《光波粒二象性》复习 第十三章 光 第十七章 波粒二象性

第十三章光第十七章波粒二象性一、光的直线传播1.光在同一种均匀介质中是沿直线传播的前提条件是在同一种介质，而且是均匀介质。否则，可能发生偏折。如光从空气斜射入水中（不是同一种介质）；“海市蜃楼”现象（介质不均匀）。2.光速光在真空中的转播速度为c=3.00×108m光在不同介质中的传播速度是不同的。根据爱因斯坦的相对论光速不可能超过c。二、反射平面镜成像1.像的特点：平面镜成的像是正立等大的虚像，像与物关于镜面为对称。2.光路图作法：根据平面镜成像的特点，在作光路图时，可以先画像，后补光路图。三、折射与全反射1.折射定律折射定律的各种表达形式：(θ1为入、折射角中的较大者。)折射光路也是可逆的。2.各种色光性质比较可见光中，红光的折射率n最小，频率ν最小，在同种介质中（除真空外）传播速度v最大，波长λ最大，从同种介质射向真空时发生全反射的临界角C最大，以相同入射角在介质间发生折射时的偏折角最小（注意区分偏折角和折射角）。3.边作图边计算：有关光的折射和全反射，在解题时要把计算和作图有机地结合起来，根据数据计算反射角、折射角，算一步画一步，画一步在根据需要算一步。作图要依据计算结果，力求准确。αABCD例1直角三棱镜的顶角αABCDαAαA4.光导纤维全反射的一个重要应用就是用于光导纤维（简称光纤）。光纤有内、外两层材料，其中内层是光密介质，外层是光疏介质。光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界面，都要求入射角大于临界角，从而发生全反射。这样使从一个端面入射的光，经过多次全反射能够没有损失地全部从另一个端面射出。α例2如图所示，一条长度为L=5.0m的光导纤维用折射率为n=的材料制成。一细束激光由其左端的中心点以α=45°的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出。求：⑴该激光在光导纤维中的速度v是多大？⑵该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少？α2.12×108m/s,2.7×10四、棱镜1.棱镜对光的偏折作用一般所说的棱镜都是用光密介质制作的。入射光线经三棱镜两次折射后，射出方向与入射方向相比，向底边偏折。（若棱镜的折射率比棱镜外介质小则结论相反。）作图时尽量利用对称性（把棱镜中的光线画成与底边平行）。abM例3.如图所示，一细束红光和一细束蓝光平行射到同一个三棱镜上，经折射后交于光屏上的同一个点M，若用n1和n2分别表示三棱镜对红光和蓝光的折射率，下列说法中正确的是(abMA.n1<n2，a为红光，b为蓝光B.n1<n2，a为蓝光，b为红光C.n1>n2，a为红光，b为蓝光D.n1>n2，a为蓝光，b为红光4.全反射棱镜横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。选择适当的入射点，可以使入射光线经过全反射棱镜的作用在射出后偏转90o（右图1）或180o（右图2）。要特别注意两种用法中光线在哪个表面发生全反射。例4.如图所示，自行车的尾灯采用了全反射棱镜的原理。它虽然本身不发光，但在夜间骑行时，从后面开来的汽车发出的强光照到尾灯后，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车。尾灯的原理如图所示，下面说法中正确的是(C)A.汽车灯光应从左面射过来在尾灯的左表面发生全反射B.汽车灯光应从左面射过来在尾灯的右表面发生全反射C.汽车灯光应从右面射过来在尾灯的左表面发生全反射D.汽车灯光应从右面射过来在尾灯的右表面发生全反射5.玻璃砖所谓玻璃砖一般指横截面为矩形的棱柱。当光线从上表面入射，从下表面射出时，其特点是：⑴射出光线和入射光线平行；⑵各种色光在第一次入射后就发生色散；⑶射出光线的侧移和折射率、入射角、玻璃砖的厚度有关；⑷可利用玻璃砖测定玻璃的折射率。ab例5如图所示，两细束平行的单色光a、b射向同一块玻璃砖的上表面，最终都从玻璃砖的下表面射出。已知玻璃对单色光a的折射率较小，那么下列说法中正确的有(C)abA.进入玻璃砖后两束光仍然是平行的B.从玻璃砖下表面射出后，两束光不再平行C.从玻璃砖下表面射出后，两束光之间的距离一定减小了D.从玻璃砖下表面射出后，两束光之间的距离可能和射入前相同yaθxoAByxoyxoyxoyxyaθxoAByxoyxoyxoyxoA.B.C.D.θ1θ2例7.