光学第一轮复习基础知识及典型例题.pdf

光学复习基础知识及练习(1)光学： 1.几何光学2.光的波动性3.光的粒子性几何光学 ⑴光的直线传播①条件：同种均匀介质②影的形成a本影 b半影③小孔成像⑵反射定律①内容②应用：平面镜a成正立等大虚像b物像关于镜面对称⑶折射定律①内容② 折射率③ 应用： a全反射 b光导纤维c棱镜：色散光的波动性 ⑴光的干涉①双缝干涉： a干涉条件b干涉现象c条纹间距 ___________ ②薄膜干涉： a产生原因b干涉现象c 应用：检查工件表面平整度、增透膜⑵光的衍射① 产生条件②分类： a单缝衍射b圆孔衍射⑶光的电磁说⑷光的偏振⑸激光① 特点②应用光的粒子性 ⑴光电效应规律⑵光电效应方程___________ ⑶光子说一、 光的直线传播1．光源：本身能够自行发光的物体叫光源.可分为自然光源与人造光源. 光源的本质：是将其他形式的能转化为光能.如太阳、电灯、燃烧的蜡烛等. 2．点光源：3．光线：代表光束的有箭头的直线叫光线. 4．光的直线传播（1）光在同种均匀介质中沿直线传播：有力证明（小孔成像和影的形成）（2）影：影是自光源发出并与投影物体表面相切的光线在背光面的后方围成的区域．本影：发光面较小的光源在投影物体后形成的光线完全不能到达 的区域．半影：发光面较大的光源在投影物体后形成的只有部分光线 照射的区域．（3）日食和月食：人位于月球的本影 内能看到 日全食 ，位于月球的半影 内能看到 日偏食 ，位于月球 本影的延伸区域 （即 “ 伪本影 ” ）能看到 日环食 ．当地球的 本影部分 或全部 将月球反光面遮住，便分别能看到月偏食和月全食 ．5．光速（ 1）光在真空中的传播速度为一定值c=3× 108m/s. （2）光速的测量：迈克耳逊的旋转棱镜法二、光的反射1．反射现象：2．反射定律：三线共面，二线分居，两角相等．3．分类：镜面反射.漫反射 .镜面反射和漫反射都遵循反射定律．4．光路可逆原理：所有几何光学中的光现象，光路都是可逆的．三．平面镜的作用和成像特点1．作用：只改变光束的传播方向，不改变光束的聚散性质．2．成像特点：等大正立的虚像，物和像关于镜面对称．难点应用： 1.光学与运动综合问题2. 确定平面镜成像的观察范围（1）找像；（2）找边界 . 结论应用： 1．若平面镜不动，入射光线顺时针转过θ 角，则反射光线逆时针转过θ角. 2．若入射光线不动，平面镜转过θ角，则反射光线转过2θ . 典型例题：例题 1．如图所示，在A 点有一个小球（可试作质点），紧靠小球的左方有一个点光源S.现将小球从A 点正对着竖直墙平抛出去，打到竖直墙之前，小球在点光源照射下的影子在墙上 的运动是（）A.匀速直线运动B.自由落体运动C.变加速直线运动D.匀减速直线运动例题 2.一个点光源S 放在平面镜前， 如图所示．镜面跟水平方向成300角，当光源 S 不动， 平面镜以速度v沿水平 OS 方向向光源S 平移．求光源S 的像 S/的移动速度．S? ·一、光的折射1．折射现象2．折射定律：三线共面、二线分居、角比正弦3．折射现象中光路是可逆的．二、折射率1．定义：光从 真空射入 某种 介质 ，入射角的正弦跟折射角的正弦之比，叫做介质的折射率 ．注意：光从真空射入介质．2．公式： vcri n sinsin，折射率总大于1．即 n＞1．3．两种介质相比较，折射率较大的叫光密介质，折射率较小的叫光疏介质．三、全反射1．全反射现象：光照射到两种介质界面上时，光线全部被反射回原介质的现象．2．全反射条件：光线从光密介质射向 光疏介质，且入射角 大于或等于 临界角．3．临界角公式：___________ 4．全反射：5．光导纤维：光纤有内、外两层材料，其中内层是光密介质，外层是光疏介质.光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界面，都要求入射角大于临界角，从而发生全反射.这样使从一个端面入射的光，经过多次全反射能够没有损失地全部从另一个端面射出. 四、棱镜、光的色散1．棱镜对光的偏折作用如图所示 .一般所说的棱镜都是用光密介质制作的.