选修3-4光学复习学案

2/13光学【重点知识整合】一、几何光学的常见现象项目内容折射定律(1)三线共面(2)分居两侧(3)入射角正弦与折射角正弦之比为常数eq\f(sinθ1,sinθ2)＝n折射率定义式:光从真空进入介质时n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)折射率决定式:n＝物理意义:描述透明介质对光线的偏折作用,n越大,折射光线偏离入射方向的夹角越大全反射发生条件:(1)从光密介质进入光疏介质(2)入射角大于或等于临界角,即θ1≥C临界角：sinC＝光的色散产生原因：(1)太阳光是复色光；(2)不同的色光折射率不同规律:光的频率越大,折射率越大红光→紫光:折射率逐渐增大,在介质中的速度逐渐减小;(3)临界角逐渐减小;波长逐渐减小常见光学元件的特点平行玻璃板:(1)出射光线与入射光线平行;(2)出射光线发生侧移棱镜:(1)光线向底边偏折;(2)能发生色散全反射棱镜:(1)垂直于直角边射入,出射光线方向改变90°;(2)垂直于斜边射入,出射光线方向改变180°二、光的干涉、衍射和偏振现象项目内容光的干涉双缝干涉产生条件:两光源频率相等,相位差恒定出现明暗条纹的条件:路程差Δs＝nλ,明条纹;Δs＝(n＋)λ,暗条纹相邻条纹间距:Δx＝λ光的干涉薄膜干涉产生原因：同一束光分别经薄膜的前后表面反射的光叠加而成规律:经薄膜上厚度相等的位置反射的光叠加后在同一干涉条纹上,相邻条纹间距与波长成正比,与斜面倾角成反比应用:(1)光干涉法检查平面的平整度(2)在光学镜头上涂增透膜d＝λ光的衍射明显衍射条件障碍物或孔的尺寸跟光的波长差不多或者比光的波长小衍射现象单缝衍射:中间条纹亮、宽;两侧条纹暗、窄;波长越长,条纹越宽,间距越大圆孔衍射:明暗相间的圆形条纹圆板衍射:圆形阴影的外侧是明暗相间的圆形条纹,中间是亮斑(泊松亮斑)光的偏振偏振片有特定的透振方向,自然光通过后成为偏振光,两偏振光片平行时透过的光最强,垂直时最弱【特别提醒】(1)光的干涉和衍射现象说明光具有波动性,光的偏振现象说明光是横波.(2)光的干涉条纹和光的衍射条纹的最大区别是研究条纹间距是否均匀,中央条纹和两侧条纹的亮度是否相同.三、光电效应及光的波粒二象性项目内容光电效应概念金属在光(包括不可见光)的照射下发射电子的现象规律(1)每种金属都有一个极限频率,ν≥ν0时才会发生光电效应(2)光电子的最大初动能与光强无关,随ν的增大而增大(3)光电效应的产生几乎是瞬时的(4)饱和光电流与光强成正比 光电效应解释光子说:(1)光在传播时是一份一份的,每份叫一个光子;(2)光子能量E＝hν,h＝6.63×10－34J·s逸出功:电子脱离金属时克服原子核引力做功的最小值W＝hν光强:P＝nhν光电效应方程:Ek＝hν－W物质波每个实物粒子对应一种波,叫物质波物质波的波长λ＝波粒二象性概率波:只能预测粒子在某区域出现的概率,概率符合波动规律【高频考点突破】考点一光的折射和全反射的应用1．确定研究的光线2．找入射点，确认界面，并画出法线．3．明确两介质折射率的大小关系(1)若光疏→光密：定有反射、折射光线(2)若光密→光疏：如果入射角大于或等于临界角，一定发生全反射．4.根据反射定律、折射定律作出光路图,结合几何关系,具体求解.例1、如图12－1所示，空气中有一折射率为eq\r(2)的玻璃柱体，其横截面是圆心角为90°、半径为R的扇形OAB.一束平行光平行于横截面，以45°入射角照射到OA上，OB不透光．若【变式探究】如图12－3,半圆形玻璃砖置于光屏PQ的左下方.一束白光沿半径方向从A点射入玻璃砖,在O点发生反射和折射,折射光在光屏上呈现七色光带.若入射点由A向B缓慢移动,并保持白光沿半径方向入射到O点,观察到各色光在光屏上陆续消失.在光带未完全消失之前,反射光的强度变化以及光屏上最先消失的光分别是()图12－3A．减弱，紫光B．减弱，红光C．增强，紫光D．增强，红光解析：选C.因n红<n紫，再由临界角公式sinC＝eq\f(1,n)可得，C红>C紫，因此当增大入射角时，紫光先发生全反射，紫光先消失，且当入射光的入射角逐渐增大时，折射光强度会逐渐减弱，反射光强度会逐渐增强，故应选C.考点二光的干涉现象分析1．光的干涉要分析的几个问题(1)干涉条件：频率相同、相差恒定、振动方向在同一直线上．(2)明暗条纹形成条件：δ＝kλ，k＝1,2，…——亮条纹δ＝(2k－1)λ/2，k＝1,2，…——暗条纹(3)条纹间距Δx＝lλ/d，用双缝干涉测光的波长的原理：λ＝d·Δx/l.2．关于薄膜干涉要弄清的几个问题(1)哪两列光波发生干涉；(2)应该从哪个方向去观察干涉图样；(3)条纹会向哪个方向侧移；(4)同一亮纹光程差相同(为什么劈尖干涉的条纹是直线，而牛顿环是圆形)．图12－5(2)由条纹间距公式Δx＝eq\f(L,d)λ，(6分)由图可知d＝2a，所以Δx＝eq\f(L,2a)λ.(8分)【答案】(1)如图12－5所示(2)Δx＝eq\f(L,2a)λ【变式探究】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，否则将会严重地损伤视力．