第十六章光的本性.doc

第十六章 光的波动性和微粒性高考要求： 内 容要 求 说 明光本性学说的发展简史光的干涉现象，双缝干涉，薄膜干涉，双缝干涉的条纹间距与波长的关系； 光的衍射光的偏振现象光谱和光谱分析.红外线、紫外线、X射线、射线以及它们的应用.光的电磁本性.电磁波谱光电效应.光子.爱因斯坦光电效应方程光的波粒二象性.物质波激光的特性及应用本章特点：本章知识在高考中为必考内容，考试大纲对本章中各知识点的要求较低，只要求理解、识记，所以高考中涉及的考题难度一般不大，考题数量在二题左右，大多考题以选择题和填空题的形式出现，考察对基本概念的理解，其中考的较多的是光的干涉现象发生的条件、干涉条纹间距的影响因素、光的偏振现象、光电效应等，且常常与几何光学结合出题。随着命题向能力立意方的转化，会有较多的与现代科学技术有着密切联系的近代物理为背景信息提出现。要解决以上问题，应该深刻理解双缝干涉和簿膜干涉的相干光波的来源及干涉条纹的形状，熟练掌握光电效应的四条实验规律，了解光电管在自动控制电路中的应用； 第一单元 光的干涉和衍射 光的电磁说知识要点1.光的干涉两列波长相同的单色光在相互覆盖的区域发生叠加，在某些区域总加强，在另外一些区域总减弱，从而出现明暗相间的条纹，如果是白光，则会出现彩色条纹，这种现象称为光的干涉。当这两列光波到达某点的路程差为波长的整数倍时，该处的光互相加强，出现明条纹；当到达某点的路程差为半波长奇数倍时，该点光互相削弱，出现暗条纹；条纹间距与该单色光波长成正比。明纹之间或暗纹之间的距离总是相等的，根据公式，在狭缝间距离和狭缝与屏距离都不变的条件下，条纹的间距跟波长成正比。在波长不变的条件下，当狭缝与屏的距离增大或狭缝间的距离减小时，条纹的间距增大。用白光做双缝干涉实验时，屏的中央是白色亮纹，离中央白色亮纹最近的是紫色亮纹。相干光源的条件是：两光源频率相同。获得相干光的办法：由于不同的光源甚至是同一光源的不同部分发出的光不满足相干条件，所以要用分光的方法，把一个点光源（或线光源）发出的光分为两列光，从而获得相干光。(1)双缝干涉：由同一光源发出的光经两小孔（双缝）后形成两列光波叠加产生(2)薄膜干涉:由薄膜前、后表面反射的两列光波叠加而成,劈形薄膜干涉可产生平行相间条纹,应用于“用干涉法检查平面”.2.光的衍射光的衍射：光离开直线路径而绕到障碍物阴影里的现象。(了解著名的泊松亮斑)产生明显衍射现象的条件：障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长相比或比光的波长小。（注意：衍射没有发生与不发生之分，只有明显与不明显之分。）单色光的衍射条纹也是明暗相间的分布的，但衍射条文中间亮纹最宽，两侧条文逐渐变窄变暗：干涉条纹则是等间距，明暗亮度相同的。白光的衍射条纹和干涉条纹都是彩色的。3.光的电磁说与电磁波谱:光的干涉与衍射充分地表明光是一种波，光的偏振现象又进一步表明光是横波。麦克斯韦对电磁理论的研究预言了电磁波的存在，并得到电磁波传播速度的理论值3.11108m/s，这和当时测出的光速3.15108m/s非常接近，在此基础上麦克斯韦提出了光在本质上是一种电磁波，这就是所谓的光的电磁说。赫兹用实验证实了电磁波的存在，并测出其波长与频率，进而得到电磁波的传播速度，用实验证实了光的电磁说。光作为电磁波的一种，与其他的电磁波共同构成电磁波谱。对于电磁波谱，应了解非排布情况、产生机理及实际用途。