2023屆高考物理一輪復習：第30講 光學

知識圖譜第30講光學光學光學知識精講一.光的折射2.介質的折射率(1)定義：光從真空射入某種介質，入射角的正弦跟折射角的正弦之比，叫做介質的折射率。(2)公式：,折射率總大于1,在介質中的傳播速度v<c。(3)折射率的大小取決于介質本身和入射光的頻率，與入射角的大小無關。某一頻率的光在不同介質中傳播時，頻率不變，折射率不同，光速不同，波長也不同；不同頻率的光在同一介質中傳播時，折射率不同，4.測量玻璃的折射率(2)實驗器材：玻璃磚、白紙、木板、大頭針四枚、圖釘四枚、量角器、三角板(或直尺)、鉛筆。(3)利用平均值法求玻璃的折射率：根據(jù)測量數(shù)據(jù)求出各組,再算求這n組的平均值即為玻璃的(4)利用圖像法求折射率：用sini表示縱坐標，用siny表示橫坐標，把各組對應的數(shù)據(jù)描到坐標紙上，根據(jù)所描的點用過原點的直線使所描點盡量落在所畫的直線上，或均勻后分布于直線的兩(5)利用做圖法求折射率：由下圖可知：1.全反射的定義：光從光密介質射向光疏介質時，同時發(fā)生折射和反射，當入射角增加到某一(1)光從光密介質射向光疏介質；(2)入射角大于或等于臨界角。3.臨界角C:是指折射角為90°時的入射角，當光線從某介質射入真空(或空氣)時，其臨界角的正弦值為4.全反射的應用(1)全反射棱鏡(2)光導纖維乙三.光的干涉S紅濾色片1801年英國物理學家托馬斯·楊在實驗室里成功的觀察到光的干涉現(xiàn)象。2.干涉圖樣的特點(1)明暗相間；(2)亮紋間等距，暗紋間等距；(3)兩縫隙Si、S?中垂線與屏幕相交位置是亮條紋，即中央亮紋。3.光的干涉現(xiàn)象兩列頻率相同、振動情況相同的光波相疊加，某些區(qū)域出現(xiàn)振動加強，某些區(qū)域出現(xiàn)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(xiàn)象叫光的干涉現(xiàn)象。只有相干光源發(fā)出的光疊加，才會發(fā)生干涉現(xiàn)象。相干光源是指頻率相同、相位相同的兩列光波。4.決定雙縫干涉條紋間距的條件(1)當兩束振動情況相同的光源產生的光相互疊加時，出現(xiàn)明條紋的條件是屏上某點P到兩個相干光源Si和S?的路程差等于波長的整數(shù)倍或半波長的偶數(shù)倍，即；當k=0時，即PSi=PS?,此時P點處的明條紋叫做中央亮條紋；單色光的雙縫干涉中相鄰亮條紋間距離為(2)出現(xiàn)暗條紋的條件是屏上某點P到兩個相干光源S?和S?的路程差等于半波長的奇數(shù)倍，即[PS?-PS?I暗條紋中心的位置為：。四.實驗用雙縫干涉測量光的波長可以計算出單色光的波長,公式中△x為相鄰兩條亮紋間的距離，波長用n表示，d表示兩個狹縫之間的2.實驗儀器及步驟(1)實驗儀器(雙縫干涉儀):包括光源，慮光片，單縫、雙縫、遮光筒，光屏，光具座，測量頭及刻度(2)測量單色波的波長時，實驗注意事項：的讀數(shù)；轉動手輪，使分劃板的中心刻線移動至另一條亮紋的中央，記下此時的讀數(shù)，得出n個亮條紋間的距離a,則相鄰兩條亮紋間距;用刻度尺測量雙縫到光屏的距離，是已(3)利用游標卡尺測量條紋間距的舉例說明：圖中，游標尺第4刻線與主尺刻線對齊，故讀數(shù)為：11mm+0.1m×4=11.4mm;下半部分的圖中，游標尺第7五.光的衍射2.發(fā)生明顯衍射的條件：只有當障礙物的尺寸和光的波長相差不多，甚至比光的波長還小的時候，衍射3.