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ν＝8.1×1014Hz，(1)他设计的这种“增反膜”所依据的原理是___.(2)这种“增反膜”的厚度是多少？(3)请判断以下有关薄膜干涉的说法正确的是___.A.薄膜干涉说明光具有波动性B.如果薄膜的厚度不同,产生的干涉条纹一定不平行C．干涉条纹一定是彩色的是1.23×10－7m.考点三光电效应的应用1.光电效应方程中的Ekν图线.(如图12－6)(1)纵截距：W；(2)横截距：ν0；(3)斜率：h.图12－62.掌握两条线索,明确各概念间的对应关系由上图可知两条线索:一是光的频率线,二是光的强度线．两条线索对应关系是：(1)光强―→光子数目多―→发射光电子多―→光电流大；(2)光子频率高―→光子能量大―→产生光电子的最大初动能大．例3、(1)研究光电效应的电路如图12－7所示.用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K),钠极板发射出的光电子被阳极A吸收,在电路中形成光电流.下列光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图象中,正确的是______.图12－7图12－8【变式探究】爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖．某种金属逸出光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图12－9所示，其中ν0为极限频率．从图中可以确定的是()图12－9A．逸出功与ν有关B．Ekm与入射光强度成正比C．当ν<ν0时，会逸出光电子D．图中直线的斜率与普朗克常量有关解析：选D.由爱因斯坦的光电效应方程hν＝Ekm＋W得:Ekm＝hν－W,因此Ekmν图象的斜率为h,故D正确;Ekm随入射光频率的增大而增大,B错;逸出功是由金属自身决定的,与ν无关,A错,当ν<ν0,无光电子逸出,C错.【难点探究】难点一光的折射与全反射问题利用折射定律和折射率公式解题时，应先根据题意画出光路图，确定入射角和折射角，然后应用折射定律、折射率公式求解，注意明确光从真空射入透明介质与光从透明介质射入真空时折射定律公式的区别．在遇到光从光密介质射入光疏介质的情况时，应考虑能否发生全反射问题，根据sinC＝求临界角C.例1、如图5－12－4所示，有一束平行于直角三角棱镜截面ABC的单色光从空气射向E点，并偏折到F点．已知入射方向与边BC的夹角为θ＝30°，E、F分别为边AB、BC的中点．下列说法中正确的是()图5－12－4A．该棱镜的折射率为eq\r(2)B．光在F点不发生全反射C．从边AC出射的光束与边AB平行D．光从空气进入棱镜，波长变大【答案】C【解析】由θ＝30°可知入射角i＝60°，又因E、F分别为AB、BC的中点，所以EF//AC，故折射角r＝30°，根据折射定律n＝eq\f(sini,sinr)＝eq\f(sin60°,sin30°)＝eq\r(3)，故选项A错误；在F点，入射角为60°，能发生全反射，故选项B错误；经过F点反射后，到达边AC时入射角为30°，折射角为60°并且与边AB平行，故选项C正确；当光从空气进入棱镜，速度减小，频率不变，故波长变小，选项D错误．【变式探究】△OMN为玻璃等腰三棱镜的横截面．a、b两束可见单色光从空气垂直射入棱镜底面MN，在棱镜侧面OM、ON上反射和折射的情况如图5－12－5所示．由此可知()图5－12－5A．棱镜内a光的传播速度比b光的小B．棱镜内a光的传播速度比b光的大C．玻璃棱镜对a光的折射率比对b光的大D．玻璃棱镜对a光的折射率比对b光的小【答案】BD【解析】a、b两束光射到OM、ON上的入射角是相同的，由图可知b光已发生全反射，而a光仍有折射，说明b光的全反射临界角比a光的全反射临界角小，所以b光的折射率大于a光的折射率，即nb＞na，故D正确；在介质内的传播速度v＝eq\f(c,n)，所以棱镜内a光的传播速度va比b光的传播速度vb大，故B正确．难点二光的干涉现象1．双缝干涉(1)双缝的作用是将一束光分成频率相同的两束，获得相干光源．(2)条纹间距与波长的关系：Δx＝eq\f(l,d)λ.(3)明暗条纹条件：某点到双缝的距离之差Δx与波长的关系决定明暗条纹．亮条纹：Δx＝nλ(n＝0,1,2,3,4…)暗条纹：Δx＝(2n＋1)eq\f(λ,2)(n＝0,1,2,3,4…)2．薄膜干涉(1)形成：由透明薄膜(油膜、肥皂沫、空气膜等)前后表面的反射光叠加形成干涉．(2)薄膜干涉为等厚干涉，同一条纹处薄膜厚度相同．增透膜的厚度为光在介质中波长的四分之一．例2、如图5－12－6所示的双缝干涉实验，用绿光照射单缝S时，在光屏P上观察到【点评】本题主要考查用双缝干涉测光波波长的实验的基本原理，即双缝干涉条纹间距与相干光的波长、双缝间距、缝屏间距的关系．下面的变式题则是对本实验具体操作方法的考查．【变式探究】如图5－12－7所示的4种明暗相间的条纹分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光