物理人教版选修3-4学案第十三章第7节光的颜色色散

7．光的颜色色散1．知道光的色散现象。2．理解薄膜干涉中的色散现象，并了解薄膜干涉的应用。3．理解折射时的色散现象产生的原因。4．知道同一介质对不同色光的折射率不同。肥皂泡在阳光的照射下呈现出彩色，雨后的彩虹也是彩色的，出现这两种彩色的物理原理一样吗？提示：不一样。肥皂泡呈现的彩色是光的干涉现象，雨后的彩虹是光的折射现象。1．光的颜色色散(1)不同颜色的光，____不同。(2)白光的干涉条纹是彩色的，可见白光是由________组成的。(3)含有多种颜色的光被分解为______的现象叫做光的色散。(4)人眼的视网膜上有两种感光细胞，一种叫做视杆细胞，对____非常敏感但不能区分不同波长(频率)的光；另一种叫做视锥细胞，它对光的敏感度不如视杆细胞，但能区分不同波长(频率)的光。(5)含有多种颜色的光被分解后，各种色光按其____的有序排列就是光谱。2．薄膜干涉中的色散(1)观察薄膜干涉：如图所示，把这层液膜当成一个平面镜，用它观察灯焰的像：水平方向的________的条纹。(2)相干光源是：液膜________表面反射的光波。(3)形成明暗相间条纹的原因：与双缝干涉的情况相同，在膜上不同位置，来自薄膜前后两个面的反射光用图中实虚线来代表，所走的路程差不同。路程差是光在介质中波长的____倍的这些位置上，叠加后加强，出现了亮条纹；路程差是光在介质中半波长的____倍的这些位置上，叠加后相互削弱，于是出现了暗条纹。(4)薄膜干涉的应用：光学器材的镜头涂上增透膜，检查精密仪器的表面平整度。思考：增透膜的厚度最小是多少？3．衍射时的色散用白光做衍射实验时，得到的条纹是彩色的。这是因为白光中不同色光在衍射时的______的位置不同，于是各种色光就区分开了。4．折射时的色散(1)三棱镜：横截面是三角形的玻璃柱体，简称______。(2)三棱镜对光线的控制作用：光通过三棱镜后将向它的__________方向偏折。(3)棱镜的色散现象：一束白光通过棱镜后发生色散。由上到下的色光顺序为：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。在白光色散时，____的偏折程度最小，____的偏折程度最大。这说明同种物质对波长不同的光的折射率不一样，波长越____，折射率越大。(4)色光在介质中的传播速度：由n＝eq\f(c,v)知，在同一种物质中，不同波长光波的________不一样，波长越____，波速越慢。答案：1．(1)波长(2)多种色光(3)单色光(4)光(5)波长2．(1)明暗相间(2)前后两个(3)整数奇数思考提示：增透膜厚度最小为透射光在薄膜中波长的eq\f(1,4)，使薄膜前后两个面的反射光的路程差为波长的一半，则反射光叠加后减弱，增强透射光的强度。3．亮条纹4．(1)三棱镜(2)横截面的底面(3)红光紫光小(4)传播速度短一、薄膜干涉现象及其在技术上的应用分析1．竖放肥皂膜干涉现象(1)白光照射图样是彩色的：竖直放置的肥皂液膜，因重力的作用，出现上面薄，下面厚。由于不同颜色的光波长不同，从前后两个表面反射的光，在不同的位置被加强，换句话说，不同颜色的光对应亮条纹的位置不同，不能完全重合，因此看起来是彩色的。(2)条纹是水平方向的：因为在同一水平高度处，薄膜的厚度相同，前后两表面的反射光的路程差均相同，如果此时两反射光互相加强，则此高度水平方向各处均加强，因此，明暗相间的条纹应为水平方向。2．等倾法检查平面平整度原理：如图所示，在被测平面上放一个透明的样板，在样板的一端垫一个薄片，使样板的标准平面与被测平面之间形成一个楔形空气薄层。用单色光照射时，空气层的上、下两个表面反射的两列光波发生干涉。空气厚度相同的地方，两列波的路程差相同，两列波叠加时互相加强或减弱的情况相同，因此若被测面是平的，干涉条纹就是一组平行的直线，如果干涉条纹是弯曲的，就表明被测平面不平整。如图所示。如何形象判断被测平面凹下或凸起？下面给出一种形象的判断法——矮人行走法，即把干涉条纹看成“矮人”的行走轨迹。让一个小矮人在两板间沿着一条条纹直立行走，始终保持脚踏被检板，头顶样板，在行走过程中：若某处一凹下，他要想过去必须从薄膜的尖端绕过去，方可按上述要求过去，即条纹某处弯向薄膜尖端，该处为一凹下。如图甲所示。若某处有一凸起，他要想过去，必从薄膜底部去绕，即条纹某处弯向薄膜底部方向时，该处必为一凸起。如图乙所示。二、对光的颜色、三棱镜色散的理解1．对光的颜色的理解：不同颜色的光，波长不同，频率不同，而同种颜色的光在不同介质中折射率不同，速度和波长均不相同，但频率相同，因此说光的颜色是由频率决定的，而不是由波长决定的。