度.因肥皂液薄膜在重力作用下形成了一

7、個上薄下厚的楔形膜，厚度相等的位置在同一條水平線上，故同一條干涉條紋必然是水平的，由此可知只有選項B正確. 1.由于薄膜干涉是經(jīng)薄膜前、后表面反射的兩束光疊加而形成的，所以觀察時眼睛與光源應在膜的同一側. 2.在光的薄膜干涉中，前、后表面反射光的路程差由膜的厚度決定，所以薄膜干涉中同一亮條紋或同一暗條紋應出現(xiàn)在厚度相同的地方，因此又叫等厚干涉，每一條紋都是水平的. 3.用單色光照射得到明暗相間的條紋，用白光照射得到彩色條紋. 例2　(多選)如圖1甲所示，用單色光照射透明標準板M來檢查平面N的上表面的平滑情況，觀察到如圖乙所示條紋中的P和Q情況，這說明(　　) 圖1 A.N的

8、上表面A處向上凸起 B.N的上表面B處向上凸起 C.N的上表面A處向下凹陷 D.N的上表面B處向下凹陷 答案　BC 解析　由題圖甲可知，空氣薄膜厚度從左向右依次增大，又因為同一條亮(暗)條紋上各處空氣薄膜厚度相同，由題圖乙可知被檢查平面發(fā)生彎曲的P處的空氣厚度本應該比同一條紋上其他位置的空氣厚度小，而實際上厚度一樣，故A處存在凹陷，同理可知B處存在凸起. 二、衍射和折射時的色散 1.拔一根雞翅膀上的羽毛(鵝、鴨的羽毛也可以)，白天隔羽毛觀看太陽，可見七色光芒向外四射，你能解釋這種現(xiàn)象嗎？ 答案　陽光透過羽毛上密集的羽絲間的小縫隙(光柵)而出現(xiàn)衍射現(xiàn)象，衍射時不同色光的亮條紋

9、的位置不同，于是各種色光就區(qū)分開了. 2.如圖所示為光線通過三棱鏡的光路圖，在光線進入棱鏡時是遠離法線還是靠近法線？光線從棱鏡射出時，是遠離法線還是靠近法線？用白光做實驗，會觀察到什么現(xiàn)象？ 答案　進入棱鏡時，靠近法線.離開棱鏡時，遠離法線.用白光做實驗，會看到屏上出現(xiàn)彩色光帶. 1.衍射時的色散 白光的衍射條紋是彩色的，是因為白光中包含了各種顏色的光，且各種顏色的光的波長不同，致使不同色光的亮條紋的位置不同，于是各種色光就區(qū)分開了. 2.折射時的色散 如圖2所示，白光通過棱鏡折射后，由上到下的色光順序為：紅、橙、黃、綠、青、藍、紫，這說明： 圖2 (1)射出棱鏡的

10、光線與入射光線方向的夾角叫通過棱鏡的偏向角，如圖所示，白光色散時，紅光的偏向角最小，紫光的偏向角最大，說明玻璃對不同色光的折射率是不同的. (2)根據(jù)n＝可知：在同種介質中折射率大的速度小，各種色光在同種介質中的速度從小到大排序依次為v紫＜v藍＜…＜v橙＜v紅，即紅光的速度最大，紫光的速度最小. 例3　如圖3所示，從點光源S發(fā)出的一細束白光以一定的角度入射到三棱鏡的表面，經(jīng)過三棱鏡的折射后發(fā)生色散現(xiàn)象，在光屏的ab間形成一條彩色光帶.下面的說法中正確的是(　　) 圖3 A.a側是紅色光，b側是紫色光 B.在真空中a側光的波長小于b側光的波長 C.三棱鏡對a側光的折射率小于對b側