如图所示，用透明材料做成一长方体形的光学器材，要求从上表面射入的光线可能从右侧面射出，那么所选的材料的折射率应满足(θ1θ2A.折射率必须大于B.折射率必须小于C.折射率可取大于1的任意值D.无论折射率是多大都不可能五、光的波动性1.光的干涉SS/bdacSSS/bdacSS1S2用空气膜、利用平面镜形成相干光源的示意图。2.干涉区域内产生的亮、暗纹⑴亮纹：屏上某点到双缝的光程差等于波长的整数倍，即δ=nλ（n=0，1，2，……）⑵暗纹：屏上某点到双缝的光程差等于半波长的奇数倍，即δ=（n=0，1，2，……）相邻亮纹（暗纹）间的距离。用此公式可以测定单色光的波长。用白光作双缝干涉实验时，由于白光内各种色光的波长不同，干涉条纹间距不同，所以屏的中央是白色亮纹，两边出现彩色条纹。例8用绿光做双缝干涉实验，在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹，相邻两条绿条纹间的距离为Δx。下列说法中正确的有(C)A.如果增大单缝到双缝间的距离，Δx将增大B.如果增大双缝之间的距离，Δx将增大C.如果增大双缝到光屏之间的距离，Δx将增大D.如果减小双缝的每条缝的宽度，而不改变双缝间的距离，Δx将增大例9.登山运动员在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对眼睛的伤害的眼镜。他选用的薄膜材料的折射率为n=1.5，所要消除的紫外线的频率为8.1×1014Hz，那么它设计的这种“增反膜”的厚度至少是多少？3.衍射⑴各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射。⑵发生明显衍射的条件是：障碍物（或孔）的尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还小。（当障碍物或孔的尺寸小于0.5mm时，有明显衍射现象。）⑶在发生明显衍射的条件下，当窄缝变窄时，亮斑的范围变大，条纹间距离变大，而亮度变暗。例10平行光通过小孔得到的衍射图样和泊松亮斑比较，下列说法中正确的有(AB)A.在衍射图样的中心都是亮斑B.泊松亮斑中心亮点周围的暗环较宽C.小孔衍射的衍射图样的中心是暗斑，泊松亮斑图样的中心是亮斑4.光的电磁说光振动垂直于纸面光振动在纸面（1）光振动垂直于纸面光振动在纸面（2）可见光频率范围是3.9-7.5×1014Hz，波长范围是400-770nm。5光的偏振⑴光的偏振也证明了光是一种波，而且是横波。各种电磁波中电场E的方向、磁场B的方向和电磁波的传播方向之间，两两互相垂直。⑵光波的感光作用和生理作用主要是由电场强度E引起的，因此将E的振动称为光振动。⑶自然光。太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫自然光。⑷偏振光。自然光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，叫偏振光。自然光射到两种介质的界面上，如果光的入射方向合适，使反射和折射光之间的夹角恰好是90°，这时，反射光和折射光就都是偏振光，且它们的偏振方向互相垂直。我们通常看到的绝大多数光都是偏振光。例11有关偏振和偏振光的下列说法中正确的有(BD)A.只有电磁波才能发生偏振，机械波不能发生偏振B.只有横波能发生偏振，纵波不能发生偏振C.自然界不存在偏振光，自然光只有通过偏振片才能变为偏振光D.除了从光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光都是偏振光六、光的粒子性1.光电效应⑴在光的照射下物体发射电子的现象叫光电效应。（右图装置中，用弧光灯照射锌版，有电子从锌版表面飞出，使原来不带电的验电器带正电。）⑵光电效应的规律。①各种金属都存在极限频率ν0，只有ν≥ν0才能发生光电效应；②瞬时性（光电子的产生不超过10-9s）。⑶爱因斯坦的光子说。光是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量E跟光的频率ν成正比：E=hν⑷爱因斯坦光电效应方程：Ek=hν-—W（Ek是光电子的最大初动能；W是逸出功，即从金属表面直接飞出的光电子克服正电荷引力所做的功。）2.康普顿效应在研究电子对X射线的散射时发现：有些散射波的波长比入射波的波长略大。康普顿认为这是因为光子不仅有能量，也具有动量。实验结果证明这个设想是正确的。因此康普顿效应也证明了光具有粒子性。例12.对爱因斯坦光电效应方程EK=hν-W，下面的理解正确的有(BC)A.