高考物理——物理光学典型例题复习 7页

十八、物理光学 一、知识网络 ‎ 光的本性 ‎ 波动说 微粒说 ‎ 光的干涉 光的衍射 ‎ 双缝干涉 明显衍射条件 牛顿的微粒说 光电效应及其规律 ‎ 薄膜干涉 ‎ ‎ ‎ 光的电磁说 光子说 ‎ 电磁波谱 ‎ 光谱与光谱分析 ‎ 光的波粒二象性 二、画龙点睛 概念 一、光的波动性 ‎ 1、光的干涉 ‎ （1）双缝干涉实验 ‎ ①装置：如图包括光源、单缝、双缝和屏 ‎ ‎ 双缝的作用是将一束光分为两束 ‎ ‎ ‎ ②现象：‎ ‎ ③干涉区域内产生的亮、暗纹 A、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，……）‎ B、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。‎ ‎ ④ 光的干涉现象说明了光具有波动性。‎ ‎ 由于红光入射双缝时，条纹间距较宽，所以红光波长较长，频率较小 ‎ 紫光入射双缝时，条纹间距较窄，所以紫光波长较短，频率较大 ‎ ⑤ 光的传播速度，折射率与光的波长，频率的关系。‎ ‎ a）v与n的关系：v=‎ ‎ b）v,和f的关系：v=‎ ‎ （3）薄膜干涉 ‎ ①现象： ‎ ‎ 单色光照射薄膜，出现明暗相等距条纹 ‎ 白色光照射薄膜，出现彩色条纹 ‎ 实例：动膜、肥皂泡出现五颜六色 ‎ ②发生干涉的原因：是由于前表面的反射光线和反表面的反射光线叠加而成(图1)‎ ‎ ③应用：a) 利用空气膜的干涉，检验工作是否平整（图2）‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ （图1） （图2）‎ ‎ 若工作平整则出现等间距明暗相同条纹 ‎ ‎ 若工作某一点凹陷则在该点条纹将发生弯曲 ‎ 若工作某一点有凸起，则在该点条纹将变为 ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ b) 增透膜 例题：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 ‎ 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 解析：公式中l表示双缝到屏的距离，d表示双缝之间的距离。因此Δx与单缝到双缝间的距离无关，于缝本身的宽度也无关。本题选C。‎ 例题：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？‎ 解析：为了减少进入眼睛的紫外线，应该使入射光分别从该膜的前后两个表面反射形成的光叠加后加强，因此光程差应该是波长的整数倍，因此膜的厚度至少是紫外线在膜中波长的1/2。紫外线在真空中的波长是λ=c/ν=3.7×10-7m，在膜中的波长是λ/=λ/n=2.47×10-7m，因此膜的厚度至少是1.2×10-7m。‎ ‎2、光的衍射 ‎ ‎ （1）现象：‎ ‎ ①单缝衍射 ‎ a) 单色光入射单缝时，出现明暗相同不等距条纹，中间亮条纹较宽，较亮两边亮 条纹较窄、较暗 ‎ b) 白光入射单缝时，出现彩色条纹 ‎ ② 园孔衍射：‎ ‎ 光入射微小的圆孔时，出现明暗相间不等距的圆形条纹 ‎ ③ 泊松亮斑 ‎ ‎ 光入射圆屏时，在园屏后的影区内有一亮斑 ‎ （2）光发生衍射的条件 ‎ 障碍物或孔的尺寸与光波波长相差不多，甚至此光波波长还小时，出现明显 的衍射现象 ‎ 例题：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 ‎ 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 D.小孔衍射的衍射图样中亮、暗条纹间的间距是均匀的，泊松亮斑图样中亮、暗条纹间的间距是不均匀的 ‎ 解析：从课本上的图片可以看出：A、B选项是正确的，C、D选项是错误的。‎ ‎ 3、光的电磁说 ‎ ⑴麦克斯韦根据电磁波与光在真空中的传播速度相同，提出光在本质上是一种电磁波——这就是光的电磁说，赫兹用实验证明了光的电磁说的正确性。‎ ‎⑵电磁波谱。波长从大到小排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。各种电磁波中，除可见光以外，相邻两个波段间都有重叠。