11、光的折射率 D.在三棱鏡中a側光的傳播速度大于b側光的傳播速度 答案　B 解析　紅光的折射率小于紫光的折射率，經(jīng)過三棱鏡，紅光的偏折角小于紫光的偏折角，則a側是紫色光，b側是紅色光，A錯；由題圖知a側光的偏折角大，三棱鏡對a側光的折射率大，a側光的波長小，B對，C錯；三棱鏡對a側光的折射率大，由v＝知，在三棱鏡中a側光的傳播速度小于b側光的傳播速度，D錯. 1.同一介質對不同的色光有不同的折射率，介質對頻率大、波長短的光折射率大，按折射率從小到大依次排列為：紅、橙、黃、綠、青、藍、紫. 2.在同一介質中，不同色光的傳播速度不同，紅光的折射率小，傳播速度大；紫光的折射率大，傳播速度

12、小. 三、激光的特點和應用 激光作為一種人造光源在科研、通信、工業(yè)生產、軍事科技等領域都有著廣泛應用，如激光干涉儀、激光切割機、激光炮等，激光的應用如此廣泛，激光到底具有哪些特性？ 答案　相干性強、平行度好、亮度高. 例4　關于激光的應用問題，下列說法中正確的是(　　) A.光纖通信是應用激光平行度非常好的特點對信號進行調制，使其在光導纖維中傳遞信息的 B.計算機內的“磁頭”讀出光盤上記錄的信息是應用激光有相干性的特點 C.醫(yī)學中用激光做“光刀”來切除腫瘤是應用了激光亮度高的特點 D.“激光測距雷達”利用激光測量很遠目標的距離是應用了激光亮度高的特點 答案　C 解析

13、　由激光的特點及應用可知光纖通信主要利用了激光的相干性，A錯誤；計算機內的“磁頭”讀出光盤上的信息主要應用了激光的平行度好，B錯誤；醫(yī)療中用激光做“光刀”利用了激光的亮度高的特點，C正確；激光測距利用的是激光的平行度好的特點，D錯誤. [學科素養(yǎng)]　例4考查了學生對激光的了解程度，體現(xiàn)了“物理觀念”的學科素養(yǎng).又通過激光在現(xiàn)代生活中的應用實例，讓學生了解到最新研究成果及其對人類文明的影響，體現(xiàn)了“科學態(tài)度與責任”的學科素養(yǎng). 1.(薄膜干涉)用如圖4所示的實驗裝置觀察光的薄膜干涉現(xiàn)象.圖(a)是點燃的酒精燈(在燈芯上撒些鹽)，圖(b)是豎立的附著一層肥皂液薄膜的金屬線圈.將金屬線圈在其所在

14、的豎直平面內緩慢旋轉，觀察到的現(xiàn)象是(　　) 圖4 A.當金屬線圈旋轉30°時，干涉條紋同方向旋轉30° B.當金屬線圈旋轉45°時，干涉條紋同方向旋轉90° C.當金屬線圈旋轉60°時，干涉條紋同方向旋轉30° D.干涉條紋保持不變 答案　D 解析　在本實驗中肥皂液薄膜之所以產生干涉條紋，是因為在重力作用下肥皂液薄膜的豎截面是梯形，前后兩面的反射光疊加而形成的，金屬線圈在其所在平面內緩慢旋轉并不能影響肥皂液薄膜的豎截面，故金屬線圈在其所在平面內旋轉時干涉條紋保持不變. 2.(薄膜干涉)(多選)(2018·沈陽市郊聯(lián)體高二下學期期中)把一平行玻璃板壓在另一個平行玻璃板上，一

15、端用薄片墊起，構成空氣劈尖，讓單色光從上方射入，如圖5所示，這時可以看到明暗相間的條紋，下面關于條紋的說法中正確的是(　　) 圖5 A.干涉條紋的產生是由于光在空氣劈尖膜的上、下兩表面反射形成的兩列光波疊加的結果 B.干涉條紋中的暗條紋是由于上述兩列反射光的波谷與波谷疊加的結果 C.將上玻璃板平行上移，條紋向著劈尖移動 D.觀察薄膜干涉條紋時，應在入射光的另一側 答案　AC 解析　根據(jù)薄膜干涉的產生原理，題中所述現(xiàn)象是由空 氣膜上、下兩表面反射的兩列光疊加而成的，當波峰與波峰、波谷與波谷相遇疊加時，振動加強，形成亮條紋，故A正確，B錯誤；根據(jù)條紋的位置與空氣膜的厚度是對應的

