高中物理光学复习课件

第十一单元光的性质一、知识结构二、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——即电磁场在光的本性光的微粒说（牛顿在此处键入公式。）光子说（爱因斯坦）光的干涉光的衍射双缝干涉薄膜干涉光的电磁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。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)。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。光的电磁说（麦克斯韦）光的波动性（惠更斯）波粒二象性能解释：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。电磁场理论光电效应及其规律光子说认识深化过程目前的结论大量光子、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。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（1）由于Ld,Lx有：Lrrrrrr2))((12122122（2）dxdxLdxLrr2])2([)2(22222122（3）=xLd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：=212n相邻明条件间的距离：dLx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：单色光的衍射白光的衍射衍射条纹宽度与缝宽的关系：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（1）红外线的发现：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。