高三物理光的本性考点例析

高三物理光的本性考点例析光的本性是历年高考必考内容之一，试题中出现的题型多为选择题和填空题。这一部分知识要求不高，但对基本概念理解不透彻，很容易导致失分。笔者对近十年高考试题进行了研究，认为对本单元知识，应重点掌握好以下几个方面的知识。一、光本性学说的发展史上的五个学说1.牛顿的微粒说：认为光是高速粒子流，它能解释光的直进现象，光的反射现象。2.惠更斯的波动说：认为光是某种振动，以波的形式向周围传播，它能解释光的干涉和衍射现象，光的直进现象，光的反射现象。3.麦克斯韦的电磁说：认为光是电磁波。实验依据是赫兹实验证明了光与电磁波在真空中传播速度相等且均为横波。4.爱因斯坦的光子说：认为光的传播是一份一份的，每一份叫一个光子，其能量与它的频率成正比，即E=hν.光子说能成功地解释光电效应现象。5.德布罗意的波粒二象性学说：认为光是既有粒子，又有波动性。个别光子表现为粒子性，大量光子表现为波动性；频率大的光子粒子性明显，而频率小的光子波动性明显。二、五个学说提出的实验基础1.牛顿的微粒说的实验基础是光的直线传播与实物粒子做匀速直线运动相似，光遇到障碍物反射就好象弹性小球和光滑墙壁碰撞以后反弹一样。2.惠更斯的波动说提出的实验基础是光的干涉现象和光的衍射现象。光的干涉现象：（1）光的干涉：频率相同的两列波在空中相遇时发射叠加，在某些区域光总是互相加强，在另一些区域光总是互相抵消或削弱，而出现明暗相间的条纹或者时彩色条纹的现象叫光的干涉现象。（2）产生稳定的干涉现象的条件：两列光的频率相同且振动情况相同。（3）干涉实例：实例1：双缝干涉双缝干涉中出现的明条纹和暗条纹的条件：设光波波长为λ,屏上某点P到两缝的路程差为Δr，则Δr=nλ（n=±1,±2,±3,±∧），两列光波传到P时互相加强，出现亮条纹。△r=(2n+1)λ/2,（n=±1,±2,±3,±∧），两列波传到P点时互相削弱，出现暗条纹。注意：光的波长、波速和频率的关系为v=λf；光的颜色由光的频率决定，不同色光的频率是不同的，红光的频率最低，紫光的频率最高。实例2、光的薄膜干涉现象薄膜干涉现象：用单色光照射时在薄膜上形成明暗相间的条纹，用白光照射时形成彩色条纹。产生的原因：在薄膜的某一厚度处，两列波反射回来恰好是波峰和波峰的叠加，波谷和波谷叠加，使光波的振动加强，出现亮条纹。而在另一厚度处，两列波的波峰和波谷叠加，使光波的振动互相抵消，出现暗条纹。由于在不同的厚度处产生不同的条纹，所示光照射薄膜时，产生明暗相间的条纹。例1、用单色光做双缝干涉实验，下述说法中正确的是：A、相邻干涉条纹之间的距离相等；B、中央明条纹宽度是两边明条纹宽度的2倍；C、屏与双缝之间距离减小，则屏上条纹间的距离增大；D、在实验装置不变的情况下，红光的条纹间距小于蓝光的条纹间距。解析：对于单色光通过双缝产生的干涉图样，红光和紫光通过同一双缝产生的干涉条纹，教材都有明确的分析和图示，由此可知，相邻的两条亮纹（或暗纹）间的距离是相等的，屏与双缝之间距离越小，条纹间的距离越小。单色光条纹间距随着波长增大而增大。或者根据公式判断：相邻两条亮纹（或暗纹）间的距离Δx=Lλ/d，其中d表示两个缝间距离，L表示缝到屏的距离，λ表示光的波长，通过分析确定上。故选A.例2、在双缝干涉实验中，双缝到光屏上P点的距离之差△X=0.6μm.若分别用频率为v1=5.0×1014Hz和v2=7.5×1014Hz的单色光垂直照射双缝，则P点出现明、暗条纹的情况为（）A、用频率为v1单色光照射时，出现明条纹；B、用频率为v2单色光照射时，出现明条纹；C、用频率为v1单色光照射时，出现暗条纹；D、用频率为v2单色光照射时，出现暗条纹。解析：根据c=λv,可得两种单色光的波长为：λ1=0.6μm,λ2=0.4μm.与题给的条件△X=0.6μm比较可知：△X=λ1，△X=3λ2/2.故用频率为v1单色光照射时，P点出现明条纹;用频率为v2单色光照射时，P点现暗条纹。本题的正确答案为A、D.例3、市场上有种灯具俗称冷光灯，用它照射物品处产生的热效应大大降低，从而广泛地应用于博物馆、商店等处。