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7光的颜色色散8激光课前预习导学目标导航学习目标重点难点1.知道光的色散现象。2.理解薄膜干涉中的色散现象,并了解薄膜干涉的应用。3.理解光的衍射时的色散现象。4.理解折射时的色散现象产生的原因。5.知道同一介质对不同色光的折射率不同。6.了解激光的特性和应用,应用激光观察全息照相。重点:棱镜折射中的色散及光谱。难点:薄膜干涉的色散。预习导引一、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,波长和频率不同。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单色光的现象。(2)光谱:含有多种颜色的光被分解后,各种色光按其波长的有序排列。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,来自前后两个面的反射光,频率相同,但路程差不同,在某些位置,这两列波叠加后相互加强,出现亮条纹;在另一些位置,叠加后相互削弱,出现暗条纹。预习交流1小朋友吹出的肥皂泡、热菜汤表面的油花、马路上积水表面的油膜,都会看到彩色的条纹,你知道这些彩色条纹是如何形成的吗?答案:由薄膜干涉造成的。白光照射在肥皂泡膜、油膜表面,被薄膜前、后表面反射的两列反射波叠加,形成干涉条纹。由于白光中的各色光波长不同,干涉后的条纹间距不同,薄膜上就会出现彩色花纹。三、衍射时的色散用白光进行衍射实验时,得到的是彩色条纹,这是由于白光中包含各种颜色的光,不同色光亮条纹的位置不同造成的。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、橙、黄、绿、蓝、靛、紫,这说明:(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越大。(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,波速越慢。预习交流2雨后初晴,往往会看到绚丽的彩虹,你知道彩虹是如何形成的吗?答案:彩虹,又称天虹,简称虹,是气象中的一种光学现象。当太阳光照射到空气中的水滴,光线被折射及反射,在天空上形成拱形的七彩光谱,雨后常见。形状弯曲,色彩艳丽。彩虹是因为阳光射到空中接近圆形的小水滴,造成光的色散及反射而成的。五、激光1.激光的特点和应用(1)相干性与应用①相干性:只有频率相同、相位差恒定、偏振方向一致的光才是相干光,激光是一种人工产生的相干光,具有高度的相干性。②应用:用来传播信息。光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物,电磁波的频率越高,它所携带的信息量越大,所以激光可以比无线电波携带更多的信息。(2)平行度及应用①平行度:激光的平行度非常好,所以它在传播很远的距离后仍能保持一定的强度。②应用:进行精确的测距。多用途的激光雷达不仅可以测量距离,而且能根据多普勒效应测出目标的运动速度。(3)亮度及应用①亮度高,它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。②可用激光束来切割、焊接以及在很硬的材料上打孔,医学上可以用激光做“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤。2.全息照相(1)与普通照相技术的比较:普通彩色照相技术所记录的只是光波的能量和频率信息,而全息照相技术还记录了光波的相位信息。(2)原理:全息照相的拍摄利用了光的干涉原理,使参考光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相干性。(3)观察全息照片时要用激光照射照片,从另一侧面观察。预习交流3在日常生活中,我们可以随时感受到激光的存在。如在超级市场里,你会看到用激光在商品的条形码上扫描,结算账目(如图所示),你能再举几个生活中应用激光的例子吗?用激光扫描条形码答案:如:用CD或DVD播放影片、电视或网络信息的传输光缆、激光测距、激光切割等。课堂合作探究问题导学一、光的色散与薄膜干涉活动与探究11.色散的本质是什么?答案:(1)色散的实质:光的色散实质上是光的折射现象,是由同一种介质对不同色光的折射率不同而引起的。(2)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,七种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。2.你能按照波长由大到小的顺序写出7种色光吗?答案:红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。3.在用肥皂膜做薄膜干涉实验中,肥皂薄膜应怎样放置?我们应在哪一侧观察灯焰的像?这个像与直接看到的灯焰有什么不同?答案:应竖直放置;在灯焰一侧观察,这个像是明、暗相间的条纹组成的。4.在薄膜干涉中,怎样获得相干光源?其路程差与该处的薄膜厚度有什么关系?当路程差是光在膜中波长的整数倍时,该处应出现什么条纹?为什么光源换用白光,将得到彩色条纹?答案:发生薄膜干涉时,从薄膜的两个面反射回来的反射光形成相干光源,其路程差为薄膜厚度的二倍,当路程差是光在薄膜中波长整数倍时,该处应出现亮条纹,换用白光,因各种色光的波长不等,所以出现明、暗条纹的位置不同,得到的就是彩色条纹。5.薄膜干涉有哪些应用?答案:(1)增透膜。在光学仪器表面镀一层厚度为λ4(λ为光在该介质中的波长)的透明薄膜,可使膜上下两个表面的反射光干涉相消,增强了透射光强度。现在一些所谓镀膜眼镜即是镀增透膜。(2)精密检测。如果被检表面的不平整度可以和光波波长相比,即能看到干涉条纹变形,精度很高。