‎ 无线电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 ‎ n射线 组成频率波 ‎ 增大 ‎ 减小 产生机理 在振荡电路中，自由电子作周期性运动产生 原子的外层电子受到激发产生的 原子的内层电子受到激发后产生的 原子核受到激发后产生的 ‎⑶红外线、紫外线、X射线的主要性质及其应用举例。‎ 种 类 产 生 主要性质 应用举例 红外线 一切物体都能发出 热效应 遥感、遥控、加热 紫外线 一切高温物体能发出 化学效应 荧光、杀菌、合成VD2‎ X射线 阴极射线射到固体表面 穿透能力强 人体透视、金属探伤 ‎⑷实验证明：物体辐射出的电磁波中辐射最强的波长λm和物体温度T之间满足关系λm  T = b（b为常数）。可见高温物体辐射出的电磁波频率较高。在宇宙学中，可以根据接收到的恒星发出的光的频率，分析其表面温度。‎ ‎⑸可见光频率范围是3.9-7.5×1014Hz，波长范围是400-770nm。‎ 例题：为了转播火箭发射现场的实况，在发射场建立了发射台，用于发射广播电台和电视台两种信号。其中广播电台用的电磁波波长为550m，电视台用的电磁波波长为0.566m。为了不让发射场附近的小山挡住信号，需要在小山顶上建了一个转发站，用来转发_____信号，这是因为该信号的波长太______，不易发生明显衍射。‎ 解析：电磁波的波长越长越容易发生明显衍射，波长越短衍射越不明显，表现出直线传播性。这时就需要在山顶建转发站。因此本题的转发站一定是转发电视信号的，因为其波长太短。‎ E K A P Q 例题：右图是伦琴射线管的结构示意图。电源E给灯丝K加热，从而发射出热电子，热电子在K、A间的强电场作用下高速向对阴极A飞去。电子流打到A极表面，激发出高频电磁波，这就是X射线。下列说法中正确的有 ‎ ‎ A.P、Q间应接高压直流电，且Q接正极 ‎ ‎ B.P、Q间应接高压交流电 ‎ C.K、A间是高速电子流即阴极射线，从A发出的是X射线即一种高频电磁波 ‎ D.从A发出的X射线的频率和P、Q间的交流电的频率相同 ‎ 解析：K、A间的电场方向应该始终是向左的，所以P、Q间应接高压直流电，且Q接正极。从A发出的是X射线，其频率由光子能量大小决定。若P、Q间电压为U，则X射线的频率最高可达Ue/h。本题选AC。‎ ‎⑸光谱 ‎ ①观察光谱的仪器，分光镜 ②光谱的分类，产生和特征 ‎ 产生 特征 发射光谱 连续光谱 由炽热的固体、液体和高压气体发光产生的 由连续分布的，一切波长的光组成 明线光谱 由稀薄气体发光产生的 由不连续的一些亮线组成 吸收光谱 高温物体发出的白光，通过物质后某些波长的光被吸收而产生的 在连续光谱的背景上，由一些不连续的暗线组成的光谱 ‎ ③ 光谱分析：‎ ‎ 一种元素，在高温下发出一些特点波长的光，在低温下，也吸收这些波长的光， 所以把明线光波中的亮线和吸收光谱中的暗线都称为该种元素的特征谱线，用来进行 光谱分析。‎ ‎ 4、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。‎ 光振动垂 直于纸面 光振动 在纸面 ‎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。‎ 例题： 有关偏振和偏振光的下列说法中正确的有 ‎ 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 ‎ 解析：机械能中的横波能发生偏振。自然光不一定非要通过偏振片才能变为偏振光。本题应选BD。‎ 二、光的粒子性 ‎ 1、光电效应 ‎（1）光电效应在光（包括不可见光）的照射下，从物体发射出电子的现象称为光电效应。（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。）‎ ‎（2）光电效应的实验规律：‎ ‎ 装置：‎ ‎ ①任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率才能发生光电效应，低于极限频率的光不能发生光电效应。‎ ‎ ②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，光随入射光频率的增大而增大。