光的本性干涉、衍射、光电效应

1、光的本性 干涉、衍射、光电效应知识扫描1十七世纪，关于光的本性形成了两种学说，一种是牛顿主张的微粒说，另一种是惠更斯提出的波动说。光的_干涉_（托马斯-杨）证实光具有波动性。麦克斯韦首先从理论上提出光是一种电磁波。赫兹用实验加以证实。2两列波长相同的单色光在相互覆盖的区域发生叠加，会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。相干光源的条件是两光源频率相同。获得相干光的办法是：把一个点光源（或线光源）发出的光分为两列光。（单色光通过单缝+双峰；白光将同一束光经过两个界面反射）3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

2、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。4光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象，叫光的衍射。产生明显衍射的条件：障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长相比甚至比光的波长还要小。且障碍物尺寸比波长越小，衍射越明显。（典型：泊松亮斑）5横波只沿着某一特定的方向振动，称为波的偏振，光的偏振现象说明光是横波。通过偏振片的光波，在垂直于传播方向的平面上，只沿着一个特定的方向振动，称为偏振光。6按频率从大到小的顺序组成的电磁波谱，其产生机理与主要作用如下表：电磁波产生机理主要作用无线电波电路中自由电子周期性振荡而产生广播、电视红外线原子的外层电子受激而

3、产生热作用可见光原子的外层电子受激而产生视觉作用色彩效应紫外线原子的外层电子受激而产生化学作用/生理作用/荧光效应伦琴射线原子的内层电子受激而产生医用透视/X光金属探伤r 射线原子核受激而产生穿透作用/ r射线探伤/医学治疗7、光电效应的规律（1）任何一种金属都有发生光电效应的极限频率，入射光的频率必须大于这个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，随入射光的频率增大而增大。（3）光电效应的产生几乎是瞬时的，一般不超过10-9s。（4）当入射光的频率大于金属极限频率时，光电流强度与入射光的强度成正比。（5）光电效应与经典理论之间的矛盾8、光子说：(爱因斯坦)在空间传播

4、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=h . 电子克服原子核的束缚，从材料表面逸出所需的最小能量, 叫做这种金属的逸出功，9、光电效应方程：Ek= h W10、光的波粒二象性：光既具有波动性，又有粒子性。 (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11.物

5、质波：（德布罗意） 任何运动物体都有一种波与它对应，波长是 = 训练1、 我国南宋时期的程大昌在其所著的演繁露中叙述道： “凡风雨初霁（雨后初晴）或露之未（干），其余点缘于草木枝叶之末，日光入之；五色俱足，闪烁不定，是乃日之光品著色于水，而非雨露有所五色也。”这段文字记叙的是下列光的何种现象：（ B ） A、反射B、色散C、干涉D、衍射8、激光散斑测速是一种崭新的测速技术，它应用了光的干涉原理。用二次曝光照相所获得的“散斑对”相当与双缝干涉实验中的双缝，待测物体的速度v与二次曝光时间间隔t的乘积等于双缝间距。实验中可测得二次曝光时间间隔t、双缝到屏之距离以及相邻两条亮纹间距x。若所用的激光波长

6、为，则该实验确定物体运动速度的表达式是 （ B ）A. v= B.v= C. v= D.v=10、虹霓是由空中的小水滴对日光的折射、色散、全反射的综合效应所形成的，通常可以看到两道弓形彩带，里面一道叫虹，比较明亮；外面一道叫霓，较为暗淡，如图（a）所示。（1）虹是阳光在水滴内经二次折射、一次全反射形成的，如图（b）所示从内到外色序的排列是紫到红；（2）霓是阳光在水滴内经二次折射、二次全反射形成的，如图（c）所示，从内到外色序的排列是红到紫；12、某同学设计了一个测定激光波长的实验装置如图甲所示。激光器发出的一束直径很小的红色激光进入一个一端装有双缝、另一端装有感光片的遮光筒，感光片的位置上出现

7、一排等距的亮点，乙图中的黑点代表亮点的中心位置。1.这个现象说明激光具有波动性性。2.通过量出相邻光点的距离可算出激光的波长。据资料介绍：如果双缝的缝间距为a，双缝到感光片的距离为L，感光片上相邻两光点间的距离为b，则光的波长=ab/L。该同学测得L=10000m，缝间距a=0220mm，用带10分度游标的卡尺测感光片上的距离时，尺与点0510051015mm乙感光片遮光筒双缝激光器甲的中心位置如乙图所示。乙图中第1到第4个光点的距离是8.6；mm。实验中激光的波长=6.3×m（保留两位有效数字）（3）如果实验时将红激光换成蓝激光，屏上相邻两光点间的距离将变小。16、1905年爱因斯