入射光线经三棱镜两次折射后，射出方向与入射方向相比，向底边偏折 .（若棱镜的折射率比棱镜外介质小则结论相反.）作图时尽量利用对称性（把棱镜中的光线画成与底边平行）. 2．全反射棱镜（1）横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜. （2）对光路的控制选择适当的入射点，可以使入射光线经过全反射棱镜的作用在射出后偏转90o或 180o.要特别注意两种用法中光线在哪个表面发生全反射. 3．光的色散：一束白光通过三棱镜形成彩色光带的现象. （1）色散的原因： 是由于各种色光在同一介质中传播的速率不同，或者说是同一种介质对不同色光的折射率不同而引起的 . （2）在同一介质中，七色光表现出的性质不同紫光 的折射率 n 最大，频率 ν 最高，在同种介质中传播速度v 最小，波长 λ最短，从同种介质射向真空时发生全反射的临界角C 最小，以相同入射角在介质中发生折射时的偏折角最厉害例 3.2005 年 10 月 4 日，瑞典皇家科学院宣布，将本年度诺贝尔物理学奖授予两名美国科学家和一名德国科学家 .美国科学家约翰 · 霍尔和德国科学家特奥多尔· 亨施之所以获奖，是因为对基于激光的精密光谱学发展作出了贡献 .另一名美国科学家罗伊· 格劳伯因为 “ 对光学相干的量子理论的贡献” 而获奖 .一种用于摧毁人造卫星或空间站的激光武器正在研制中.如图所示，某空间站位于地平线上方，现准备用一束激光射向该空间站，则应把激光器（）A.沿视线对着空间站瞄高一些B.沿视线对着空间站瞄低一些C.沿视线对着空间站直接瞄准D.条件不足，无法判断例 4：如图所示，把一面镜子斜着插入水盆中，放在阳光下，在天花板上就可以看到彩色光带，对这个现象，下列说中正确的是( ) A．这是光的全反射现象B．这是光的色散现象，起到棱镜作用的是水C．a 是红光， d 是紫光 D．在真空中a 光束的传播速度最大，d 光束的传播速度最小一、光的干涉1．杨氏双缝干涉实验：单缝：获取一束频率一定的波. 双缝：将一束频率一定的波分为完全相同的两列波. 条纹特征：（1）单色光照射：明暗相间，平行等距 .条纹 间距跟光的波长成正比. （2）白光照射： 中央亮纹为白色，其余为彩色条纹. 2．薄膜干涉光射到薄膜上，被膜的前后表面分别反射的两列反射光波的频率和入射光频率相同，因此这两列光波为相干光 .在薄膜上某厚度处，两列光波叠加后加强，该处出现亮纹，在另一厚度处，两列光波叠加后互相削弱，于是出现暗纹. (光程差 )应用：检查平面，增透膜. 二、光的衍射光在任何情况下，都会发生衍射现象，但在障碍物或孔与光的波长差不多，或者比光的波长小 时，才会发生明显的衍射现象. 三、光的偏振自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的强度都相同，这种光叫做自然光. 偏振光：自然光通过偏振片时，只有振动方向跟偏振片的透振方向一致的光波才能通过，这种光叫做偏振光 . 光的偏振现象说明光是一种横波 .应用：立体电影等. 四、光的电磁本性电磁波谱按波长由大到小排列：无线电波、红外线、紫外线、X 射线、 γ 射线五、光谱和光谱分析光谱 :发射光谱 1.连续谱2.线状谱（原子光谱）吸收光谱 （太阳光谱）六、激光 1．激光的特点（1）相干性好 .（2）平行度好 .（3）亮度高 . 2．激光的作用（1）利用激光的相干性进行信息的传递.例如激光光纤通信.（2）利用激光的平行度好进行精确测量和数据采集 .（3）利用激光的亮度高进行激光切割和焊接. 注意 ：色光的颜色由色光的频率决定，色光的频率由光源决定，与传播介质无关.由于在介质中的光速为ncv波长 fv ，可见光速、波长均与介质的种类有关. 二、衍射条纹的特点单色光照射单缝时，屏上出现中间宽的亮条纹，两侧是明暗相间的条纹，条纹的宽度比中央亮纹窄 ；白光照射时，屏上出现中间宽且亮 的白色 条纹，两侧是 窄且暗 的彩色 条纹 .单色光照射圆孔时，屏上出现明暗相间的不等距环形 衍射条纹 . 当单色光照射小圆板时，在圆板的阴影中心出现的亮斑叫泊松亮斑. 