16、，當上玻璃板平行上移時，同一厚度的空氣膜向劈尖移動，故條紋向著劈尖移動，故C正確；因相干光是反射光，故觀察薄膜干涉條紋時，應在入射光的同一側，故D錯誤. 3.(折射中的色散)(2017·北京卷)如圖6所示，一束可見光穿過平行玻璃磚后，變?yōu)閍、b兩束單色光.如果光束b是藍光，則光束a可能是(　　) 圖6 A.紅光 B.黃光 C.綠光 D.紫光 答案　D 解析　由題圖可知，這束可見光穿過玻璃磚后，發(fā)生了色散，其中a光的側移距離大于b光的側移距離，說明玻璃磚對a光的折射率大于玻璃磚對b光的折射率，同種介質對紅、橙、黃、綠、青、藍、紫的折射率依次增大，由于b光是藍光，故選項D正確.

17、4.(激光的應用)(多選)激光火箭的體積小，卻可以裝載更大、更重的衛(wèi)星或飛船，激光由地面激光站或空間激光動力衛(wèi)星提供，通過一套裝置，像手電筒一樣，讓激光束射入火箭發(fā)動機的燃燒室，使推進劑受熱而急劇膨脹，于是形成一股高溫高壓的燃氣流，以極高的速度噴出，產生巨大的推力，把衛(wèi)星或飛船送入太空.激光火箭利用了激光的(　　) A.單色性好 B.平行度好 C.高能量 D.相干性好 答案　BC 解析　由于激光站與火箭相距較遠，為了減少能量損失，必須要求激光具有很好的平行度，同時利用激光的高能量特點. 一、選擇題 考點一　薄膜干涉中的色散 1.下列現(xiàn)象中可以用薄膜干涉來解釋的是(　　

18、) A.雨后的彩虹 B.水面上的油膜在陽光照射下呈彩色 C.透過昆蟲的翅膀看陽光呈彩色 D.荷葉上的水珠在陽光下晶瑩透亮 答案　B 解析　雨后的彩虹是色散現(xiàn)象，故選項A錯誤；透過昆蟲的翅膀看陽光呈彩色是衍射現(xiàn)象，故選項C錯誤；水珠在陽光下晶瑩透亮是全反射的結果，故選項D錯誤；油膜在陽光照射下呈彩色是薄膜干涉的結果，故選項B正確. 2.(多選)如圖1所示，一束白光從左側射入肥皂薄膜，下列說法中正確的是(　　) 圖1 A.人從右側向左看，可以看到彩色條紋 B.人從左側向右看，可以看到彩色條紋 C.彩色條紋水平排列 D.彩色條紋豎直排列 答案　BC 解析　一束白光射到

19、肥皂薄膜上，經(jīng)前后兩個面反射回來的光相遇，產生干涉現(xiàn)象，從左側向右看可看到彩色條紋；因為薄膜同一水平線上的厚度相同，所以彩色條紋是水平排列的，故正確答案為B、C. 3.(2018·應縣一中高二下學期期中)如圖2所示是用干涉法檢查某塊厚玻璃板的上表面是否平整的裝置，所用單色光是用普通光通過濾光片產生的，檢查中所觀察到的干涉條紋是由下列哪兩個表面反射的光線疊加而成的(　　) 圖2 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　干涉法檢查玻璃板上表面是否平整的原理是利用單色光的薄膜干涉，由題圖可知薄膜指