衍射與干涉的區(qū)別：光的干涉條紋和衍射條紋都是光波疊(1)單縫衍射，對于單色光而言，形成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(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。圓屏(盤)衍射三點剖析光的折射和全反射例題1、熱反射玻璃一般是在玻璃表面鍍一層或多層諸如鉻、鈦或不銹鋼等金屬或其化合物物，且室內也能看到室外的景物，其清晰程度取決于室外照度的強弱。根據(jù)以上信息和你所學過的物理知識判斷，例題2、如圖所示，某液體的折射率為√2,液面上有一點光源S發(fā)出一束光垂直入射到水平放置于液體中且距液面為d的平面鏡M上，當平面鏡M繞垂直紙面過入射點O的軸以角速度w做逆時針勻速轉動時，岸上的觀察者發(fā)現(xiàn)水面上有一光斑掠過，則觀察者觀察到的光斑在水面上掠過的最大速度為多少?S例題3、(1)如圖所示為一列向右傳播的簡諧橫波傳到質點a點時的波形，波速為v=6m/s,質點b、c的坐標分別為xh=96m,xc=36m,以圖示時刻為計時起點，下列說法中正確的是(填正確答案標號)A.該波的振動周期為4sB.該波傳播到質點c時，質點a通過的路程為6mC.質點b開始振動時，振動方向沿y軸負方向D.t=12s時質點b第一次到達波谷，此時質點a經(jīng)過平衡位置向y軸負方向振動E.質點b到達波峰時，質點c經(jīng)過平衡位置向y軸正方向振動①若玻璃半球對紫色光的折射率為n=√2,請你求出圓形亮②若將題干中紫光改為白光，在屏幕S上形成的圓形亮區(qū)的邊緣是什么顏色.隨練1、[多選題]如圖所示，一單色光由介質I射入介質Ⅱ,在界面MN上發(fā)生偏折.下列說法正確的是()A.該光在介質I中傳播的速度大從AO面的C點射入玻璃磚，折射光線CD與OB面平行，且剛好從圓弧AB的中點D射出，光在真空中傳播速度為①單色光從C傳播到D所用的時間；②光線從D點出射后，與OB的延長線的交點離B點的距離。光的波動性例題1、[多選題]虹是由陽光射入雨滴(視為球形)時，經(jīng)一次反射和兩次折射而產生色散形成的?，F(xiàn)有白光束L由圖示方向射入雨滴，a、b是經(jīng)反射和折射后的其中兩條出射光線，如圖。下列說法正確的是()D.若分別讓a、b兩色光通過同一雙縫裝置，則b光形成的干涉條紋的間距較大例題2、[多選題]兩種單色光束a,b分別照射C.a光的頻率大于b光的頻率D.同一種介質對a光的折射率小于對b光的折射率例題3、[多選題]一般認為激光器發(fā)出的是頻率為v的"單色光",實際上它的頻率并不是真正單一的，激光頻率v到平行液膜的上表面，射入時與液膜上表面成θ角.則下列說法正確的是()A.a光從下表面射出時與入射光線間偏移的距離較大例題4、如圖所示的4種明暗相間的條紋，分別是紅光、藍光通過同一個雙縫干涉儀器形成的干涉圖樣和黃光、紫光通過同一個單縫形成的衍射圖樣(黑色部分代表亮紋),那么1、2、3、4四個圖中亮條紋的顏色依次是()例題5、用干涉法檢查平整的工件表面，產生的干涉條紋是一組平行的直線，若角度，如圖所示，干涉條紋將()A.Q光穿過該玻璃磚所需的時間比P光短B.P光的波長比Q光的波長小C.PQ兩束光以相同的入射角從水中射向空氣，若Q光能發(fā)生全反射，則P光也一定能發(fā)生全反射隨練2、[多選題]科學家發(fā)現(xiàn)光既能像波一樣向前傳播，有時又表現(xiàn)出粒子的特征，因此我們稱光的“波粒二象性",光的干涉、衍射和偏振說明光具有波動性，光電效應和康普頓效應說明光具有粒子性，下面我們分別研究這些現(xiàn)象.