这种灯降低热效应的原因之一是在灯泡后面放置的反光镜玻璃表面上镀一层薄膜（例如氧化镁），这种膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的红外线热效应。以λ表示此红外线的波长，则所镀膜的厚度最小应为：A、λ/8;B、λ/4;C、λ/2;D、λ解析：要使红外线经反光镜后的反射部分减弱，就得使其经镀膜的前后表面反射的光线相互抵消，由干涉出现暗条纹的条件可知，两列反射光波的波程差应恰为红外线光波半波长的奇数倍，最小应为半波长，即薄膜厚度的当2倍等于红外线的半波长，故选B。光的衍射现象：(1)光的衍射：光离开直线路径而绕到障碍物阴影里的现象。(2)产生明显衍射现象的条件：障碍物或孔的尺寸可以跟光波长相比或比光的波长小。(3)衍射实例：实例1、小孔衍射：取一个不透光的屏，在屏中间开一个较大的圆孔。用点源照射时，在像屏上就出现一个光斑，这是光沿直线传播的结果。圆孔小一些，可以看到像屏上的光斑也随着减小。但是，圆孔很小时（直径小于0.1mm）时，像屏上的光斑不仅不减小，反而变大了，而且光斑的亮度也变得不均匀，成为一些明暗相间的圆环，这些圆环的面积，远远超过了光按直线传播所能照到的范围，就是说光绕到小孔以外的区域中去了。这就是光通过小孔产生的衍射现象。实例2、单缝衍射：如果在不透明的屏上装一个宽度可以调节的狭缝，当缝比较宽时，光沿直线传播，在像屏上出现一条亮线；当缝很窄时，光通过缝后就明显地偏离了直线传播的方向，像屏上被照亮的范围变宽，并且出现了明暗相间的条纹。这就是光通过狭缝时产生的衍射现象。实例3、泊松亮斑：把一个小的圆盘状物体放在光束中，在距这个圆盘一定距离的像屏上，圆盘的影的中心会出现一个亮斑。注意：光的干涉与衍射现象是光的波动性的表现，也是光具有波动性的证据，其区别是：光的干涉现象只有在符合一定条件下才发生，而光的衍射现象却总是存在的，只有明显与不明显之分。光的干涉现象和衍射现象在屏上出现的都是明暗相间的条纹，但双缝干涉条纹间隔均匀，从中央到两侧的明纹亮度变化不大；而单缝衍射的条纹间隔不均匀，中央明纹又宽又亮，从中央向两侧，条纹宽度减小，明纹亮度显著减弱。例4、一个不透光的薄板上有两个靠近的窄缝，红光透过双缝后，在墙上呈现明暗相间的条纹，若将其中一个窄缝挡住，在墙上可以观察到：A、光源的像，B、一片红光；C、仍有条纹，但宽度发生了变化；D、条纹宽度与原来条纹相同，但亮度减弱。解析：一个不透光的薄板上有两个靠近的窄缝，红光透过双缝后，在墙上呈现明暗相间的条纹，若将其中一个窄缝挡住，在墙上可以观察到单缝衍射条纹，而不再是双缝干涉条纹，即C选项正确。例5、在用游标卡尺观察光的衍射现象时当游标卡尺两测脚间狭缝宽度从0.1mm逐渐增加到0.8mm的过程中，通过狭缝观察一线状光源的情况是：A、衍射现象逐渐不明显，最后看不到明显的衍射现象了；B、衍射现象越来越明显；C、衍射条纹的间距随狭缝变宽而逐渐变小；D、衍射条纹的间距随狭缝变宽而逐渐变大。解析：狭缝宽度从0.1mm逐渐增加到0.8mm的过程中，通过狭缝观察一线状光源的情况是衍射现象逐渐不明显，最后看不到明显的衍射现象了，衍射条纹的间距随狭缝变宽而逐渐变小，即选项AC正确。3、麦克斯韦的电磁说，即认为光是电磁波，其实验依据是赫兹实验证明了光与电磁波在真空中传播速度相等且均为横波。电磁波谱（1）、电磁波按波长由大到小的顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。（2）、不同电磁波产生机理不同：无线电波由振荡电路中自由电子的周期性运动产生；可见光由原子的外层电子受激后产生；可见光由原子的外层电子受激后产生；X射线由原子的内层电子受激后产生；γ射线是原子核受到激发后产生的。（3）、不同电磁波的特性不同：无线电波易发生干涉和衍射；红外线有显著热作用；可见光可引起视觉反应；紫外线有显著的化学作用；X射线的穿透作用很强；γ射线的穿透作用更强。光谱与光谱分析（1）光谱分类：①发射光谱：由发光物体直接产生的光谱。发射光谱又分为连续光谱与明线光谱。