‎ ‎ ③大于极限频率的光照射金属时，光电流强度（反映单位时间发射出的光电子数的多少），与入射光强度成正比。‎ ‎ ④ 金属受到光照，光电子的发射一般不超过10－9秒。‎ 例题： 对爱因斯坦光电效应方程EK= hν-W，下面的理解正确的有 ‎ 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EK B.式中的W表示每个光电子从金属中飞出过程中克服金属中正电荷引力所做的功 ‎ C.逸出功W和极限频率ν0之间应满足关系式W= hν0‎ D.光电子的最大初动能和入射光的频率成正比 V A P K 解析：爱因斯坦光电效应方程EK= hν-W中的W表示从金属表面直接中逸出的光电子克服金属中正电荷引力做的功，因此是所有逸出的光电子中克服引力做功的最小值。对应的光电子的初动能是所有光电子中最大的。其它光电子的初动能都小于这个值。若入射光的频率恰好是极限频率，即刚好能有光电子逸出，可理解为逸出的光电子的最大初动能是0，因此有W= hν0。由EK= hν-W可知EK和ν之间是一次函数关系，但不是成正比关系。本题应选C。‎ 例题：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.1.9‎eV B.0.6eV ‎ C.2.5eV D.3.1eV ‎ 解析：电流表读数刚好为零说明刚好没有光电子能够到达阳极，也就是光电子的最大初动能刚好为0.6eV。由EK= hν-W可知W=1.9 eV。选A。 ‎ ‎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。‎ ‎2、波动说在光电效应上遇到的困难 ‎ 波动说认为：光的能量即光的强度是由光波的振幅决定的与光的频率无关。所以波动说对解释上述实验规律中的①②④条都遇到困难 ‎3、光子说 ‎（1）量子论：1900年德国物理学家普郎克提出：电磁波的发射和吸收是不连续的，而是一份一份的，每一份电磁波的能量E=hv ‎（2）光子论：1905年受因斯坦提出：空间传播的光也是不连续的，而是一份一份的，每一份称为一个光子，光子具有的能量与光的频率成正比。‎ ‎ 即：E=hv ‎ 其中h为普郎克恒量h=6.63×10－34JS ‎4、光子论对光电效应的解释 ‎ 金属中的自由电子，获得光子后其动能增大，当功能大于脱出功时，电子即可脱离金属表面，入射光的频率越大，光子能量越大，电子获得的能量才能越大，飞出时最大初功能也越大。‎ 三、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、个别粒子显示出粒子性，大量光子显示出波动性，频率越低波动性越显著，频率越高粒子性越显著 ‎ 3、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。‎ 例题： 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）‎ ‎1‎ ‎6‎ 解析：设每个激光光子的能量为E，动量为p，时间t内射到铝球上的光子数为n，激光束对铝球的作用力为F，铝球的直径为d，则有：光子能量和动量间关系是E = p c，铝球的重力和F平衡，因此 F= ρgžπd3，由以上各式解得d=0.33mm。‎ 四、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=。‎ 例题：试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长。‎ 解析：估计一个中学生的质量m≈50kg ，百米跑时速度v≈7m/s ，则 m ‎ ‎ 由计算结果看出，宏观物体的物质波波长非常小，所以很难表现出其波动性。‎ 例题： 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 ‎ 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 解析：为了观察纳米级的微小结构，用光学显微镜是不可能的。因为可见光的波长数量级是10-7m，远大于纳米，会发生明显的衍射现象，因此不能精确聚焦。如果用很高的电压使电子加速，使它具有很大的动量，其物质波的波长就会很短，衍射的影响就小多了。因此本题应选A。‎