高中物理 选修1 第四章 光(折射反射干涉衍射偏振)（2024人教版）

选修1

第四章光阳光照在水面，以下哪项会发生？它反射回空气中。它折射到水中去。它被水吸收，并转成热能。

第一节光的反射和折射法线一、反射定律：反射光线与入射光线、法线处在同一平面内，反射光线与入射光线分别位于法线的两侧；反射角等于入射角。光由空气射入玻璃入射角反射角光从空气射到玻璃上，在界面上一部分光发生反射，回到空气中；另一部分光射入玻璃中，并改变了原来的传播方向．

二、光从一种介质进入到另一介质，叫做光的折射．θ1θ2空气玻璃NN'AOBθ1入射光线和法线的夹角——入射角θ2折射光线和法线的夹角——折射角1.荷兰数学家斯涅耳在分析了大量实验数据后，找到了两者之间的关系，并把它总结为光的折射定律（refractionlaw）：折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比2.公式：sinθ1sinθ2=n12n12为比例常数玻璃OABNN'θ1θ2空气3.在折射现象中光路可逆。它与入射角、折射角的大小无关，只与两种介质的性质有关

4.特例：当入射角为0时，折射角也为0（即光线垂直入射时，不改变方向）与折射定律并不矛盾。玻璃AB空气NON'

sin0sin0=n12三、折射率——光从真空射入某介质发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，叫做这种介质的绝对折射率，简称折射率nsinθ1sinθ2=n12折射率n研究表明：第二种媒质对第一种媒质的相对折射率等于光在第一种媒质中的传播速度V1与光在第二种媒质中的传播速度V2之比C—真空中光速V—介质中光速任何介质的折射率n都大于1真空的折射率为1，

空气的折射率近似为1

注意：1.空气的折射率是1.00028，通常情况下认为光从空气射入某种介质时入射角正弦与折射角正弦之比就是那种介质的折射率。几种介质的折射率2.密度大的介质，其折射率不一定大，因为密度和折射率反映的物理性质是不同的。一个储油桶的底面直径与高均为d．当桶内没有油时，从某点A恰能看到桶底边缘B．当油的深度等于桶高的一半时，仍沿AB方向看去，恰好看到桶底上的点C，C、B两点相距d/4。求：（1）油的折射率n

（2）光在油中传播的速度折射应用1：

人在水上看到物体的像，比实际物体位置偏上，感觉水比较浅。从上向下看,折射应用2、光的色散1.复色光在介质中由于折射率不同而分解成单色光的现象2.光的色散现象说明：*白光实际上是由各种单色光组成的复色光。*介质材料对不同色光的折射率不同。色光紫靛蓝绿黄橙红折射率1.5321.5281.5191.5171.5141.513*各种色光在同一种介质中传播的速度不同。红光在介质中的速度比其他色光大，紫光在介质中的速度最小，大介质中速度小紫光：频率大，n大，偏折程度大在粗略的讨论中可以忽略色散效应。请思考：用屏接收和用眼直接对着出射光看，看到的光谱有没有区别？红光在上面，紫光在下面。红光在下面，紫光在上面。看到的是虚像

假设地球表面不存在大气层,那么人们观察到的日出时刻与存在大气层的情况相比,A.将提前

B.将延后C.在某些地区将提前,在另一些地区将延后

D.不变应用3：有大气，看到太阳更早没有大气，将迟一些看到太阳

钻石为何如此璀璨夺目？

水中的气泡为何晶莹闪亮？

听说过光线会拐弯吗？

海市蜃楼是否真实存在？第二节全反射

演示实验：光线的全反射现象一、光疏和光密：1、折射率小——光疏2、折射率大——光密光疏——真空（或空气），C最大，角度大若光从介质进空气，折射角>入射角若光从空气进介质，入射角>折射角二、全反射1、当光由光密进入光疏，且入射角增大到某一个角度（临界角），使折射角到90o，折射光消失,只剩下反射光线2、反生全反射条件：（1）由光密进入光疏（2）入射角大等于临界角3、临界角C临sinC临=1/n例：水中的潜水员看岸上所有景物都在一个顶角约为θ的圆锥里，为什么，求θ？（水的折射率n=1.33）三、全反射的实例：1、全反射棱镜：与平面镜相比，它的反射率高，几乎可达100%。

动手做一做

演示实验：荔枝球C=48.8°C建立模型，理论推导，得到结论：内层四分之三看到的是气泡内的情景；外层的四分之一是全反射的“镜面”！气泡为何晶莹闪亮钻石为何璀璨夺目切割前切割后1966年，33岁的华裔科学家高锟提出：光通过直径仅几微米的玻璃纤维就可以用来传输大量信息。高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。

