光的本性干涉衍射光电效应综述.docx

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光的本性干涉衍射光电效应综述

光的本性干涉、衍射、光电效应

知识扫描

1．十七世纪，关于光的本性形成了两种学说，一种是牛顿主张的微粒说，另一种是惠更斯提出的波动说。

光的_干涉__（托马斯-杨）证实光具有波动性。

麦克斯韦首先从理论上提出光是一种电磁波。

赫兹用实验加以证实。

2．两列波长相同的单色光在相互覆盖的区域发生叠加，会出现明暗相间的条纹，如果是白光，则会出现彩色条纹，这种现象称为光的干涉。

相干光源的条件是两光源频率相同。

获得相干光的办法是：

把一个点光源（或线光源）发出的光分为两列光。

（单色光通过单缝+双峰；白光将同一束光经过两个界面反射）

3．明纹之间或暗纹之间的距离总是相等的，根据公式，在狭缝间距离和狭缝与屏距离都不变的条件下，条纹的间距跟波长成正比。

在波长不变的条件下，当狭缝与屏的距离增大或狭缝间的距离减小时，条纹的间距增大。

4．光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象，叫光的衍射。

产生明显衍射的条件：

障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长相比甚至比光的波长还要小。

且障碍物尺寸比波长越小，衍射越明显。

（典型：

泊松亮斑）

5．横波只沿着某一特定的方向振动，称为波的偏振，光的偏振现象说明光是横波。

通过偏振片的光波，在垂直于传播方向的平面上，只沿着一个特定的方向振动，称为偏振光。

6．按频率从大到小的顺序组成的电磁波谱，其产生机理与主要作用如下表：

电磁波

产生机理

主要作用

无线电波

电路中自由电子周期性振荡而产生

广播、电视

红外线

原子的外层电子受激而产生

热作用

可见光

原子的外层电子受激而产生

视觉作用色彩效应

紫外线

原子的外层电子受激而产生

化学作用/生理作用/荧光效应

伦琴射线

原子的内层电子受激而产生

医用透视/X光金属探伤

r射线

原子核受激而产生

穿透作用/r射线探伤/医学治疗

7、光电效应的规律

（1）任何一种金属都有发生光电效应的极限频率，入射光的频率必须大于这个频率才能产生光电效应。

（2）光电子的最大初动能与入射光的强度无关，随入射光的频率增大而增大。

（3）光电效应的产生几乎是瞬时的，一般不超过10-9s。

（4）当入射光的频率大于金属极限频率时，光电流强度与入射光的强度成正比。

（5）光电效应与经典理论之间的矛盾

8、光子说：

（爱因斯坦）

在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份称为一个光子，光子的能量与其频率成正比，即E=hν.电子克服原子核的束缚，从材料表面逸出所需的最小能量,叫做这种金属的逸出功，

9、光电效应方程：

Ek=hν–W

10、光的波粒二象性：

光既具有波动性，又有粒子性。

（1）大量光子产生的效果显示出波动性，个别光子产生的效果显示出粒子性．

（2）光子和电子、质子等实物粒子一样，具有能量和动量．与其它物质相互作用时，粒子性起主导作用；在光的传播过程中，光子在空间各点出现的可能性的多少（概率），由波动性起主导作用。

（3）对不同频率的光，频率低、波长长的光，波动性特征显著；而频率高、波长短的光，粒子性特征显著．

11.物质波：

（德布罗意）

任何运动物体都有一种波与它对应，波长是λ=

训练

1、我国南宋时期的程大昌在其所著的《演繁露》中叙述道：

“凡风雨初霁（雨后初晴）或露之未（干），其余点缘于草木枝叶之末，日光入之；五色俱足，闪烁不定，是乃日之光品著色于水，而非雨露有所五色也。

”这段文字记叙的是下列光的何种现象：

（B）A、反射B、色散C、干涉D、衍射

8、激光散斑测速是一种崭新的测速技术，它应用了光的干涉原理。

用二次曝光照相所获得的“散斑对”相当与双缝干涉实验中的双缝，待测物体的速度v与二次曝光时间间隔△t的乘积等于双缝间距。

实验中可测得二次曝光时间间隔△t、双缝到屏之距离以及相邻两条亮纹间距△x。

若所用的激光波长为，则该实验确定物体运动速度的表达式是（B）

A.v=B.v=C.v=D.v=

10、虹霓是由空中的小水滴对日光的折射、色散、全反射的综合效应所形成的，通常可以看到两道弓形彩带，里面一道叫虹，比较明亮；外面一道叫霓，较为暗淡，如图（a）所示。

