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高中物理光学复习课件


第十一单元 光的性质

一、知识结构

光的微粒说 (牛顿在此处 键入公式。 )

能解释:光的直线传播、光的反射等。 困 难:光的独立传播、光躲到两种媒 质的界面上既有反射, 又有折 射。 双缝干涉 光的干涉 薄膜干涉 光的衍射 电磁场理论 光的电磁说 电磁波谱 无线电波、红外线、可见 光、紫外线、伦琴射线、r 射线,

由低 频到高频,构成了范围非常广阔的电 磁波谱。

光的波动性 (惠更斯)

光 的 本 性

认 识 深 化 过 程

光的电磁说 (麦克斯韦)

光电效应 及其规律

光子说 (爱因斯坦)

光子说

光在空间传播不是连续的,而是一份一份的,每 一份叫做一个光子。光子的能量 E=hv。h=6.63× 焦·秒,称普朗克常量。

波粒二象性 目前的结论

光既有波动性,又有粒子性,故认为光具有波粒 二象性(一切微观粒子都有波粒二象性)。

大量光子、 长波长: 容易表现出波动 性。 少量光子、 短波长: 容易表现出粒子 性。

二、学习要求 1、知道有关光的本性的认识发展过程:知道牛顿代表的微粒、惠更斯的波动说一直到 光的波粒二象性这一人类认识光的本性的历程, 懂得人类对客观世界的认识是不断发展不断 深化的。 2、知道光的干涉:知道光的干涉现象及其产生的条件;知道双缝干涉的装置、干涉原 理及干涉条纹的宽度特征,会用肥皂膜观察薄膜干涉现象。知道光的衍射:知道光的衍射现 象及观察明显衍射现象的条件,知道单缝衍射的条纹与双缝干涉条纹之间的特征区别。 3、知道电磁场,电磁波:知道变化的电场会产生磁场,变化的磁场会产生电场,变化 的磁场与变化的磁场交替产生形成电磁场; 知道电磁波是变化的电场和磁场——即电磁场在

空间的传播; 知道电磁波对人类文明进步的作用, 知道电磁波有时会对人类生存环境造成不 利影响; 从电磁波的广泛应用认识科学理论转化为技术应用是一个创新过程, 增强理论联系 实际的自觉性。知道光的电磁说:知道光的电磁说及其建立过程,知道光是一种电磁波。 4、知道电磁波波谱及其应用:知道电磁波波谱,知道无线电波、红外线、紫外线、 X 射线及?射线的特征及其主要应用。 5、知道光电效应和光子说:知道光电效应现象及其基本规律,知道光子说,知道光子 的能量与其频率成正比;知道光电效应在技术中的一些应用 6、知道光的波粒二象性:知道一切微观粒子都具有波粒二象性,知道大量光子容易表 现出粒子性,而少量光子容易表现为粒子性。 三、知识内容 (一)人类对光的本性的认识历程:课堂介绍(此处略) 。 (二)光的干涉和衍射 1、双缝干涉:由英国物理学家托马斯.杨首次在实验室完成。干涉条件:两束光频率相 同或振动情况一致。 相干光源的获得:光从第一狭缝 S 到达同距离对称的双狭缝 S1、S2,通过这两个狭缝的 光由于来自同一束光,因此从 S1、S2 射出的光具有相同的振动情况,即为两个相干光源。

*理论推导: S1、S2 到光屏上 P 处的路程差:? = r2—r1
2 2

(1) (2 )

由于 L>>d,L>>x 有:r2 ? r1 ? (r2 ? r1 )( r2 ? r1 ) ? 2 L?

d d r22 ? r12 ? L2 ? ( x ? ) 2 ? [ L2 ? ( x ? ) 2 ] ? 2dx 2 2
(3) => ? ?

d x L

P 处振动加强即出现亮条纹的条件是:? = n? P 处振动减弱即出现暗条纹的条件是:? =

2n ? 1 ? 2

相邻明条件间的距离: ?x ?