按频率从小到大的顺序组成的电磁波谱，其产生机理与主要作用如下表：电磁波种类无线电波红外线可见光紫外线伦琴射线射线频率(Hz)1043101210123.910143.910147.510147.5101451016310163102031019以上真空中波长(m)3101410431047.71077.710741074107610910810121011以下观察方法无线电技术利用热效应 激发荧光 利用贯穿本领照相底片感光（化学效应）核技术产生方式LC电路中自由电子的的振荡原子的外层电子受到激发原子的内层电子受到激发原子核受到激发用途通讯，广播，导航加热烘干、遥测遥感，医疗，导向等照明，照相，加热日光灯，黑光灯手术室杀菌消毒，治疗皮肤病等检查探测，透视，治疗等探测，治疗等4.光的偏振:1、只有横波才发生偏振现象，光的偏振现象表明光是一种横波。2、偏振光：在光的传播的垂直方向的平面内，只有沿着某一个特定方向震动的光。如自然光敬意偏振片作用后的光。3、偏振原因：光是横波，是电磁波，场强E和磁感强度B的振动方向均与波的传播方向垂直。所以光有偏振现象。4、应用：利用偏振滤光片摄影、观看立体电影。典型例题【例1】用单色光做双缝干涉实验，下列说法正确的是 A相邻干涉条纹之间的间距相等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： A在双缝干涉中，相邻明条纹（或暗条纹）间的距离（其中d为双缝间距，L为逢到屏的距离，为光波的波长），由此可见相邻条纹的间距是相等的。B错误；当屏与双缝之间距离减小，屏上条纹间的距离将减小，答案C是错误的；在实验装置不变的情况下，红光的条纹间距大于蓝光的条纹间距因为红光的波长比蓝光长，答案D是错误的，故正确答案是A。点评：本题考查双缝干涉现象，通过实验现象的观察考生应该知道双缝干涉的条纹是等间距的，单缝衍射时条纹是不等间距的。本题中的现象可以通过实验观察，也可通过对书本彩图的分析得出，考生对上述现象进行一定的记忆是必要的，公式可以不作要求。a【例2】如图所示，利用干涉法检测某块厚玻璃砖的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，检测中所观察到的干涉条纹是下列哪两个表面反射的光线叠加而成？ Aa的上表面和b的下表面Ba的上表面和b的上表面Ca的下表面和b的上表面Da的下表面和b的下表面解析：C样板和厚玻璃之间存在空气薄层，用单色光从上方照射时，入射光从空气薄层的上、下表面反射出两列光波形成干涉条纹。空气薄层的上下表面就是a的下表面和b的上表面，所以答案C是正确的。点评：本题考查薄膜干涉的应用检测玻璃表面的平整程度，利用了空气薄膜的干涉，考试的重点是讨论相干光源的获得，试题没有涉及从干涉条纹判断玻璃表面的高低情况，看片（干涉图样）带有很强的专业性，如同用X光对金属拍片后的照片的识别也是专业人士所为，考生不必在这一方面花力气。考生在备考复习过程中，应该把上述空气簿膜的干涉和肥皂簿膜的干涉联系起来。此外还有“牛顿环”实验的原理也要弄清，如图所示，将一个平凸透镜压在一块厚玻璃砖上面，用单色光垂直照射，则可得圆环形的干涉条纹；若用白光照射则可得彩色圆形条纹（考生可以自己分析其中的原因）。书本介绍了增透膜的原理，它也是光的干涉的重要应用。此时相干光源的获得来源于光在增透膜的上表面和下表面的两次反射光波，在垂直照射时，如果增透膜的厚度等于光波波长（注意：是指光在增透膜中的波长的1/4，数值上等于光在空气中波长的1/n，n为增透膜的折射率），则两列反射光波经干涉后相消，等效于没有了反射光，透射光的能量等于入射光的能量，从而实现了增透的目的。【例3】在观察光的衍射现象的实验中，通过紧靠眼睛的卡尺测脚形成的狭缝，观察远处的日光灯管或线状白炽灯丝（灯管或灯丝都要平行于狭缝）。可以看到 A黑白相间的直条B黑白相间的弧形条纹C彩色的直条纹D彩色的弧形条纹解析：C日光灯管或线状白炽灯丝发出的是复色光，包含有各种成分的单色光，经过狭缝衍射后，形成的条纹的宽度不同，所以将出现彩色的衍射条纹，又平行于狭缝的光源的衍射条纹是直线性条纹，所以答案C是正确的（如图75-3所示）。