光的传播及其本性.docx

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光的传播及其本性

光的传播及其本性

卓尔教育个性化辅导授课案

学员编号：

年级：

高三学员姓名：

辅导科目物理第6课时

课题

高中部分第十七讲：

光的传播及其本性

教学目标

1光的反射定律2光疏介质和光密介质3凸、凹透镜4透镜成像公式4波的干涉与衍射现象5波粒二象性及物质波

重点、难点

波的干涉与衍射现象的理解

教学内容

一、光源和光的直线性

光的直线传播

1、几个概念

①光源：

能够发光的物体

②点光源：

忽略发光体的大小和形状，保留它的发光性。

（力学中的质点，理想化）

③光能：

光是一种能量，光能可以和其他形式的能量相互转化（使被照物体温度升高，使底片感光、热水器电灯、蜡烛、太阳万物生长靠太阳、光电池）

④光线：

用来表示光束的有向直线叫做光线，直线的方向表示光束的传播方向，光线实际上不存在，它是细光束的抽象说法。

（类比：

磁感线电场线）

⑤实像和虚像

点光源发出的同心光束被反射镜反射或被透射镜折射后，若能会聚在一点，则该会聚点称为实像点；若被反射镜反射或被透射镜折射后光束仍是发散的，但这光束的反向延长线交于一点，则该点称为虚像点．实像点构成的集合称为实像，实像可以用光屏接收，也可以用肉眼直接观察；虚像不能用光屏接收，只能用肉眼观察．

2．光在同一种均匀介质中是沿直线传播的

注意前提条件：

在同一种介质中，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）。

点评：

光的直线传播是一个近似的规律。

当障碍物或孔的尺寸和波长可以比拟或者比波长小时，将发生明显的衍射现象，光线将可能偏离原来的传播方向。

二、反射定律

反射定律

光射到两种介质的界面上后返回原介质时，其传播规律遵循反射定律．反射定律的基本内容包含如下三个要点：

①反射光线、法线、入射光线共面；

②反射光线与入射光线分居法线两侧；

③反射角等于入射角，即　

2．平面镜成像的特点——平面镜成的像是正立等大的虚像，像与物关于镜面对称

3．光路图作法——根据成像的特点，在作光路图时，可以先画像，后补画光路图。

4．充分利用光路可逆——在平面镜的计算和作图中要充分利用光路可逆。

（眼睛在某点A通过平面镜所能看到的范围和在A点放一个点光源，该点光源发出的光经平面镜反射后照亮的范围是完全相同的。

）

5．利用边缘光线作图确定范围

三、折射与折射率

折射定律（荷兰斯涅尔）

光射到两种介质的界面上后从第一种介质进入第二种介质时，其传播规律遵循折射定律．折射定律的基本内容包含如下三个要点：

①折射光线、法线、入射光线共面；

②折射光线与入射光线分居法线两侧；

③入射角的正弦与折射角的正弦之比等于常数，即

折射定律的各种表达形式：

（θ1为入、折射角中的较大者，C为全反射时的临界角。

）

④折射光路是可逆的。

⑤n＞1

⑥介质确定，n确定。

（空气1.00028水n＝1.33酒精n＝1.6）（不以密度为标准）

⑦光密介质和光疏介质——

（1）与密度不同

（2）相对性（3）n大角小，n小角大

一、全反射和色散

全反射现象

（1）现象：

光从光密介质进入到光速介质中时，随着入射角的增加，折射光线远离法线，强度越来越弱，但是反射光线在远离法线的同时强度越来越强，当折射角达到90度时，折射光线认为全部消失，只剩下反射光线——全反射。

（2）条件：

①光从光密介质射向光疏介质；②入射角达到临界角，即

（3）临界角:

折射角为900（发生全发射）时对应的入射角,

色散

光的折射和色散

一束白光经过三棱镜折射后形式色散，构成红橙黄绿蓝靛紫的七条彩色光带，形成光谱。

光谱的产生表明白光是由各种单色光组成的复色光，各种单色光的偏转角度不同。

红紫

偏转角小大

折射率n小大

同介质速率v大小

频率γ小大

波长λ大小

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。

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。

五、透镜成像和光速仪器的成像原理

六、干涉、衍射和偏振

光的双缝干涉——证明光是一种波

1、实验

1801年，（英）托马斯·杨

单色光单孔屏双孔屏接收屏

2、现象

（1）接收屏上看到明暗相间的等宽等距条纹。

中央亮条纹

（2）波长越大，条纹越宽

（3）如果用复色光（白），出现彩色条纹。

中央复色（白）原因：

相干光源在屏上叠加（加强或减弱）

3、小孔的作用：

产生同频率的光

双孔的作用：

产生相干光源（频率相同，步调一致，两小孔出来的光是完全相同的。

）

4、条纹的亮暗

L2—L1=（2K+1）λ/2弱

L2—L1=2K*λ/2=Kλ强

5、条纹间距∝波长

6、△X=λL/d

波长双缝到屏的距离双缝距离

6、1m=109nm1m=1010A

光的衍射——光是一种波

1、实验

a单缝衍射

b小孔衍射

光绕过直线路径到障碍物的阴影里去的现象，称光的衍射，其条纹称衍射条纹

2、条纹的特点：

条纹宽度不相同，正中央是亮条纹，最宽最亮，若复色光（白），彩色条纹，中央复色（白）

3、泊送亮斑——（法）菲涅尔理论泊松数学推导

4、光的直线传播是近似规律

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，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。

七、光的电磁说、光电效应、光的波粒二象性和物质波

光的电磁说——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。

1、电磁波谱：

波长从大到小排列顺序为：

无线电波、红外线（一切物体都放出红外线，1800年，英国赫谢尔）、可见光、紫外线（一切高温物体，如太阳、弧光灯发出的光都含有紫外线，1801年，德国里特）、X射线（高速电子流照射到任何固体上都会产生x射线，1895年，德国伦琴，）、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。

各种电磁波的产生机理分别是：

无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；伦琴射线是原子的内层电子受到激发后产生的；γ射线是原子核受到激发后产生的。

2、各种电磁波的产生、特性及应用。

电磁波

产生机理

特性

应用

无线电波

LC电路中的周期性振荡

波动性强

无线技术

红外线

原子的最外层电子受激发后产生的

热作用显著，衍射性强

加热、高空摄影、红外遥感

可见光

引起视觉产生色彩效应

照明、摄影、光合作用

紫外线

化学、生理作用显著、能产生荧光效应

日光灯、医疗上杀菌消毒、治疗皮肤病、软骨病等

伦琴射线

原子的内层电子受激发后产生的

穿透本领很大

医疗透视、工业探伤

γ射线

原子核受激发后产生的

穿透本领最强

探伤；电离作用；对生物组织的物理、化学作用；医疗上杀菌消毒；

3、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。

光电效应——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。

）光效应中发射出来的电子叫光电子。

（1）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光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入光的频率增大而增大；③当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入光的强度成正比；④瞬时性（光电子的产生不超过10-9s）。

（2）．光子说

①、普朗克量子理论～电磁波的发射和接收是不连续的，是一份一份的，每一份叫能量子或量子，每一份的能量是E＝hγ，h＝6.63×10－34J·s，称为普朗克常量。

②爱因斯坦光子说～光的发射、传播、接收是不连续的，是一份一份的，每一份叫一个光子。

其能量E＝hγ。

解释：

一对一，不积累，能量守恒，

③爱因斯坦光电效应方程E=hν⑷：

Ek=h-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。

）

（3）．光电管

光的波粒二象性

1．光的波粒二象性

人们无法用其中一种观点把光的所有现象解释清楚，只能认为光具有波粒二象性，但不能把它看成宏观经典的波和粒子。

减小窄缝的宽度，减弱光的强度，使光子一个一个的通过，到达接收屏的底片上。

若暴光时间短，底片上是不规则的亮点，若暴光时间长，底片上是条纹

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。

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=。

八、激光的特性及其应用

激光

（1）方向性好．激光束的光线平行度极好，从地面上发射的一束极细的激光束，到达月球表面时，也只发散成直径lm多的光斑，因此激光在地面上传播时，可以看成是不发散的．

（2）单色性强．激光器发射的激光，都集中在一个极窄的频率范围内，由于光的颜色是由频率决定的，因此激光器是最理想的单色光源．

由于激光束的高度平行性及极强的单色性，因此激光是最好的相干光，用激光器作光源观察光的干涉和衍射现象，都能取得较好的效果．

（3）亮度高．所谓亮度，是指垂直于光线平面内单位面积上的发光功率，自然光源亮度最高的是太阳，而目前的高功率激光器，亮度可达太阳的1万倍．