2、光导纤维演示：漏水实验、光导纤维内芯——外套——光密，折射率大光疏，折射率小应用：内窥镜、光纤通信做一做（消失的硬币，试管“银镜反应”等）

想一想：前方湖泊？3、海市蜃楼路面积水？远方都市？光是在空间传播的某种波光是一种物质微粒，在均匀的介质中以一定的速度传播惠更斯1629－1669牛顿光的本质是什么？第三节光的干涉干涉现象是波独有的特征，假设光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象．机械波干涉条件是什么？相干条件1801年，英国物理学家托马斯·杨在实验室里成功的观察到了光的干涉．托马斯·杨1773~1829如果要观察到光的干涉现象需要什么条件？相同的两个光源发出的光－－这样的光叫相干光束一、光的双缝干涉1、满足干涉条件：

频率相同、相位差恒定、振动方向相同单色激光束挡板屏明暗相间等距的条纹双缝干涉示意图2、单色光入射在屏能观察到：S1S2S1S2P1ΔSΔs=P1S2－P1S1光程差（光程差为半波长偶数倍——亮条纹）单色激光束3、产生亮暗条纹的条件：若若（光程差为半波长奇数倍——暗条纹）4、干涉条纹和光的波长之间的关系θ双缝间距——d缝屏间距——L入射光波长——λ条纹间距：Δ利用双缝干涉实验，测量L、d、△x可测单色光的波长你能否根据所学的知识，设计一测量某种可见光波长的方案？实例：双缝的间距d＝0.18mm光屏到挡板间的距离L＝90cm相邻两条亮条纹的间距Δx＝3.50mm则此单色光的波长为多大？各色光在真空中的波长光的颜色波长nm光的颜色波长nm红770－620绿580－490橙620－600蓝－靛490－450黄600－580紫450－400红光波长最大，紫光波长最小思考：复色光源做扬氏双缝干涉实验，会出现什么现象？白光＋红光兰光用白光做双缝干涉实验，亮暗相间彩色条纹．…………光的干涉实验最早是英国物理学家托马斯·杨在1801

年成功完成的。托马斯·杨的时代没有激光。他用日光照亮一条狭缝，通过这条狭缝的光再通过双缝，发生干涉。

这就是历史上著名的杨氏双缝干涉实验，它有力地证明了光是一种波

实验：双缝干涉测光波长二、薄膜干涉1、肥皂膜的薄膜干涉2、利用薄膜干涉检查平整度3、增透膜膜的厚度为光在介质中波长的1/44、牛顿环

光可以发生干涉，也可以发生衍射吗？为什么在日常生活中我们观察不到光的衍射，而且常常说

“光沿直线传播”呢？

发生明显衍射的条件是什么?激光束调节狭缝宽窄像屏一、光的衍射

1、现象：

光离开直线路径绕过障碍物而进入阴影区的现象叫做光的衍射现象。

2、明显衍射的条件

障碍物或狭缝的尺寸比波长小或者跟波长相差不多

3、物理意义：光的衍射现象证明光是一种波

第五节光的衍射1、单缝衍射条纹的特征二、单缝衍射

A、中央亮纹宽而亮．B、两侧条纹亮纹较窄、较暗，具有对称性．观察下列衍射图样，分析衍射规律：不同缝宽的单缝衍射不同色光的单缝衍射

A、波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，各条纹间距大．

B、单缝不变时，光波波长的（红光）中央亮纹越宽，条纹间隔越大．

C、白光的单缝衍射条纹为中央亮，两侧为彩色条纹，且外侧呈红色，靠近光源的内侧为紫色．2、单缝衍射规律3、干涉条纹与衍射条纹的区别

干涉：等距的明暗相间的条纹衍射：中央有一条较宽亮条纹，两边是对称不等间距的明暗相间的条纹ABS

孔较大时——屏上出现清晰的光斑（直线传播）

孔较小时——屏上出现衍射花样三、圆孔衍射实验或者视频

不只是狭缝和圆孔，各种不同形状的物体都能使光发生衍射，以至使影的轮廓模糊不清，其原因是光通过物体的边缘而发生衍射的结果．历史上曾有一个著名的衍射图样——泊松亮斑．圆屏衍射圆孔衍射钢针的衍射四、泊松亮斑区分：圆孔衍射和圆屏衍射（泊松亮斑）1818年，法国的巴黎科学院为了鼓励对衍射问题的研究，悬赏征集这方面的论文。一位年轻的物理学家菲涅耳在论文中按照波动说深入研究了光的衍射。