L ? d

讨论: (1) 在相同的实验装置条件下,相邻的明(或暗)条纹中央之间距离与波长成正比。 (2) 在波长相同的条件下,相邻条纹间的距离与两孔的距离成反比,与狭缝与光屏之间 的距离成正比。 (3) 当用白光做双缝干涉实验时,除中央条纹为白光外,其余为彩色条纹。 2、薄膜干涉:

(1)皂膜干涉实验: 操作: (1)酒精灯焰上放少许食盐,使灯焰发出黄光; (2)将钢丝圈浸没在肥皂液中,提出后在钢丝圈内形成肥 皂膜; (3)将肥皂膜直立,放置在酒精灯一侧; (4)眼睛与 灯焰在同一侧,迎着肥皂膜的反射光线方向观察肥皂膜,即 要看到肥皂膜上呈现水平状的明、 暗相间的条纹。 这种条纹, 即为皂膜干涉图样。 将肥皂膜放在阳光下,迎着肥皂膜反射光方向观察肥皂 膜,可观察到彩色干涉条纹。

原理:直立的肥皂膜,由于重力作用,形成上薄下厚的“尖劈” ,当光从空气射到第一表 面时,一部分被反射,另一部分进入肥皂膜到在另一侧表面又被反射,前表面的反射光与后 表面的反射光由于来自于同一束入射光, 故是相干光源。 当它们在第一表面处相遇时产生干 涉,形成进一步条纹:当薄膜的厚度恰好使得两列反射光经过的光程差,等于波长的整数倍 时,该处振动加强,产生明条纹;当薄膜的厚度恰好使得两列反射光经过的光程差,等于半 波长的奇数倍时,该徙振动减弱,产生暗条纹。从而形成明暗相间的干涉条纹。

应用:检测器件的平整程度

平整样品的干涉图样,见上图 2。 有凹凸样品的干涉图样,见右下图。 空气劈夹角越小,干涉条纹间距越宽。 3、光的衍射 (1)光偏离了直线前进的方向而绕到障碍物阴影区域的现象,叫做光的衍射。 演示 1:游标卡尺观察日光灯管的周围衍射 演示 2:激光演示单缝衍射(单缝宽度与衍射条纹区域的关系) (2)衍射图样 单缝衍射:

单色光的衍射 衍射条纹宽度与缝宽的关系:

白光的衍射

小孔衍射: 演示:激光穿过小孔后的衍射图样 光栅衍射: 演示:激光光栅衍射 衍射的技术应用:激光防伪

障碍物或小孔的尺寸越接近光的波长或小于光的波长,光的衍射现象越明显。 (三)光的电磁说 1、麦克斯韦的电磁场理论 (1)电磁场:变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场,周期性变化的电场和磁场 形成一个统一体,叫做电磁场。 (2)电磁波:电磁场由发生区域向外传播,就形成电磁波。电磁波在真空中的光速等 于光在真空中的速度。 2、光的电磁说:光是一种电磁波。其速度 c=?? (波长与频率的乘积) 电磁波既可以在介质中传播,也可以在没有任何介质的空间传播。 (1)实验证实:德国物理学家——赫兹。 (2)电磁波谱: 频率由低到高:无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、伦琴(X)射线、?射线。 部分波段频率有交叉。 各波段电磁波产生的机理: ? 无线电波:自由电子的周期性运动 ? 红外线、可见光:原子的外层电子受到激发 ? 紫外线、伦琴(X)射线:原子的内层电子受到激发 ? ?射线:原子核受到激发

?

红外线 德国科学家赫谢尔在研究光的温度效应时心中有个疑问,平常所观测的阳光,不同色

(1)红外线的发现: 的色光所含的热量都相同吗?1800 年,他设计一个简单的实验,让阳光通过三棱镜,产生 七彩光谱, 利用三支涂黑酒精球的温度计 (较能吸收辐射热) , 一支置于可见光某一色光中,

另二支置于可见光外作为背景值的测量,发现从紫光、蓝光、绿光、黄光、橙光到红光,温 度依序增高! 更不可思议的是,他发现在红光区域旁,肉眼看不见光线的地方,温度居然更高,这 里有眼睛看不到的光!这是人类第一次发现肉眼不可见的光,称为「红外线」。 (2)一切物体都在不停地发射红外线。 (3)红外线最显著的作用是热作用。 (4)技术应用:红外加热器、红外遥感、红外理疗仪。