乙A位置讀數(shù)A位置讀數(shù)實驗：測玻璃折射率和測光的波長=0.20mm的雙縫屏。從儀器注明的規(guī)格可知，像屏與雙縫屏間的距離L=700mm。然后，接通電源使光源正常工甲丙①已知測量頭上主尺的最小刻度是毫米，副尺(游標尺)上有20分度。某同學調整手輪后，從測量頭的目鏡看去，利用上述測量結果，經(jīng)計算可得經(jīng)濾光片射向雙縫的色光的波長λ=m(保留2位有效數(shù)字)。仍能觀察到清晰的條紋，且條紋數(shù)目有所增加。以下改動A.僅將濾光片移至單縫和雙縫之間C.僅將單縫與雙縫的位置互換(1)分劃板在圖中A、B位置時游標卡尺讀數(shù)xA=11.1mm,xB=mm,Axmm(2)波長的表達式n=(用Ax、L、d表示),該單色光的波長λ=m;例題4、學校開展研究性學習，某研究小組的同學根據(jù)圖所示，在一圓盤上，過其圓心O作兩條互相垂直的直徑BC、EF,在半徑OA上，垂直盤面插下兩枚大頭針P、同學們通過計算，預先在圓周EC部分刻好了折射率的值，這樣只要根據(jù)P?所插的位置，就可直接讀出液體折射率(1)若∠AOF=30°,OP?與OC的夾角為30°,則P?處所對應的折射率的值為,(2)圖中P3、P?兩位置中(填"P?"或"P?")處所對應的折射率大，(3)若保持∠AOF=30°不變，用該裝置能測量的最大折射率的值不超過隨練1、現(xiàn)有毛玻璃屏A、雙縫B、白光光源C、單縫D和透紅光的濾光片E等光學元件，要把它們放在如圖所(1)將白光光源C放在光具座最左端，依次放置其它光學元件，由左至右，表示各光學元件的字母排列順 (2)本實驗的步驟有：④用測量頭(其讀數(shù)方法同螺旋測微器)測量數(shù)條亮紋間的距離。在操作步驟②時還應注意單縫和雙縫間距5cm—10cm和(3)將測量頭的分劃板中心刻線與某亮紋中心對齊，將該亮紋定為第1條亮紋，此時手輪上的示數(shù)如圖2所示。然后同方向轉動測量頭，使分劃板中心刻線與第6條亮紋中心對齊，記下此時圖3中手輪上的示數(shù)mm,(4)已知雙縫間距d為2.0×10?4m,測得雙縫到屏的距離L為0.700m,由計算式λ=,求得所測紅光波長為nm.(計算結果保留2位有效數(shù)字)隨練2、某同學利用圖示裝置測量某種單色光的波長。實驗時，接A.將單縫向雙縫靠近B.將屏向靠近雙縫的方向移動(ii)若雙縫的間距為d,屏與雙縫間的距離為1,測得第1條暗條紋到第n條暗條紋之間的距離為△x,則單色光的波長λ=;(iii)某次測量時，選用的雙縫的間距為0.300mm,測得屏與雙縫間的距離為1.20m,第1條暗條紋到第4條暗條紋之間的距離為7.56mm。則所測單色光波長為nm(結果保留3位有效數(shù)字)。隨練3、(1)在用雙縫干涉測光的波長的實驗中，所用實驗裝置如圖甲所示①調節(jié)分劃板的位置，使分劃板中心刻線對齊第1條亮條紋的中心，此時手輪上的讀數(shù)如圖乙所示，則讀數(shù)為 ②如果用上述裝置測量氦氖激光器發(fā)出激光的波長，則圖中除了光源以外，其他不必(2)在"測定玻璃的折射率"實驗中，某同學經(jīng)正確操作插好了4枚大頭針，畫出完整的光路圖，由于沒有量角器，他以入射點O點為圓心畫圓交入射光線于A點，交折射光線于B點，過A點畫法線的垂線與法線交于C點，過B表示為B.t=1.35s時質點a的速度正在增大C.波傳到c點時，質點c開始向上振動D.任意時刻質點a與質點a'振動狀態(tài)完全相同E.