第十三章光第十七章波粒二象性一、光的直線傳播1.光在同一種均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的前提條件是在同一種介質(zhì)，而且是均勻介質(zhì)。否則，可能發(fā)生偏折。如光從空氣斜射入水中（不是同一種介質(zhì)）；“海市蜃樓”現(xiàn)象（介質(zhì)不均勻）。2.光速光在真空中的轉(zhuǎn)播速度為c=3.00×108m光在不同介質(zhì)中的傳播速度是不同的。根據(jù)愛因斯坦的相對(duì)論光速不可能超過c。二、反射平面鏡成像1.像的特點(diǎn)：平面鏡成的像是正立等大的虛像，像與物關(guān)于鏡面為對(duì)稱。2.光路圖作法：根據(jù)平面鏡成像的特點(diǎn)，在作光路圖時(shí)，可以先畫像，后補(bǔ)光路圖。三、折射與全反射1.折射定律折射定律的各種表達(dá)形式：(θ1為入、折射角中的較大者。)折射光路也是可逆的。2.各種色光性質(zhì)比較可見光中，紅光的折射率n最小，頻率ν最小，在同種介質(zhì)中（除真空外）傳播速度v最大，波長λ最大，從同種介質(zhì)射向真空時(shí)發(fā)生全反射的臨界角C最大，以相同入射角在介質(zhì)間發(fā)生折射時(shí)的偏折角最小（注意區(qū)分偏折角和折射角）。3.邊作圖邊計(jì)算：有關(guān)光的折射和全反射，在解題時(shí)要把計(jì)算和作圖有機(jī)地結(jié)合起來，根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算反射角、折射角，算一步畫一步，畫一步在根據(jù)需要算一步。作圖要依據(jù)計(jì)算結(jié)果，力求準(zhǔn)確。αABCD例1直角三棱鏡的頂角αABCDαAαA4.光導(dǎo)纖維全反射的一個(gè)重要應(yīng)用就是用于光導(dǎo)纖維（簡稱光纖）。光纖有內(nèi)、外兩層材料，其中內(nèi)層是光密介質(zhì)，外層是光疏介質(zhì)。光在光纖中傳播時(shí)，每次射到內(nèi)、外兩層材料的界面，都要求入射角大于臨界角，從而發(fā)生全反射。這樣使從一個(gè)端面入射的光，經(jīng)過多次全反射能夠沒有損失地全部從另一個(gè)端面射出。α例2如圖所示，一條長度為L=5.0m的光導(dǎo)纖維用折射率為n=的材料制成。一細(xì)束激光由其左端的中心點(diǎn)以α=45°的入射角射入光導(dǎo)纖維內(nèi)，經(jīng)過一系列全反射后從右端射出。求：⑴該激光在光導(dǎo)纖維中的速度v是多大？⑵該激光在光導(dǎo)纖維中傳輸所經(jīng)歷的時(shí)間是多少？α2.12×108m/s,2.7×10四、棱鏡1.棱鏡對(duì)光的偏折作用一般所說的棱鏡都是用光密介質(zhì)制作的。入射光線經(jīng)三棱鏡兩次折射后，射出方向與入射方向相比，向底邊偏折。（若棱鏡的折射率比棱鏡外介質(zhì)小則結(jié)論相反。）作圖時(shí)盡量利用對(duì)稱性（把棱鏡中的光線畫成與底邊平行）。abM例3.如圖所示，一細(xì)束紅光和一細(xì)束藍(lán)光平行射到同一個(gè)三棱鏡上，經(jīng)折射后交于光屏上的同一個(gè)點(diǎn)M，若用n1和n2分別表示三棱鏡對(duì)紅光和藍(lán)光的折射率，下列說法中正確的是(abMA.n1<n2，a為紅光，b為藍(lán)光B.n1<n2，a為藍(lán)光，b為紅光C.n1>n2，a為紅光，b為藍(lán)光D.n1>n2，a為藍(lán)光，b為紅光4.全反射棱鏡橫截面是等腰直角三角形的棱鏡叫全反射棱鏡。選擇適當(dāng)?shù)娜肷潼c(diǎn)，可以使入射光線經(jīng)過全反射棱鏡的作用在射出后偏轉(zhuǎn)90o（右圖1）或180o（右圖2）。