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第十三章光第7节光的颜色色散第8节激光[学习目标]1.知道什么是色散，了解光谱。2．了解衍射时的色散。3．通过实验初步认识薄膜干涉现象，了解其应用。4．知道光线通过棱镜时的光路，认识折射时的色散现象。5．了解激光的特点及应用。[知识定位]重点：1.薄膜干涉的色散。2.折射时的色散。3.不同色光在同种介质中各物理量的对应关系。4．激光的特点及应用。难点：薄膜干涉的应用。课前自主学习一、光的颜色与色散1．双缝干涉实验中，条纹之间的距离与光波的波长成正比，用白光做实验时，得到彩色条纹，说明不同颜色的光，不同。波长2．光的色散与光谱(1)光的色散：含有多种颜色的光被分解为的现象。(2)光谱：含有多种颜色的光被分解后，各种色光按其的有序排列。单色光波长二、薄膜干涉中的色散竖直放置的肥皂薄膜受到重力作用，下面厚，上面薄，因此在膜上不同的位置，来自前后两个面的光，频率相同，但不同，在某些位置，这两列波叠加后相互，出现亮条纹；在另一些位置，叠加后相互，出现暗条纹。反射路程差加强削弱三、衍射时的色散用白光进行衍射实验时，得到的是条纹，这是由于白光中包含各种颜色的光，不同色光亮条纹的不同造成的。彩色位置四、折射时的色散如图说明通过棱镜折射后，由上到下的色光顺序为：红、、紫，这说明：橙、黄、绿、青、蓝(1)透明物质对真空中波长λ不同的光的偏折程度不同，折射率n也不一样，λ越小，n越。(2)又根据n＝cv，在同一种物质中，不同波长的光波的传播速度不一样，波长越短，波速。大越小五、激光1．激光的特点和应用(1)相干性与应用①相干性：只有相同、恒定、一致的光才是相干光，激光是一种人工产生的光，具有高度的性。频率相位差偏振方向相干相干②应用：用来传播。光纤通信就是和相结合的产物，电磁波的越高，它所携带的越大，所以激光可以比无线电波携带更多的信息。信息激光光导纤维频率信息量(2)平行度及应用①平行度：激光的非常好，所以它在传播很远的距离后仍能保持一定的。②应用：进行精确的。多用途的激光雷达不仅可以测量距离，而且能根据测出目标的运动速度。平行度强度测距多普勒效应(3)亮度及应用①亮度高，它可以在很小的和很短的内集中很大的。②可用激光束来切割、焊接以及在很硬的材料上，医学上可以用激光做“”来切开皮肤、切除肿瘤。空间时间能量打孔光刀2．全息照相(1)与普通照相技术的比较：普通照相技术所记录的只是光波的能量强弱信息，而全息照相技术还记录了光波的信息。(2)原理：全息照相的拍摄利用了光的原理，使和物光在底片上相遇，发生干涉，形成复杂的干涉条纹。这要求参考光和物光必须具有很高的性。(3)观察全息照片时要用照射照片，从另一侧面观察。相位干涉参考光相干激光1．从双缝干涉实验出发，如何可以断定不同颜色的光的波长不同？提示：用不同颜色的光做双缝干涉实验，各种颜色的单色光的条纹间距都不一样，根据公式Δx＝ldλ，就能得出不同颜色的光波长不同的结论。2．太阳光谱由几种单色光组成？各单色光在同种介质中的波长长短是如何排列的？提示：太阳光谱由七种色光组成，按各色光在同种介质中波长由长到短的顺序依次是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。3．光从真空进入介质中，其频率、波长、波速如何变化？提示：光的频率是由光源的发光机理决定的，所以光由真空进入介质中时，光的频率不变，但波长会减小，由波速公式v＝λf可知，光的传播速度减小。课堂合作探究要点一光的颜色、色散1.对光的颜色的理解：不同颜色的光，波长不同，频率不同，而同种颜色的光在不同的介质中折射率不同，速度和波长均不相同，但频率相同，因此说光的颜色是由频率决定的，而不是由波长决定的。2．色光特性比较各种色光红橙黄绿青蓝紫频率小→大波长长→短折射率小→大波速(介质中)大→小双缝干涉时所产生的条纹间距大→小薄膜干涉时所产生的条纹间距大→小经三棱镜折射时偏向角大小小→大3.双缝干涉中的色散：用不同的单色光做双缝干涉实验，得到的条纹之间的距离不一样，但都是明暗相间的单色条纹。