2019年高考物理 高頻考點解密 專題18 光學教學案.doc

專題18 光學核心考點考綱要求光的折射定律折射率全反射、光導纖維光的干涉、衍射和偏振現象考點1 光的折射 全反射 光導纖維一、光的折射1折射現象：光從一種介質斜射進入另一種介質時傳播方向改變的現象。2折射定律（1）內容：如圖所示，折射光線與入射光線、法線處在同一平面內，折射光線與入射光線分別位于法線兩側；入射角的正弦與折射角的正弦成正比。（2）表達式：，式中n是比例常數。（3）在光的折射現象中，光路是可逆的。3折射率（1）折射率是一個反映介質光學性質的物理量，折射率越大，說明光從真空中射入到該介質時的偏折程度越大，反之偏折程度越小。（2）定義式：，折射率由介質本身的光學性質和光的頻率決定，與入射角1和折射角2無關。（3）計算公式：，因為v<c，所以任何介質的折射率都大于1。（4）當光從光疏介質射入光密介質時，入射角大于折射角；當光從光密介質射入光疏介質時，入射角小于折射角。4解決光的折射問題的一般方法：（1）根據題意畫出正確的光路圖。（2）利用幾何關系確定光路中的邊、角關系，確定入射角和折射角。（3）利用折射定律建立方程進行求解。5玻璃磚對光路的控制兩平面平行的玻璃磚，出射光線和入射光線平行，且光線發(fā)生了側移，如圖所示。6三棱鏡對光路的控制（1）光密三棱鏡：光線兩次折射均向底面偏折，偏折角為，如圖所示。（2）光疏三棱鏡：光線兩次折射均向頂角偏折。（3）全反射棱鏡（等腰直角棱鏡），如圖所示。甲 乙當光線從一直角邊垂直射入時，在斜邊發(fā)生全反射，從另一直角邊垂直射出（如圖甲所示）。當光線垂直于斜邊射入時，在兩直角邊發(fā)生全反射后又垂直于斜邊射出，入射光線和出射光線互相平行（如圖乙所示）。特別提醒：不同顏色的光的頻率不同，在同一種介質中的折射率、光速也不同，發(fā)生全反射現象的臨界角也不同。二、全反射1全反射現象（1）條件：光從光密介質射入光疏介質。入射角大于或等于臨界角。（2）現象：折射光完全消失，只剩下反射光。2臨界角：折射角等于90時的入射角，用C表示，sin C=。3光的色散（1）光的色散現象：含有多種顏色的光被分解為單色光的現象。（2）光譜：含有多種顏色的光被分解后，各種色光按其波長的有序排列。（3）光的色散現象說明：白光為復色光；同一介質對不同色光的折射率不同，頻率越大的色光折射率越大；不同色光在同一介質中的傳播速度不同，波長越短，波速越慢。（4）棱鏡含義：截面是三角形的玻璃儀器，可以使光發(fā)生色散，白光的色散表明各色光在同一介質中的折射率不同。三棱鏡對光線的作用：改變光的傳播方向，使復色光發(fā)生色散。4全反射現象的理解與應用（1）在光的反射和全反射現象中，均遵循光的反射定律；光路均是可逆的。（2）當光射到兩種介質的界面上時，往往同時發(fā)生光的折射和反射現象，但在全反射現象中，只發(fā)生反射，不發(fā)生折射。當折射角等于90時，實際上就已經沒有折射光了。（3）全反射現象可以從能量的角度去理解：當光由光密介質射向光疏介質時，在入射角逐漸增大的過程中，反射光的能量逐漸增強，折射光的能量逐漸減弱，當入射角等于臨界角時，折射光的能量已經減弱為零，這時就發(fā)生了全反射。