2．对光经过三棱镜发生色散的理解(1)色散的实质：光的色散实质上是光的折射现象，是由同一种介质对不同色光的折射率不同而引起的。(2)光的色散现象能表明的问题：①同一介质对不同色光的折射率不同，频率越高折射率越大，七色光中红光的折射率最小，紫光的折射率最大。②由n＝eq\f(c,v)可知，同一介质中各种色光的光速不同，红光的折射率最小，光速最大；而紫光的折射率最大，光速最小。③光由一种介质进入另一种介质时，光的颜色不变，光速改变(v＝eq\f(c,n))。光在介质中的传播与机械波在介质中的传播是有区别的。光在介质中的传播速度不仅与介质有关，还与光的频率有关。三、棱镜对光的偏折作用如图所示，光线从空气射到三棱镜时，是从光疏介质射入光密介质，折射光线靠近法线，向底边偏折，光线在棱镜中传播，射出空气时，是从光密介质射入光疏介质，折射光线远离法线，再次向底边偏折，所以光线通过棱镜之后，朝向底边折射。折射光线的方向与入射光线的方向所形成的角度称为偏折角，偏折角与棱镜材料及入射角有关：(1)偏折是因为介质造成的，所以棱镜对光的折射率越大，偏折角越大；(2)光通过棱镜时，当在棱镜中的光线与底边平行时，对应的偏折角最小。对一般棱镜而言，透过棱镜看物体，会看到物体的虚像，且虚像位置比物体的实际位置向顶角方向偏移。类型一折射中的色散现象【例1】如图所示，从点光源S发出的一细束白光以一定的角度入射到三棱镜的表面，经过三棱镜的折射后发生色散现象，在光屏的ab间形成一条彩色光带，下列说法中正确的是()。A．a侧是红色光，b侧是紫色光B．在真空中a侧光的波长小于b侧光的波长C．三棱镜对a侧光的折射率大于对b侧光的折射率D．在三棱镜中a侧光的传播速率大于b侧光的传播速率解析：由图可以看出，棱镜对a光偏折程度大，即对a光的折射率大，所以a侧是紫光，波长较短，b侧是红光，波长较长，判断出A项错误，B、C正确；再根据折射率公式n＝eq\f(c,v)，可知三棱镜中红光传播速率最大，紫光传播速率最小，判断出D项错误。答案：BC题后反思：同一介质对不同的色光有不同的折射率，介质对频率大、波长短的光折射率大，按折射率从小到大依次排列为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。类型二薄膜干涉及应用【例2】凸透镜的弯曲表面是个球面，球面的半径叫做这个曲面的曲率半径，把一个凸透镜压在一块平面玻璃上，让单色光从上方射入(如图所示)。从上往下看凸透镜，可以看到亮暗相间的圆环状条纹。这个现象是牛顿首先发现的，这些环状条纹叫做牛顿环，它是两个玻璃表面之间的空气膜引起的薄膜干涉造成的。如果换一个表面曲率半径更大的凸透镜，观察到的圆环半径是更大还是更小？观察牛顿环解析：由于以接触点为圆心的同一圆周上空气楔厚度相同，光通过空气楔的光程差是相同的，所以干涉条纹是环形的，若某一厚度空气楔环，光通过它的光程差为eq\f(λ,2)的偶数倍，对应一亮环。若换作曲率半径更大的凸透镜，则这一厚度要外移，对应牛顿亮环半径要变大。其他环半径依次变大，所以圆环半径要变大。答案：见解析题后反思：牛顿环的实质是光的干涉，振动加强点即为亮纹，振动减弱点即为暗纹。触类旁通：如果改用波长更长的单色光照射，观察到的圆环半径是变大还是变小？答案：触类旁通提示：若改用波长更长的单色光照射，观察到的圆环半径变大。1光的颜色取决于()。A．波长 B．频率C．传播速度 D．折射率2如图所示，一束白光通过玻璃棱镜发生色散现象，下列说法中正确的是()。A．红光的偏折最大，紫光的偏折最小B．红光的偏折最小，紫光的偏折最大C．玻璃对红光的折射率比紫光大D．玻璃中紫光的传播速度比红光大3如图甲所示为一显示薄膜干涉及现象的实验装置，P是附有肥皂膜的铁丝圈，S是一点燃的酒精灯，往火焰上撒些食盐后，在肥皂膜上观察到的干涉图样应是图乙中的()。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整的装置，所用单色光为普通光加滤光片产生的，检查中所观察到的条纹是由下列哪两个表面反射的光线叠加而成的()。A．a的上表面和b的下表面 B．a的上表面和b的上表面C．a的下表面和b的上表面 D．a的下表面和b的下表面5在阳光照射下，充满雾气的瀑布上方常常会出现美丽的彩虹，彩虹是太阳光射入球形水珠经折射、内反射，再折射后形成的。光的折射发生在两种不同介质的__________上，不同的单色光在同种均匀介质中__________不同。答案：1．B2．B由光的色散知识可知，红光的