第四章 光 知识清单-2024-2025学年高二上学期物理人教版（2019）选择性必修第一册

高中物理知识点 选修一 第四章 光 ◆内容框架 ◆必须掌握的知识 一、光的折射 1.光的反射和折射 （1）光的反射： 光从第1种介质射到该介质与第2种介质的分界面时，一部分光会返回到第1种介质，这个现象叫作光的反射。 （2）反射定律： ①反射光线与人射光线、法线在同一平面内，反射光线和入射光线分别位于法线的两侧；反射角等于人射角，即，如图； ②三线共面，两线分居，角度相等。 （3）光的折射： ①光从第1种介质射到该介质与第2种介质的分界面时，一部分光会进入第2种介质，这个现象叫作光的折射，如图2所示。图中人射光线与法线间的夹角，叫入射角,折射光线与法线间的夹角叫折射角。 ②三线共面，两线分居，角度不等。 2.折射定律 （1）内容： 折射光线与人射光线、法线处在同一平面内，折射光线与人射光线分别位于法线的两侧；人射角的正弦与折射角的正弦成正比。 （2）公式： （3）对折射率概念的理解： 3.折射率 （1）定义： 光从真空射人某种介质发生折射时，人射角的正弦与折射角的正弦之比，叫作这种介质的绝对折射率，简称折射率，即 （2）折射率与光速的关系： ，其中表示光在真空中的传播速度，表示光在这种介质中的传播速度，由于，所以。 4.对折射率的理解 （1）公式中，不论是光从真空射人介质，还是从介质射人真空，总是真空中的光线与法线间的夹角，总是介质中的光线与法线间的夹角。 （2）折射率由介质本身性质决定，与人射角的大小无关。 （3）折射率与介质的密度没有关系，光密介质不是指密度大的介质，光疏介质也不是指密度小的介质。 （4）折射率的大小不仅与介质本身有关，还与光的频率有关，同一种介质中，频率越大的色光折射率越大，传播速度越小。 （5）折射率的大小不仅反映了介质对光的折射本领，也反映了光在介质中传播速度的大小 。 （6）光从一种介质进入另一种介质时，频率不变，波速改变，波长改变，。 5.实验 测量玻璃的折射率 （1）注意事项： ①实验时，将大头针尽可能竖直地插在木板上，并且使A与B之间、C与D之间距离适当大一些，这样可以减小确定光路方向时的误差。 ②入射角应适当大一些，以减小测量角度的误差，但入射角不宜太大，太大会导致反射光太强、折射光太弱，不易确定C、D的位置， ③在操作时，手不能触摸玻璃砖的光洁光学面，更不能把玻璃砖当尺子画界线。 ④在实验过程中，玻璃砖与白纸的相对位置不能改变。 （2）出差分析： ①确定人射光线和出射光线时产生误差，故入射侧、出射侧所插两枚大头针间距离宜大些； ②测量人射角与折射角时产生误差，故入射角不宜过小，但也不宜过大，过大则反射光较强，出射光较弱。 二、全反射 1.光密介质和光疏介质 （1）定义： 对于折射率不同的两种介质，我们把折射率较大的称为光密介质，折射率较小的称为光疏介质。 （2）特点： ①光由光疏介质射入光密介质时，折射角小于人射角；光由光密介质射入光疏介质时，折射角大于人射角； ②光在光疏介质中的传播速度大于光在光密介质中的传播速度。 2.全反射 （1）定义： 当光从光密介质射人光疏介质时，同时发生折射和反射。如果人射角逐渐增大，折射光离法线会越来越远，而且越来越弱，反射光却越来越强。当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光完全消失，只剩下反射光，这种现象叫作全反射。 （2）临界点： ①定义：折射角为 90°时的入射角叫作全反射的临界角； ②公式：光从介质斜射人空气(真空)时,发生全反射的临界角与介质的折射率的关系是。 （3）发生全反射的条件： ①光由光密介质射向光疏介质； ②人射角大于或等于临界角。 （4）对全反射的理解： ①光密介质和光疏介质是相对而言的，同一种介质，相对于其他不同的介质，可能是光密介质，也可能是光疏介质； ②如果光线从光疏介质进入光密介质，则无论入射角多大，都不会发生全反射现象； ③在全反射现象中，遵循光的反射定律，光路均是可逆的； ④当光射到两种介质的界面上时，往往同时发生光的折射和反射现象，但在全反射现象中，只发生反射，不发生折射。 3.全反射棱镜 （1）定义： 截面为等腰直角三角形的棱镜叫作全反射棱镜。 （2）作用： 全反射棱镜可以改变光路。 （3）优点： 反射率高，几乎可达 100%。 4.