专题18 光学（选考部分）-巧学高考物理热点快速突破

专题18 光学（选考部分）-巧学高考物理热点快速突破

‎【高考命题热点】光学分为几何光学和物理光学，近年新课标高考中几何光学多考查以“折射率和全反射”为核心的综合计算问题，处理的一般思路是：①作光路图；②找几何关系；③结合“折射率和全反射”的知识灵活求解问题。物理光学多考查有关“光的波动性”的选择题，光的波动性包括光的干涉、衍射和偏振，近年高考考查双缝干涉的相邻明（暗）条纹间距问题频率较高，复习过程考生可有所侧重。‎ ‎【知识清单】‎ 考点一 光的折射与全反射 1. ‎ 光的折射 光从一种介质进入另一种介质，传播方向发生改变的现象叫做光的折射。‎ 折射定律：①折射光线、入射光线和法线在同一平面内；②折射光线、入射光线分居法线两侧；③入射角的正弦值与折射角的正弦值成正比。‎ 在折射现象中，光路是可逆的。‎ 2. ‎ 折射率 ‎ （1）定义：光从真空射入某种介质，入射角的正弦值与折射角的正弦值之比，叫做这种介质的折射率。‎ ‎ （2）定义式：（表示真空中光线与法线的夹角，表示介质中光线与法线的夹角）。‎ ‎ ‎ ‎ （3）实验证明：（表示光在真空中的速度，表示光在介质中的速度）。‎ 特别需要注意的是：任何介质中的折射率均大于1。‎ 几种常见折射模型 类别 项目　　‎ 平行玻璃砖 三棱镜 圆柱体(球)‎ 光的折射图 通过平行玻璃砖的光线不改变传播方向，但要发生侧移 通过三棱镜的光线经两次折射后，出射光线向棱镜底边偏折 圆界面的法线是过圆心的直线，经过两次折射后向圆心偏折 应用 测定玻璃的折射率 全反射棱镜，改变光的传播方向 改变光的传播方向 ‎3. 全反射 ‎ 光从光密介质射到光疏介质的界面上时，全部被反射回原介质的现象称为全反射。发生全反射的条件：（1）光从光密介质射向光疏介质；（2）入射角大于或等于临界角。（光线从某介质射向真空时临界角为）‎ 全反射与光导纤维 全 反 射 光密介质与光疏介质 两种介质相比较，折射率较大的介质叫做光密介质，‎ 折射率较小的介质叫做光疏介质 ‎（1）光由光疏介质射入光密介质时，折射角小于入射角； 光由光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角 ‎（2）光在光疏介质中的传播速度大于在光密介质中的的传播速度 ‎（3）光密介质和光疏介质是相对而言的。单独一种介质无法确定它是光密介质还是光疏介质 全反射 定义 光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角，当入射角增大到某一角度时，折射角达到，折射光完全消失，只剩下反射光，这种现象叫做全反射 临界角 ‎①定义：折射角为时的入射角叫做全反射的临界角 ‎②公式：光由折射率为的介质射入空气（真空）时，‎ 条件 ‎①光从光密介质射向光疏介质 ‎②入射角大于或等于临界角 光导纤维 原理 光的全反射 构 造 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上发生全反射 传播 途径 ‎ ‎ 光 纤 通 信 方法 光也是一种电磁波，也可以像无线电波那样，作为载体来传递信息 优点 光纤通信的主要优点是容量大。此外，光纤传输还有衰减小、抗干扰性强等多方面的优点 二 光的色散的特点 在色散现象中，红光偏向角最小，即棱镜对红光的折射率最小。由公式可知红光在介质中的传播速度最大。‎ 将各种色光的情况列表统计如下：‎ 物理量 红橙黄绿蓝靛紫 原理 同种介质中的折射率（）‎ 同种介质中的光速（）‎ 同种介质中的波长（）‎ 频率（）‎ 波动理论 同种介质中的临界角（）‎ 考点二 光的波动性 一 光的干涉 频率相同的两列光波相叠加 ‎，某些区域的光被加强，出现亮纹，某些区域的光被减弱，出现暗纹，且光被加强和减弱的区域互相间隔的现象叫做光的干涉现象。‎ 1． 双缝干涉：在用单色光做双缝干涉实验时，若双缝处两列光的振动情况完全相同，则在光屏上距双缝的路程差是光波波长的整数倍的地方光被加强，将出现亮条纹；路程差是半波长的奇数倍的地方光被减弱，将出现暗条纹。