要特別注意兩種用法中光線在哪個(gè)表面發(fā)生全反射。例4.如圖所示，自行車的尾燈采用了全反射棱鏡的原理。它雖然本身不發(fā)光，但在夜間騎行時(shí)，從后面開來的汽車發(fā)出的強(qiáng)光照到尾燈后，會(huì)有較強(qiáng)的光被反射回去，使汽車司機(jī)注意到前面有自行車。尾燈的原理如圖所示，下面說法中正確的是(C)A.汽車燈光應(yīng)從左面射過來在尾燈的左表面發(fā)生全反射B.汽車燈光應(yīng)從左面射過來在尾燈的右表面發(fā)生全反射C.汽車燈光應(yīng)從右面射過來在尾燈的左表面發(fā)生全反射D.汽車燈光應(yīng)從右面射過來在尾燈的右表面發(fā)生全反射5.玻璃磚所謂玻璃磚一般指橫截面為矩形的棱柱。當(dāng)光線從上表面入射，從下表面射出時(shí)，其特點(diǎn)是：⑴射出光線和入射光線平行；⑵各種色光在第一次入射后就發(fā)生色散；⑶射出光線的側(cè)移和折射率、入射角、玻璃磚的厚度有關(guān)；⑷可利用玻璃磚測定玻璃的折射率。ab例5如圖所示，兩細(xì)束平行的單色光a、b射向同一塊玻璃磚的上表面，最終都從玻璃磚的下表面射出。已知玻璃對(duì)單色光a的折射率較小，那么下列說法中正確的有(C)abA.進(jìn)入玻璃磚后兩束光仍然是平行的B.從玻璃磚下表面射出后，兩束光不再平行C.從玻璃磚下表面射出后，兩束光之間的距離一定減小了D.從玻璃磚下表面射出后，兩束光之間的距離可能和射入前相同yaθxoAByxoyxoyxoyxyaθxoAByxoyxoyxoyxoA.B.C.D.θ1θ2例7.如圖所示，用透明材料做成一長方體形的光學(xué)器材，要求從上表面射入的光線可能從右側(cè)面射出，那么所選的材料的折射率應(yīng)滿足(θ1θ2A.折射率必須大于B.折射率必須小于C.折射率可取大于1的任意值D.無論折射率是多大都不可能五、光的波動(dòng)性1.光的干涉SS/bdacSSS/bdacSS1S2用空氣膜、利用平面鏡形成相干光源的示意圖。2.干涉區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的亮、暗紋⑴亮紋：屏上某點(diǎn)到雙縫的光程差等于波長的整數(shù)倍，即δ=nλ（n=0，1，2，……）⑵暗紋：屏上某點(diǎn)到雙縫的光程差等于半波長的奇數(shù)倍，即δ=（n=0，1，2，……）相鄰亮紋（暗紋）間的距離。用此公式可以測定單色光的波長。用白光作雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于白光內(nèi)各種色光的波長不同，干涉條紋間距不同，所以屏的中央是白色亮紋，兩邊出現(xiàn)彩色條紋。例8用綠光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，在光屏上呈現(xiàn)出綠、暗相間的條紋，相鄰兩條綠條紋間的距離為Δx。下列說法中正確的有(C)A.如果增大單縫到雙縫間的距離，Δx將增大B.如果增大雙縫之間的距離，Δx將增大C.如果增大雙縫到光屏之間的距離，Δx將增大D.如果減小雙縫的每條縫的寬度，而不改變雙縫間的距離，Δx將增大例9.登山運(yùn)動(dòng)員在登雪山時(shí)要注意防止紫外線的過度照射，尤其是眼睛更不能長時(shí)間被紫外線照射，否則將會(huì)嚴(yán)重地?fù)p壞視力。有人想利用薄膜干涉的原理設(shè)計(jì)一種能大大減小紫外線對(duì)眼睛的傷害的眼鏡。他選用的薄膜材料的折射率為n=1.5，所要消除的紫外線的頻率為8.1×1014Hz，那么它設(shè)計(jì)的這種“增反膜”的厚度至少是多少？3.衍射⑴各種不同形狀的障礙物都能使光發(fā)生衍射。