若接收器向距它20m的波源S勻速遠離，接收器接收到的頻率將大于1Hz(2)如圖所示，在平靜的湖面岸邊處，垂釣者的眼睛恰好位于岸邊P點正上方0.9m高度處，浮標Q離P點1.2m遠，魚餌燈M在浮標正前方1.8m遠處的水下，垂釣者發(fā)現(xiàn)魚餌燈剛好被浮標擋住，已知水的折射率0②若魚餌燈緩慢豎直上浮，當它離水面多深時，魚餌燈發(fā)出的光恰好無法從水面PQ間射出?玻璃中有一個正三棱柱的真空區(qū)域。三棱柱軸線垂直于紙面，圖中豎直截面正三角形的邊長18cm,頂點C很靠近M,距離可忽略。底邊AB與屏幕平行，一束激光在豎直截面內垂直于AB邊射向AC邊的中點O,結果在屏幕MN衍射和偏振說明光具有波動性，光電效應和康普頓效應說明光具有粒子性。下面我們分別研究這些現(xiàn)象.偏振現(xiàn)象是光波特有的現(xiàn)象，利用偏振現(xiàn)象可以判斷一列波是橫波還是縱波.現(xiàn)有兩個偏振片緊靠在一起將它們放在一盞燈的前面以致沒有光通過(可認為光強為零),如果將其中的一片旋轉180度，在旋轉過程中，將會產生下4、雨后太陽光入射到水滴中發(fā)生色散而形成彩虹，設水滴是球形的，圖中的圓代表水滴過球心的截面，入射光的干涉、衍射和偏振說明光具有波動性，光電效應和康普頓效應說明光具有粒子性，下面我們分別研究張紙片，從而在兩玻璃表面之間形成一個劈形空氣薄膜，當光垂直入射后，形成干涉條紋，干涉條紋有如下特點：(1)任意一條明條紋或暗條紋所在位置下面的薄膜厚度相等；(2)任意相鄰明條紋或暗條紋所對應的薄膜厚度差恒定，關于該薄膜干涉，下列說法中正確的是A.干涉條紋是由空氣薄層的上下兩個面反射A.干涉條紋是由空氣薄層的上下兩個面反射的光形成的B.干涉條紋是由樣板的上下兩個面反射的光形成的C.若將該裝置中抽去一張紙片，從上往下觀察到的干涉變疏D.若將該裝置中抽去一張紙片，從上往下觀察到的干涉變密6、[多選題]科學家發(fā)現(xiàn)光既能像波一樣向前傳播，有時又表現(xiàn)出粒子的特征，因此我們稱光的"波粒二象性".光的干涉、衍射和偏振說明光具有波動性，光電效應和康普頓效應說明光具有粒子性，下面我們分別研究這些現(xiàn)象，如圖所示是一豎立的肥皂液薄膜的橫截面，關于豎立肥皂液薄膜上產生光的干涉現(xiàn)象的下列陳述中正確的是A.干涉條紋的產生是由于光線在薄膜前后兩表面反射形成的兩列光波的疊加B.干涉條紋的暗紋是由于上述兩列反射波的波谷與波谷疊加而成C.薄膜上干涉條紋基本上是水平的D.用綠色光照射薄膜產生的干涉條紋間距比黃光照射時小7、某同學利用如圖甲所示裝置測量光的波長甲(1)將測量頭的分劃板中心刻線與某亮條紋的中心對齊，將該亮條紋定為第1條亮條紋，此時手輪上的示數(shù)為3.730mm,轉動測量頭，使分劃板中心刻線與第6條亮條紋中心對齊，此時手輪上的示數(shù)如圖乙所示，則圖乙讀數(shù)為mm,已知雙縫間距d=0.3mm,雙縫到屏的距離L=600mm,由以上數(shù)據(jù)得這種光的波長λ=nm。(2)以下操作，能使條紋間距變大的是A.將濾光片由紅色換成藍色B.增大單縫到雙縫的距離C.增大雙縫到光屏的距離D.換一個間距較大的雙縫8、利用雙縫干涉測光的波長實驗中，雙縫間距d=0.4mm,雙縫到光屏的距離1=0.5m,用某種單色光照射雙縫得到干涉條紋如圖所示，分劃板在圖中A、B位置時游標卡尺讀數(shù)也如圖中所示，則：A位置讀數(shù)B位置讀數(shù)(1)分劃板在圖中A、B位置時游標卡尺讀數(shù)分別為xA=mm,XB=mm,相鄰兩條紋間距△x_(2)波長的表達式λ=(用Ax、I、d表示),該單色光的波長λ=m;(3)若改用頻率較高的單色光照射，得到的于涉條紋間距將(填“變大”、"不變”或“變小”).