（1）虹是阳光在水滴内经二次折射、一次全反射形成的，如图（b）所示从内到外色序的排列是＿紫到红＿；

（2）霓是阳光在水滴内经二次折射、二次全反射形成的，如图（c）所示，从内到外色序的排列是＿红到紫＿＿；

12、某同学设计了一个测定激光波长的实验装置如图甲所示。

激光器发出的一束直径很小的红色激光进入一个一端装有双缝、另一端装有感光片的遮光筒，感光片的位置上出现一排等距的亮点，乙图中的黑点代表亮点的中心位置。

1.这个现象说明激光具有＿波动性＿性。

2.通过量出相邻光点的距离可算出激光的波长。

据资料介绍：

如果双缝的缝间距为a，双缝到感光片的距离为L，感光片上相邻两光点间的距离为b，则光的波长λ=ab/L。

该同学测得L=1．0000m，缝间距a=0．220mm，用带10分度游标的卡尺测感光片上的距离时，尺与点

的中心位置如乙图所示。

乙图中第1到第4个光点的距离是＿8.6；＿mm。

实验中激光的波长λ=＿＿6.3×１０－７＿m（保留两位有效数字）

（3）如果实验时将红激光换成蓝激光，屏上相邻两光点间的距离将＿＿变小＿＿。

16、1905年爱因斯坦提出了著名的质能关系式：

E=mc2，其中E是能量，单位为焦耳（J）;m是质量，单位是千克（kg）；c为光速，单位是米/秒（m/s），质能关系式说明了质量与能量的对应关系，当质量发生变化时，能量也将发生变化，若质量变化为△m时，对应的能量变化为△E，则根据质能关系式有△E=△mc2。

太阳等恒星不断向外辐射能量，是以内部质量的减少为代价的，在太阳内部进行着四个氢核转变成一个氦核的核聚变反应，发生核聚变反应时释放出一定的能量，并伴随着一定质量的减少，研究表明，1kg氢聚变时发生的质量减少为7×10-3kg，由于只有太阳核心区的高温才足以使氢核产生聚变反应，所以处于太阳核心区的氢才是可利用的，太阳质量为2.0×1030kg，太阳核心区氢的质量约占太阳质量的十分之一，太阳每秒钟向太空辐射4.0×1026J能量，问：

（1）太阳每年因向外辐射能量而减少的质量约为多少千克？

（2）太阳已发光了50亿年，估算太阳还能发光多少年？

解：

（1）太阳每年向外辐射的能量为：

△E=4.0×1026×3600×24×365≈1.26×1034J太阳每年损失的质量为：

△m=△E/c2=1.26×1034/9×1016=1.4×1017Kg

（2）太阳中可利用的氢质量为：

MH=M/10=2.0×1030/10=2.9×1029Kg

上述氢全部发生聚变将减少的质量为：

△M=7×10-3MH=7×10-3×2.0×1029=1.4×1027Kg

太阳的发光时间为：

T=△M/△m=1.4×1027/1.4×1017=1010年（=100亿年）

太阳还能发光100亿年—50亿年=50亿年

17、图中光电管阴极用极限波长为5000埃的钠制成，现用波长3000埃的光照射阴极，当光电管加正向电压为2．1伏时测得饱和光电流植是0．56微安，求：

（1）每秒钟阴极发射的光电子数；

（2）光电子到达阳极时的最大动能；（3）变阻器滑动头C与中心固定头O之间电压多大时，微安表读数为零，这时C在O点哪一侧？

（1）３.5×1012个；

（2）3.7575ev；（3）1.6575V；右；

例2：

如图所示，S是一个单色的点光源，M是水平放置的平面镜，S到M所在平面间的距离很近。

P是放在竖直面内的一个光屏。

试用作图法确定在光屏上的什么范围内可以观察到光的干涉现象。

解析：

如图，点光源S发出的光一部分直接照到光屏上（如阴影部分所示），另一部分则照到平面镜上，经平面镜反射后再照到光屏上。

这一部分光好像是从点光源的像点S’发出的一样，这样就把同一束光分成了两束，形成相干光源，在它们叠加的区域内，形成明暗相间的干涉条纹。

作法：

连接S和平面镜的右边缘并延长交平面镜于b；根据对称性做S在平面镜中的像点S/，连接S/和平面镜的左、右边缘并延长交平面镜于c、d；光屏上c、d之间的部分是两束光叠加的区域，在此区域内可以观察到干涉现象。