⑵發(fā)生明顯衍射的條件是：障礙物（或孔）的尺寸可以跟波長相比，甚至比波長還小。（當(dāng)障礙物或孔的尺寸小于0.5mm時(shí)，有明顯衍射現(xiàn)象。）⑶在發(fā)生明顯衍射的條件下，當(dāng)窄縫變窄時(shí)，亮斑的范圍變大，條紋間距離變大，而亮度變暗。例10平行光通過小孔得到的衍射圖樣和泊松亮斑比較，下列說法中正確的有(AB)A.在衍射圖樣的中心都是亮斑B.泊松亮斑中心亮點(diǎn)周圍的暗環(huán)較寬C.小孔衍射的衍射圖樣的中心是暗斑，泊松亮斑圖樣的中心是亮斑4.光的電磁說光振動(dòng)垂直于紙面光振動(dòng)在紙面（1）光振動(dòng)垂直于紙面光振動(dòng)在紙面（2）可見光頻率范圍是3.9-7.5×1014Hz，波長范圍是400-770nm。5光的偏振⑴光的偏振也證明了光是一種波，而且是橫波。各種電磁波中電場E的方向、磁場B的方向和電磁波的傳播方向之間，兩兩互相垂直。⑵光波的感光作用和生理作用主要是由電場強(qiáng)度E引起的，因此將E的振動(dòng)稱為光振動(dòng)。⑶自然光。太陽、電燈等普通光源直接發(fā)出的光，包含垂直于傳播方向上沿一切方向振動(dòng)的光，而且沿各個(gè)方向振動(dòng)的光波的強(qiáng)度都相同，這種光叫自然光。⑷偏振光。自然光通過偏振片后，在垂直于傳播方向的平面上，只沿一個(gè)特定的方向振動(dòng)，叫偏振光。自然光射到兩種介質(zhì)的界面上，如果光的入射方向合適，使反射和折射光之間的夾角恰好是90°，這時(shí)，反射光和折射光就都是偏振光，且它們的偏振方向互相垂直。我們通?？吹降慕^大多數(shù)光都是偏振光。例11有關(guān)偏振和偏振光的下列說法中正確的有(BD)A.只有電磁波才能發(fā)生偏振，機(jī)械波不能發(fā)生偏振B.只有橫波能發(fā)生偏振，縱波不能發(fā)生偏振C.自然界不存在偏振光，自然光只有通過偏振片才能變?yōu)槠窆釪.除了從光源直接發(fā)出的光以外，我們通?？吹降慕^大部分光都是偏振光六、光的粒子性1.光電效應(yīng)⑴在光的照射下物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)。（右圖裝置中，用弧光燈照射鋅版，有電子從鋅版表面飛出，使原來不帶電的驗(yàn)電器帶正電。）⑵光電效應(yīng)的規(guī)律。①各種金屬都存在極限頻率ν0，只有ν≥ν0才能發(fā)生光電效應(yīng)；②瞬時(shí)性（光電子的產(chǎn)生不超過10-9s）。⑶愛因斯坦的光子說。光是不連續(xù)的，是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光子，光子的能量E跟光的頻率ν成正比：E=hν⑷愛因斯坦光電效應(yīng)方程：Ek=hν-—W（Ek是光電子的最大初動(dòng)能；W是逸出功，即從金屬表面直接飛出的光電子克服正電荷引力所做的功。）2.康普頓效應(yīng)在研究電子對(duì)X射線的散射時(shí)發(fā)現(xiàn)：有些散射波的波長比入射波的波長略大?？灯疹D認(rèn)為這是因?yàn)楣庾硬粌H有能量，也具有動(dòng)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這個(gè)設(shè)想是正確的。因此康普頓效應(yīng)也證明了光具有粒子性。例12.對(duì)愛因斯坦光電效應(yīng)方程EK=hν-W，下面的理解正確的有(BC)A.只要是用同種頻率的光照射同一種金屬，那么從金屬中逸出的所有光電子都會(huì)具有同樣的初動(dòng)能EKVAPKVAPKC.逸出功W和極限頻率ν0之間應(yīng)滿足關(guān)系式W=hν0D.