2020高考物理月刊专版 专题11 光学综合 光学专题

2020高考物理月刊专版 专题11 光学综合 光学专题

‎2020高考物理月刊专版 ‎ ‎【命题趋向】‎ ‎2020年考试大纲几何光学对光的直线传播、光导纤维、光的色散等考点为Ⅰ类要求，对光的反射和平面镜成像作图法、光的折射和全反射等考点均为Ⅱ类要求；物理光学对光的本性学说、光的干涉、光的衍射、光的偏振、光谱光谱分析和电磁波谱、光的波粒二象性和物质波、激光等考点为Ⅰ类要求，光电效应和爱因斯坦光电效应方程为Ⅱ类要求。‎ 几何光学的考查重点在光的折射定律，预计在2020年高考中，几何光学出题的可能性非常大，折射定律及全反射问题仍是出题热点。高考对物理光学的考查在光的波动性的各种特性，预计在2020年高考中，物理光学出题的可能性也非常大，光的特性的考查可能结合具体技术应用，光电效应现象及其解释光子说也将是出题的热点。‎ ‎【考点透视】‎ 一、几何光学 ‎1．光的反射及平面镜成像：光的反射遵守反射定律，平面镜成成等大正立的虚像，像和物 关于镜面对称。‎ ‎2．光的折射、全反射和临界角：重点应放在能应用光的折射定律和全反射的原理解答联系 实际的有关问题。‎ ‎3．用折射规律分析光的色散现象：着重理解两点：其一，光的频率（颜色）由光源决定，‎ 与介质无关；其二，同一介质中，频率越大的光折射率越大。‎ 二、光的本性 ‎1．光的波动性：光的干涉、衍射现象表明光具有波动性，光的偏振现象说明光波为横波，‎ 光的电磁说则揭示了光波的本质——光是电磁波。在电磁波谱中，‎ 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、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，但各种电磁波产生机理不同，表现出来的性质也不同。‎ ‎2．光的粒子性 ‎（1）光电效应：在光的照射下，从物体发射出电子（光电子）的现象。其规律是：任何 金属都存在极限频率，只有用高于极限频率的光照射金属，才会发生光电效应现象。在 入射光的频率大于金属极限频率的情况下，从光照射到逸出光电子，几乎是瞬时的。光 电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，与光强无关。单位时间内逸出的光电子 数与入射光的强度成正比。‎ ‎（2） 光子说：即空间传播的光是一份一份地进行的，每一份的能量等于（为光子 的频率），每一份叫做一个光子。光子说能解释光电效应现象。爱因斯坦光电方程 ‎3．光的波粒二象性：光的干涉、衍射说明光具有波动性，光电效应现象表明光具有粒子性，‎ 因此光具有波粒二象性。‎ ‎【例题解析】‎ 题型一 光的反射、光的折射和全反射 题型特点：题目主要考查光的反射定律、光的折射定律和全反射的基本应用，考查对重 要物理现象和物理规律的掌握情况。‎ 解题策略：这类题目一般都有一定的难度。解题时既要抓住基本规律光的折射定律和临 界角公式，还要结合实际图形进行分析，重在形成一个正确的思维过程。‎ 例1．如图所示，P、Q是两种透明材料制成的两块相同的直角梯形棱镜，叠合在一起组成一个长方体，一单色光处P的上表面射入，折射光线正好垂直通过两棱镜的界面，已知材料的折射率，射到P上表面的光线与P的上表面的夹角为θ，下列判断正确的 是 （ ）‎ A．光线一定在Q的下表面发生全反射 ‎ B．光线一定能从Q的下表面射出，出射光线与下表面 的夹角一定等于θ C．光线一定能从Q的下表面射出，出射光线与下表面 的夹角一定大于θ D．光线一定能从Q的下表面射出，出射光线与下表面 的夹角一定小于θ 解析：光由P进入Q时垂直界面，故传播方向不改变，在Q中的入射角等于P中的折 射角，，，，∴，光线在P中的折射角小于临 界角，故在Q中不会发生全反射,又，故从Q中射出时折射角小于射入P的入 射角，即出射光线与下表面夹角大于θ，正确选项为：C。‎ 例2．在完全透明的水下某深处，放一点光源，在水面上可见到一个圆形的透光圆面，若透光园面的半径匀速增大，则光源正 （ ）‎ ‎ A．加速上升 B．加速下降 C．匀速上升 D．匀速下降 系，满足匀速运动条件，所以，光源向下匀速运动。故正确选项为D。‎ 点拨：在解决光的折射问题时，如果光源是动态的，解此类题目的关键是：通过瞬时(静 态)物理量之间的关系，找出它们动态时的变化规律。