光导纤维 （1）原理： 光导纤维由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。 （2）光纤通信的优点： 传输容量大、衰减小、抗干扰性及保密性强等。 三、光的干涉 1.光的双缝干涉 （1）光的干涉现象： 频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两列光波相叠加，某些区域的光被加强，某些区域的光被减弱，并且光被加强和减弱的区域相互间隔的现象叫作光的干涉现象。 （2）光产生干涉现象的条件： 两列光频率相同，相位差恒定，振动方向相同。 2.杨氏双缝干涉实验 （1）原理图： （2）相干光源的获取： 将单缝射出的光波通过双缝分为两列光波。 （3）产生明、暗条纹的条件： 设光波的波长为，屏上某点到两缝的路程差为，则时，两列光波传到时相互加强，出现亮条纹。时，两列光波传到时相互削弱，出现暗条纹。 （4）双缝干涉图样的特点： ①中央为亮条纹。两边是明暗相间的条纹。且亮条纹与亮条纹间、暗条纹与暗条纹间的距离相等； ②条纹间距：，其中为两缝间的距离, 为缝到屏的距离， 为光的波长； ③若用白光做光源，干涉条纹是彩色条纹，中央亮纹是白色的。 （5）双缝干涉亮、暗条纹的判断： ①光源、发出的光到屏上某点的路程差为波长的整数倍时，光屏上出现亮条纹； ②光的路程差是半波长的奇数倍时，光屏上出现暗条纹。 （6）双缝干涉条纹间距： 相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距是，其中是双缝到光屏的距离， 是双缝间的距离， 是光波的波长。 3.薄膜干涉 （1）相干光源的获取： 如图所示，竖直放置的肥皂液膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形，光照射到薄膜上时，被膜的前表面和后表面分别反射回来，形成两列频率相同的光波，即为相干光源。 （2）薄膜干涉的原理： 光照在厚度不同的薄膜上时，在薄膜的不同位置，前、后两个面的反射光的路程差不同，在某些位置两列波叠加后相互加强，于是出现亮条纹；在另一些位置，两列波相遇后相互削弱,于是出现暗条纹。 4.光的干涉的应用 （1）干涉法检查平面： 如图所示，将被检查平面和放在上面的透明标准样板的一端垫一薄片，使标准样板和被检查平面间形成一个楔形空气薄层，单色光从上面照射，人射光在空气层的上、下表面反射出的两列光波发生干涉根据干涉条纹的形状来确定零件的表面情况。 （2）镜片增透膜： 在光学元件(透镜、棱镜)的表面涂一层薄膜，当薄膜的厚度是光在薄膜中波长的时，在薄膜的两个面上的反射光的光程差恰好等于半波长，因而相互抵消，起到减小反射光、增大透射光强度的作用。 四、实验 利用光的双缝干涉测量光的波长 1.实验原理 由得。 单缝：作为线光源。 双缝：作为两个相干光源。 滤光片：装在单缝前，使光成为单色光。 毛玻璃屏：在屏上观察干涉条纹。 透镜：使射向单缝的光更集中。 为了减小测量误差，可测多个亮条纹间的距离，再求出相邻两个条纹间的距离(累计法)。例如，可测出第1个亮条纹和第个亮条纹的距离，再求出相邻两个亮条纹间的距离： 2.注意事项 （1）放置单缝和双缝时，必须使缝平行。干涉条纹不清晰一般是因为单缝与双缝不平行。 （2）要保证光源、滤光片、单缝、双缝和光屏的中心在同一条轴线上。 （3）测量头中的分划板中心刻线与干涉条纹不平行，可转动测量头解决。 3.误差分析 （1）测量双缝到屏的距离存在误差。 （2）测条纹间距存在误差 ①干涉条纹没有调整到最清晰的程度； ②分划板刻线与干涉条纹不平行，中心刻线没有恰好位于条纹中心； ③测量多条明条纹间的距离时读数不准确。 五、光的衍射 1.光的衍射 （1）光的衍射现象 当光照射狭缝时，光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方，这就是光的衍射现象。 （2）光发生明显衍射现象的条件 障碍物或缝的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还小。 （3）衍射图样 ①单缝衍射：中央为亮条纹，两侧有明暗相间的条纹，但间距和亮度不同。白光衍射时，中央仍为白光，最靠近中央的是紫光，最远离中央的是红光； ②圆孔衍射：明暗相间的不等距圆环； ③泊松亮斑：光照射到一个半径很小的圆板上，在圆板的阴影中心出现的亮斑，这是光的波动说的有力证据之一。 