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§12-2物理光学
知识网络：
物理光学
光的本性学说发展史
光的波粒二象性
粒子性――光电效应
微粒说（牛顿）
波动说（惠更斯）
电磁说（麦克斯韦）
光子说（爱因斯坦）
光的波粒二象说
光的干涉
波动性
光的衍射
一、光的波动性
1．光的干涉
光的干涉的条件是有两个振动情况总是相同的波源，即相干波源。（相干波源的频率必须相同）。形成相干波源的方法有两种：
a.利用激光（因为激光发出的是单色性极好的光）。
b.设法将同一束光分为两束（这样两束光都来源于同一个光源，因此频率必然相等）。下面4个图分别是利用双缝、利用楔形薄膜、利用空气膜、利用平面镜形成相干光源的示意图。
S
S /
b
d
a
c
S
S1
S2
干涉区域内产生的亮、暗纹
⑴亮纹：屏上某点到双缝的光程差等于波长的整数倍，即Δr = nλ（n=0，1，2，……）
⑵暗纹：屏上某点到双缝的光程差等于半波长的奇数倍，即Δr=（n=0，1，2，……）
（1）.双缝干涉实验
1801年，（英）托马斯·杨
单色光 单孔屏 双孔屏 接收屏
相邻亮纹（暗纹）间的距离。用此公式可以测定单色光的波长。用白光作双缝干涉实验时，由于白光内各种色光的波长不同，干涉条纹间距不同，所以屏的中央是白色亮纹，两边出现彩色条纹。
例1.用绿光做双缝干涉实验，在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹，相邻两条绿条纹间的距离为Δx。下列说法中正确的有
A.如果增大单缝到双缝间的距离，Δx 将增大
B.如果增大双缝之间的距离，Δx 将增大
C.如果增大双缝到光屏之间的距离，Δx将增大
D.如果减小双缝的每条缝的宽度，而不改变双缝间的距离，Δx将增大
解：公式中l表示双缝到屏的距离，d表示双缝之间的距离。因此Δx与单缝到双缝间的距离无关，于缝本身的宽度也无关。本题选C。
例2（2012福建卷）（6分）在“用双缝干涉测光的波长”实验中（实验装置如图）：
①下列说法哪一个是错误的_______。（填选项前的字母）
A．调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在屏中心时，应放上单缝和双缝
B．测量某条干涉亮纹位置时，应使测微目镜分划中心刻线与该亮纹的中心对齐
C．为了减少测量误差，可用测微目镜测出n条亮纹间的距离a，求出相邻两条亮纹间距
②测量某亮纹位置时，手轮上的示数如右图，其示数为___mm。
答案：①A ②1.970
例3（2012上海卷）．下图为红光或紫光通过双缝或单缝所呈现的图样，则（ ）
（A）甲为紫光的干涉图样 （B）乙为紫光的干涉图样
（C）丙为红光的干涉图样 （D）丁为红光的干涉图样
答案： B
例5(2012全国理综).在双缝干涉实验中，某同学用黄光作为入射光，为了增大干涉条纹的间距，该同学可以采用的方法有
A.改用红光作为入射光
B.改用蓝光作为入射光
C.增大双缝到屏的距离
D.增大双缝之间的距离
【解析】根据，红光比黄光波长大，所以A正确；增大双缝到屏的距离即增大L，所以C正确。
【答案】AC
例6（2012江苏卷）．（1）如图12B-1图所示，白炽灯的右侧依次放置偏振片P和Q，A点位于P、Q之间，B点位于Q右侧，旋转偏振片P，A、B两点光的强度变化情况是_________
A．A、B均不变
B．A、B均有变化
C．A不变，B有变化
D．A有变化，B不变
白炽灯光为自然光，经过P后为偏振光。
【答案】（1）C
例7（2011北京第14题）．如图所示的双缝干涉实验，用绿光照射单缝S时，在光屏P上观察到干涉条纹。要得到相邻条纹间距更大的干涉图样，可以
A．增大S1与S2的间距
B．减小双缝屏到光屏的距离
C．将绿光换为红光
D．将绿光换为紫光
答案：C
（2）薄膜干涉
a.查平面的平整程度
单色光入射，a的下表面与b的上表面反射光叠加，出现明暗相间的条纹 ，如果被检查的平面是平的，那么空气厚度相同的各点就位于同一条直线上，干涉后得到的是直条纹，否则条纹弯曲。
7-1右图所示是用干涉法检查某块厚玻璃的上表面是否平整的装置，检查中所观察到的干涉条纹如图乙所示，则 ( )
A.产生干涉的两列光波分别是由a的上表面和b的下表面反射的
B.产生干涉的两列光波分别是由a的下表面和b的上表面反射的
C.被检查的玻璃表面有凸起
D.被检查的玻璃表面有凹陷
BD
b.增透膜
膜的厚度为入射光在薄膜中波长的1/4倍时，从薄膜的两个面反射的波相遇，峰谷叠加，反射减，抵消黄、绿光，镜头呈淡紫色。