点评：本题考查衍射实验的现象，通过学生实验，考生应该知道本题衍射条纹的形状是直线形的，要观察到光的明显衍射现象，必须满足障碍物或孔的尺寸比光波的波长小或者差不多。与本实验相关的是游标卡尺的读数问题，考生应引起重视，在历年的高考中，游标卡尺的读数是经常要考查的。【例5】关于电磁波谱，下列说法中正确的是（ ）A射线的频率一定大于X射线的频率B紫外线的波长一定小于红外线的波长C若某紫外线能使一金属发生光电效应，则所有的X射线均可使该金属发生光电效应D紫外线光子的能量较大，它是原子内层电子受激发而产生的解析：由电磁波谱中的频率关系可知：射线的频率不一定大于X射线的频率，而紫外线的频率一定高于红外线的频率，所以，紫外线的波长一定小于红外线波长，紫外线的频率不一定低于X射线的频率，即紫外线光子的能量不一定比X射线光子的能量低。紫外线是由原子外层电子受激发而产生的。所以本题中只有B选项正确点评：本题要求考生知道电磁波谱中红外线、紫外线、X射线等不同频率的电磁波的波长范围、产生机理及特点。同步练习1、如右图所示，L为水平放置的点亮的8W日光灯，T为一藤椅的竖直靠背，横藤条与日光灯管平行，竖藤条相互垂交织，它们之间是透空方格，P是与藤条靠背平行的白屏，现将屏从紧贴椅背处慢慢向远处(图中右方)平移，从屏上将依次看到（ )A.横藤条的影，横竖藤条的影B.竖藤条的影，横竖藤条的影C.横竖藤条的影，竖藤条的影，没有藤条的影D.横竖藤条的影，横藤条的影，没有藤条的影2、在用卡尺观察光的衍射现象的实验中，如果用日光灯做光源，下列哪些实验条件是必须满足的？（ ）A日光灯要距卡尺足够远B卡尺的两个侧脚形成的狭缝要与灯管平行C卡尺的两个测脚间的距离要足够小D卡尺前必须加滤色片E眼睛要靠近卡尺的测脚形成的狭缝3、在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏幕上观察到了彩色干涉条纹，若在双缝中的一缝前放一红色滤光片（只能透过红光），另一缝前放一绿色滤光片（只能透过绿光），这时（ ）A只有红色和绿色的双缝干涉条纹，其它颜色的双缝干涉条纹消失B红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其它颜色的双缝干涉条纹依然存在C任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮D屏上无任何光亮4、用眼睛观察远处的灯，有时会看到它周围光芒辐射，对于这一现象的解释，下面的哪些说法正确?( )A.这是空气对光的折射作用造成的B.这是眼睛的瞳孔对光的衍射作用造成的C.这现象说明眼睛的瞳孔是规则的圆形D.这现象说明眼睛的瞳孔是多边形5、从点光源L发出的白光，经过透镜后成一平行光束，垂直照射到档光板P上，板上开有两条靠得很近的平行狭缝S1、S2如图所示，在屏Q上可看到干涉条纹，图中O点是屏Q上与两狭缝等距离的一点，则（ ）A干涉条纹是黑白的，O是亮点B干涉条纹是黑白的，O是暗点C干涉条纹是彩色的，O是亮点D干涉条纹是彩色的，O是暗点、光的偏振现象说明光是横波下列现象中不能反映光的偏振特性的是A一束自然光相继通过两个偏振片，以光束为轴旋转其中一个偏振片，透射光的强度发生变化B一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是时，反射光是偏振光C日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景像更清晰D通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹7、右图所示的是一竖立的肥皂液薄膜的横截面，关于竖立的肥皂薄膜上产生光的干涉现象，看下列陈述，其中哪一些是正确的（ ）A干涉条纹产生是由于光线在薄膜前后两表面反射，形成的两列光波的叠加B干涉条纹的暗线是由于上述两列反射波的波谷与波谷叠加造成的C用绿光照射薄膜产生的干涉条纹间距比黄色光照射时小D薄膜上的干涉条纹基本上是竖直的 8、市场上有种灯具俗称“冷光灯”，用它照射物品时能使被照物品处产生的的热效应大大降低，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（例如氟化镁），这种膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的热效应最显著的红外线。以表示此红外线的波长，则所镀薄膜的厚度最小应为（ ）A B C D 9、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。10、图中为X射线管的结构示意图，E为灯丝电源。要使射线管发出X射线，须在K、A两电极间加上几万伏的直流高压，则（ ）A高压电源正极应接在P点，X射线从K极发出B高压电源正极应接在P点，X射线从A极发出C高压电源正极应接在Q点，X射线从K极发出D高压电源正极应接在Q 点，X射线从A极发出P11、如图P是一偏振片，P的透振方向（用带箭头的实线表示）为竖直方向。下列四种入射光束中哪几种照射P时能在P的另一侧观察到透射光() A、太阳光B、沿竖直方向振动的光C、沿水平方向振动的光D、沿与竖直方向成450角振动的光12、登山运动员在攀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，否则将会严重地损坏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照射的眼镜。他用的这种薄膜材料的折射率为n=1.5，要消除的这种紫外线的频率为 8.11014Hz。那么它设计的这种“增反膜”的厚度至少是多少？13、用色光通过双缝做实验，色光的波长为4000埃，A点与狭缝S1、S2的路程差为18 10-6米，则A点是出现明条纹还是暗条纹？14、蛇是老鼠的天敌，它是通过接收热辐射来发现老鼠的。假设老鼠的体温为37C，它发出的最强的热辐射的波长m。根据热辐射理论，m与辐射源的绝对温度T的关系近似为mT=2.90103 rnK，那么：（1）老鼠发出最强的热辐射的波长约为多少米；（2）老鼠发出的这种最强的热辐射属于电磁波的以下哪个波段（ ） A红外波段 B紫外波段 C可见光波段 DX射线波段15、(14分)1801年，托马斯杨用双缝干涉实验研究了光波的性质1834年，洛埃利用单面镜同样得到了杨氏干涉的结果(称洛埃镜实验) 05江苏(1)洛埃镜实验的基本装置如图所示，S为单色光源，M为一平面镜试用平面镜成像作图法在答题卡上画出S经平面镜反射后的光与直接发出的光在光屏上相交的区域(2)设光源S到平面镜的垂直距离和到光屏的垂直距离分别为a和L，光的波长为，在光屏上形成干涉条纹写出相邻两条亮纹(或暗纹)间距离x的表达式第二单元 光电效应 光子 光的波粒二象性知识要点一、光电效应：当光（包括不可见光如红外线、紫外线、X射线、射线）照射到物体上时，从物体上发射出电子的现象叫做光电效应，发出的电子叫做光电子。（在电场一章中学过电子枪发射电子的情况，是指在金属通电后，由于电流的热效应，使金属中的外层电子具有足够的动能，脱离金属的表面而成为自由电子，这时发出的电子叫做热电子。）光电效应现象的实验规律：（1）每一种金属都有发生光电效应的极限频率，产生光电效应的条件是：和光强无关。