光電子的最大初動(dòng)能和入射光的頻率成正比例13如圖，當(dāng)電鍵K斷開時(shí)，用光子能量為2.5eV的一束光照射陰極P，發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零。合上電鍵，調(diào)節(jié)滑線變阻器，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表讀數(shù)小于0.60V時(shí)，電流表讀數(shù)仍不為零；當(dāng)電壓表讀數(shù)大于或等于0.60V時(shí)，電流表讀數(shù)為零。由此可知陰極材料的逸出功為A.1.9eVB.0.6eVC.2.5eVD.3.1eV(A)七、光的波粒二象性1.光的波粒二象性干涉、衍射和偏振以無可辯駁的事實(shí)表明光是一種波；光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)又用無可辯駁的事實(shí)表明光是一種粒子；因此現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為：光具有波粒二象性。2.正確理解波粒二象性波粒二象性中所說的波是一種概率波，對(duì)大量光子才有意義。波粒二象性中所說的粒子，是指其不連續(xù)性，是一份能量。⑴個(gè)別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性；大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動(dòng)性。⑵ν高的光子容易表現(xiàn)出粒子性；ν低的光子容易表現(xiàn)出波動(dòng)性。⑶光在傳播過程中往往表現(xiàn)出波動(dòng)性；在與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)往往表現(xiàn)為粒子性。⑷由光子的能量E=hν，光子的動(dòng)量表示式也可以看出，光的波動(dòng)性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和動(dòng)量的計(jì)算式中都含有表示波的特征的物理量——頻率ν和波長λ。由以上兩式和波速公式c=λν還可以得出：E=pc。例14已知由激光器發(fā)出的一細(xì)束功率為P=0.15kW的激光束，豎直向上照射在一個(gè)固態(tài)鋁球的下部，使其恰好能在空中懸浮。已知鋁的密度為ρ=2.7×103kg/m3，設(shè)激光束的光子全部被鋁球吸收，求鋁球的直徑是多大？（計(jì)算中可取π=3，g=10m/s2）3.3×10八、物質(zhì)波（德布羅意波）由光的波粒二象性的思想推廣到微觀粒子和任何運(yùn)動(dòng)著的物體上去，得出物質(zhì)波（德布羅意波）的概念：任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體都有一種波與它對(duì)應(yīng)，該波的波長λ=。例15為了觀察到納米級(jí)的微小結(jié)構(gòu)，需要用到分辨率比光學(xué)顯微鏡更高的電子顯微鏡。下列說法中正確的是A.電子顯微鏡所利用電子物質(zhì)波的波長可以比可見光短，因此不容易發(fā)生明顯衍射(A)B.電子顯微鏡所利用電子物質(zhì)波的波長可以比可見光長，因此不容易發(fā)生明顯衍射C.電子顯微鏡所利用電子物質(zhì)波的波長可以比可見光短，因此更容易發(fā)生明顯衍射D.電子顯微鏡所利用電子物質(zhì)波的波長可以比可見光長，因此更容易發(fā)生明顯衍射

