2021年高考物理总复习：光的本性
复习要点
1．了解光的“微粒说”与“波动说”。
2．了解光的干涉现象，熟悉相干条件；掌握双缝干涉的特征及规律，熟悉双缝干涉的条纹分布情况及明、暗纹位置特征；了解薄膜干涉现象，熟悉薄膜干涉的特征及其应用。 3．了解光的衍射现象，掌握产生明显衍射现象的条件，熟悉单缝衍射条纹的人发布特征 4．了解光的电磁说，熟悉电磁波谱，了解各种电磁波的产生机理、基本特征及应用类型。 5．了解光电效应现象，熟悉光电效应现象所遵循的基本规律，掌握光子说理论。 6．了解光的波粒二象性。
二、难点剖析
1．关于“微粒说”和“波动说”。
“微粒说”和“波动说”都是对光的本性的认识过程中所提出的某种假说，都是建立在一定的实验基础之上的。以牛顿为代表的“微粒说”认为光是从光源发出的物质微粒，这种假说很容易解释光的直进现象，光的反射现象，光的折射现象，但在解释一束光射到两种介质界面处会同时发生反射与折射现象时，发生了很大的困难。以惠更斯为代表的“波动说”认为光是某种振动以波的形式向周围传播，这种假说很容易解释反射与折射同时存在的现象，但由于波应能绕过障碍物，所以在解释光的直进现象时遇到了困难。 2．杨氏双缝干涉的定量分析
如图24—2—2所示，缝屏间距L远大于双缝间距d，O点与双缝S1和S2等间距，则当双缝中发出光同时射到O点附近的P点时，两束光波的路程差为 δ=r2－r1. 由几何关系得
d2
)， 2d r22=L2+(x+)2.
2 r12=L2+(x－
考虑到 图24—2—2 L》d 和 L》x， 可得
δ=
dx. L若光波长为λ，则当
δ=±kλ（k=0，1，2，…） 时，两束光叠加干涉加强；当 δ=±(2k－1)
? (k=1，2，3，…) 2时，两束光叠加干涉减弱，据此不难推算出 （1）明纹坐标
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x=±k（2）暗纹坐标
Lλ （k=0，1，2，…） dL?· （k=1，2，…） d2 x=±(2k－1) （3）条纹间距 △x=
Lλ. d上述条纹间距表达式提供了一种测量光波长的方法。 3．光的电磁说与电磁波谱
光的干涉与衍射充分地表明光是一种波，光的偏振现象又进一步表明光是横波。麦克斯韦对电磁理论的研究预言了电磁波的存在，并得到电磁波传播速度的理论值3.11×108m/s，这和当时测出的光速3.15×108m/s非常接近，在此基础上麦克斯韦提出了光在本质上是一种电磁波，这就是所谓的光的电磁说。赫兹用实验证实了电磁波的存在，并测出其波长与频率，进而得到电磁波的传播速度，用实验证实了光的电磁说。
光作为电磁波的一种，与其他的电磁波共同构成电磁波谱。对于电磁波谱，应了解非排布情况、产生机理及实际用途。 电磁波种类 104～ 频率（Hz） 3×1012 3×1014～ 104 无线电技术 LC电路中产生方式 自由电子的的振荡 通讯，广播，导航 用途 加热烘干、遥测遥感，医疗，导向等 照明，照相，加热 日光灯，黑光灯手术室杀菌消毒，治疗皮肤病等 4．光电效应现象及其规律。 （1）光电效应现象。
光照使物体发射电子的现象叫光电效应现象；所发射的电子叫光电子；光电子定向移
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—无线电波 红外线 可见光 紫外线 伦琴射线 γ射线 1012～ 3.9×1014 3×104～ 7.7×107 —3.9×1014 ～ 7.5×1014 —7.5×1014 ～5×1016 4×107 ～6×109 ——3×1016 ～ 3×1020 108～ 10—12 —3×1019 以上 —11真空中波长（m） 观察方法 7.7×107 ～4×107 —10以下 利用热效应 激发荧光 利用贯穿本领 照相底片感光（化学效应） 原子的内原子的外层电子受到激发 层电子受到激发 核技术 原子核受到激发 检查探测，探测，治疗透视，治疗等 等
动所形成的电流叫光电流。
（2）光电效应现象所遵循的基本规律。
物体在光照的条件下发射电子而发生光电效应现象时遵循如下规律：
（1）对于任何一种金属，入射光的频率必须大于某一极限频率才能产生光电效应，低于这个极限频率，无论强度如何，无论照射时间多长，也不能产生光电效应；
（2）在单位时间里从金属极板中发射出的光电子数跟入射光的强度成正比；
（3）发射出的光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增大； （4）只要入射光的频率高于金属极板的极限频率，无论其强度如何，光电子的产生都几乎是瞬时的，不超过109s.
