粤教版高中物理选择性必修第一册第4章光及其应用章末综合提升学案

第4章 光及其应用

①光密　②光疏　③临界角　④全反射　⑤小　⑥差不多　⑦小孔　⑧单缝　⑨泊松　⑩　⑪单色光　⑫频率　⑬相位差

主题1　光的折射和全反射

1．正确、灵活地理解、应用折射率公式

教材中给出的折射率公式为n＝(i为真空中的入射角，r为某介质中的折射角)．根据光路可逆原理，入射角、折射角是可以随光路的逆向而“换位”的．我们可以这样来理解、记忆：n＝⇒＝．

2．对临界角的理解

光线从介质进入真空或空气，r＝90°时，发生全反射，此时的入射角i(介)叫临界角C．则＝＝sin C．

【典例1】　如图所示，△ABC为一直角三棱镜的横截面，其顶角α＝30°，P为垂直于直线BCO的光屏，现有一宽度为H＝AB的单色平行光束垂直射向AB面，结果在光屏上形成一条宽为的光带，BO＝H．

(1)求出射光的偏折角；

(2)求介质的折射率．

[解析]　(1)AC面上的入射角θ1＝α＝30°，D点为PO的中点，即光屏上光带的最高点，延长AD交BCO的延长线于E点，由几何知识可知BO＝OE＝H，OD＝，tan ∠OED＝＝，由数学关系可知折射角θ2＝60°，所以偏折角为30°．

(2)n＝＝1.732．

[答案]　(1)30°　(2)1.732

解答全反射类问题的技巧

(1)光必须从光密介质射入光疏介质．

(2)入射角大于或等于临界角．

(3)利用好光路图中的临界光线，准确地判断出恰好发生全反射的光路图是解题的关键，且在作光路图时尽量与实际相符，这样更有利于问题的分析．

主题2　测介质的折射率

1．测玻璃的折射率

插针法：运用光在玻璃两个界面处的折射．

如图所示为两面平行的玻璃砖对光路的侧移．用插针法找出与入射光线AO对应的出射光线O′B，确定出O′点，画出折射光线OO′，量出入射角i和折射角r，据n＝计算出玻璃的折射率．

2．测水的折射率

(1)成像法．

原理：利用水面的反射成像和水的折射成像．

方法：如图所示，在一盛满水的烧杯中，紧挨杯口竖直插入一直尺，在直尺的对面观察水面，能同时看到直尺在水中的部分和露出水面部分的像，若从点P看到直尺在水下最低点的刻度B的像B′(折射成像)恰好跟直尺在水面上刻度A的像A′(反射成像)重合，读出AC、BC的长，量出烧杯内径d，即可求出水的折射率为

n＝．

(2)插针法．

原理：光的折射定律．

方法：如图所示，取一方木板，在板上画出互相垂直的两条线AB、MN，从它们的交点O处画直线OP(使∠PON＜45°)，在直线OP上P、Q两点垂直地插两枚大头针．把木板放入水中，使AB与水面相平，MN与水面垂直．在水面上观察，调整视线使P的像被Q的像挡住，再在木板S、T处各插一枚大头针，使S挡住Q、P的像，T挡住S及Q、P的像．从水中取出木板，画出直线ST，量出图中的角i、r，则水的折射率n＝．

(3)视深法．

原理：利用视深公式h′＝．

方法：在一盛水的烧杯底部放一粒绿豆，在水面上方吊一根针，如图所示．调节针的位置，直到针尖在水中的像与看到的绿豆重合，测出针尖距水面的距离即为杯中水的视深h′，再测出水的实际深度h，则水的折射率n＝．

(4)全反射法．

原理：全反射现象．

方法：在一盛满水的大玻璃缸下面放一发光电珠，如图所示．

在水面上观察，看到一圆形的发光面，量出发光面直径D及水深h，则水的折射率n＝．

【典例2】　如图甲所示，某同学在“测定玻璃的折射率”的实验中，先将白纸平铺在木板上并用图钉固定，玻璃砖平放在白纸上，然后在白纸上确定玻璃砖的界面aa′和bb′．O为直线AO与aa′的交点．在直线OA上竖直地插上P1、P2两枚大头针．

甲　　　　　乙　　　　　　　丙

(1)该同学接下来要完成的必要步骤有________．

A．插上大头针P3，使P3仅挡住P2的像

B．插上大头针P3，使P3挡住P1的像和P2的像

C．插上大头针P4，使P4仅挡住P3

D．插上大头针P4，使P4挡住P3和P1、P2的像

(2)过P3、P4作直线交bb′于O′，过O′作垂直于bb′的直线NN′，连接OO′．测量图中角α和β的大小．则玻璃砖的折射率n＝________．

(3)如图乙所示，该同学在实验中将玻璃砖界面aa′和bb′的间距画得过宽．若其他操作正确，则折射率的测量值________准确值(选填“大于”“小于”或“等于”)．