例8.登山运动员在登雪山时要注意防止紫外线的过度照射，尤其是眼睛更不能长时间被紫外线照射，否则将会严重地损坏视力。有人想利用薄膜干涉的原理设计一种能大大减小紫外线对眼睛的伤害的眼镜。他选用的薄膜材料的折射率为n=1.5，所要消除的紫外线的频率为8.1×1014Hz，那么它设计的这种“增反膜”的厚度至少是多少？
解：为了减少进入眼睛的紫外线，应该使入射光分别从该膜的前后两个表面反射形成的光叠加后加强，因此光程差应该是波长的整数倍，因此膜的厚度至少是紫外线在膜中波长的1/2。紫外线在真空中的波长是λ=c/ν=3.7×10-7m，在膜中的波长是λ/=λ/n=2.47×10-7m，因此膜的厚度至少是1.2×10-7m。
3．衍射
a 单缝衍射 b 小孔衍射
光绕过直线路径到障碍物的阴影里去的现象，称光的衍射，其条纹称衍射条纹
注意关于衍射的表述一定要准确。（区分能否发生衍射和能否发生明显衍射）
⑴各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射。
⑵发生明显衍射的条件是：障碍物（或孔）的尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还小。
例9.平行光通过小孔得到的衍射图样和泊松亮斑比较，下列说法中正确的有
A.在衍射图样的中心都是亮斑
B.泊松亮斑中心亮点周围的暗环较宽
C.小孔衍射的衍射图样的中心是暗斑，泊松亮斑图样的中心是亮斑
D.小孔衍射的衍射图样中亮、暗条纹间的间距是均匀的，泊松亮斑图样中亮、暗条纹间的间距是不均匀的
解：从课本上的图片可以看出：A、B选项是正确的，C、D选项是错误的。
4．光的电磁说
⑴麦克斯韦根据电磁波与光在真空中的传播速度相同，提出光在本质上是一种电磁波——这就是光的电磁说，赫兹用实验证明了光的电磁说的正确性。
⑵电磁波谱。波长从大到小排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。各种电磁波中，除可见光以外，相邻两个波段间都有重叠。
各种电磁波的产生机理分别是：无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；伦琴射线是原子的内层电子受到激发后产生的；γ射线是原子核受到激发后产生的。
⑶各种电磁波的产生、特性及应用。
电磁波
产生机理
特 性
应 用
无线电波
LC电路中的周期性振荡
波动性强
无线技术
红外线
原子的最外层电子受激发后产生的
热作用显著，衍射性强
加热、高空摄影、红外遥感
可见光
引起视觉产生色彩效应
照明、摄影、光合作用
紫外线
化学、生理作用显著、能产生荧光效应
日光灯、医疗上杀菌消毒、治疗皮肤病、软骨病等
伦琴射线
原子的内层电子受激发后产生的
穿透本领很大
医疗透视、工业探伤
γ射线
原子核受激发后产生的
穿透本领最强
探伤；电离作用；对生物组织的物理、化学作用；医疗上杀菌消毒；
⑷实验证明：物体辐射出的电磁波中辐射最强的波长λm和物体温度T之间满足关系λm T = b（b为常数）。可见高温物体辐射出的电磁波频率较高。在宇宙学中，可以根据接收到的恒星发出的光的频率，分析其表面温度。
例10.为了转播火箭发射现场的实况，在发射场建立了发射台，用于发射广播电台和电视台两种信号。其中广播电台用的电磁波波长为550m，电视台用的电磁波波长为0.566m。为了不让发射场附近的小山挡住信号，需要在小山顶上建了一个转发站，用来转发_____信号，这是因为该信号的波长太______，不易发生明显衍射。
解：电磁波的波长越长越容易发生明显衍射，波长越短衍射越不明显，表现出直线传播性。这时就需要在山顶建转发站。因此本题的转发站一定是转发电视信号的，因为其波长太短。
E
K A
P Q
例11.右图是伦琴射线管的结构示意图。电源E给灯丝K加热，从而发射出热电子，热电子在K、A间的强电场作用下高速向对阴极A飞去。电子流打到A极表面，激发出高频电磁波，这就是X射线。下列说法中正确的有
A.P、Q间应接高压直流电，且Q接正极
B.P、Q间应接高压交流电
C.K、A间是高速电子流即阴极射线，从A发出的是X射线即一种高频电磁波
D.从A发出的X射线的频率和P、Q间的交流电的频率相同
解：K、A间的电场方向应该始终是向左的，所以P、Q间应接高压直流电，且Q接正极。从A发出的是X射线，其频率由光子能量大小决定。若P、Q间电压为U，则X射线的频率最高可达Ue/h。本题选AC。
5．光的偏振
⑴光的偏振也证明了光是一种波，而且是横波。各种电磁波中电场E的方向、磁场B的方向和电磁波的传播方向之间，两两互相垂直。