只要是用同种频率的光照射同一种金属，那么从金属中逸出的所有光电子都会具有同样的初动能EKVAPKVAPKC.逸出功W和极限频率ν0之间应满足关系式W=hν0D.光电子的最大初动能和入射光的频率成正比例13如图，当电键K断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。合上电键，调节滑线变阻器，发现当电压表读数小于0.60V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于0.60V时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为A.1.9eVB.0.6eVC.2.5eVD.3.1eV(A)七、光的波粒二象性1.光的波粒二象性干涉、衍射和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用无可辩驳的事实表明光是一种粒子；因此现代物理学认为：光具有波粒二象性。2.正确理解波粒二象性波粒二象性中所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义。波粒二象性中所说的粒子，是指其不连续性，是一份能量。⑴个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性。⑵ν高的光子容易表现出粒子性；ν低的光子容易表现出波动性。⑶光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现为粒子性。⑷由光子的能量E=hν，光子的动量表示式也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ。由以上两式和波速公式c=λν还可以得出：E=pc。例14已知由激光器发出的一细束功率为P=0.15kW的激光束，竖直向上照射在一个固态铝球的下部，使其恰好能在空中悬浮。已知铝的密度为ρ=2.7×103kg/m3，设激光束的光子全部被铝球吸收，求铝球的直径是多大？（计算中可取π=3，g=10m/s2）3.3×10八、物质波（德布罗意波）由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得出物质波（德布罗意波）的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长λ=。例15为了观察到纳米级的微小结构，需要用到分辨率比光学显微镜更高的电子显微镜。下列说法中正确的是A.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光短，因此不容易发生明显衍射(A)B.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光长，因此不容易发生明显衍射C.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光短，因此更容易发生明显衍射D.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光长，因此更容易发生明显衍射

光、波粒二象性检测题一、选择题1．关于近代物理学的结论中，下面叙述中正确的是（C）A．宏观物体的物质波波长非常小，极易观察到它的波动性B．光电效应现象中，光电子的最大初动能与照射光的频率成正比C．光的干涉现象中，干涉亮条纹部分是光子到达几率多的地方D．氢原子的能级是不连续的，但辐射光子的能量却是连续的2．以下关于光的有关说法中正确的是（BCD）A．光导纤维是应用了光的全反射现象，无影灯主要是应用了光的衍射B．天空中出现的彩虹是因为光的折射形成色散现象C．自然光是光振动沿各个方向均匀分布的光，偏振光是光振动沿着特定方向的光D．现在我们知道，光就是一份一份的能量3．在没有月光的夜间，一个池面较大的水池底部中央有一盏灯（可看做光源），小鱼在水中游动，小鸟在水面上方飞翔，设水中无杂质且水面平静，下面的说法中正确的是（BD）A．小鱼向上方水面看去，看到水面到处都是亮的，但中部较暗B．小鱼向上方水面看去，看到的是一个亮点，它的位置与鱼的位置无关C．小鸟向下方水面看去，看到水面中部有一个圆形区域是亮的，周围是暗的D．小鸟向下方水面看去，看到的是一个亮点，它的位置与鸟的位置有关4．某种色光，在真空中的频率为，波长为，光速为c，射入折射率为n的介质中时，下列关系中正确的是（C）A.