光、波粒二象性檢測題一、選擇題1．關(guān)于近代物理學(xué)的結(jié)論中，下面敘述中正確的是（C）A．宏觀物體的物質(zhì)波波長非常小，極易觀察到它的波動(dòng)性B．光電效應(yīng)現(xiàn)象中，光電子的最大初動(dòng)能與照射光的頻率成正比C．光的干涉現(xiàn)象中，干涉亮條紋部分是光子到達(dá)幾率多的地方D．氫原子的能級(jí)是不連續(xù)的，但輻射光子的能量卻是連續(xù)的2．以下關(guān)于光的有關(guān)說法中正確的是（BCD）A．光導(dǎo)纖維是應(yīng)用了光的全反射現(xiàn)象，無影燈主要是應(yīng)用了光的衍射B．天空中出現(xiàn)的彩虹是因?yàn)楣獾恼凵湫纬缮F(xiàn)象C．自然光是光振動(dòng)沿各個(gè)方向均勻分布的光，偏振光是光振動(dòng)沿著特定方向的光D．現(xiàn)在我們知道，光就是一份一份的能量3．在沒有月光的夜間，一個(gè)池面較大的水池底部中央有一盞燈（可看做光源），小魚在水中游動(dòng)，小鳥在水面上方飛翔，設(shè)水中無雜質(zhì)且水面平靜，下面的說法中正確的是（BD）A．小魚向上方水面看去，看到水面到處都是亮的，但中部較暗B．小魚向上方水面看去，看到的是一個(gè)亮點(diǎn)，它的位置與魚的位置無關(guān)C．小鳥向下方水面看去，看到水面中部有一個(gè)圓形區(qū)域是亮的，周圍是暗的D．小鳥向下方水面看去，看到的是一個(gè)亮點(diǎn)，它的位置與鳥的位置有關(guān)4．某種色光，在真空中的頻率為，波長為，光速為c，射入折射率為n的介質(zhì)中時(shí)，下列關(guān)系中正確的是（C）A.速度是c，頻率為，波長為B.速度是c/n,頻率為／n，波長為/nC.速度是c/n,頻率為，波長為/nD.速度是c/n,頻率為，波長為5．如圖所示，一個(gè)棱鏡的橫截面ABC為等腰直角三角形一細(xì)束紅光從AC面上的P點(diǎn)沿平行于AB的方向射入棱鏡，從BC面上的Q點(diǎn)平行于AB射出，且PQ//AB（圖中未畫出光在棱鏡里的光路）．如果將一細(xì)束紫光也從P點(diǎn)沿同樣的方向射入棱鏡，則從BC面上射出的光線將（C）A．仍從Q點(diǎn)射出，射出光線仍平行于ABB．仍從Q點(diǎn)射出，但射出光線不再平行于ABC．從Q點(diǎn)上方的某一點(diǎn)處射出，射出光線仍平行于ABD．從Q點(diǎn)下方的某一點(diǎn)處射出，射出光線仍平行于AB6．如圖所示，一細(xì)束白光通過三棱鏡折射后分為各種單色光，取其中a、b、c三種單色光，并同時(shí)做如下實(shí)驗(yàn)：①讓這三種單色光分別通過同一雙縫干涉裝置在光屏上產(chǎn)生干涉條紋（雙縫間距和縫屏間距不變）；②讓這三種單色光分別照射鋅板；③讓這三種單色光分別垂直投射到一條直光纖的端面上；下列說法中正確的是（D）A．如果單色光b能產(chǎn)生光電效應(yīng)，則單色光a一定能產(chǎn)生光電效應(yīng)B．單色光c的波動(dòng)性最顯著C．單色光a穿過光纖的時(shí)間最長D．單色光c形成的干涉條紋間距最小7．甲、乙兩種單色光分別垂直進(jìn)入一塊厚玻璃磚，已知它們通過玻璃中的時(shí)間，那么，甲、乙兩種單色光光子的能量關(guān)系是（A）A.B.C.D．不能確定8．一細(xì)光束中包含有紅和藍(lán)兩種單色光，由真空中以不等于00的入射角照射到透明的平板玻璃上，透過玻璃板后，又射出到真空中，則下列說法中正確的是（B）B.C.無論藍(lán)光或紅光由真空射入玻璃后，其速度都變小，所以光子的能量都變小D.紅光在玻璃板中所經(jīng)歷的路程比藍(lán)光的短9．頻率為的光照到某金屬材料時(shí)，產(chǎn)生光電子的最大初動(dòng)能為Ekm，改用頻率為2的光照射同一金屬材料，則所產(chǎn)生光電子的最大初動(dòng)能為（h為普朗克常量）（B）A.2EkmB.Ekm+hC.Ekm－h(huán)D.Ekm＋2h10．