迁移与应用1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。当光垂直入射时,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)任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等;(2)任意相邻明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劈形空气薄膜后,从上往下观察到的干涉条纹将如何变化?答案:间距变疏解析:光线在空气膜的上下表面上反射,并发生干涉,从而形成干涉条纹。设空气膜顶角为θ,d1、d2处为两相邻明条纹到下表面的距离,如图所示,则两处光的路程差分别为δ1=2d1,δ2=2d2因为δ2-δ1=λ,所以d2-d1=12λ设条纹间距为Δl,则由几何关系得𝑑2-𝑑1𝛥l=tanθ,即Δl=λ2𝑡𝑎𝑛θ。当抽去一张纸片,θ减小,Δl增大,干涉条纹变疏。薄膜干涉检测加工平整度的原理:如图所示,在被测平面上放一个透明的样板,在样板的一端垫一个薄片,使样板的标准平面与被测平面之间形成一个楔形空气薄层。用单色光照射时,空气层的上、下两个表面反射的两列光波发生干涉。空气厚度相同的地方,两列波的路程差相同,两列波叠加时相互加强或减弱的情况相同,因此若被测面是平的,干涉条纹就是一组平行的直线,如果干涉条纹是弯曲的,就表明被测表面不平。二、折射时的色散现象活动与探究21.光折射时的色散现象揭示了什么物理本质?答案:(1)白光是由各种单色光组成的复色光;(2)同一种介质对不同色光的折射率不同;(3)不同色光在同一种介质中的传播速度不同。2.光在通过棱镜时,发生了几次折射?是否一定向其底边偏折?答案:两次。不一定,只有三棱镜内物质的折射率大于周围环境的折射率时,光线才会向底边偏折,否则,光线向相反的方向偏折。3.在空气中透过棱镜看到物体的像是实像还是虚像?像的位置有什么规律?答案:是虚像。像的位置向顶角偏移。迁移与应用2如图所示,从点光源S发出的一细束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,在光屏上的ab间形成一条彩色光带。下面说法中正确的是()A.a侧是红色光,b侧是紫色光B.在真空中a侧光的波长小于b侧光的波长C.三棱镜对a侧光的折射率大于对b侧光的折射率D.在三棱镜中a侧光的传播速度大于b侧光的传播速度答案:BC解析:由题图可以看出,a侧光偏折得较厉害,三棱镜对a侧光的折射率较大,所以a侧是紫色光,波长较短,b侧是红色光,波长较长,因此A错,B、C正确;又v=cn,所以三棱镜中a侧光的传播速度小于b侧光的传播速度,D错。1.光的颜色由其频率决定,而频率由光源决定,与介质无关。2.同一介质对频率越大的光折射率越大。3.七种色光中:红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫波长依次减小,频率依次增大。三、激光活动与探究31.激光具有哪些特点?答案:(1)相干性:激光具有频率相同、相位差恒定、偏振方向相同的特点,具有高度的相干性。(2)平行性: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。(3)亮度高:它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。2.全息照片拍摄利用了激光的什么原理?答案:利用了激光的相干性好的特点,根据干涉原理拍摄。迁移与应用3在演示双缝干涉的实验时,常用激光作光源,这主要是应用激光的什么特性()A.亮度高B.平行性好C.单色性好D.波动性好答案:C解析:激光的单色性好,频率单一,通过双缝时能够得到两束相干光。故C项对。激光的应用包括以下方面等(1)利用激光通过光导纤维实现通信(利用相干性,便于调制);(2)激光雷达测距、测速(平行度好,结合多普勒效应);(3)DVD、CD唱机、电脑光驱(平行度好);(4)医学上的“激光刀”、激光雕刻、激光切割、激光焊接、受控核聚变(能量集中及高能量);(5)全息照相技术。当堂检测1.对激光的认识,以下说法正确的是()A.普通光源发出的光都是激光B.激光是自然界普遍存在的一种光C.激光是一种人工产生的相干光D.激光已经深入到我们生活的各个方面答案:CD2.涂有增透膜的照相机镜头看上去呈现淡紫色,说明()A.增透膜明显地增强了红光的透射现象B.增透膜明显地增强了紫光的透射现象C.增透膜明显地增强了绿光的透射现象D.增透膜明显地增强了绿光的反射损失答案:C解析:人眼对绿光最敏感,所以照相机镜头的增透膜采用了加强绿光透射使之干涉加强的做法,而与绿光频率偏差最大的红光和紫光透射效果最差,反射光较强,反射损失最大,所以看上去呈现红光和紫光的混合色,即呈现淡紫色。故C选项正确。3.用如图所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象。图(a)是点燃酒精灯(在灯芯上洒些盐),图(b)是竖立的附着一层肥皂液薄膜的金属丝圈。将金属丝圈在其所在的竖直平面内缓慢旋转,观察到的现象是()A.当金属丝圈旋转30°时干涉条纹同方向旋转30°B.当金属丝圈旋转45°时干涉条纹同方向旋转90°C.当金属丝圈旋转60°时干涉条纹同方向旋转30°D.干涉条纹保持原来状态不变答案:D解析:金属丝圈在竖直平面内旋转时,肥皂液随之缓慢旋转,但由于重力影响,薄膜上薄下厚的分布特点不变,所以干涉条纹保持原来状态不变。4.一束复色光由空气射向一块平行平面玻璃砖,经折射分成两束单色光a、b。已知a光的频率小于b光的频率。图中哪个光路图可能是正确的()答案:B解析:由于a光的频率小于b光的频率,a光在玻璃中的折射率小于b光在玻璃中的折射率,由两种单色光进入玻璃后偏折程度不同,可判定B正确。