⑵光波的感光作用和生理作用主要是由电场强度E引起的，因此将E的振动称为光振动。
⑶自然光。太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含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，这种光叫自然光。
光振动垂
直于纸面
光振动
在纸面
⑷偏振光。自然光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，叫偏振光。自然光射到两种介质的界面上，如果光的入射方向合适，使反射和折射光之间的夹角恰好是90°，这时，反射光和折射光就都是偏振光，且它们的偏振方向互相垂直。我们通常看到的绝大多数光都是偏振光。
例12.有关偏振和偏振光的下列说法中正确的有
A.只有电磁波才能发生偏振，机械波不能发生偏振
B.只有横波能发生偏振，纵波不能发生偏振
C.自然界不存在偏振光，自然光只有通过偏振片才能变为偏振光
D.除了从光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光都是偏振光
解：机械能中的横波能发生偏振。自然光不一定非要通过偏振片才能变为偏振光。本题应选BD。
二、光的波粒二象性
1.黑体辐射的实验规律
（1）黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体叫黑体。
（2）黑体辐射的实验规律：随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加的同时，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
例13(江苏12C)(1)下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射规律的是
A
2.光的粒子性---光电效应
（1）实验规律：
（2）爱因斯坦对光电效应的解释
a．只有光子的能量hν ≥W才会有光电效应发生。极限频率v0=W/h。不同金属极限频率不同
b．一个光电子一次只能吸收一个光子的能量，且能量不能积累，光电子的最大初动能
（）只与入射光的频率有关，与入射光的光强无关。
c．光电效应的发生是瞬间完成的t＜10-9s
（3）入射光强越强则饱和电流I越大。入射光的频率越高则截止电压U越大 eU=Ek
例14. (1)研究光电效应的电路如图所示.用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K),钠极板发射出的光电子被阳极A吸收,在电路中形成光电流.下列光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图象中,正确的是________.
(2)钠金属中的电子吸收光子的能量,从金属表面逸出,这就是光电子.光电子从金属表面逸出的过程中,其动量的大小________(选填“增大”“减小”或“不变”)，原因是______________________________________________.
(3)已知氢原子处在第一、第二激发态的能级分别为-3.40 eV和-1.51 eV,金属钠的截止频率为5.53×1014Hz,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s.请通过计算判断,氢原子从第二激发态跃迁到第一激发态过程中发出的光照射金属钠板,能否发生光电效应.
答案:(1)C (2)减小 光电子受到金属表面层中力的阻碍作用(或需要克服逸出功)
(3)不能.原因略
例15.(2011全国理综35选修3-5】（1）在光电效应试验中，某金属的截止频率相应的波长为，该金属的逸出功为______。若用波长为（<0）单色光做实验，则其截止电压为______。已知电子的电荷量，真空中的光速和布朗克常量分别为e，c和h
）由和得
由爱因斯坦质能方程和得
例16（12年海南）（1）(4分)产生光电效应时，关于逸出光电子的最大初动能Ek，下列说法正确的是 （填入正确选项前的字母。选对1个给2分，选对2个给3分，选对3个给4分；每选错1个扣2分，最低得分为0分）
A．对于同种金属，Ek与照射光的强度无关
B．对于同种金属，Ek与照射光的波长成反比
C．对于同种金属，Ek与光照射的时间成正比
D．对于同种金属，Ek与照射光的频率成线性关系
E．对于不同种金属，若照射光频率不变，Ek与金属的逸出功成线性关系
ADE