连续光谱由炽热固体、液体及高压气体发光产生，其特点为由连续分布的包含一切波长的色光组成。明线光谱(即原子光谱)由稀薄气体或金属蒸汽（即游离态的原子）发光产生。其特点为由一些不连续的明线组成。②吸收光谱：高温物体发出的白光通过物质时，某些波长的光被物质吸收而形成的。其特点是在连续光谱的背景上，由一些不连续的暗线组成。（2）光谱分析：利用元素的特征谱线（明线光谱或吸收光谱）分析和确定物质的化学成份。例6、太阳的连续光谱中有许多暗线，它们对应着某些元素的特征谱线，产生这些暗线是由于：A、太阳表面大气层中缺少相应的元素；B、太阳内部缺少相应的元素；C、太阳表面大气层中存在着相应的元素；D、太阳内部存在着相应的元素。解析：太阳内部发出的强光是包含所有单色光的白光，它经过温度比较低的太阳大气层时，某些频率的光被吸收，因此在地球上得到的太阳光谱是一种吸收光谱，故本题应选C.例7、图1为伦琴射线管的示意图，K为阴极钨丝，发射的电子的初速度为零，A为对阴极（阳极），当AK之间加直流电压U=30KV时，电子被加速打在对阴极A上，使之发出伦琴射线，设电子的动能全部转化为伦琴射线的能量。已知电子电量e=1.6×10-19C,质量m=9.1×10-31Kg,普朗克常量h=6.63×10-34J.S,求：（1）电子到达对阴极的速度V；（取一位有效数字）（2）由对阴极发出的伦琴射线的最短波长λ。（3）若AK间的电流为10mA，那么每秒钟从对阴极最多能辐射出多少个伦琴射线光子？解析：（1）根据动能定理得mV2/2=qU,所以V=(2qU/m)1/2=1×108m/s（2）E=hv=hC/λ=qU，所以λ=hC/qU=4.1×10-11m（3）n=It/e=10×10-3×1/1.6×10-19=6.25×1016个。例8、气象卫星向地面发送的云图，是由卫星上红外线感应器接收云层发的红外线而形成的图象，云上的黑白程度由云层的温度高低决定，这是利用了红外线的（）A、不可见性;B、穿透性；C、热效应;D、化学效应。解析：利用了红外线的热效应，即选项C正确。4、爱因斯坦的光子说提出的实验基础是光电效应现象。光电效应实验规律（1）每种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应。（2）光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。（3）光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10-9s.（4）当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比。用光子说解释光电效应实验（1）电子从金属表面逸出，首先须克服金属原子核的引力做功（逸出功W）。要使入射光子的能量不小于W，对应的频率v=W/h，即是极限频率。（2）电子吸收光子能量hγ后，一部分消耗于克服核的引力做功（逸出功W）,一部分消耗于从金属内部向表面运动时克服其它原子阻碍做功（即W',）,剩余部分转化为初动能，即mV2/2=hγ-W-W'.只有直接从金属表面飞出的光电子才具有最大初动能。对于确定的金属，W是一定的，故光电子的最大初动能只随入射光频率的增大而增大。（3）光照射金属时，电子吸收一个光子（形成光电子）的能量后，动能立即增大，不需要积累能量的过程。（4）入射光越强，单位时间内入射到金属表面的光子数越多，产生的光电子越多，射出的光电子作定向移动时形成的光电流越大。例9、某单色光照射某金属时不能产生光电效应，则下述措施中可能使该金属产生光电效应的是：A、延长光照时间B、增大光的强度；C、换用波长较短的光照射D、换用频率低的光照射.解析：本题考查光电效应的四个特点。能发生光电效应由光的频率决定，而与光强和光照时间无关，正确答案选C。例10、在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图2所示。这时（）A、锌板带正电，指针带负电；B、锌板带正电，指针带正电