5光的折射、全反射中的三個“一”一個規(guī)律：光的折射定律一個概念：折射率一個條件：全反射的條件6解答全反射類問題的技巧（1）解答全反射類問題時，要抓住發(fā)生全反射的兩個條件：光必須從光密介質射入光疏介質；是入射角大于或等于臨界角。利用好光路圖中的臨界光線，準確地判斷出恰好發(fā)生全反射的光路圖是解題的關鍵，且在作光路圖時盡量與實際相符，這樣更有利于問題的分析。（2）解答光的折射、全反射問題時抓好兩個關鍵點：準確作出光路圖；利用幾何關系確定光路中的邊、角關系，找準入射角和折射角。三、光導纖維1原理：光的全反射。2構造：由內芯跟外套兩層組成，內芯的折射率比外套的大，光傳播時在內芯與外套的界面上發(fā)生全反射。3傳播路徑：4光纖通信（1）方法：光也是一種電磁波，也可以像無線電波那樣，作為載體來傳遞信息。載有聲音、圖象以及各種數字信號的激光從光纖的一端輸入，就可以傳到千里以外的另一端，實現光纖通信。 （2）優(yōu)點：光纖通信的主要優(yōu)點是容量大。此外，光纖傳輸還有衰減小，抗干擾能力強等多方面的優(yōu)點。對光學儀器定標時，需要確定兩條平行光線的精確間距x?？梢杂靡韵罗k法：先使兩條光線垂直且對稱地射到一根圓柱形玻璃棒上，如圖所示，棒的半徑為R，折射率n=1.60，然后調節(jié)兩條光線間的距離，直到它們正好聚焦在玻璃棒圓周上對面的一點，試求x?！緟⒖即鸢浮?.92R【試題解析】設入射角為1，折射角為2，由幾何關系知1=22，則n=2cos2=1.6，解得cos2=0.8，sin2=0.6，sin 1=nsin 2=1.60.6=0.96，則x=2Rsin 1=1.92R。1（2018福建省漳州市）如圖，半圓形玻璃磚按圖中實線位置放置，直徑與BD重合。一束激光沿著半圓形玻璃磚的半徑從圓弧面垂直BD射到圓心O點上。使玻璃磚繞O點逆時針緩慢地轉過角度(0<<90)，觀察到折射光斑和反射光斑在弧形屏上移動。在玻璃磚轉動過程中，以下說法正確的是A折射光斑在弧形屏上沿CD方向移動B折射光斑的亮度逐漸變亮C折射光線消失前，折射角一定大于反射角D反射光線轉過的角度為E當玻璃磚轉至=45時，恰好折射光線消失，則此玻璃磚的折射率n=【答案】ACE2（2018遼寧省實驗中學、大連八中、大連二十四中、鞍山一中、東北育才學校）下面關于電磁波的表述正確的是A水面上的油膜呈現彩色是光的干涉現象B麥克斯韋第一次用實驗證實了電磁波的存在C在同一介質中，電磁波的頻率越高，傳播的速度越大D雙縫干涉實驗中，雙縫之間的距離越大，干涉條紋越窄E電磁波由電磁振蕩產生，若波源的電磁振蕩停止，空中的電磁波不會立即消失【答案】ADE考點2 光的干涉、衍射和偏振現象一、光的干涉1定義兩列頻率相同、振動情況相同的光波相疊加，某些區(qū)域出現振動加強，某些區(qū)域出現振動減弱，并且加強區(qū)域和減弱區(qū)域總是相互間隔的現象叫光的干涉現象。2相干條件只有相干光源發(fā)出的光疊加，才會發(fā)生干涉現象。相干光源是指頻率相同、相位相同（振動情況相同）的兩列光波。3兩束振動情況相同的光源產生的光相互疊加時：（1）出現明條紋的條件是屏上某點P到兩個相干光源S1和S2的路程差等于波長的整數倍或半波長的偶數倍，即|PS1PS2|=k=2k（k=0，1，2，3）當k=0時，即PS1=PS2，此時P點處的明條紋叫做中央亮條紋。