（2）光电子的最大初动能与入射光的强度无关，而随入射光频率的增大而增大（注意：不是成正比关系，只能说是线性关系）（3）光电效应的发生几乎是瞬时的（不需要光照时间的积累）（4）在发生了光电效应时，光电流与入射光的强度成正比二、光子说1、量子论：1900年德国物理学家普朗克提出：电磁波的发射和接收是不连续的，而是一份一份的，每一份电磁波的能量E=h。2、光子说：在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份称为一个光子，光子的能量与其频率成正比，即E=h3、爱因斯坦的光电效应方程：:Ek = hW h：入射光子的能量；W：金属的逸出功(使电子脱离某种金属所做功的最小值)；Ek：光电子的最大初动能三、光的波粒二象性：光的干涉、衍射和光的偏振以无可辩驳的事实表明光是一种波；光电效应和康普顿效应又以无可辩驳的事实表明光是一种粒子；因此现代物理学认为光既具有波动性，又有粒子性。波粒二象性中所说的波是一种概率波，多大量光子才有意义；波粒二象性中所说的粒子，是指其不连续性，是一份能量。 (1)大量光子产生的效果显示出波动性，个别光子产生的效果显示出粒子性 (2)光子和电子、质子等实物粒子一样，具有能量和动量与其它物质相互作用 时，粒子性起主导作用；在光的传播过程中，光子在空间各点出现的可能性的多少(概率)，由波动性起主导作用。（3）对不同频率的光，频率低、波长长的光，波动性特征显著；而频率高、波长短的光，粒子性特征显著四、物质波:一切运动的微观粒子都具有波粒二象性,其波长与动量的关系都符合德布罗意公式:这种波叫德布罗意波或者物质波.物质波是一种几率波.典型例题【例1】关于光电效应，下列几种叙述正确的是A金属电子的逸出功与入射光的频率成正比B光电流的强度与入射光的强度无关C用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的初动能要大D对于任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光的波长必须小于这个波长，才能产生光电效应解析：金属的逸出功由该金属决定，与入射光源频率无关，光电流的强度与入射光强度成正比，选项A、B错误。不可见光包括能量大的紫外线、X射线、射线，也包括能量比可见光小的红外线、无线电波，选项C错误。正确选项为 D。点评正确理解金属的逸出功的概念，知道极限频率(或最大波长)存在的原因是解决光电效应问题的关键；光电效应是金属中的自由电子吸收了光子的能量后，其动能大到足以克服金属离子的引力而逃逸出金属表面，成为光电子对一定的金属来说，逸出功是一定的照射光的频率越大，光子的能量越大，从金属中逸出的光电子的初动能就越大如果入射光子的频率较低，它的能量小于金属的逸出功，就不能产生光电效应，这就是存在极限频率的原因光电效应规律中“光电流的强度”指的是光电流的饱和值(对应从阴极发射出的电子全部被拉向阳极的状态)因为光电流未达到饱和值之前，其大小不仅与入射光的强度有关，还与光电管两极间的电压有关只有在光电流达到饱和值以后才和入射光的强度成正比【例2】如图所示，与锌板相连的验电器的铝箔原来是张开的，现在让弧光灯发出的光经一狭缝后照射到锌板，发现在锌板上形成明暗相间的条纹，同时与锌板相连的验电器的铝箔张角变大，以上实验事实说明：A光具有波粒二象性B验电器的铝箔原来带负电C锌板上亮条纹是平行等宽度的D若改用激光器发出的红光照射锌板，观察到验电器的铝箔张角则一定会变得更大解析：当弧光灯发出的紫外线经过狭缝照在锌板上，锌板上形成明暗相间的条纹，发生衍射现象，中心条纹宽度最宽，说明光有波动性；同时与锌板相连的验电器的铝箔张角变大，发生了光电效应，电子飞出，锌板原带正电，说明光有粒子性。