? 紫外线 (1) 紫外线的发现 1801 年,德国物理学家里特(Ritte)发现了紫外线。紫外线一般是指波长在 400- 180nm 之间的电磁辐射线,具有波粒二象性。紫外线和可见光一样是一种包含着各种波长、 相位、振幅的光,具有光的干涉、衍射、色散等现象,属于“非相干性光”。紫外线也沿直线 传播遵守光的反射定律、折射定律和透镜成像原理;紫外线是由许多光量子组成的,每个光 量于都具有一定的能量, 不同波长的光量子的能量不同。 紫外线的光量子能量比可见光的光 量子能量大。 实验:1801 年德国物理学家里特在研究太阳光谱时,突然想要了解太阳光分解为七色光后 有没有其它看不见的光存在。当时他手头正好有一瓶氯化银溶液。人们当时已知道,氯化银 在加热或受到光照时会分解而析出银, 析出的银由于颗粒很小而呈黑色。 这位科学家就想通 过氯化银来确定太阳光七色光以外的成份。 他用一张纸片醮了少许氯化银溶液, 并把纸片放 在白光经棱镜色散后七色光的紫光的外侧。 过了一会儿, 他果然在纸片上观察到醮有氯化银 部分的低片变黑了, 这说明太阳光经棱镜色散后在紫光的外侧还存在一种看不见的光线, 里 特把这种光线称为紫外线。 (2)一切高温物体都会发射紫外线。孤光灯,电焊等。 (3)紫外线最显著的作用是化学作用,荧光作用。 (4)技术应用:杀菌消毒、保健治疗等。过强的紫外线对从人体有伤害。 ? 伦琴射线 (1)伦琴射线的发现 1895 年 11 月 8 日是一个星期五。晚上,德国慕尼黑伍尔茨堡大学的整个校园都沉浸 在一片静悄悄的气氛当中,大家都回家度周末去了。但是还有一个房间依然亮着灯光。灯光 下, 一位年过半百的学者凝视着一叠灰黑色的照相底片在发呆, 仿佛陷入了深深的沉思…… 他在思索什么呢?原来,这位学者以前做过一次放电实验,为了确保实验的精确性, 他事先用锡纸和硬纸板把各种实验器材都包裹得严严实实,并且用一个没有安装铝窗的阴极 管让阴极射线透出。可是现在,他却惊奇地发现,对着阴极射线发射的一块涂有氰亚铂酸钡 的屏幕(这个屏幕用于另外一个实验)发出了光.而放电管旁边这叠原本严密封闭的底片, 现在 也变成了灰黑色—这说明它们已经曝光了!

这个一般人很快就会忽略的现象, 却引起了这位学者的注意, 使他产生了浓厚的兴趣。 他想:底片的变化,恰恰说明放电管放出了一种穿透力极强的新射线,它甚至能够穿透装底 片的袋子!一定要好好研究一下。不过—既然目前还不知道它是什么射线,于是取名“X 射 线”。 (2)高速电子流射固体上产生伦琴射线。 (3)伦琴射线的穿透很强。 (4)技术应用:透视、CT、安检等。

(四)光电效应 1、光电效应现象 光照射到物体,从物体表面逸出电子的现象,叫做光电效应。逸出的电子称为光电子。

2、光电效应的四个规律: (1)极限频率:某种物体,只有在高于一定频率的光照射下,才会有光电子逸出,低 于这个频率,不管光的强度有多大,都不能发生光电效应。这个频率就叫做这种物体的极限 频率。 (3)在高于极限频率的光照射下,从有光照射到物体发射光电子,几乎不需要时间等 待。 (4)单位时间、单位面积发射的光电子数与入射光的强度成正比,而与入射光的频率 无关。 3、光子说 经典的电磁理论对光电效应的前三个规律无法做出合理的解释, 于是爱因斯坦借用了普 朗克的量子假设提出的光子说: 在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份称为一个光子,光子的能量与频 率成正比,即 E=h?。h=6.63?10-34Js,称为普朗克常数。 4、光电管

原理:光电管两极加正向电压时,电路中就形成光电流,当正向电压增大时,光电流增 大;当正向电压增大到一定值以后,再增大电压,电流保持不再增加保持不变,这一电流称 为光电流的饱和值。实验表明,光电流的饱和值与入射光的强度成正比(即光电效应的第 4 个规律) 。当光电管两极加上反向电压时,电路中仍有微弱的光电流形成,当增大反向电压 至某一值时,光电流消失,这个电压叫做反射截止电压。利用反向截止电压可测得光电子的 最大初动能:EKm=eU。改用不同频率的光做实验,即可测得光电子的最大初动能与入射光 频率的关系(光电效应的第 1、第 2 个规律) 。 应用:有声电影,自动控制等。 (五)光的波粒二象性 光的波动说表明光是一种波, 光的电磁说表明光是电磁波, 而光电效应现象和光子说同 时也说明光具有粒子性,但光子说并没有排斥电磁说,因为光子的能量与频率成正比,而频 率是反映波的特性的物理量。后来的科学研究表明,光既具有波动性,又具有粒子性,这就 是光的波粒二象性。 光既有波动性,又有粒子性,称为光的波粒二象性。 现代科学研究表明,不仅光具有波粒二象性,都具有波粒二象性。 微观粒子的波动性,是一种机率波。


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