高二物理光学.doc

高二物理光学
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一、主要内容
本章内容包括光的直线传播、棱镜、光的色散、光的反射、光的折射、法线、折射率、全反射、临界角、透镜(凸、凹)的焦点及焦距、光的干涉、光的衍射、光谱、红外线、紫外线、X射线、y射线、电磁波谱、光电子、光子、光电效应、等基本概念,以及反射定律、折射定律、透镜成像公式、放大率计算式,光的波粒二象性等基本规律,还有光本性学说的发展简史。
二、基本方法
本章涉及到的方法有:运用光路作图法理解平面镜、凸透镜、凹透镜等的成像原理,并能运用作图法解题;根据透镜成像规律,运用逻辑推理的方法判断物象变化情况。
三、错解分析
在本章知识应用的过程中,初学者常犯的错误主要表现在:解题操作过程不规范导致计算错误;将几何光学与物理光学综合时概念不准确;不善于用光路图对动态过程作分析。
例1? 波长为0.65μm的红光,从空气射入水中,水相对空气的折射率为1.33。求该光在水中的波长,并判断在水中该光的颜色。
【错解】
得波长0.49μm的光是蓝色。
【错解原因】
上述求得光在水中的波长为0.49μm是正确的,但用光谱表查得光的颜色却错了。人眼对光的色觉决定于光的频率而不是波长。
【分析解答】
当光从一种媒质进入另一种媒质时,波长变化了,波速也相应变化了,但它的频率却不变。所以在水中该光仍是红色。
【评析】
物理规律的因果关系是有条件的,记忆规律时应该首先弄清规律成立的条件。凡是波,无论是机械波还是电磁波,只要振源的频率不变,波的频率就不变。
例2? 一束白光从玻璃里射入稀薄空气中,已知玻璃的折射率为1.53,求入射角为下列两种情况时,光线的折射角各为多少?
(1)入射角为50”
(2)入射角为30°
【错解】
r=30°3′
r=19°4′
【错解原因】
此解法中没有先分析判断光线是从光疏媒质进入光密媒质,还是从光密媒质进入光疏媒质,会不会发生全反射。而是死套公式,引起错误。
【分析解答】
光线由玻璃里射入空气中,是由光密媒质射入光疏媒质,其临界角为
由已知条件知,当i=50°时,i>A,所以光线将发生全反射,不能进入空气中。当i=30°时,isinr=n·sini=1.53×sin30°=0.765
r= 49°54′
【评析】
解光的折射现象的题目时,首先应做出判断:光线是从光疏媒质进入光密媒质,还是光线是从光密媒质进入光疏媒质。如是前者则i>r,如是后者则i例3? 光从玻璃射入空气里时传播方向如图13-l所示,请在图中标出入射角和折射角。
【错解】
如图 13-2所示,α为入射角,β为折射角。
【错解原因】
错解原因一是受思维定势的影响,不加分析地认定玻璃与空气总是上下接触的;二是对光的折射及其规律未吃透,将题设文字条件与图形条件结合起来的分析能力差。根据光的折射规律,光从水或玻璃等透明物质射入空气里时,折射角大于入射角,题设文字条件是“从玻璃射入空气”,因此折射角大于入射角,再结合题设所给图形,可知CD为界面,AB为法线。
【分析解答】
如图? 13-3所示, α′为入射角, β′折射角(CD左面为玻璃,右面为空气)。
【评析】
解光的折射现象的题目,首先应对光线是从光疏媒质进入光密媒质呢?还是光线是从光密媒质进入光疏媒质作出判断。为了保证你每次做题时,能够不忘判断,建议同学们做光的折射题时,先画出光路图,标出入射光线和出射光线的方向,在界面处标出哪一个是光密媒质,哪一个是光疏媒质。然后再解题。
例4? 如图13-4所示,放在空气中折射率为n的平行玻璃砖,表面M和N平行,P,Q两个面相互平行且与M,N垂直。一束光射到表面M上(光束不与M平行),则:
A.如果入射角大于临界角,光在表面M发生全反射。
B.无论入射角多大,光在表面M都不会发生全反射。
C.光可能在表面N发生全反射。
D.由于M与N平行,光只要通过M就不可能在表面N发生全反射。
【错解】
光束从空气中射到玻璃砖表面M上,是由光疏媒质到光密媒质,不可能发生全反射,而从表面N射出空气,是由光密媒质到光疏媒质,光可能发生全反射,故选B,C。
【错解原因】
机械地记住光从光密媒质到光疏媒质,可能发生全反射,而不具体分析光通过表面M后射到N表面光线的入射角的大小是否大于临界角,而错选C。
【分析解答】
如图13-5所示,光射到表面M的入射角为i(i≠90°)折射角为r,
面N,因M∥N,故其入射角i′=r若光通过M先射到MN面再射到P面(如图13-6),同样可以证明经P面发生反射,反射光线射至N面时,由几何关系可以证明入射角i′=r,根据折射定律折射角r′=i,同样不可能发生全反射。故应选B,D。
【评析】
同一个初始条件可能有若干个不同结果。这是对考生思维能力的考查。本题中,当光线射到M上,发生折射。以A为分界点,入射点在AC之间,光线先要到达P界面,所以一定先要讨论光线在P界面上的行为。光线在P界面一定会发生反射现象,是否发生折射要看入射角是否大于临界角。由于此问题与本题无关所以可以不讨论它。如果试题提出光线在P界面的行为时,就要认真讨论。结论是:入射到M面光线的入
例5:如图13-7所示,有一长方形的玻璃砖,内有一个凸型空气泡,某学生用这个玻璃砖来做光学实验。当一平行光束通过玻璃砖时,光在空气泡中发生的现象是:
A.这一平行光束在空气泡中将不改变原来的方向。
B.这一平行光束在空气泡中将发生会聚。
C.这一平行光束在空气泡中将发生发散。
D.无法确定。
【错解】
不少学生看里面是一个凸型气泡,认为光线经过的是凸透镜,故最终成为一束会聚光线,应选B。
【错解原因】
对透镜的作用不清楚,而是简单地由镜子的形状来判断它对光线的作用种类,认为凸型空气泡与平时用的玻璃凸透镜形状一样.便认为空气泡透镜对光线的作用与玻璃透镜的作用效果相同。
【分析解答】
设想在图13-7中,沿AB方向把玻璃砖等分为二,即成为图13-8中情形,显然该束光经过的是一凹透镜。由光学知识可知,凹透镜对光线有发散作用,则平行光束在空气泡中将发生发散,故应选C。
【评析】
更基本的方法是画一条入射光线到空气透镜的前表面,用作图法来判断光线经过透镜之后的行为。光线从玻璃进入空气,由光密媒质进入光疏媒质,折射角大于入射角,折射光线远离法线,出射光线是发散的。可见“凸透镜对光线的作用是会聚的”这个结论是有条件的。条件是透镜材料的折射率大于周围环境的折射率。
例6:如图13-9,P为发光点,MN为平面镜,那么在MN与P之间放上不透明挡板Q后,像的亮度变化情况是__________(填“变亮”或“变暗”或“不变”)。
【错解】
在MN与P之间放上不透明挡板Q后,必然会使从P点发出的光被挡板挡住部分,所以像的亮度会变暗。
【错解原因】
选错的同学是将此类问题与在发光点S与透镜之间放一挡板的情况混为一谈了。若是凸透镜,如图13-10,发光点S发出并且到达凸透镜上的那部分光线,经折射后必然全部相交于实像点S1,而当如图13-11所示的凸透镜下半部分(或其上任何一部分)放上挡板B后,S发出并且到达挡板B的光线就会被反射和吸收不能透过凸透镜经折射到达实像点S2,使得相交于S2像点的光线大大减少了,显然由于放上了B,S2点变暗了,而平面镜则不同了。
【分析解答】
所不同的是,图13-12中发光点P在平面镜中所成的是虚像点P'。眼睛