5．光子说
光子说的主要内容为：沿空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子；光子的能量E与光的频率ν成正比，比例系数即为普朗克常量
E=hν 6．光的波粒二象性
光的干涉，衍射等现象充分表明光是波，而光电效应现象又表明光是粒子。事实上，光具有波动和粒子二重特性。俗称光的波粒二象性。
光在传播时更多地表现为波动特性，在与物质微粒发生作用时更多地表现为粒子特征；波长越长的光波动性越显著，频率越高的光粒子性越显著；大量光子的整体行为表现为波动性，少量光子的个别行为表现为粒子性。
—
三、典型例题
例1．能产生干涉现象的两束光是（ ） A．频率相同、振幅相同的两束光 B．频率相同、相位差恒定的两束光 C．两只完全相同的灯光发出的光 D．同一光源的两个发光部分发出的光 分析：比例考察的是对“相干条件”的了解
解答：只有频率相同、相差恒定、振动方向相同的光波，在它们相遇的空间里能够产生稳定的干涉，观察到稳定的干涉图样，但是，光波并不是一列连续波，它是由一段段不连续的具有有限长度的所谓“波列”组合而成的，并且波动间的间歇也是不规则的。两个独立光源发出的光，即使是“频率相同的单色光（实际上严格的单色光并不存在），也不能保持有恒定的相差。因此，为了得到相干光波，通常是把同一光源发出的一束光分成两束。杨氏双缝干涉实验中，所以在光源和双缝间设置一个狭缝，就是让点光源发出的一束光，先经第一个缝产生衍射，使得由双缝得到的两束光成为相干光波。
光源发光是以原子为发光单位的，由前面分析可知，我们无法使两只完全相同的灯泡、同一光源的两个发光部分发出频率相同、相差恒定的光。这样的光源不会产生稳定的干涉现象，无法观察到干涉图样。所以应选B。
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例2．在真空中频率为4×1014Hz的是红光，频率为6×1014Hz的是绿光，现在有一束单色光，它在n=1.5的玻璃中，波长为5000?，它在这种玻璃中的频率是多少？是什么颜色？在真空中的频率是多少？又是什么颜色？
分析：光的频率决定于光的颜色，光从一种介质传到另一种介质时，由于频率不变，故颜色不变，因此，本题关键是求频率。由n=
c得，光在玻璃中的速度为 ?c3?108 υ==m/s=2×m/s
1.5n2?108?它在玻璃中的频率为ν==Hz=4×1014H z ?10?5000?10由此可知，该单色光在真空中的频率也为4×1014Hz，故为红光。 在真空中与玻璃中均为红颜色。
例3．如图24—2所示是双缝干涉实验装置，屏上O点到双缝S1、S2的距离相等。当用波长为0.75μm的单色光照射时，P是位于O上方的第二条亮纹位置，若换用波长为0.6μm的单色光做实验，P处是亮纹还是暗纹？在OP图24—2 条暗纹？
分析：P点是暗纹还是暗纹，关键取决于P到S1和S2的路程差△r=r2－r1；P是第几级明（暗）纹，关键取决于△r是光波长（半波长）的多少倍。
解答：当用波长为λ1=0.75μm单色光时P为O上方第二条亮纹，所以P到双缝S1、S2的距离差△r=2λ1=2×0.75μm=1.5μm.
改用λ2=0.6μm.的单色光时，路程差△r=
之
间
共
有
几
5λ2，所以P和为暗纹，从O到P路程差由2零逐渐增大，必有路程差为
?22和
3λ2的两点，即OP之间还有两条暗纹。 2例4．关于光电效应，有如下几种陈述，其中正确的是（ ） A．金属电子的逸出功与入射光的频率成正比 B．光电流的强度与入射光的强度无关
C．用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的初动能要大 D．对于任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光的波长必须小于这个波长，才能产生光电效应
分析：此例的解答要求熟悉光电效应现象的特征及其规律。
解答：金属的逸出功由该金属决定，与入射光源频率无关，光电流的强度与入射光强度成正比，选项A、B错误。不可见光包括能量大的紫外线、X射线、γ射线，也包括能量比可见光小的红外线、无线电波，选项C错误。所以应选D。
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例5．已知金属铯的逸出功为1.9eV，在光电效应实验中，要使铯表面发出的光电子的最大功能为1.0eV，入射光的波长应为__________m.
分析：要求了解光电效应的规律及光子说理论。 解答：由爱因斯坦光电效应方程可得：
12 hv=W+m?m2—
∴hv=1.9+1.0=2.9eV=2.9×1.6×1019J 6.6?10?34?3?108—
∴λ==4.3×107 m
2.9?1.6?10?19例6．太阳光垂直射到地面上时，地面上1m2接受的太阳光的功率为1.4kW,其中可见部分约占45%
（1）假如认为可见光的波长约为0.55μm，日地间距离R=1.5×1011m.普朗克恒量h=6.6×10
—34
J·s，估算太阳每秒辐射出的可见光子数为多少？
（2）若已知地球的半径为6.4×106m，估算地球接受的太阳光的总功率。 分析：了解光子说理论，建立起适当的模型，即可得出正确解答。
解答：（1）设地面上垂直阳光的1m2面积上每秒钟接收的可见光光子数为n.则有P×45%=n·h
c. ?0.45?P0.45?0.55?10?6?1.4?103解得：n== ?3486.6?10?3?10hc =1.75×1021m2
设想一个以太阳为球心，以日、地距离为半径的大球面积包围着太阳，大球面接受的光子数即等于太阳辐射的全部光子数。则所求可见光光子数
N=n· 4πR2=1.75×1021×4×3.14×（1.5×1011）2=4.9×1044
（2）地球背着阳光的半个球面没有接收太阳光。地球向阳的半个球面面积也不都与太阳光垂直。接收太阳光辐射且与阳光垂直的有效面积是以地球半径为半径的圆平面的面积。则地球接收阳光的总功率
P地=P·πr2=1.4×3.14×(6.4×106)2=1.8×1017kW.
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2021年高考物理总复习：光的本性