20、的是標準樣板與待測厚玻璃板之間的空氣層.在空氣層的上表面和下表面分別反射的光會發(fā)生干涉，觀察干涉后形成的條紋是否為平行直線，可以斷定厚玻璃板的上表面是否平整，故選項C正確. 4.(2017·麗水市高二檢測)市場上有種燈具俗稱“冷光燈”，用它照射物品時能使被照物品處產生的熱效應大大降低，從而廣泛地應用于博物館、商店等處.這種燈降低熱效應的原因之一是在燈泡后面放置的反光鏡玻璃表面上鍍一層薄膜(例如氟化鎂)，這種膜能消除不鍍膜時玻璃表面反射回來的熱效應最顯著的紅外線.以λ表示此紅外線在薄膜中的波長，用λ0表示此紅外線在真空中的波長，則燈泡所鍍薄膜的厚度最小應為(　　) A.λ0B.λC.λD.λ

21、0 答案　B 解析　要消除不鍍膜時玻璃表面反射回來的紅外線，即要使從燈泡薄膜前后表面反射回來的紅外線發(fā)生干涉，且相互抵消，設燈泡所鍍薄膜的厚度為d，則2d＝，解得：d＝，選項B正確. 5.一個半徑較大的透明玻璃球體，截取其下面的一部分，然后將這一部分放到標準的水平面上，現(xiàn)讓單色光豎直射向截面，如圖3所示，在反射光中看到的是(　　) 圖3 A.平行的明暗相間的直干涉條紋 B.環(huán)形的明暗相間的干涉條紋 C.只能看到同顏色的平行反射光 D.一片黑暗 答案　B 考點二　折射中的色散 6.(多選)白光通過三棱鏡發(fā)生色散現(xiàn)象，下列說法正確的是(　　) A.白光是由不同頻率的光組

22、成的 B.棱鏡材料對各種色光的折射率不同 C.棱鏡對紅光的折射率大，對紫光的折射率小 D.出現(xiàn)色散現(xiàn)象是棱鏡改變了顏色 答案　AB 解析　白光由不同頻率的光組成，從紅光到紫光，頻率越來越大，棱鏡對其的折射率也越來越大，A、B正確. 7.(2015·福建卷)如圖4，一束光經(jīng)玻璃三棱鏡折射后分為兩束單色光a、b，波長分別為λa、λb，該玻璃三棱鏡對單色光a、b的折射率分別為na、nb，則(　　) 圖4 A.λa＜λb，na＞nb B.λa＞λb，na＜nb C.λa＜λb，na＜nb D.λa＞λb，na＞nb 答案　B 解析　由題圖知，三棱鏡對b光的折射率較大，所以na

23、＜nb.又因為光的頻率越大，介質對光的折射率就越大，故b光的頻率大于a光的頻率，又根據(jù)c＝λf，所以b光的波長小于a光的波長，即λa＞λb，所以B正確，A、C、D錯誤. 8.(多選)如圖5所示，截面為ABC的玻璃直角三棱鏡放置在空氣中，寬度均為d的紫、紅兩束光垂直照射三棱鏡的一個直角邊AB，在三棱鏡的另一側放置一平行于AB邊的光屏，屏的距離遠近可調，在屏上出現(xiàn)紫、紅兩條光帶，可能是(　　) 圖5 A.紫色光帶在上，紅色光帶在下，紫色光帶較寬 B.紫色光帶在下，紅色光帶在上，紫色光帶較寬 C.紅色光帶在上，紫色光帶在下，紅色光帶較寬 D.紅色光帶在下，紫色光帶在上，紅色光帶較寬

24、 答案　CD 解析　由于玻璃對紫光的折射率大于對紅光的折射率，故紫光和紅光經(jīng)過棱鏡后光路如圖所示. 在光屏由近及遠移動過程中，可能是紅色光帶在上，紫色光帶在下，也可能是紅色光帶在下，紫色光帶在上，但紅色光帶始終較寬，故選項C、D對，A、B錯. 9.(2015·重慶卷)虹和霓是太陽光在水珠內分別經(jīng)過一次和兩次反射后出射形成的，可用白光照射玻璃球來說明.兩束平行白光照射到透明玻璃球后，在水平的白色桌面上會形成MN和PQ兩條彩色光帶，光路如圖6所示.M、N、P、Q點的顏色分別為(　　) 圖6 A.紫、紅、紅、紫 B.紅、紫、紅、紫 C.紅、紫、紫、紅 D.紫、紅、紫、紅