8、坦提出了著名的质能关系式：E=mc2，其中E是能量，单位为焦耳(J);m是质量，单位是千克（kg）；c为光速，单位是米/秒（m/s），质能关系式说明了质量与能量的对应关系，当质量发生变化时，能量也将发生变化，若质量变化为 m时，对应的能量变化为 E，则根据质能关系式有E =mc2。太阳等恒星不断向外辐射能量，是以内部质量的减少为代价的，在太阳内部进行着四个氢核转变成一个氦核的核聚变反应，发生核聚变反应时释放出一定的能量，并伴随着一定质量的减少，研究表明，1kg氢聚变时发生的质量减少为7×10-3kg，由于只有太阳核心区的高温才足以使氢核产生聚变反应，所以处于太阳核心区的氢才是可利用的

9、，太阳质量为2.0×1030kg，太阳核心区氢的质量约占太阳质量的十分之一，太阳每秒钟向太空辐射4.0×1026J 能量，问：（1）太阳每年因向外辐射能量而减少的质量约为多少千克？（2）太阳已发光了50亿年，估算太阳还能发光多少年？解：（1）太阳每年向外辐射的能量为：E= 4.0×1026×3600×24×3651.26×1034J太阳每年损失的质量为：m=E/c2 = 1.26×1034/9×1016 = 1.4×1017 Kg (2）太阳中可利用的氢质量为：MH = M/10 = 2.0&#

10、215;1030 /10 = 2.9×1029 Kg 上述氢全部发生聚变将减少的质量为：M=7×10-3MH = 7×10-3×2.0×1029=1.4×1027 Kg太阳的发光时间为：T=M / m =1.4×1027 /1.4×1017 =1010年(=100亿年)太阳还能发光 100亿年50亿年=50亿年Ak17、图中光电管阴极用极限波长为5000埃的钠制成，现用波长3000埃的光照射阴极，当光电管加正向电压为21伏时测得饱和光电流植是056微安，求：（1）每秒钟阴极发射的光电子数；（2）光电子到达阳极时的最

11、大动能；（3）变阻器滑动头C与中心固定头O之间电压多大时，微安表读数为零，这时C在O点哪一侧？（1）.5×1012个； (2)3.7575ev； (3)1.6575V； 右；例2：如图所示，S是一个单色的点光源，M是水平放置的平面镜，S到M所在平面间的距离很近。P是放在竖直面内的一个光屏。试用作图法确定在光屏上的什么范围内可以观察到光的干涉现象。解析：如图，点光源S发出的光一部分直接照到光屏上（如阴影部分所示），另一部分则照到平面镜上，经平面镜反射后再照到光屏上。这一部分光好像是从点光源的像点S发出的一样，这样就把同一束光分成了两束，形成相干光源，在它们叠加的区域内，形成明暗相间的干

12、涉条纹。 作法：连接S和平面镜的右边缘并延长交平面镜于b；根据对称性做S在平面镜中的像点S/ ，连接S/ 和平面镜的左、右边缘并延长交平面镜于c、d；光屏上c、d之间的部分是两束光叠加的区域，在此区域内可以观察到干涉现象。点评：（1）只要设法把一束光分成两束，就可以在两束光叠加的区域内观察到光的干涉现象。（2）本题这种装置叫劳埃德镜。为了真正能观察到干涉现象，本题中的点光源S到平面镜的距离必须非常小（S和S/ 间的距离相当于双缝干涉实验中双缝间的距离d）。例3：如图14所示，在挡板上开一个大小可以调节的小圆孔P，用点光源S照射小孔，小孔后面放一个光屏MN，点光源和小孔的连线垂直于光屏，并于光屏

13、交于其中心。当小孔的直径从1.0mm逐渐减小到0.1rnm的过程中，在光屏上看到的现象将会是（ ）A光屏上始终有一个圆形亮斑，并且其直径逐渐减小B光屏上始终有明暗相间的同心圆环，并且其范围逐渐增大C光屏上先是形成直径逐渐减小的圆形亮斑，然后是形成范围逐渐增大而亮度逐渐减弱的明暗相间的同心圆环D光屏上先是形成直径逐渐减小的圆形亮斑，然后是形成范围逐渐减小而亮度逐渐增大的明暗相间的同心圆环解析：能观察到明显的衍射现象的障碍物或孔的尺寸应该小于0.5mm。本题小孔直径是从1.0mm逐渐减小到0.1rnm的，所以在开始阶段没有明显的衍射现象，光基本上是沿直线传播的，因此在光屏上应该得到和小圆孔相似的圆

14、形亮斑，当孔的直径减小到0.5mm以下时，将发生较为明显的衍射现象，所以光屏上出现明暗相间的圆环；随着小孔直径的减小，光的衍射现象越来越明显，衍射图样的范围越来越大，相邻亮纹和相邻暗纹间的距离也逐渐增大，同时由于通过小孔的光能越来越少，所以衍射图样的亮度将变得越来越暗。根据以上分析，本题应选C点评：（1）这道题把光的直线传播和光的衍射结合起来考察，关键是抓住转变点，从实验中发现能发生明显衍射现象的最小尺寸大约是0.5mm左右。（2）如果所用的光源是平行光源，观察到的现象基本和点光源相同。如果所用的光源是烛焰，那么在小孔直径从1.0mm逐渐减小到0.1rnm的阶段，由于小孔成像，在光屏上应该呈现