（2）出現暗條紋的條件是屏上某點P到兩個相干光源S1和S2的路程差等于半波長的奇數倍，即|PS1PS2|=（2k+1）（k=0，1，2，3）4雙縫干涉：由同一光源發(fā)出的光經雙縫后，在屏上出現明暗相間的條紋。白光的雙縫干涉條紋是中央為白色條紋，兩邊為彩色條紋，單色光的雙縫干涉中相鄰亮條紋間的距離為。5光的雙縫干涉現象的理解（1）光能夠發(fā)生干涉的條件：兩光的頻率相同，振動步調相同。（2）雙縫干涉形成的條紋是等間距的，兩相鄰亮條紋或相鄰暗條紋間距離與波長成正比，即。（3）用白光照射雙縫時，形成的干涉條紋的特點：中央為白條紋，兩側為彩色條紋。6薄膜干涉：利用薄膜（如肥皂液薄膜）前后兩面反射的光相遇而形成的。圖樣中同一條亮（或暗）條紋上所對應的薄膜厚度相同。 7薄膜干涉現象的理解（1）如圖所示，豎直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形。（2）光照射到薄膜上時，在膜的前表面AA和后表面BB分別反射出來，形成兩列頻率相同的光波，并且疊加。（3）原理分析單色光在P1、P2處，兩個表面反射回來的兩列光波的路程差r等于波長的整數倍。r=n（n=1，2，3），薄膜上出現明條紋。在Q處，兩列反射回來的光波的路程差r等于半波長的奇數倍。r=（2n+1）（n=0，1，2，3），薄膜上出現暗條紋。白光：薄膜上出現水平彩色條紋。（4）薄膜干涉的應用干涉法檢查平面。如圖所示，兩板之間形成一楔形空氣膜，用單色光從上向下照射，如果被檢平面是平整光滑的，我們會觀察到平行且等間距的明暗相間的條紋；若被檢平面不平整，則干涉條紋發(fā)生彎曲。二、光的衍射1定義光離開直線路徑繞到障礙物陰影區(qū)的現象叫光的衍射，衍射產生的明暗條紋或光環(huán)叫衍射圖樣。2發(fā)生明顯衍射的條件只有當障礙物的尺寸跟光的波長相差不多，甚至比光的波長還小的時候，衍射現象才會明顯。3衍射圖樣（1）單縫衍射單色光：明暗相間的不等距條紋，中央亮紋最寬最亮，兩側條紋具有對稱性。白光：中間為寬且亮的白色條紋，兩側是窄且暗的彩色條紋，最靠近中央的是紫光，遠離中央的是紅光。（2）圓孔衍射：明暗相間的不等距圓環(huán)，圓環(huán)面積遠遠超過孔的直線照明的面積。（3）圓盤衍射：明暗相間的不等距圓環(huán)，中心有一亮斑稱為泊松亮斑。4光的衍射現象的理解（1）衍射與干涉的比較兩種現象比較項目單縫衍射雙縫干涉不同點條紋寬度條紋寬度不等，中央最寬條紋寬度相等條紋間距各相鄰條紋間距不等各相鄰條紋等間距亮度情況中央條紋最亮，兩邊變暗條紋清晰，亮度基本相等相同點干涉、衍射都是波特有的現象，屬于波的疊加；干涉、衍射都有明暗相間的條紋特別提醒：白光發(fā)生光的干涉、衍射和光的色散都可出現彩色條紋，但光學本質不同。區(qū)分干涉和衍射，關鍵是理解其本質，實際應用中可從條紋寬度、條紋間距、亮度等方面加以區(qū)分。干涉與衍射的本質：光的干涉條紋和衍射條紋都是光波疊加的結果，從本質上講，衍射條紋的形成與干涉條紋的形成具有相似的原理。在衍射現象中，可以認為從單縫通過兩列或多列頻率相同的光波，它們在屏上疊加形成單縫衍射條紋。