2.单缝衍射 （1）明暗相间条纹. （2）缝窄波长更明显(条纹间距更大)。 （3）单缝衍射和双缝干涉区别：单缝衍射中央亮纹更宽、更亮，亮纹不等距，双缝干涉亮纹等距。 3.圆孔衍射 中央亮斑+同心圆亮纹 4.圆盘衍射 中央小亮斑(泊松亮斑)+同心圆亮纹 5.衍射光栅 （1）分类： 投射光栅、衍射光栅。 （2）应用： 光盘彩色条纹、羽毛彩色条纹。 6.单缝衍射与双缝干涉的比较 项目 单缝衍射 双缝干涉 不同点 条纹宽度 条纹宽度不等,中央最宽 条纹宽度相等 条纹间距 各相邻条纹间距不等 各相邻条纹等间距 亮度情况 中央条纹最亮,两边变暗 条纹清晰，亮度基本相同 相同点 干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹 7.三种不同的衍射现象的特点 （1）单缝衍射图样的四个特点： ①中央条纹亮而宽； ②两侧亮条纹具有对称性，亮条纹宽度逐渐变窄，亮度逐渐减弱； ③波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，条纹间距大；单缝不变时，光波波长大的中央条纹宽，条纹间距大； ④白光的单缝衍射条纹中央为白色亮条纹，两侧为彩色条纹，且外侧呈红色，靠近白色亮条纹的内侧为紫色。 （2）圆孔衍射图样的两个特点： ①单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮度大，外面是明暗相间的不等距的圆环越向外，亮环亮度越低； ②白光的圆孔衍射图样中央亮圆为白色，周围是彩色圆环。 （3）泊松亮斑图样的特点： 圆形阴影中心有一亮斑，圆形阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环，与小孔衍射图样有明显区别。 六、光的偏振 1.偏振 （1）偏振现象： 在横波中，各点的振动方向总与波的传播方向垂直。但不同的横波，即使传播方向相同，振动方向也可能是不同的，这个现象称为偏振现象。 （2）偏振方向： 横波的振动方向称为偏振方向。 （3）狭缝对横波、纵波的影响： ①若机械波是横波，当质点的振动方向与狭缝平行时，机械波能通过狭缝，如图甲所示；反之，则不能通过，如图乙所示。 ②对纵波而言，无论狭缝的取向如何，纵波总能通过，如图丙所示。 2.光的偏振 （1）偏振片： 由特定材料制成，每个偏振片都有一个特定的方向，沿着这个方向振动的光波能顺利通过偏振片，偏振方向与这个方向垂直的光不能通过，这个方向叫作“透振方向”。 （2）自然光： 太阳以及日光灯、发光二极管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，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光是自然光。 （3）偏振光： 在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定方向振动的光叫作偏振光。光的偏振现象证明光是横波。 （4）观察光的偏振现象： 通过两个共轴的偏振片观察自然光，第一个偏振片的作用是把自然光变成偏振光，叫作起偏器，第二个偏振片的作用是检验光是否是偏振光，叫作检偏器。 （5）偏振现象的应用： 摄影师在拍摄池中的游鱼、玻璃橱窗里的陈列物时，由于水面和玻璃表面的反射光的干扰，景象会不清楚，如果在照相机镜头前装一片偏振滤光片，转动滤光片，让它的透振方向与水面和玻璃表面的反射光的偏振方向垂直，就可以减弱反射光而使水下和玻璃后的景象清晰。 3.激光的特点及其应用 （1）激光： 频率相同、相位差恒定、振动方向一致的光波。 （2）特点： ①“纯净”：激光的频率相同、相位差恒定、振动方向一致，在实际应用中带来很多方便，如可以更好地完成干涉和衍射实验，广泛地应用于科学研究和生产生活中； ②平行度非常好：激光在传播很远距离后仍能保持一定的强度，可以用来进行精确地测距； ③亮度很高：激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。因此，工业上可以用激光切割、焊接、打孔,医学上可以用激光做“光刀”； ④激光能像无线电波那样被调制，用来传递信息，光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物。 学科网（北京）股份有限公司 $$