点评：

（1）只要设法把一束光分成两束，就可以在两束光叠加的区域内观察到光的干涉现象。

（2）本题这种装置叫劳埃德镜。

为了真正能观察到干涉现象，本题中的点光源S到平面镜的距离必须非常小（S和S/间的距离相当于双缝干涉实验中双缝间的距离d）。

例3：

如图14－所示，在挡板上开一个大小可以调节的小圆孔P，用点光源S照射小孔，小孔后面放一个光屏MN，点光源和小孔的连线垂直于光屏，并于光屏交于其中心。

当小孔的直径从1.0mm逐渐减小到0.1rnm的过程中，在光屏上看到的现象将会是（）

A．光屏上始终有一个圆形亮斑，并且其直径逐渐减小

B．光屏上始终有明暗相间的同心圆环，并且其范围逐渐增大

C．光屏上先是形成直径逐渐减小的圆形亮斑，然后是形成范围逐渐增大而亮度逐渐减弱的明暗相间的同心圆环

D．光屏上先是形成直径逐渐减小的圆形亮斑，然后是形成范围逐渐减小而亮度逐渐增大的明暗相间的同心圆环

解析：

能观察到明显的衍射现象的障碍物或孔的尺寸应该小于0.5mm。

本题小孔直径是从1.0mm逐渐减小到0.1rnm的，所以在开始阶段没有明显的衍射现象，光基本上是沿直线传播的，因此在光屏上应该得到和小圆孔相似的圆形亮斑，当孔的直径减小到0.5mm以下时，将发生较为明显的衍射现象，所以光屏上出现明暗相间的圆环；随着小孔直径的减小，光的衍射现象越来越明显，衍射图样的范围越来越大，相邻亮纹和相邻暗纹间的距离也逐渐增大，同时由于通过小孔的光能越来越少，所以衍射图样的亮度将变得越来越暗。

根据以上分析，本题应选C

点评：

（1）这道题把光的直线传播和光的衍射结合起来考察，关键是抓住转变点，从实验中发现能发生明显衍射现象的最小尺寸大约是0.5mm左右。

（2）如果所用的光源是平行光源，观察到的现象基本和点光源相同。

如果所用的光源是烛焰，那么在小孔直径从1.0mm逐渐减小到0.1rnm的阶段，由于小孔成像，在光屏上应该呈现烛焰的倒像，像的大小不会改变（这由烛焰到孔和孔到光屏的距离决定），但像的亮度将逐渐变暗，在孔径减小到0.5mm以下后，像就会变得模糊而出现明暗相间的衍射图样了。

例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的装置，所用的单色光是用普通光加滤光片产生的。

检查中所观察到的干涉条纹是由下列哪两个表面反射的光线叠加而成的？

（）

A．M的上表面和N的下表面

B．M的上表面和N的上表面

C．M的下表面和N的上表面

D．M的下表面和N的下表面

解析：

首先要弄清薄膜干涉是透明介质形成厚度与光波波长相近的膜的两个面的反射光叠加而成的。

显然本题中的标准样板和厚玻璃是不可能作为薄膜来处理，只有垫上薄片，M的下表面和N的上表面之间的空气膜才能称为薄膜，才能发生干涉，所以C选项正确。

点评：

利用光的薄膜干涉来检查平面的质量，就是在标准样板平面和被检查平面间形成一个楔行的空气薄层，用单色光从上面照射，入射光在空气层的上、下表面反射形成两列相干光束。

如果被检测的平面是平的，那么空气层厚度相同的各点的干涉条纹就在一条直线上；若是被测平面的某处凹下去了，这时干涉条纹就不是直线，而凹下去的干涉条纹将向楔型膜中薄的一侧弯曲。

这是因为凹处的两束反射光的光程差变大了，它只能与膜厚一些位置的两反射光的光程差相同，并形成同一级的条纹（光程差相同的干涉条纹为同一级，一般光程差大的干涉条纹级别高，光程差小的级别低）。

显然凹处的级别增大，将与膜厚一些位置的干涉条纹形成同一级别的条纹。

同理，若是被测平面某处凸起，则该处的干涉条纹将向模