(4)另一位同学准确地画好玻璃砖界面aa′和bb′后，实验过程中不慎将玻璃砖向下平移了一些．如图丙所示，若其他操作均正确，则折射率的测量值________准确值(选填“大于”“小于”或“等于”)．

[解析]　(1)该同学接下来要完成的必要步骤有：确定P3大头针的位置的方法是插上大头针P3，使P3能挡住P1、P2的像．确定P4大头针的位置的方法是大头针P4能挡住P3和P1、P2的像．故该同学接下来要完成的必要步骤有：BD．

(2)根据折射定律得：玻璃砖的折射率为n＝．

(3)将玻璃砖界面aa′和bb′的间距画得过宽但仍平行，而其他操作正确，导致α角偏大，由于n＝，故折射率的测量值将偏小．

(4)如图所示，虚线表示将玻璃砖向下平移后实际的光路图，而实线是作图时所采用的光路图，通过比较发现，入射角和折射角没有变化，则由折射定律得知，该同学测得的折射率将不变．

[答案]　(1)BD　(2)　(3)小于　(4)等于

主题3　光的干涉与衍射的比较

【典例3】　(多选)用激光做单缝衍射实验和双缝干涉实验，比普通光源效果更好，图像更清晰．如果将感光元件置于光屏上，则不仅能在光屏上看到彩色条纹，还能通过感光元件中的信号转换，在电脑上看到光强的分布情况．下列说法正确的是(　　)

A．当做单缝实验时，光强分布图如乙所示

B．当做单缝实验时，光强分布图如丙所示

C．当做双缝实验时，光强分布图如乙所示

D．当做双缝实验时，光强分布图如丙所示

AD　[当做单缝实验时，中间是亮条纹，往两侧条纹亮度逐渐降低，且亮条纹的宽度不等，所以其光强分布图如乙所示，A项正确，B项错误；当做双缝实验时，在屏上呈现的是宽度相等的亮条纹，所以其光强分布图如丙所示，C项错误，D项正确．]

如何分析干涉、衍射图样

在分析干涉、衍射图样时，主要注意图样条纹宽度的情况：若条纹宽度相等，则是干涉条纹，若中间条纹最宽，两边越来越窄，则是衍射条纹．

制造美丽的肥皂泡

首先用铁丝做成一个大环，接着用大容器盛满肥皂水，大环放进容器中，沾满肥皂水后提出来，小心别让肥皂薄膜破了．慢慢地挥动铁环，让风力将肥皂水膜鼓胀为大肥皂泡泡．最好在肥皂水中添加少许淀粉或糖浆、蛋白、汽油等来强化肥皂水膜．如果没有大铁环，可以找来吸管，蘸上肥皂水也可以吹出泡泡来．

[设问探究]

1．肥皂泡上的五颜六色是光的色散吗？为什么？

2．用铁环粘上肥皂液，用白炽灯光照射，从反射光的方向去看，呈现如图所示的现象，最上部是较宽的黑色条纹，其下是若干彩色条纹图．

讨论：为什么肥皂膜最上面的区域都是黑色的？

提示：

1．不是光的色散，而是薄膜干涉形成的，由于重力的作用，肥皂泡膜上面的薄，下面的厚，前后表面的反射光干涉形成彩色条纹．

2．由于重力作用，肥皂液逐渐向下流动，形成上薄下厚的形状，上部的肥皂膜变得越来越薄，当厚度小于所有可见光的波长的时，从膜的前表面反射回来的光和从后表面反射回来的光的光程差总小于波长，叠加的结果都不会达到加强，而且两个表面反射回来的光的能量与透射光的能量相比都很小，所以看起来是黑色．

[深度思考]

(多选)如图所示是一竖立的肥皂液薄膜的横截面，关于在竖直放置的肥皂膜上产生的干涉现象下列说法正确的是(　　)

A．薄膜上干涉条纹基本上是水平的

B．用蓝光照射产生的干涉条纹间距比黄光照射时产生的条纹间距窄

C．干涉条纹间的暗纹是由于膜前后表面两反射光叠加减弱产生的

D．从右侧向左看，可以看到干涉条纹

ABC　[薄膜干涉是等厚干涉，同一条纹厚度相同，故条纹是水平的，故A正确；条纹间距与光的波长成正比，由于蓝光波长短，故蓝光条纹间距小，故B正确；由于重力的作用，肥皂膜形成了上薄下厚的薄膜，干涉条纹的产生是由于光线在薄膜前后两表面反射形成的两列光波的叠加，干涉条纹间的暗纹是由于膜前后表面两反射光叠加减弱产生的，选项C正确；前后表面的反射光在前表面发生叠加，所以在薄膜的左侧出现条纹，从右侧向左看，不可以看到干涉条纹，选项D错误．]

[素养点评]　

生活中经常看见小孩子玩吹肥皂泡的游戏，肥皂泡漂浮在空气中，在阳光下呈现彩虹般的五颜六色，其中的道理就是物理中的薄膜干涉，通过学习薄膜干涉，理解了肥皂泡呈彩色的原因，通过对生活现象的物理分析，培养学生学习物理的兴趣．