答案解析 例題1、例題2、且,而設液體的臨界角為C,則,可得C=45°例題3、【答案】【解析】(2)①紫光剛要發(fā)生全反射時的臨界光線射在屏幕S上的點E到亮區(qū)中心G的距離r就是所求最大半徑.徑又由幾何知識可知②紫色.當白光從玻璃中射向空氣時，由于紫光的折射率最大，則臨界角最小，所以首先發(fā)生全反射，因此出射光隨練2、光的波長大于b光的波長。故B項正確。C:在真空中所有色光的速度相等，據(jù)c=Av可得，D:同一種介質對頻率高的色光折射率大，同一種介質對a光的折射率小于對b光的折射率。故D項正確。例題3、[多選題]B:由于平行液膜的上表面與下表面平行，光在上表面的折射角等于下表面的入射角，根據(jù)光路的可逆性得知，兩D:相同裝置做雙縫干涉實驗，干涉條紋間距,b光產生的干涉條紋間距較大。故D項錯誤。例題4、【解析】雙縫干涉的條紋是明暗相間且等距的，故1、3為紅光和藍光的干涉條紋圖樣，由L知波長大的條紋間距寬，因紅光比藍光的波長長，所以1為紅光，3為藍光；單縫衍射的條紋是明暗相間不等距的，故2、4為黃光和紫光的衍射條紋圖樣，因波長大的更易發(fā)生衍射現(xiàn)象，且黃光比紫光的波長長，所以2為紫光，4為黃光.例題5、隨練1、根據(jù)光路圖可知Q光的偏折較大，所以折射率較大，頻率較大，根知Q光在玻璃磚中的速度較小，經(jīng)過大，D項正確；綜上本題選D。隨練2、[多選題]隨練3、[多選題]實驗：測玻璃折射率和測光的波長例題1、②、根據(jù)雙縫干涉條紋的間距公式知，增大雙縫到屏的距離，即L增大，干涉條紋間距增大.③、根據(jù)雙縫干涉條紋的間距公式知，將綠光換為紅光，波長變長，則干涉條紋間距增大.例題2、②D【解析】(1)圖中游標卡尺的主尺的刻度為0,游標尺的第5刻度與上邊對齊，則讀數(shù)為：0mm+0.05×5=0.25mm,A到B條紋間的距離為8.40mm,由圖可知A到B條紋間的距離為5個條紋寬度，則：根據(jù)公式得：(2)對實驗裝置作了一下改動后，在像屏上仍能觀察到清晰的條紋，且條紋數(shù)目有所增加，可知各條紋的寬度減A.僅將濾光片移至單縫和雙縫之間，λ、L與d都不變，則△x不變。故A錯誤；B.僅將單縫遠離雙縫移動少許，λ、L與d都不變，C.僅將單縫與雙縫的位置互換，將不能正常觀察雙縫干涉。故C錯誤；D.僅將紅色濾光片換成綠色的濾光片，λ減小，L與d都不變，則△x減小。故D正確。例題3、(3)變小【解析】(1)B位置游標卡尺的主尺讀數(shù)為15mm,游標讀數(shù)為0.1×6mm=0.6mm,所以最終讀數(shù)為15.6mm。(2)根據(jù)雙縫干涉條紋的間距公式λ得：(3)根據(jù)雙縫干涉條紋的間距公式，例題4、知，頻率變高，波長變短，則干涉條紋間距變小。【答案】【解析】(1)由圖看出，折射角為i=∠AOF=30°,折射角r=∠EOP?=60°,則P?處所對應的折射率的值為(2)P?處對應的入射角較小，根據(jù)折射定律，(3)最大的折射角為90°,對應的折射,可知P?處對應的折射率較小，P?處對應的折射率較大.,故最大折射率不超過2.隨練1、(2)使單縫與雙縫相互平行(3)13.870;2.310(或2.31)【解析】(1)為獲取單色線光源，白色光源后面要有濾光片、單縫、雙縫。(2)在操作步驟②時還應注意使單縫與雙縫相互平行，使一個線光源變?yōu)轭l率相等的兩個線光源。(3)圖3,螺旋測微器固定刻