25、 答案　A 解析　玻璃對紅光的折射率最小，對紫光的折射率最大，由折射定律和反射定律可知M點為紫色，N點為紅色，P點為紅色，Q點為紫色，故A項正確. 10.(2018·沈陽市郊聯(lián)體高二下學期期中)如圖7所示，在水中有一厚度不計的薄玻璃片做成的中空三棱鏡，里面是空氣，一束光A從棱鏡的左邊射入，從三棱鏡的右邊射出時發(fā)生色散，射出的可見光分布在a點和b點之間，則(　　) 圖7 A.從a點射出的是紅光，從b點射出的是紫光 B.從a點射出的是紫光，從b點射出的是紅光 C.從a點和b點射出的都是紫光，從ab中點射出的是紅光 D.從a點和b點射出的都是紅光，從ab中點射出的是紫光 答案　B

26、 考點三　激光及應用 11.(多選)關于光的色散、激光，下列說法正確的是(　　) A.棱鏡對紅光的折射率比對紫光的大 B.紅光在棱鏡中的速度比紫光大 C.每種色光通過棱鏡后都會分成幾種顏色的光 D.激光不能像無線電波那樣用來傳遞信息 E.激光治療近視眼手術是對角膜進行切削 答案　BE 解析　色散現(xiàn)象表明棱鏡對紅光的折射率最小，由n＝知，紅光在棱鏡中的速度比紫光大，A錯誤，B正確；單色光經(jīng)棱鏡后不能發(fā)生色散，C錯誤；激光在光導纖維中傳播時可以傳遞信息，D錯誤；激光手術不是修復視網(wǎng)膜，而是對角膜進行切削，改變角膜的形狀，E正確. 12.(多選)以下說法中正確的是(　　) A.

27、激光是一種人工產生的相干光，具有高度的相干性 B.由于激光的方向性好，所以激光不能發(fā)生衍射現(xiàn)象 C.光纖通信是激光和光導纖維相結合的產物 D.普通照相技術所記錄的只是光波的強弱信息，而全息照相技術還可以記錄光波的相位信息 答案　ACD 二、非選擇題 13.為了減少光在透鏡表面由于反射帶來的損失，可在透鏡表面涂上一層增透膜，一般用折射率為1.38的氟化鎂.為了使波長為5.52×10－7m的綠光在垂直表面入射時的反射光干涉相消，求所涂的這種增透膜的最小厚度. 答案　1×10－7m 解析　設綠光在真空中的波長為λ0，在增透膜中的波長為λ，由折射率與光速的關系和光速與波長及頻率的關系得

28、n＝＝，即λ＝.反射光干涉相消，那么增透膜最小厚度d＝λ＝＝m＝1×10－7m. 14.半徑為R的固定半圓柱形玻璃磚的橫截面如圖8所示，O點為圓心，OO′為直徑MN的垂線.足夠大的光屏PQ緊靠在玻璃磚的右側且與MN垂直.一束復色光沿半徑方向與OO′成θ＝30°角射向O點，已知復色光包含折射率從n1＝到n2＝的光束，因而光屏上出現(xiàn)了彩色光帶. 圖8 (1)求彩色光帶的寬度； (2)當復色光入射角逐漸增大時，光屏上的彩色光帶將變成一個光點，求θ角至少為多少時會出現(xiàn)這種現(xiàn)象. 答案　(1)(1－)R　(2)45° 解析　(1)由折射定律得n1＝，n2＝，代入數(shù)據(jù)，解得β1＝45°，β2＝60°.故彩色光帶的寬度為Rtan45°－Rtan30°＝(1－)R. (2)當所有光線均發(fā)生全反射時，光屏上的光帶消失，反射光束將在PN上形成一個光點.當折射率為n1的單色光在玻璃表面上恰好發(fā)生全反射時，對應的θ值最小，因為sinC1＝＝，所以C1＝45°，故θ的最小值θmin＝C1＝45°. 13