（2）光的干涉和衍射比較內容干涉衍射現象在光重疊區(qū)域出現加強或減弱的現象光繞過障礙物偏離直線傳播的現象產生條件兩束光頻率相同、相位差恒定障礙物或孔的尺寸與波長差不多或小得多典型實驗楊氏雙縫干涉實驗單縫衍射、圓孔衍射、不透明圓盤衍射圖樣特點不同點條紋寬度條紋寬度相等條紋寬度不等，中央最寬條紋間距各相鄰條紋間距相等各相鄰條紋間距不等亮度情況清晰條紋，亮度基本相等中央條紋最亮，兩邊變暗相同點干涉、衍射都是波特有的現象；干涉、衍射都有明暗相間的條紋三、光的偏振1偏振：光波只沿某一特定的方向振動，稱為光的偏振。2自然光：太陽、電燈等普通光源發(fā)出的光，包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，而且沿各個方向振動的光波的強度都相同，這種光叫做自然光。3偏振光：在垂直于傳播方向的平面上，只沿某個特定方向振動的光，叫做偏振光。光的偏振證明光是橫波。自然光通過偏振片后，就得到了偏振光。4光的偏振現象的理解（1）偏振光的產生方式自然光通過起偏器：通過兩個共軸的偏振片觀察自然光，第一個偏振片的作用是把自然光變成偏振光，叫起偏器。第二個偏振片的作用是檢驗光是否為偏振光，叫檢偏器。自然光射到兩種介質的交界面上，如果光入射的方向合適，使反射光和折射光之間的夾角恰好是90時，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直。特別提醒：不能認為偏振片就是刻有狹縫的薄片，偏振片并非刻有狹縫，而是具有一種特征，即存在一個偏振方向，只讓平行于該方向振動的光通過，其他振動方向的光被吸收了。（2）偏振光的理論意義及應用理論意義：光的干涉和衍射現象充分說明了光是波，但不能確定光波是橫波還是縱波。光的偏振現象說明了光波是橫波。應用：照相機鏡頭、立體電影、消除車燈眩光等。5自然光和偏振光的比較自然光（非偏振光）偏振光光的來源直接從光源發(fā)出的光自然光通過起偏器后的光光的振動方向在垂直于光的傳播方向的平面內，光振動沿任意方向，且沿各個方向振動的光的強度相同在垂直于光的傳播方向的平面內，光振動沿特定方向在雙縫干涉實驗中，已知雙縫間的距離是0.2 mm，雙縫到光屏的距離為80 cm。某單色光的干涉圖樣中第一條亮紋中央到第四條亮紋中央的距離為7.80 mm，據此求單色光的波長是多少?！緟⒖即鸢浮?.1 cm1（2018江西省吉安市）下列說法正確的是A泊松亮斑是光的衍射現象，玻璃中的氣泡看起來特別明亮是光的全反射現象B根據麥克斯韋電磁場理論，變化的電場一定產生變化的磁場C楊氏雙縫干涉實驗中觀察到了明暗條紋，證明光是一種波，如果用激光進行實驗則效果沒有那么明顯D經典力學理論的成立具有一定的局限性E真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，與光源和觀察者間的相對運動無關【答案】ADE【解析】泊松亮斑是光的衍射現象，玻璃中的氣泡看起來特別明亮是光的全反射現象，選項A正確；根據麥克斯韋電磁場理論，周期性變化的電場一定產生周期性變化的磁場，均勻變化的電場可產生穩(wěn)定的磁場，選項B錯誤；楊氏干涉觀察到了明暗條紋證明光是一種波，如果用激光，由于是相干光源，則進行實驗則效果更明顯，故C錯誤；經典力學理論的成立具有一定的局限性，它只適應宏觀低速物體的運動，選項D正確；根據性對論的原理，真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，與光源和觀察者間的相對運動無關，選項E正確。