2024屆物理一輪復(fù)習(xí)講義專題強化二十四 幾何光學(xué)與物理光學(xué)的綜合含答案

2024屆物理一輪復(fù)習(xí)講義專題強化二十四幾何光學(xué)與物理光學(xué)的綜合學(xué)習(xí)目標(biāo)1.會分析光的折射、全反射與物理光學(xué)相結(jié)合問題。2.會分析物理光學(xué)與光電效應(yīng)等物理知識的綜合問題?？键c一光的折射現(xiàn)象與物理光學(xué)的綜合例1(2023·天津南開區(qū)一模)如圖1所示，有一束平行于等邊三棱鏡截面ABC的復(fù)色光從空氣射向AB邊的中點D，入射方向與邊AB的夾角為θ＝30°，經(jīng)三棱鏡折射后分為a、b兩束單色光，單色光a偏折到BC邊的中點E，單色光b偏折到F點，則下列說法正確的是()圖1A.a光的頻率小于b光的頻率B.棱鏡對單色光b的折射率小于eq\r(3)C.在棱鏡中a光的傳播速度大于b光的傳播速度D.分別通過同一雙縫干涉裝置，a光的相鄰亮條紋間距大答案B解析由光路圖可知，三棱鏡對a光的折射率較大，則a光的頻率大于b光的頻率，A錯誤；如圖所示，a光在AB邊的入射角為i＝60°，折射角為r＝30°，則三棱鏡對a光的折射率為na＝eq\f(sin60°,sin30°)＝eq\r(3)，由于三棱鏡對b光的折射率較小，故棱鏡對單色光b的折射率小于eq\r(3)，B正確；根據(jù)v＝eq\f(c,n)，由于三棱鏡對a光的折射率較大，故在棱鏡中a光的傳播速度小于b光的傳播速度，C錯誤；三棱鏡對a光的折射率較大，則a光的頻率較大，a光的波長較小，根據(jù)Δx＝eq\f(l,d)λ，可知分別通過同一雙縫干涉裝置，a光的相鄰亮條紋間距小，D錯誤。跟蹤訓(xùn)練1.(2021·湖北卷，5)如圖2所示，由波長為λ1和λ2的單色光組成的一束復(fù)色光，經(jīng)半反半透鏡后分成透射光和反射光。透射光經(jīng)擴束器后垂直照射到雙縫上并在屏上形成干涉條紋。O是兩單色光中央亮條紋的中心位置，P1和P2分別是波長為λ1和λ2的光形成的距離O點最近的亮條紋中心位置。反射光入射到三棱鏡一側(cè)面上，從另一側(cè)面M和N位置出射，則()圖2A.λ1<λ2，M是波長為λ1的光出射位置B.λ1<λ2，N是波長為λ1的光出射位置C.λ1＞λ2，M是波長為λ1的光出射位置D.λ1＞λ2，N是波長為λ1的光出射位置答案D解析由雙縫干涉條紋間距的公式Δx＝eq\f(l,d)λ可知，當(dāng)兩種色光通過同一雙縫干涉裝置時，波長越長條紋間距越寬，由屏上亮條紋的位置可知λ1>λ2；反射光經(jīng)過三棱鏡后分成兩束色光，由圖可知M光的折射率大，又由折射定律可知，入射角相同時，折射率越大的色光折射角越小，由于λ1>λ2，則n1＜n2，所以N是波長為λ1的光出射位置，D正確，A、B、C錯誤。

考點二全反射現(xiàn)象與物理光學(xué)的綜合例2(2023·山東日照一模)如圖3所示，由黃光和紫光組成的一束復(fù)色光沿著半圓形玻璃磚的半徑入射，在界面上分成ab、b兩束光，下列說法正確的是()圖3A.ab束光是黃光和紫光，b束光是紫光B.a、b兩束光分別通過相同的單縫，可能只觀察到a明顯的衍射現(xiàn)象C.a在玻璃磚中的傳播速度大于b在玻璃磚中的傳播速度D.用同一裝置做雙縫干涉實驗，屏幕上相鄰亮條紋間距Δxa<Δxb答案D解析由光路圖可知，a、b兩束光入射角相同，但是a束光只有反射光線沒有折射光線，發(fā)生了全反射，故a束光全反射臨界角小于b束光。由sinC＝eq\f(1,n)可知na>nb，故a束光是紫光，b束光是黃光，ab束光是黃光和紫光，A錯誤；a、b兩束光分別通過相同的單縫，a、b光均能發(fā)生衍射現(xiàn)象，由于na＞nb，所以λa＜λb，可能只觀察到b光明顯的衍射現(xiàn)象，B錯誤；由折射率與波速的關(guān)系n＝eq\f(c,v)可知，va<vb，C錯誤；雙縫干涉時有Δx＝eq\f(l,d)λ，又因為紫光的波長小于黃光，即λa<λb，故用同一裝置做雙縫干涉實驗，屏幕上相鄰亮條紋間距關(guān)系為Δxa<Δxb，D正確。跟蹤訓(xùn)練2.(多選)如圖4所示，兩束單色光a、b從水下面射向A點，光線經(jīng)折射后合成一束光c。則下列說法正確的是()圖4A.用同一雙縫干涉實驗裝置分別以a、b光做實驗，a光的干涉條紋間距大于b光的干涉條紋間距B.用a、b光分別做雙縫干涉時它們的干涉條紋寬度都是不均勻的C.在水中a光的臨界角大于b光的臨界角D.