‎ 变式训练1：abc为全反射棱镜，它的主截面是等腰直角三角形，如图所示，一束白光垂 直入射到ac面上，在ab面上发生全反射,若光线入射点0的位置保持不变，改变光线的入射方向(不考虑来自bc面反向的光线) （ ）‎ A．使入射光按图中所示顺时针方向绕O点逐渐偏转,‎ 如果有色光射出ab面，则红光将首先射出 B．使入射光按图中所示的顺时针方向逐渐偏转，如果 有色光射出ab面，则紫光将首先射出 C．使入射光按图中所示的逆时针方向逐渐偏转，红光 将首先射出ab面 D．使入射光按图中所示的逆时针方向逐渐偏转，紫光将首先射出ab面 （答案：A）‎ 题型二 光的波动性问题 题型特点：题目主要考查光的干涉、光的衍射现象，考查对光的波动性现象和根据叠加 原理得出的一些特定条件的掌握情况。‎ 解题策略：这类题目一般都是中等难度和较容易的题。主要包含反映光的波动性的一些 基本现象的识记和用明暗条纹形成条件分析及条纹间距的计算，解题时要识记平时少有 接触的有关公式就能直接进行有关计算。‎ 例3．如图所示，S1和S2是杨氏双缝实验装置的两个狭缝，S是光源，光源发出的光的波长 为，，，则下列说法正确的是 （ ）‎ ‎ A．在光屏上的P位置出现明条纹 B．若把其中一条狭缝挡住，屏上出现相同的明 暗相间的条纹，只是亮度减半 C．不论是单缝衍射或双缝干涉或薄膜干涉，都是 色散效应造成的 D．光通过双缝或单缝产生的明暗相间的条纹，说明光具有波动性 ‎ 若将S1或S2挡住就成为单缝衍射，其明暗相间的条纹与双缝干涉的不同。‎ 单缝衍射或双缝干涉或薄膜干涉所出现的明暗条纹都不是色散效应造成的，而是光的叠加效应造成的，即单缝衍射是衍射光叠加，双缝干涉是双缝发生的光叠加，薄膜干涉是 两表面的反射光叠加造成的，而色散是由于同一媒质对不同频率的光的折射情况不同而产生的现象。 光能产生干涉和衍射现象，所以光具有波动性。‎ 故正确选项为A、D 点拨：对于光的干涉，学生往往觉得抽象难懂，如果建立起清晰的物理图景．如例1中 的图，对照图将光的干涉的知识内容一一落实，加深理解，同时要熟记一些相关知识，‎ 如各种色光波长的大小比较，红光波长大，紫光波长小等。‎ 例4．如图所示，图（a)表示单缝，图(b)表示双缝，用某单色光分别照射竖直放置的单缝和 双缝，在缝后较远位置竖直放置的光屏上可以观察到明暗相间的条纹(图中阴影表示明条 纹)，如图(c)(d)所示，下列关于缝和条纹间关系的说法中正确的是 （ ）‎ A．图(c)表示单缝衍射条纹，图(d)表示双缝干涉条纹 B．单缝S越宽，越不容易观察到对应的明暗条纹 C．双缝间距离越短，对应条纹间距越小 D．照射双缝的单色光波长越短，对应条纹间距越大 解析：光通过单缝会发生衍射，通过双缝会发生干涉，两者都会产生明暗相间的条纹，‎ 但干涉的条纹宽度都一样，而衍射的条纹中间宽、两侧愈来愈窄，所以(c)为干涉条纹，‎ ‎(d)为衍射条纹，对于衍射，缝越窄，条纹愈宽，条纹愈明显(但亮度逐渐变暗)；而缝越 宽，条纹愈模糊，所以A错、B正确．双缝干涉时，双缝间距越小，波长越长，条纹愈 宽，所以C、D选项都不正确，故本题选项为B。‎ 点拨：要正确解答考查光的衍射和双逢干涉结合在一起的问题，必须熟练掌握光的衍射 和双缝干涉的特点和区别，否则，很容易因为识记不清或对原理理解的似是而非选择错 误的选项。‎ 变式训练2：如图4—15所示的4种明暗相间的条纹，分别是红光、蓝光通过同一个双 ‎ 题型三 光的量子性问题 题型特点：题目主要考查光的量子性和爱因斯坦光电效应方程，考查对光的量子性和发 生光电效应的条件以及结合其他知识综合应用分析问题的能力。‎ 解题策略：这类题目一般都是光子能量——频率——光电效应——光电流联系在一起 的，解题时一个非常重要的关键就是极限频率，同时还要考虑带电粒子在电场中的能量 转化的问题有较强的综合性和严密的思维。‎ 例5． 如图，当电键K断开时，用频率为的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。‎ 合上电键，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于u时，电流表读数仍不为零；当电 压表读数大于或等于u时，电流表读数为零。其中普朗克常量为h,由此可知阴极材料的 逸出功为 （ ）‎ ‎ A． B．‎ C． D．‎ 解析：电流表读数刚好为零说明刚好没有光电子能够到达阳极，‎ 光电子逸出后动能全部转化成电势能可得光电子的最大初动能 为。