‎ ‎ 即光程差 出现亮条纹；‎ 光程差 出现暗条纹。‎ 相邻的明条纹(或暗条纹)之间距离Δx与波长λ、双缝间距d及屏到双缝距离l的关系为Δx＝λ。在用白光做双缝干涉实验时光屏时，光屏上除中央亮条纹为白色外，两侧均为彩色的干涉条纹。‎ ‎2．薄膜干涉：光照射到薄膜上时，薄膜的前、后表面反射的两列光相叠加，也可发生干涉现象。若入射光为单色光，可形成明暗相间的干涉条纹；若入射光为白光，可形成彩色的干涉条纹。‎ 在薄膜干涉中，同一级亮条纹（或暗条纹）出现在摸的厚度相同处，故此种干涉又常称为等厚干涉。‎ 二 光的衍射 ‎1．光的衍射现象 光在遇到障碍物时，偏离直线传播方向而照射到阴影区域的现象叫做光的衍射．‎ ‎2．光发生明显衍射现象的条件 当孔或障碍物的尺寸比光波波长小，或者跟光波波长相差不多时，光才能发生明显的衍射现象。‎ ‎3．单缝衍射图样和双缝衍射图样的区别 a. 条纹宽度有区别：双缝干涉条纹是等宽的，相邻亮（暗）条纹间的距离是相等的，而单缝衍射的条纹，中央亮纹最宽，两侧对称的亮纹是等宽的。‎ b. 光强分布不同：双缝干涉条纹如果不考虑距离分远近造成传播上的损失，每条亮纹的光强分布是相同的，而单缝衍射的条纹的光强分布主要集中在中央亮纹，中央亮纹的光强占整个光强的95%。‎ 三 光的偏振 ‎1．偏振现象：横波只沿某一特定方向振动，称为波的偏振现象。‎ ‎2．自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包括在垂直于传播方向上沿各个方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫做自然光。‎ ‎3．偏振光：在垂直于光传播方向的平面上，只沿一个特定方向振动的光，叫偏振光。‎ ‎4. 光的偏振现象充分说明光是横波，只有横波才有偏振现象。除了从光源直接发出的光 以外，我们通常见到的大部分光都是不同程度的偏振光。‎ ‎5. 偏振光的简单应用：拍摄水面下的景物，玻璃橱窗里陈列物时，加偏振片滤去水面或玻璃表面的反射光，使影响清晰。立体电影也是应用光的偏振现象的例子。‎ 答案 P92‎ 热点突破提升练十八 ‎1．（多选）下列有关光学现象的说法中正确的是(　　)‎ A．用光导纤维束传送信息是光的衍射的应用 B．太阳光通过三棱镜形成彩色光谱是光的干涉现象 C．在照相机镜头前加装偏振滤光片拍摄日落时的景物，可使景象更清晰 D．经过同一双缝所得干涉条纹，红光条纹宽度大于绿光条纹宽度 E．激光测距是应用了激光平行性好的特点 ‎2．（多选）下列说法正确的是(　　)‎ A．用光导纤维传播信号是利用了光的全反射 B．偏振光可以是横波，也可以是纵波 C．光速不变原理指出光在真空中传播速度在不同惯性参考系中都是相同的 D．光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象 E．声源与观察者相对靠近时，观察者所接收的频率等于声源振动的频率 ‎3.（多选）在双缝干涉实验中，用绿色激光照射在双缝上，在缝后的屏幕上显示出干涉图样。若要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距，可选用的方法是________。‎ A．改用红色激光 B．改用蓝色激光 C．减小双缝间距 D．将屏幕向远离双缝的位置移动 E．将光源向远离双缝的位置移动 ‎4.（多选）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 ‎5.（多选）两种单色光束a,b分别照射在同一套双缝干涉演示实验装置上,得到的干涉图样分别如图(a),(b)所示,则(　 　)‎ ‎　　A.调试该实验装置时,要注意使单缝与双缝相互平行 ‎　　B.a光的波长大于b光的波长 ‎　　C.a光的频率大于b光的频率 ‎　　D.a光在真空中的速度大于b光在真空中的速度 ‎　　E.同一种介质对a光的折射率小于对b光的折射率 ‎6. （多选）如图2所示，一束光沿半径方向射向一块半圆柱形玻璃砖，在玻璃砖底面上的入射角为θ，经折射后射出a、b两束光线．则(　　) ‎ A．