速度是c，频率为，波长为B.速度是c/n,频率为／n，波长为/nC.速度是c/n,频率为，波长为/nD.速度是c/n,频率为，波长为5．如图所示，一个棱镜的横截面ABC为等腰直角三角形一细束红光从AC面上的P点沿平行于AB的方向射入棱镜，从BC面上的Q点平行于AB射出，且PQ//AB（图中未画出光在棱镜里的光路）．如果将一细束紫光也从P点沿同样的方向射入棱镜，则从BC面上射出的光线将（C）A．仍从Q点射出，射出光线仍平行于ABB．仍从Q点射出，但射出光线不再平行于ABC．从Q点上方的某一点处射出，射出光线仍平行于ABD．从Q点下方的某一点处射出，射出光线仍平行于AB6．如图所示，一细束白光通过三棱镜折射后分为各种单色光，取其中a、b、c三种单色光，并同时做如下实验：①让这三种单色光分别通过同一双缝干涉装置在光屏上产生干涉条纹（双缝间距和缝屏间距不变）；②让这三种单色光分别照射锌板；③让这三种单色光分别垂直投射到一条直光纤的端面上；下列说法中正确的是（D）A．如果单色光b能产生光电效应，则单色光a一定能产生光电效应B．单色光c的波动性最显著C．单色光a穿过光纤的时间最长D．单色光c形成的干涉条纹间距最小7．甲、乙两种单色光分别垂直进入一块厚玻璃砖，已知它们通过玻璃中的时间，那么，甲、乙两种单色光光子的能量关系是（A）A.B.C.D．不能确定8．一细光束中包含有红和蓝两种单色光，由真空中以不等于00的入射角照射到透明的平板玻璃上，透过玻璃板后，又射出到真空中，则下列说法中正确的是（B）B.C.无论蓝光或红光由真空射入玻璃后，其速度都变小，所以光子的能量都变小D.红光在玻璃板中所经历的路程比蓝光的短9．频率为的光照到某金属材料时，产生光电子的最大初动能为Ekm，改用频率为2的光照射同一金属材料，则所产生光电子的最大初动能为（h为普朗克常量）（B）A.2EkmB.Ekm+hC.Ekm－hD.Ekm＋2h10．我们经常可以看到，在路边施工处总挂着红色的电灯，这除了红色光容易引起人的视觉注意以外，还有一个重要的原因，这一原因是红色光（A）A．比其他色光更容易发生衍射B．比其他色光的光子能量大C．比其他色光更容易发生干涉D．比其他色光更容易发生光电效应12．如图所示，让太阳光通过M上的小孔S后照射到M右方的一偏振片P上，P的右侧再放一光屏Q，现使P绕着平行于光传播方向的轴匀速转动一周，则关于光屏Q上光的亮度变化情况，下列说法中正确的是（C）A．只有当偏振片转到某一适当位置时光屏被照亮，其他位置时光屏上无亮光B．光屏上亮、暗交替变化C．光屏上亮度不变D．光屏上只有一条亮线随偏振片转动而转动13．酷热的夏天，在平坦的柏油公路上你会看到在一定的距离之外，地面显得格外的明亮，仿佛是一片水面，似乎还能看到远处车、人的倒影．但当你靠近“水面”时，它也随你的靠近而后退．对此现象的正确解释是（D）A．同海市属楼的光学现象具有相同的原理，是由于光的全反射作用造成的B.“水面”不存在，是由于酷热难耐，人产生的幻觉C．太阳辐射到地面，使地表温度升高，折射率大，发生全反射D．太阳辐射到地面，使地表温度升高，折射率小，发生全反射14．1924年法国物理学家德布罗意提出物质波的概念，任何一个运动着的物体，小到电子，大到行星、恒星都有一种波与之对应，波长为=h/p,p为物体运动的动量,h是普朗克常量．同样光也具有粒子性，光子的动量为p=h/．根据上述观点可以证明一个静止的自由电子如果完全吸收一个光子，会发生下列情况：设光子频率为，则E=h,p=h/=h/c，被电子吸收后有h=mev2/2,h/c=mev．由以上两式可解得：v=2c，电子的速度为两倍光速，显然这是不可能的．关于上述过程以下说法正确的是（C）A．D．若光子与一个静止的自由电子发生作用，则光子被电子散射后频率不变15．下列现象中属于光的干涉现象的是（A）A．油膜上的彩色花纹B．旱晨草叶上的露珠在太阳光的照射下看起来特别明亮C．雨后天空的彩虹D．白光透过三棱镜后出现各种颜色的光16．在白炽灯下，从两块被捏紧的表面不太平的玻璃板的表面能看到彩色条纹，通过两根紧靠在一起的铅笔杆的夹缝去观察白炽灯，也能看到彩色条纹，其实这两种现象（D）A．均是光的干涉现象B．均是光的衍射现象C．前者是光的色散现象，后者是光的干涉现象D．前者是光的干涉现象，后者是光的衍射现象17．图是双缝干涉的实验装置，使用波长为600nm的橙色光照射，在光屏中心P点呈现亮条纹，在P点上方的P1点到S1、S2的路程差恰为λ，现改用波长为400nm的紫光照射，则（B）A．P和P1都呈现亮条纹B．P为亮条纹，P1为暗条纹C．P为暗条纹，P1