2（2018四川省成都市）某種透明材料制成的空心球體外徑是內徑的2倍，其過球心的某截面（紙面內）如圖所示。一束單色光（紙面內）從外球面上A點入射，入射角為45時，光束經折射后恰好與內球面相切。（1）求該透明材料的折射率； （2）欲使光束從A點入射后，恰好在內球面上發(fā)生全反射，則應將入射角變?yōu)槎嗌俣?？【答案】?） （2）30則光束在內球面上的入射角ACD恰等于臨界角C1（2017北京卷）物理學原理在現代科技中有許多重要應用。例如，利用波的干涉，可將無線電波的干涉信號用于飛機降落的導航。如圖所示，兩個可發(fā)射無線電波的天線對稱地固定于飛機跑道兩側，它們類似于楊氏干涉實驗中的雙縫。兩天線同時都發(fā)出波長為1和2的無線電波。飛機降落過程中，當接收到1和2的信號都保持最強時，表明飛機已對準跑道。下列說法正確的是A天線發(fā)出的兩種無線電波必須一樣強B導航利用了1與2兩種無線電波之間的干涉C兩種無線電波在空間的強弱分布穩(wěn)定D兩種無線電波各自在空間的強弱分布完全重合【答案】C【解析】由于兩無線電波波源對稱分布在跑道兩側，兩種波長的無線電波各自發(fā)生干涉，在跑道處干涉均加強，當接收到的1和2的信號都保持最強時，表明飛機已對準跑道，導航利用了兩種波長的無線電波各自的穩(wěn)定干涉，所以天線發(fā)出的兩種無線電波不必一樣強，AB錯誤；兩種無線電波各自在空間的強弱分布穩(wěn)定，但不重合，否則接收到1和2的信號都保持最強的位置不一定在跑道上，C正確，D錯誤。 2（2017北京卷）如圖所示，一束可見光穿過平行玻璃磚后，變?yōu)閍、b兩束單色光。如果光束b是藍光，則光束a可能是A紅光 B黃光C綠光 D紫光【答案】D3（2017天津卷）明代學者方以智在陽燧倒影中記載：“凡寶石面凸，則光成一條，有數棱則必有一面五色”，表明白光通過多棱晶體折射會發(fā)生色散現象。如圖所示，一束復色光通過三棱鏡后分解成兩束單色光a、b，下列說法正確的是A若增大入射角i，則b光先消失B在該三棱鏡中a光波長小于b光Ca光能發(fā)生偏振現象，b光不能發(fā)生D若a、b光分別照射同一光電管都能發(fā)生光電效應，則a光的遏止電壓低【答案】D4（2016四川卷）某同學通過實驗測定半圓形玻璃磚的折射率n。如圖甲所示，O是圓心，MN是法線，AO、BO分別表示某次測量時光線在空氣和玻璃磚中的傳播路徑。該同學測得多組入射角i和折射角r，做出sin isin r圖象如圖乙所示。則A光由A經O到B，n=1.5B光由B經O到A，n=1.5C光由A經O到B，n=0.67D光由B經O到A，n=0.67【答案】B【解析】由圖線可知，可得n=1.5；因i是入射角，r是折射角，折射角大于入射角，故光由B經O到A，故選B。5（2018新課標全國I卷）如圖，ABC為一玻璃三棱鏡的橫截面，A=30，一束紅光垂直AB邊射入，從AC邊上的D點射出，其折射角為60，則玻璃對紅光的折射率為_。若改用藍光沿同一路徑入射，則光線在D點射出時的折射射角_（“小于”“等于”或“大于”）60?！敬鸢浮?大于6（2018新課標全國II卷）如圖，是一直角三棱鏡的橫截面，一細光束從BC邊的D點折射后，射到AC邊的E點，發(fā)生全反射后經AB邊的F點射出。EG垂直于AC交BC于G，D恰好是CG的中點。不計多次反射。（1）求出射光相對于D點的入射光的偏角；（2）為實現上述光路，棱鏡折射率的取值應在什么范圍？