在玻璃中，a光的传播速度小于b光的传播速度 B．在真空中，a光的波长小于b光的波长 C．玻璃砖对a光的折射率小于对b光的折射率 D．若改变光束的入射方向使θ角逐渐变大，则折射光线a首先消失 ‎ E．分别用a、b光在同一个双缝干涉实验装置上做实验，a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距 ‎7.（多选）如图所示，是半圆柱形玻璃体的对称面和纸面的交线，A、B是关于轴等距且平行的两束不同单色细光束，从玻璃体右方射出后的光路如图所示，MN是垂直于放置的光屏，沿方向不断左右移动光屏，可在屏上得到一个光斑P，根据该光路图，下列说法正确的是(　 　)‎ A．该玻璃体对A光的折射率比对B光的折射率小 B．A光的频率比B光的频率高 C．在该玻璃体中，A光比B光的速度大 D．在真空中，A光的波长比B光的波长长 E．A光从空气进入该玻璃体后，其频率变高 ‎8.“道威棱镜”广泛地应用在光学仪器当中，如图所示，将一等腰直角棱镜截去棱角，使其平行于底面，可制成“道威棱镜”，这样就减小了棱镜的重量和杂散的内部反射。从M点发出的一束平行于底边CD的单色光从AC边射入，已知棱镜玻璃的折射率n＝。求光线进入“道威棱镜”时的折射角，并通过计算判断光线能否从CD边射出。‎ ‎9.细束平行光以一定的入射角从空气射到直角棱镜的侧面AB，光线进入棱镜后直接射向另一侧面AC。逐渐调整光线在AB面的入射角，使AC面恰好无光线射出，测得此时光线在AB面的入射角为α。‎ ‎　　①画出光线在AB面的入射角为α时，在AB面、AC面两次折射的光路图；‎ ‎　　②计算该棱镜的折射率。‎ ‎10.如图乙所示，ABCD是一直角梯形棱镜的横截面，位于截面所在平面内的一束光线由O点垂直AD边射入。已知棱镜的折射率n＝，AB＝BC＝8 cm，OA＝2 cm，∠OAB＝60°。‎ ‎　　①求光线第一次射出棱镜时，出射光线的方向。‎ ‎　　②第一次的出射点距C多远。‎ ‎11.如图所示，AOB是截面为扇形的玻璃砖的横截面图，其顶角θ＝76°，今有一细束单色光在横截面内从OA边上的点E沿垂直于OA的方向射入玻璃砖，光线直接到达AB面且恰好未从AB面射出．已知OE＝OA，cos 53°＝0.6，试求：‎ ‎(1)玻璃砖的折射率n；‎ ‎(2)光线第一次从OB射出时折射角的正弦值。‎ ‎12.如图所示，直角三角形ABC是一玻璃砖的横截面，AB＝L，∠C＝90°，∠A＝60°,一束单色光PD从AB边上的D点射入玻璃砖，入射角为45°，DB＝，折射光DE恰好射到玻璃砖BC边的中点E，已知光在真空中的传播速度为c.求： ‎ ‎(1)玻璃砖的折射率；‎ ‎(2)该光束从AB边上的D点射入玻璃砖到第一次射出玻璃砖所需的时间．‎ ‎13.如图，一玻璃工件的上半部是半径为的半球体，点为球心：下半部是半径为、高为的圆柱体，圆柱体底面镀有反射膜。有一平行于中心轴的光线从半球面射入，该光线与之间的距离为。已知最后从半球面射出的光线恰好与入射光线平行（不考虑多次反射）。求该玻璃的折射率。‎ ‎14.如图，一半径为R的玻璃半球，O点是半球的球心，虚线表示光轴（过球心与半球底面垂直的直线）。已知玻璃的折射率为。现有一束平行光垂直入射到半球的底面上，有些光线能从球面射出（不考虑被半球的内表面反射后的光线）。求 ‎（i）从球面射出的光线对应的入射光线到光轴距离的最大值；‎ ‎（ii）距光轴的入射光线经球面折射后与光轴的交点到点的距离。‎ ‎15.一个半圆柱形玻璃砖，其横截面是半径为R的半圆，AB为半圆的直径，O为圆心，如图所示．玻璃的折射率为n＝.‎ ‎(1)一束平行光垂直射向玻璃砖的下表面，若光线到达上表面后，都能从该表面射出，则入射光束在AB上的最大宽度为多少？‎ ‎(2)一细束光线在O点左侧与O相距R处垂直于AB从下方入射，求此光线从玻璃砖射出点的位置．‎ ‎16.如图，玻璃球冠的折射率为，其底面镀银，底面的半径是球半径的倍；在过球心O且垂直于底面的平面(纸面)内，有一与底面垂直的光线射到玻璃球冠上的M点，该光线的延长线恰好过底面边缘上的A点，求该光线从球面射出的方向相对于其初始入射方向的偏角．‎