再由光电效应方程可知 ‎，故正确选项为D。‎ 点拨：本题在考察光电效应方程的同时考察光子的能量方程，还包含了带电粒子在电场 中运动的能量转化，综合性很强。‎ 变式训练3：用不同频率的紫外光分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电 子最大初动能EK随入射光频率变化的图，已知钨的逸出功是3．28eV，锌的 逸出功是3．34eV，若将两者的图线画在一个坐标图中，用实线表示钨，虚线表 示锌，则正确反映这一过程的是如下图所示的 （ ）‎ ‎（答案：A）‎ ‎【专题训练与高考预测】‎ ‎1．如图所示，两束单色光以不同的入射角从空气射入玻璃中。若折射角相同，则下列说法 不正确的是 （ ）‎ A．若此两种单色光从玻璃射入空气，则Ⅱ单色光发生全反射 ‎ 的临界角较小 B．若此两种单色光分别通过相同的障碍物，则Ⅱ单色光比Ⅰ 单色光发生衍射现象明显 C．此两种单色光相比，Ⅱ单色光的光子能量较小 D．用此两种单色光分别照射某种金属，若用Ⅱ单色光照射恰 好能发生光电效应，则用Ⅰ单色光照射时一定也能发生光 电效应 ‎2．一束光从真空射到折射率为的某种玻璃的表面，用表示 入射角，r表示折射角，则 ‎（ ）‎ A．当r=30o时，‎ B．无论多大，r都小会超过45o C．当时，将没有光线射入到玻璃中 D．当时，反射光线与折射光线恰好相互垂直 ‎3．单色光在真空中的波长比单色光b在真空中的波长短，现让、b两束光以相同的入时 角从空气中分别射向长方体玻璃砖的同一点(见图)，此时两束光都能直接从下表面射出，‎ 那么 （ ）‎ ‎ A．从上表面射入时，光的折射角将大于b光的折射角 B．从下表面射入时，光的折射角将小于b光的折射角 C．从上表面射出时，光的出射角将大于b光的出射角 D．将入射角不断增加，总可以使两束光在玻璃砖的下表 面发生全反射现象 ‎4．有关红、蓝两束单色光，下列说法正确的是 （ ）‎ A．在空气中的波长 B．在水中的光速 C．在同一介质中的折射率 D．蓝光光子的能量大于红光光子的能量 ‎5．在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏幕上观察到了彩色干涉条纹，若双缝中的一缝 前放一红色滤光片(只能透过红光)，另一缝前放一绿色滤光片(只能透过绿光)，这时（ ）‎ A．只有红光和绿光的双缝干涉条纹，其他颜色的双缝干涉条纹消失 B．红光和绿光的双缝干涉条纹消失，其他颜色的双缝干涉条纹依然存在 C．任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮 D．屏上无任何光亮 ‎8．下列说法中,正确的是 （ ）‎ A．只有大量光子的行为才表现出波动性。‎ B．单个光子有时也会体现出波动性。‎ C． 物质波就是，任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长与该物体的 动量成正比。‎ D．甲乙两种单色光均垂直射到一条直光纤的端面上，甲光穿过光纤的时间比乙光的长，‎ 则用它们分别作为同一双缝干涉装置的光源时，甲光相邻的干涉条纹间距较大。‎ ‎9．如图3是双缝干涉实验装置示意图，S为单缝，S1、S2为双缝，P为屏幕中心，SP垂直 照射S，试讨论P点和P1点应出现亮条纹还是暗条纹?‎ ‎（2）若用白光照射单缝S，并用蓝色透明薄纸挡住S1，用黄色透明薄纸挡住S2，试讨论P点应出现的颜色和屏上最可能出现的情况。‎ ‎【参考解答】‎ ‎3．B 解析：由题意，光的频率大于b光的频率，所以在同一介质中 光的折射率大于b ‎ 光的折射率，，据，n大，r小，故从上表面射入时，光的折射角小 于b光的折射角；据光路可逆，出射角等于入射角，且将入射角不断增加，在玻璃砖的 ‎7．A、D 解析：当波源与观察者远离时，观察者接收到的频率减小，据波速公式，波长要 变长，本题考查了多普勒效应，这是高中物理新增内容，高考命题对新增内容比较重视。‎ ‎8．A 解析：波粒二象性中所说的波是一种概率波，波粒二象性中所说的粒子，是指其不连 ‎ （2）从S1射出的蓝光和从S2射出的黄光因频率不同，它们不会发生干涉，但蓝光和黄光 均会发生单缝衍射，在屏上分别形成黄色和蓝色的衍射条纹，两种颜色的条纹可能在屏 上某些区域重叠，重叠部分的颜色应为绿色，故屏上最可能出现黄、绿、蓝三种颜色的 条纹。‎