由Δx＝ldλ知，红光波长最长，Δx最大，紫光波长最短，Δx最小。白光干涉时的条纹是彩色的，可见，白光是由多种色光组成的复色光，发生干涉时，白光发生了色散现象。4．折射时的色散(1)把射出棱镜的光线与入射光线方向的夹角叫通过棱镜的偏向角，如图所示。实验表明，白光色散时，红光的偏向角最小，紫光的偏向角最大。这说明玻璃对不同色光的折射率是不同的。紫光的折射率最大，红光的折射率最小。(2)白光经过三棱镜后，在光屏上呈现七色光带；若从棱镜的顶角向底边看，由红到紫依次排列，紫光最靠近底边。如图所示。5．光的色散现象能表明的问题(1)同一介质对不同色光的折射率不同，频率越高折射率越大，七色光中红光的折射率最小，紫光的折射率最大。(2)由n＝cv可知，同一介质中各种色光的光速不同，红光的折射率最小，光速最大；而紫光的折射率最大，光速最小。(3)光由一种介质进入另一种介质时，光的颜色不变，光速改变(v＝cn)。(4)光在介质中的传播速度与介质有关，与光的频率也有关，这一点与机械波是有区别的。例1如图所示，从点光源S发出的一束细白光以一定的角度入射到三棱镜的表面，经过三棱镜的折射后发生色散现象，在光屏的ab间形成一条彩色光带。下面的说法中正确的是()A．在三棱镜中a侧光的传播速度大于b侧光的传播速度B．b侧光更容易产生衍射现象C．若改变白光的入射角，在屏上最先消失的是b侧光D．通过同一双缝干涉装置产生的干涉条纹的间距Δxa＞Δxb解析：根据色散形成的光谱，所以fa＞fb，λa＜λb，所以b更容易产生衍射，故选项B正确；na＞nb，根据n＝cv，所以va＜vb，故选项A错误；sinC＝1n，所以b光的临界角大，a光更容易发生全反射，故选项C错误；根据Δx＝ldλ可知，Δxa＜Δxb，故选项D错误。答案：B1．比较a光与b光折射率、频率、波长、波速的大小？提示：a光折射率大，光的频率大，在同种介质中的传播速度小，波长小。2．改变白光的入射角，光屏上为什么会有色光消失？提示：光在三棱镜右侧面上发生了全反射，不会再射到光屏上了。例2已知某玻璃对蓝光的折射率比对红光的折射率大，则两种光()A．在该玻璃中传播时，蓝光的速度较大B．以相同的入射角从空气斜射入该玻璃中，蓝光折射角较大C．在该玻璃中传播时，红光的波长较长D．用同一装置进行双缝干涉实验，蓝光的相邻条纹间距较大解析：由题意知n蓝＞n红，所以f蓝＞f红由v＝cn知v红＞v蓝，A错；由n＝sinθ1sinθ2知θ2红＞θ2蓝，Δθ＝θ1－θ2，Δθ红＜Δθ蓝，B错；由λ＝vf＝cnf知λ红＞λ蓝，C对；由Δx＝ldλ知Δx红＞Δx蓝，D错。答案：C色散问题解题技巧(1)同一种介质中，频率越大的折射率越大。(2)熟记下面几个公式。v＝cn，n＝sinθ1sinθ2，λ＝vf，Δx＝ldλ，sinC＝1n。要点二薄膜干涉1.薄膜干涉的成因如图所示，竖直放置的肥皂液膜由于受到重力的作用使下面厚、上面薄，因此在薄膜上不同的地方，从膜的前、后表面反射的两列光波叠加，若两列波叠加后互相加强，则出现亮纹；在另一些地方，叠加后互相减弱，则出现暗纹。故在单色光照射下，就出现了明暗相间的干涉条纹；若在白光照射下，则出现彩色干涉条纹。薄膜干涉中应注意的三个问题：(1)观察的是从膜前、后两表面反射回来的光，不是透过膜的光，眼睛与光源在膜的同一侧。(2)用单色光和白光分别照射同一膜，观察到的现象是不同的。用白光照射膜时，某一位置红光得到加强，其他颜色的光就被削弱，故在此位置看到的是红色，而另一位置则会看到黄色等其他颜色，因此，用白光做这个实验看到的将是彩色条纹；而在单色光照射下，则会出现明、暗相间的条纹。(3)每一条纹呈现水平分布，各条纹按竖直方向排列。2．薄膜干涉的应用(1)用干涉法检查平面平整度如图所示，两板之间形成一层空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等间距的。如果被检测表面某处凹下，则对应亮条纹(或暗条纹)提前出现，如图甲所示；如果某处凸起来，则对应条纹延后出现，如图乙所示。(注：“提前”与“延后”不是指在时间上，而是指由左向右的位置顺序上)(2)增透膜为了减少光学装置中的反射光的损失，可在元件表面涂一层透明薄膜，一般是氟化镁。