我們經(jīng)?？梢钥吹?，在路邊施工處總掛著紅色的電燈，這除了紅色光容易引起人的視覺注意以外，還有一個(gè)重要的原因，這一原因是紅色光（A）A．比其他色光更容易發(fā)生衍射B．比其他色光的光子能量大C．比其他色光更容易發(fā)生干涉D．比其他色光更容易發(fā)生光電效應(yīng)12．如圖所示，讓太陽光通過M上的小孔S后照射到M右方的一偏振片P上，P的右側(cè)再放一光屏Q，現(xiàn)使P繞著平行于光傳播方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)一周，則關(guān)于光屏Q上光的亮度變化情況，下列說法中正確的是（C）A．只有當(dāng)偏振片轉(zhuǎn)到某一適當(dāng)位置時(shí)光屏被照亮，其他位置時(shí)光屏上無亮光B．光屏上亮、暗交替變化C．光屏上亮度不變D．光屏上只有一條亮線隨偏振片轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)13．酷熱的夏天，在平坦的柏油公路上你會(huì)看到在一定的距離之外，地面顯得格外的明亮，仿佛是一片水面，似乎還能看到遠(yuǎn)處車、人的倒影．但當(dāng)你靠近“水面”時(shí)，它也隨你的靠近而后退．對(duì)此現(xiàn)象的正確解釋是（D）A．同海市屬樓的光學(xué)現(xiàn)象具有相同的原理，是由于光的全反射作用造成的B.“水面”不存在，是由于酷熱難耐，人產(chǎn)生的幻覺C．太陽輻射到地面，使地表溫度升高，折射率大，發(fā)生全反射D．太陽輻射到地面，使地表溫度升高，折射率小，發(fā)生全反射14．1924年法國物理學(xué)家德布羅意提出物質(zhì)波的概念，任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體，小到電子，大到行星、恒星都有一種波與之對(duì)應(yīng)，波長為=h/p,p為物體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量,h是普朗克常量．同樣光也具有粒子性，光子的動(dòng)量為p=h/．根據(jù)上述觀點(diǎn)可以證明一個(gè)靜止的自由電子如果完全吸收一個(gè)光子，會(huì)發(fā)生下列情況：設(shè)光子頻率為，則E=h,p=h/=h/c，被電子吸收后有h=mev2/2,h/c=mev．由以上兩式可解得：v=2c，電子的速度為兩倍光速，顯然這是不可能的．關(guān)于上述過程以下說法正確的是（C）A．D．若光子與一個(gè)靜止的自由電子發(fā)生作用，則光子被電子散射后頻率不變15．下列現(xiàn)象中屬于光的干涉現(xiàn)象的是（A）A．油膜上的彩色花紋B．旱晨草葉上的露珠在太陽光的照射下看起來特別明亮C．雨后天空的彩虹D．白光透過三棱鏡后出現(xiàn)各種顏色的光16．在白熾燈下，從兩塊被捏緊的表面不太平的玻璃板的表面能看到彩色條紋，通過兩根緊靠在一起的鉛筆桿的夾縫去觀察白熾燈，也能看到彩色條紋，其實(shí)這兩種現(xiàn)象（D）A．均是光的干涉現(xiàn)象B．均是光的衍射現(xiàn)象C．前者是光的色散現(xiàn)象，后者是光的干涉現(xiàn)象D．前者是光的干涉現(xiàn)象，后者是光的衍射現(xiàn)象17．圖是雙縫干涉的實(shí)驗(yàn)裝置，使用波長為600nm的橙色光照射，在光屏中心P點(diǎn)呈現(xiàn)亮條紋，在P點(diǎn)上方的P1點(diǎn)到S1、S2的路程差恰為λ，現(xiàn)改用波長為400nm的紫光照射，則（B）A．P和P1都呈現(xiàn)亮條紋B．P為亮條紋，P1為暗條紋C．P為暗條紋，P1