【答案】（1）=60 （2） 【解析】（1）光線在BC面上折射，由折射定律有式中，n為棱鏡的折射率，i1和r1分別是該光線在BC面上的入射角和折射角。光線在AC面上發(fā)生全反射，由反射定律有i2=r2式中i2和r2分別是該光線在AC面上的入射角和反射角。光線在AB面上發(fā)生折射，由折射定律有式中i3和r3分別是該光線在AB面上的入射角和折射角。由幾何關系得7（2018新課標全國III卷）如圖，某同學在一張水平放置的白紙上畫了一個小標記“”(圖中O點)，然后用橫截面為等邊三角形ABC的三棱鏡壓在這個標記上，小標記位于AC邊上。D位于AB邊上，過D點做AC邊的垂線交AC于F。該同學在D點正上方向下順著直線DF的方向觀察。恰好可以看到小標記的像；過O點做AB邊的垂線交直線DF于E；DE=2 cm，EF=1 cm。求三棱鏡的折射率。(不考慮光線在三棱鏡中的反射)【答案】【解析】解析過D點作AB邊的發(fā)現，連接OD，則為O點發(fā)出的光纖在D點的入射角；設該光線在D點的折射角為，如圖所示。根據折射定律有式中n為三棱鏡的折射率由幾何關系可知8（2017新課標全國卷）如圖，一玻璃工件的上半部是半徑為R的半球體，O點為球心；下半部是半徑為R、高位2R的圓柱體，圓柱體底面鍍有反射膜。有一平行于中心軸OC的光線從半球面射入，該光線與OC之間的距離為0.6R。已知最后從半球面射出的光線恰好與入射光線平行（不考慮多次反射）。求該玻璃的折射率。 【答案】【解析】如圖，根據光路的對稱性和光路可逆性，與入射光線相對于OC軸對稱的出射光線一定與入射光線平行。這樣，從半球面射入的折射光線，將從圓柱體底面中心C點反射。設光線在半球面的入射角為i，折射角為r。由折射定律有由正弦定理有由幾何關系，入射點的法線與OC的夾角為i。由題設條件和幾何關系有式中L是入射光線與OC的距離。由式和題給數據得由式和題給數據得9（2017新課標全國卷）一直桶狀容器的高為2l，底面是邊長為l的正方形；容器內裝滿某種透明液體，過容器中心軸DD、垂直于左右兩側面的剖面圖如圖所示。容器右側內壁涂有反光材料，其他內壁涂有吸光材料。在剖面的左下角處有一點光源，已知由液體上表面的D點射出的兩束光線相互垂直，求該液體的折射率。【答案】1.55聯立解得：由幾何關系：聯立解得：n=1.5510（2017新課標全國卷）如圖，一半徑為R的玻璃半球，O點是半球的球心，虛線OO表示光軸（過球心O與半球底面垂直的直線）。已知玻璃的折射率為1.5。現有一束平行光垂直入射到半球的底面上，有些光線能從球面射出（不考慮被半球的內表面反射后的光線）。求（1）從球面射出的光線對應的入射光線到光軸距離的最大值；（2）距光軸的入射光線經球面折射后與光軸的交點到O點的距離。 12（2016全國新課標全國卷）如圖，玻璃球冠的折射率為，其底面鍍銀，底面的半徑是球半徑的倍；在過球心O且垂直于底面的平面（紙面）內，有一與底面垂直的光線射到玻璃球冠上的M點，該光線的延長線恰好過底面邊緣上的A點。求該光線從球面射出的方向相對于其初始入射方向的偏角?！敬鸢浮扛鶕瓷涠煽傻?30連接ON，由幾何關系可知，故有故可得 于是ENO為反射角，ON為反射光線，這一反射光線經球面再次折射后不改變方向。所以經一次反射后射出玻璃球冠的光線相對于入射光線的偏角為