15、烛焰的倒像，像的大小不会改变（这由烛焰到孔和孔到光屏的距离决定），但像的亮度将逐渐变暗，在孔径减小到0.5mm以下后，像就会变得模糊而出现明暗相间的衍射图样了。 例4：如图所示是用干涉法检查某块厚玻璃板的上表面是否平的装置，所用的单色光是用普通光加滤光片产生的。检查中所观察到的干涉条纹是由下列哪两个表面反射的光线叠加而成的？（ ） AM的上表面和N的下表面 BM的上表面和N的上表面 CM的下表面和N的上表面 DM的下表面和N的下表面解析：首先要弄清薄膜干涉是透明介质形成厚度与光波波长相近的膜的两个面的反射光叠加而成的。显然本题中的标准样板和厚玻璃是不可能作为薄膜来处理，只有垫上薄片，M的下表面

16、和N的上表面之间的空气膜才能称为薄膜，才能发生干涉，所以C选项正确。点评：利用光的薄膜干涉来检查平面的质量，就是在标准样板平面和被检查平面间形成一个楔行的空气薄层，用单色光从上面照射，入射光在空气层的上、下表面反射形成两列相干光束。如果被检测的平面是平的，那么空气层厚度相同的各点的干涉条纹就在一条直线上；若是被测平面的某处凹下去了，这时干涉条纹就不是直线，而凹下去的干涉条纹将向楔型膜中薄的一侧弯曲。这是因为凹处的两束反射光的光程差变大了，它只能与膜厚一些位置的两反射光的光程差相同，并形成同一级的条纹（光程差相同的干涉条纹为同一级，一般光程差大的干涉条纹级别高，光程差小的级别低）。显然凹处的级别

17、增大，将与膜厚一些位置的干涉条纹形成同一级别的条纹。同理，若是被测平面某处凸起，则该处的干涉条纹将向模型膜中厚的一侧弯曲例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

18、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。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

19、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

20、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15-1-1例2、如图15-1-1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

21、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15-1-2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E

22、K=0时的频率O，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15-1-3例4、如图15-1-3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

23、； (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) hmin= hc/max =13.6×1.6×10-19=2.2×10-18 J max=6.63 ×10-34×3×108 /2.2×10-18 =9.1×10-8 m（2） h0 =hc/=w=3.6×1.6×10-19 =5.76×10-19J极=6.63 ×10-34×3×108 /5.76×10-19 =3.5×10-7m（3） EKA EKK

24、= 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。四、变式迁移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( D )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

25、用日光灯做光源，下列哪些实验条件是必须满足的？（ BCE ）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五、能力突破1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（ C ）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2.用眼睛观察远处的灯，

26、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?( BD)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3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（ C ）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4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，

27、看下列陈述，其中哪一些是正确的（ AC ）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 5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（ B ）A B C D 7图中为X射线

28、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（ D ）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8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 8.1×1014Hz。那么它设计的这种“增反膜”的厚度至少是多少？1.2

29、15;10-79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？暗条纹10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37ºC，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m·T=2.90×103 rn·K，那么：3.94×106 m （2）A（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 变

30、式迁移 1D 2BCE能力突破 1C 2.BD 3C 4AC 5B 6C 7D 8 9 10（1）1、如图15-1-5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4.5 eV.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 AB15-1-555 2、有一个功率为500W的红外线取暖器，如果它辐射的红外线的频率为30× 1014HZ，试求它每秒将发射出多少个光子?在距离取暖器2m远处，垂直于红外线传播方向的1cm2面积上每分钟能接收到多少个光子? 五、能力突破1下列说法正确的是 A

31、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（ ）2、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 （ D ）A.1>2，W1> W2B.1>2，W1< W215-1-6C.1<2，W1> W2D.1<2，W1< W23、用如图15-1-6所示的装置研究光电效应现象, 当用光子能量为2.5eV的光照射到光电管上

32、时, 电流表G的读数为0.2mA. 移动变阻器的触点c，当电压表的示数大于或等于0.7V时，电流表读数为0. 则 ABCA光电管阴极的逸出功为1.8eV B电键k断开后, 有电流流过电流表G C光电子的最大初动能为0.7eV D改用能量为1.5eV的光子照射，电流表G也有电流，但电流较小15-1-74、如图15-1-7所示电路中两个光电管的阴极是由同种金属材料制成的，现用强度相同的两束光分别照射两个光电管的阴极，紫光照在甲电路的光电管上，绿光照在乙电路的光电管上，若都能产生光电效应，则下列判断中正确的是（ D ）A从两个极板射出的光电子的最大初动能相同B甲光电管中打到阳极上的光电子的最大动能一定大于乙光电管中打到阳极上的光电子的最大动能C单位时间内由两光电管产生的光电子的数量相