当时的另一位法国科学家泊松是光的波动说的反对者，他按照菲涅耳的理论计算了光在圆盘后的影的问题，发现对于一定的波长、在适当的距离上，影的心会出现一个亮斑！泊松认为这是荒谬可笑的，并认为这样就倒了光的波动说。

但是，就在竞赛的关键时刻，评委阿拉果在实验中观察到了

这个亮斑（图4.5-6），这样，泊松的计算反而支持了光的波动说。

后人为了纪念这个有意义的事件，把这个亮斑称为泊松亮斑，

称为阿拉果亮斑

衍射光栅是由许多等宽的狭缝等距离的排列起来形成的光学仪器。可分为透射光栅和反射光栅衍射光栅(a)N=1(b)N=2(c)N=3(d)N=4例：下面四种现象中，哪些不是光的衍射现象造成的：

A．通过游标卡尺观测两卡脚间狭缝中发光的日光灯管，会看到平行的彩色条纹；

B．不透光圆片后面的阴影中心出现一个亮斑；

C．太阳光照射下，架在空中的电线在地面上不会留下影子；

D．用点光源照射小圆孔，后面屏上会出现明暗相间的圆环．

第六节光的偏振腰横别扁担进不了城门一、偏振只有横波能发生偏振现象实验：偏振片光的偏振现象有很多应用．如在拍摄日落时水面下的景物、池中的游鱼、玻璃橱窗里的陈列物的照片时，由于水面或玻璃表面的反射光的干扰，常使景像不清楚．如果在照相机镜头前装一片偏振滤光片，让它的透振方向与反射光的偏振方向垂直，就可以减弱反射光而使景像清晰．二、偏振的应用不加偏振片拍摄，橱窗中景物模糊不清加偏振片拍摄，景物变清晰液晶显示电极反光板电极液晶偏振片偏振片上下两极板没有电压（液晶有旋光性）自然光通过第一块偏振片成为偏振光上下两极板有一定大小的电压（液晶无旋光性）有出射光线无出射光线自然光无无汽车车灯:汽车夜间在公路上行驶与对面的车辆相遇时，为了避免双方车灯的眩目，司机都关闭大灯，只开小灯，放慢车速，以免发生车祸。如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片，而且规定它们的偏振化方向都沿同一方向并与水平面成45度角，那么，司机从前窗只能看到自已的车灯发出的光，而看不到对面车灯的光，这样，汽车在夜间行驶时，即不要熄灯，也不要减速，可以保证安全行车。

另外，在阳光充足的白天驾驶汽车，从路面或周围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳光，常会使眼睛睁不开。由于光是横波，所以这些强烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动的。因此，只需带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分的散射光。

未装偏振照明灯的情景观看立体电影:在拍摄立体电影时，用两个摄影机，两个摄影机的镜头相当于人的两只眼睛，它们同时分别拍下同一物体的两个画像，放映时把两个画像同时映在银幕上。如果设法使观众的一只眼睛只能看到其中一个画面，就可以使观众得到立体感。为此，在放映时，两个放像机每个放像机镜头上放一个偏振片，两个偏振片的偏振化方向相互垂直，观众戴上用偏振片做成的眼镜，左眼偏振片的偏振化方向与左面放像机上的偏振化方向相同，右眼偏振片的偏振化方向与右面放像机上的偏振化方向相同，这样，银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察，在人的脑海中就形成立体化的影像了。

偏光镜头立体电影用偏光镜消除了反射偏振光使玻璃门内的人物清晰可见玻璃门表面的反光很强橱窗设计激光发射器三、激光一、激光的特点1、相干性好（纯净）

2、平行度好3、亮度高光是从物质的原子中发射出来的。原子获得能量以后处于不稳定状态，它会以光的形式把能量发射出去。但是，普通的光源，例如白炽灯，灯丝中某个原子在什么时刻发光、在哪个方向偏振，完全是随机的，发出的光传播方向各异，频率也不一定相同，这导致不同原子发出的光没有确定的相位差。因此，普通光源发出的自然光是许多频率、相位、偏振以及传播方向各不相同的光的杂乱无章的混合。这导致两个独立的普通光源发出的光不会发生干涉。那么，能否制造出频率、相位、偏振以及传播方向等性质都十分确定的“纯净”的光呢？1960年，美国物理学家梅曼率先在实验室中制造出了传播方向、偏振、相位等

性