所以A正确，B、C错误。红光的频率小于锌板的极限频率，不发生光电效应，D错误。点评：这道题要求学生掌握光的衍射图象的特点与光电效应的实质。【例3】在做光电效应实验中，某金属被光照射发生了光电效应，实验测出了光电子的最大初动能EK与入射光的频率的关系如图所示，由实验图像可求出：A该金属的逸出功 B该金属的极限频率C单位时间内逸出的光电子数 D普朗克恒量解析:根据爱因斯坦光电效应方程EK=h-W，任何一种金属的逸出功W一定，说明EK随的变化而变化，且是线性关系(与y=ax+b类似)，直线的斜率等于普朗克恒量，直线与横轴的截距oA表示EK=0时的频率，即为金属的极限频率，由波速公式c=。求该金属发生光电效应照射光的极限波长EK=h-W，EK=0时有h-W =0， 又由波速公式，得c=，故选(A)、(B)、(D) 与横纵轴截距的物理意义注意将有关的物理知识和数学的图线联系起来，培养用数学知识解决物理问题的能力。点评处理此类问题，一定要先确定横、纵两轴分别代表什么，然后再确定图线斜率及图线解决物理问题的能力【例4】如图是研究光电效应的实验电路现用等离子态的氢气(电离态)跃迁时所发出的光照射光电管的阴极K，测得微安表的示数是40 A，电压表的示数是20V已知光电管阴极材料的逸出功是3.6eV求：(1)氢气发光的最短波长； (2)光电管阴极材料的极限波长；(3)光电子到达阳极A的最大动能解析：(1) =13.61.610-19=2.210-18 J max=6.63 10-343108 /2.210-18 =9.110-8 m(2) h0 =hc/=w=3.61.610-19 =5.7610-19J极=6.63 10-343108 /5.7610-19 =3.510-7m（3） EKA EKK = e U ，EKK=h-w EKA=eU+ EKK =eU+h-w=20+13.6-3.6=30eV点评：这题学生容易混淆第1问和第2问，主要是没有弄清氢气发光的最短波长的含义。同步练习1、如图所示，N为钨板，M为金属网，它们分别和电池两极相连，各电池的电动势E和极性已在图中标出，钨的逸出功为4.5ev。现分别用能量不同的光子照射钨板(各光子的能量也已在图上标出).那么下列图中能有电子到达金属网的是 NM3eV2VNM2V8eVNM4V8eVNM8eV2VABCD2下列说法正确的是A光波是一种概率波 B光波是一种电磁波 C单色光从光密介质进入光疏介质时，光子的能量改变 D单色光从光密介质进入光疏介质时，光的波长不变（ ）3、两种单色光a和b,a光照射某金属时有光电子逸出，b光照射该金属时没有光电子逸出，则A在真空中, a 光的传播速度较大 B在水中，a 光的波长较小C在真空中，b 光光子的能量较大 D在水中，b 光的折射率较小 4、用波长为1和2的单色光1和2分别照射金属1和2的表面.色光1照射金属1和2的表面时都有电子射出，色光2照射金属1时有电子射出，照射金属2时没有电子射出.设金属1和2的逸出功分别为W1和W2，则有 （ ）A12，W1W2B.12，W1W2C1W2D12，W1。已知此光束由红光和蓝光组成。则当光束透过b板后（ ）Pab左右A传播方向相对于入射光方向向左偏转角B传播方向相对于入射光方向向右偏转角C红光在蓝光的左边D红光在蓝光的右边二、填空（实验题）： 13、利用图中装置研究双缝干涉现象时，有下面几种说法：A.将屏移近双缝，干涉条纹间距变窄B.将滤光片由蓝色的换成红色的，干涉条纹间距变宽C.将单缝向双缝移动一小段距离后，干涉条纹间距变宽D.换一个两缝之间距离较大的双缝，干涉条纹间距变窄E.去掉滤光片后，干涉现象消失其中正确的是 。14(4分)利用双缝干涉测定光的波长实验中，取双缝间距d=0.5mm, 双缝光屏间距离L