如图所示，在增透膜的前后表面反射的两列光波形成相干波，相互叠加，当路程差为半波长的奇数倍时，在两个表面反射的光反相，相互抵消，从而使反射的两列光波产生相消干涉，反射光的能量几乎等于零。一般取最小厚度d满足2d＝λ2(此波长为光在该种介质中的波长)。由于白光中含有多种波长的光，所以增透膜只能使其中一定波长的光相消。因为人对绿光最敏感，一般选择对绿光起增透作用，所以在反射光中绿光强度几乎为零，而其他波长的光并没有完全抵消，所以增透膜呈现绿光的互补色——淡紫色。1．薄膜干涉的相干光是如何获得的？提示：空气膜前后两个面反射的光形成相干光。2．怎样理解增透膜的“增透”？提示：两束反射光相互抵消，反射光的能量减少，由于总的能量是守恒的，反射光的能量被削弱了，透射光的能量就必然得到增强。增透膜是通过“消反”来确保“增透”的。例3劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图甲所示。将一块平板玻璃放置在另一块平板玻璃之上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜。当光垂直入射后，从上往下看到的干涉条纹如图乙所示。干涉条纹有如下特点：(1)任意一条亮条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；(2)任意相邻亮条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定。现若在图甲装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹()A．变疏B．变密C．不变D．消失解析：干涉条纹是由空气薄膜的上下两个表面反射的光线叠加而成的，当抽去一张纸片后，劈形空气薄膜倾角减小，相邻明条纹(或暗条纹)必须变疏才能符合所在位置下面对应的薄膜厚度差跟原先一样，故A正确。答案：A1．同一干涉条纹对应的空气膜厚度有何特点？提示：同一干涉条纹对应的空气膜厚度相等。2．抽去一张纸片后，空气膜厚度变化减小，原来的某一明条纹的位置怎样变化？提示：向空气膜厚度增大的方向移动。例4如图所示，用单色光照射透明标准板M来检查平面N的上表面的平滑情况，观察到如图所示条纹中的P和Q情况，这说明()A．N的上表面A处向上凸起B．N的上表面B处向上凸起C．N的上表面A处向下凹陷D．N的上表面B处向下凹陷解析：空气厚度从左向右依次增大，则两表面的反射光的路程差自左向右依次增大。同一条纹上的各点对应的厚度相同(类比于地理上的等高线)，当条纹向左弯曲(P)说明等高线向左移动，即现在A处的高度和A处右边点的高度相同，因此高度变大，A处下凹。当条纹向右弯曲(Q)，说明等高线右移，即现在B处的高度和左边点的高度相同，B处上凸。B、C正确。答案：BC被测平面凹下或凸起的判断方法把干涉条纹看成“矮人”的行走轨迹。让一个小矮人在两板间沿着一条条纹直立行走，始终保持脚踏被测板，头顶样板，在行走过程中：若遇凹下，他必向薄膜的尖端去绕，方可按上述要求行走，即条纹某处弯向薄膜尖端，该处为一凹下；若遇一凸起，他必向薄膜的底部去绕，方可按上述要求行走，即条纹某处弯向薄膜底部，该处为一凸起。要点三激光1.激光激光是原子受激辐射产生的光，发光的方向、频率、偏振方向均相同，两列相同激光相遇可以发生干涉。激光是相干光，激光是人工产生的光。2．激光的特点及应用特点性质应用相干性激光具有频率单一、相位差恒定、偏振方向相同的特点，是人工产生的相干光，具有高度的相干性光纤通信平行度激光的平行度非常好，传播很远的距离仍能保持一定的强度精确的测距；读取光盘上记录的信息等高亮度它可以在很小的范围和很短的时间内集中很大的能量用激光束切割、焊接；医学上可以用激光做“光刀”；激发核反应等3.全息照相同一束激光被分为两部分，一部分直接照射到底片上，另一部分通过被拍摄物反射再到达底片。参考光和物光在底片上相遇时会发生干涉，形成复杂的干涉条纹。在底片上某点亮暗程度反映了两束光叠加后到达这点时光波的强弱。1．激光在自然界中存在