例 5．如图所示为一演示薄膜干涉现象的实验装置，Ｐ是附有肥皂膜的铁丝圈，S 是一点燃的酒精灯，往火焰上洒些盐后，在肥皂膜上观察到的干涉图象应是下图中的（）例 6．用干涉法检查工件表面的质量，产生的干涉条纹是一组平行等距的直条纹.若劈尖的上表面向上平移，如图所示，则干涉条纹间距将（）A．变大B．变小C．不变D．无法确定例 7．对光的衍射现象的定性分析，下列说法中不正确的有（）A．光的衍射是光在传播过程中绕过障碍物进入“ 阴影区 ” 的现象B．衍射现象是光波互相叠加的结果C．衍射现象否定了直线传播的结论D．光的衍射为波动说提供了有力的证据例 8．沙尘暴是由于土地沙化引起的一种恶劣的气象现象，发生沙尘暴时，能见度只有几十米，天空变黄发暗.这种情况主要是由于太阳光中( ) A．只有波长较短的一部分光才能到达地面B．只有波长较长的一部分光才能到达地面C．只有频率较大的一部分光才能到达地面D．只有能量较大的光子才能到达地面一 、光电效应1．光电效应的规律（1）任何一种金属都有一个极限频率 ，入射光频率 必须大于 这个极限频率，才能产生光电效应，低于这个频率的光不能发生光电效应.能否发生光电效应，不取决于光强，只取决于频率. （2）光电子最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大. （3）入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9s. （4）当入射光的频率大于极限频率时，单位时间从金属表面逸出的光电子数目与入射光的强度有关.2.光子说对光电效应规律的解释（1） 光子说 ：光是不连续的， 而是一份一份的， 每一份光叫光子， 光子的能量E＝h（h＝6.63× 10-34J·s） . （2）光子说对光电效应规律的解释：当光子照射到金属上时，它的能量被金属中的某个电子全部吸收，电子吸收能量后， 动能增加 .当它的动能足够大时，它能克服金属内部原子核对它的吸引而离开金属表面逃逸出来，成为光电子，光电子的发射时间很短，不需要能量的积累过程.只有直接从金属表面飞出来的电子的初动能最大，这时光电子克服原子核的引力所做的功叫这种金属的逸出功W. 3.爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦认为，一个入射光子的能量只能 被一个电子获得从金属表面逸出的电子消耗能量最少，因而有最大初动能 .爱因斯坦提出：Ekm＝h－W. 二、光的波粒二象性1、光的波动性与粒子性是统一的（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.与其他物质 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可能性的大小(概率 )，由 波动性 起主导作用，因此也称为概率波. （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. 综上所述，光的粒子性和波动性组成一个有机的统一体，相互间并不是独立存在. 2.光波是一种概率波三、物质波1.德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它对应，波长 ph (p 为运动物体的动量，h 是普朗克恒量 )，人们把这种波叫物质波，也叫德布罗意波。

2.牛顿力学的局限性牛顿运动定律只适用于宏观低速 物体，能量守恒定律、动量守恒定律既适用于宏观，也适用于微观. 3. “电子云 ” 的概念： 如果用疏密不同的点子表示电子在各个位置出现的概率，画出图来就像云雾一样，形象地称为电子云 . 单色标 准厚玻例 9． 某同学采用如图所示的实验装置来研究光电效应现象.当用某一频率的光照射光电管的阴极 K 时，会发生光电效应现象，电流计中有电流通过.闭合电键S，在阳极 A 和阴极 K 之间加上反向电压，通过调节滑动变阻器的滑片逐渐增大电压，直至电流计中电流恰好为零，此时电压表的电压值称为反向截止电压，现用频率为。