例17（2011上海第3题）．用一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应，可能使该金属产生光电效应的措施是
(A)改用频率更小的紫外线照射 (B)改用X射线照射
(C)改用强度更大的原紫外线照射 (D)延长原紫外线的照射时间
答案：B
例18.光电效应实验中，下列表述正确的是
A.光照时间越长光电流越大
B.入射光足够强就可以有光电流
C.遏止电压与入射光的频率有关
D.入射光频率大于极限频率才能产生光电子
解析：光电流的大小只与到达阳极的光电子个数有关，A错。由hv=W+Ek和Uq=Ek知，CD正确。选CD
3.康普顿效应
表明光子除了具有能量之外还具有动量
，
4.物质波
运动的实物粒子也具有波动性。
5. 光的波粒二象
关系式中，左侧的物理量E、p描述光的粒子性，右侧物理量v、λ描述光的波动性。
例19（2012上海卷）．根据爱因斯坦的“光子说”可知（ ）
（A）“光子说”本质就是牛顿的“微粒说”
（B）光的波长越大，光子的能量越小
（C）一束单色光的能量可以连续变化
（D）只有光子数很多时，光才具有粒子性
答案：B，
例20（2011上海第17题）用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图(a)、(b)、(c)所示的图像，则
(A)图像(a)表明光具有粒子性
(B)图像(c)表明光具有波动性
(C)用紫外光观察不到类似的图像
(D)实验表明光是一种概率波
答案：ABD
例21(2011上海第21题)．如图，当用激光照射直径小于激光束的不透明圆盘时，在圆盘后屏上的阴影中心出现了一个亮斑。这是光的 (填“干涉”、“衍射”或“直线传播”)现象，这一实验支持了光的 (填“波动说"、“微粒说"或“光子说")。
答案：衍射，波动说
例22（2011浙江第18题）.关于波动，下列说法正确的是
A.各种波均会发生偏振现象
B.用白光做单缝衍射与双缝干涉实验，均可看到彩色条纹
C.声波传播过程中，介质中质点的运动速度等于声波的传播速度
D.已知地震波得纵波速度大于横波速度，此性质可用于横波的预警
答案：BD
解析：只有横波才能发生偏振现象，故A错误；用白光做单缝衍射与双缝衍射，都可以观察到彩色条纹，故B正确；声波在传播过程中，介质中质点的速度并不等于声波的传播速度，故C错误；已知地震波的纵波波速大于横波波速，此性质可用于横波的预警，故D正确。
例23.对爱因斯坦光电效应方程EK= hν-W，下面的理解正确的有
A.只要是用同种频率的光照射同一种金属，那么从金属中逸出的所有光电子都会具有同样的初动能EK
B.式中的W表示每个光电子从金属中飞出过程中克服金属中正电荷引力所做的功
C.逸出功W和极限频率ν0之间应满足关系式W= hν0
D.光电子的最大初动能和入射光的频率成正比
解：爱因斯坦光电效应方程EK= hν-W中的W表示从金属表面直接中逸出的光电子克服金属中正电荷引力做的功，因此是所有逸出的光电子中克服引力做功的最小值。对应的光电子的初动能是所有光电子中最大的。其它光电子的初动能都小于这个值。若入射光的频率恰好是极限频率，即刚好能有光电子逸出，可理解为逸出的光电子的最大初动能是0，因此有W= hν0。由EK= hν-W可知EK和ν之间是一次函数关系，但不是成正比关系。本题应选C。
例24.在光电效应实验中，用单色光照射某种金属表面，有光电子逸出，则光电子的最大初动能取决于入射光的（ ）
（A）频率 （B）强度 （C）照射时间 （D）光子数目
答案： A
2．康普顿效应
在研究电子对X射线的散射时发现：有些散射波的波长比入射波的波长略大。康普顿认为这是因为光子不仅有能量，也具有动量。实验结果证明这个设想是正确的。因此康普顿效应也证明了光具有粒子性。
三、光的波粒二象性
1．光的波粒二象性
干涉、衍射和偏振以无可辩驳的事实表明光是一种波；光电效应和康普顿效应又用无可辩驳的事实表明光是一种粒子；因此现代物理学认为：光具有波粒二象性。
2．正确理解波粒二象性
波粒二象性中所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义。波粒二象性中所说的粒子，是指其不连续性，是一份能量。
⑴个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性。
⑵频率高的光子容易表现出粒子性；频率低的光子容易表现出波动性。
⑶光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现为粒子性。
⑷由光子的能量E=hν，光子的动量表示式也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ。
由以上两式和波速公式c=λν还可以得出：E = p c。
例26（2011上海第17题）用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图(a)、(b)、(c)所示的图像，则
(A)图像(a)表明光具有粒子性
(B)图像(c)表明光具有波动性
(C)用紫外光观察不到类似的图像
(D)实验表明光是一种概率波
ABD
例27（201浙江第18题）.关于波动，下列说法正确的是
A.各种波均会发生偏振现象
B.用白光做单缝衍射与双缝干涉实验，均可看到彩色条纹
C.声波传播过程中，介质中质点的运动速度等于声波的传播速度
D.已知地震波得纵波速度大于横波速度，此性质可用于横波的预警
BD
五、对本章重点与难点的补充解析
1．光的干涉现象的产生和观察
两列光波在空间相遇时，相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域始终减弱，形成稳定的强弱分布的现象叫做光的干涉．实验告诉我们，产生稳定干涉现象的条件是：两列光波频率（波长）相同、相差恒定、振动方向相同时，两列波产生稳定的干涉图样．实验中，要想得到两列相干光源（即满足干涉条件：频率（波长）相同、相差恒定、振动方向相同的光源），常采用的方法是从一列光波中“分出”一部分完全相同的光波．
干涉图样的特征是：明暗相间的图样．产生干涉图样的具体方法有几种，但总的来说都是将一个光源的光分成两束．如图1所示的双缝干涉；图2所示菲涅耳双棱镜干涉；图3所示洛埃镜干涉；图4所示薄膜干涉；图5所示牛顿环干涉．
两列相干光波相遇的空间为干涉场，只有在干涉场中用屏才可以接收到干涉图样（在薄膜干涉中的薄膜同时又是屏）．
2．光的衍射现象的产生和观察
光遇到障碍物时，偏离直线传播而进入障碍物的几何阴影中，这种光绕过障碍物的绕射现象叫做光的衍射．产生明显的衍射现象需要：障碍物或孔的线度（大小）与波长相差不多．由于光的波长较短，不足10-6 m
（即1μm），所以一般情况下，很难看到光的衍射现象．
如图6所示，为单缝衍射实验现象．从图样上看，单缝衍射图样也是明暗相间的图样，但单缝衍射图样中央亮条纹较宽、较亮，两边条纹明暗相间逐渐变暗，即能量大部分集中在中央亮纹．在单缝衍射实验中，减小单缝的宽度，会看到中央亮纹宽度及明暗条纹间距增大，反之则减小．对光的“限制”越厉害，光在这个方向上展开的也越厉害．眯起眼睛或通过羽毛、沙巾会见到“光芒”现象，就是光的衍射现象．
3．光的“微粒说”与光的“波动说”
关于光的本性问题，物理学的发展过程中曾经有过激烈的争论．以牛顿为代表的“微粒说”认为：光是从光源发出的一种物质微粒，它在均匀的介质中以一定的速度传播；以惠更斯为代表的“波动说”则认为：光是从光源发出并在介质中传播的某种波．对光的本性的上述两种认识都能解释一些光现象，相比较而言，早期是“微粒说”占据明显的上风，究其原因可能除了牛顿的学术地位外，主要是由于牛顿的万有引力定律对光的折射现象的精妙解释．
当光以速度v从介质1射向介质2时，由于“光微粒”在介质1中所受到的分布均匀的“介质微粒”的引力合力为零，所以“光微粒”在介质1中将以速度v1 做匀速直线运动；当“光微粒”运动到两种介质的界面附近时，两种介质的“介质微粒”对“光微粒”的引力在与介质界面平行的方向上平衡，以至使“光微粒”进入介质2后沿与介质界面平行方向上的分速度 和进入介质2前的相应方向上的分速度 大小相等；当“光微粒”运动到两种介质的界面附近时，两种介质的“介质微粒”对“光微粒”的引力在与介质界面垂直的方向上不平衡，考虑到光密介质2中的“介质微粒”对“光微粒”的引力更大些，所以可以判断“光微粒”进入介质2后沿与介质界面垂直方向上的分速度 要比进入介质2前的相应方向上的分速度 大；这样，“光微粒”在穿过两种介质界面时，传播的方向就将发生偏折．尽管一百多年后对光速的测量表明：牛顿的上述解释实际上把光在光密介质中的速度大小和光在光疏介质中的速度大小的关系弄颠倒了，但在当时能把光的折射现象解释得如此精妙，确实不得不令人叹服．
4．对光的波动性的认识
1801年，英国物理学家托马斯-杨所做的“光的双缝干涉实验”充分表明光是一种波；而“光的偏振现象”又表明光是一种横波；光速的测定值与麦克斯韦电磁场理论中电磁波的理论波速的比较又启发人们提出“光波是一种电磁波”的假说；赫兹的实验证实了电磁波的存在，并测得电磁波的波速，使“光的电磁说”假设得到了确立．
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