若a光與b光以相同入射角從水射向空氣，在不斷增大入射角時水面上首先消失的是b光答案ACD解析由圖可知，單色光a偏折程度小于單色光b的偏折程度，根據(jù)折射定律n＝eq\f(sini,sinr)知，a光的折射率小于b光的折射率，則知a光的波長大，根據(jù)雙縫干涉條紋的間距公式Δx＝eq\f(l,d)λ可知，在d、l相同的條件下，干涉條紋間距與波長成正比，所以a光的干涉條紋間距大于b光的干涉條紋間距，A正確；a光的波長長，則干涉條紋間距較大，但它們條紋寬度都是均勻的，B錯誤；由全反射臨界角公式sinC＝eq\f(1,n)知折射率n越大，臨界角C越小，則知在水中a光的臨界角大于b光的臨界角，C正確；若a光與b光以相同入射角從水射向空氣時，由于在水中a光的臨界角大于b光的臨界角，所以b光的入射角先達(dá)到臨界角，則b光先發(fā)生全反射，首先消失的是b光，D正確。考點三物理光學(xué)與其他知識的綜合例3(多選)如圖5所示，一束復(fù)色光射到平行玻璃磚的上表面，經(jīng)玻璃磚下表面射出后分為a、b兩束光，下列說法正確的是()圖5A.在玻璃磚中a光的傳播速度小于b光的傳播速度B.若從同一介質(zhì)射入真空，發(fā)生全反射時a光的臨界角比b光的大C.通過同一雙縫干涉裝置產(chǎn)生的干涉條紋間距Δxa＞ΔxbD.a、b兩束光分別照射到同種金屬上，相應(yīng)的遏止電壓分別為Ua和Ub，則Ua＞Ub答案AD解析由公式n＝eq\f(sini,sinr)可知，a光的折射率大于b光的折射率，由公式v＝eq\f(c,n)可知，在玻璃磚中a光的傳播速度小于b光的傳播速度，故A正確；由公式sinC＝eq\f(1,n)可知，折射率越大，臨界角越小，則從同一介質(zhì)射入真空，發(fā)生全反射時a光的臨界角比b光的小，故B錯誤；由于a光的折射率大于b光的折射率，則a光的頻率大于b光的頻率，由公式c＝λν可知，a光的波長小于b光的波長，由公式Δx＝eq\f(l,d)λ可知，通過同一雙縫干涉裝置產(chǎn)生的干涉條紋間距Δxa＜Δxb，故C錯誤；由愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0和eUc＝Ek可得eUc＝hν－W0，則Ua＞Ub，故D正確。跟蹤訓(xùn)練3.由a和b兩種頻率的光組成的光束，經(jīng)玻璃三棱鏡折射后的光路如圖6所示。a光是氫原子由n＝4的能級向n＝2的能級躍遷時發(fā)出的。下列說法中正確的是()圖6A.該三棱鏡對a光的折射率較大B.在該三棱鏡中，a光的傳播速度小于b光的傳播速度C.用同一雙縫干涉裝置進(jìn)行實驗，a光干涉條紋的間距大于b光干涉條紋的間距D.b光可能是氫原子從n＝3的能級向n＝2的能級躍遷時發(fā)出的答案C解析由題圖可知，三棱鏡對b光的折射程度較大，則該三棱鏡對b光的折射率較大，選項A錯誤；根據(jù)v＝eq\f(c,n)可知，在該三棱鏡中，a光的傳播速度大于b光的傳播速度，選項B錯誤；a光折射率小，則頻率小，波長大，根據(jù)Δx＝eq\f(l,d)λ可知，用同一雙縫干涉裝置進(jìn)行實驗，a光干涉條紋的間距大于b光干涉條紋的間距，選項C正確；b光頻率大，則所對應(yīng)的躍遷的能級差較大，因為a光是氫原子由n＝4的能級向n＝2的能級躍遷時發(fā)出的，則b光不可能是氫原子從n＝3的能級向n＝2的能級躍遷時發(fā)出的，選項D錯誤。A級基礎(chǔ)對點練1.(多選)(2023·山東泰安一模)如圖1所示，從水中S點沿SO射出a、b兩種單色光，只有a單色光射出水面。則下列說法正確的是()圖1A.a光在水中的速度大B.b光在水中的速度大C.用同一雙縫干涉裝置進(jìn)行實驗，可看到a光干涉條紋間距比b光的寬D.用同一雙縫干涉裝置進(jìn)行實驗，可看到b光干涉條紋間距比a光的寬答案AC解析由題意可知，b光在水中發(fā)生了全反射，所以a光的臨界角大于b光，由sinC＝eq\f(1,n)可知，a光的折射率小于b光，由v＝eq\f(c,n)可知，a光在水中的速度大于b光，A正確，B錯誤；a光的折射率小于b光，a光的波長大于b光，由Δx＝eq\f(l,d)λ可知，a光雙縫干涉條紋間距比b光的寬，C正確，D錯誤。2.如圖2所示，a、b兩束相互平行的單色光，以一定的入射角照射到平行玻璃磚上表面，經(jīng)平行玻璃磚折射后匯聚成一束復(fù)色光c，從平行玻璃磚下表面射出。下列說法中正確的是()圖2A.在真空中，a光的傳播速度小于b光的傳播速度B.增大入射角，a光在玻璃磚下表面可發(fā)生全反射C.用同一裝置在相同條件下分別做雙縫干涉實驗，a光條紋間距小D.用a光、b光照射某金屬表面，若a光能發(fā)生光電效應(yīng)，則b光一定也能發(fā)生光電效應(yīng)答案C解析在真空中，a光的傳播速度等于b光的傳播速度，故A錯誤；因為光線是從玻璃磚上表面經(jīng)過一次折射到下表面的，所以增大入射角，a光在玻璃磚下表面不可能達(dá)到臨界角，因此不可能發(fā)生全反射，故B錯誤；兩束光的入射角相同，a光的折射角較小，所以a光的折射率較大，則頻率較大，波長短，根據(jù)Δx＝eq\f(l,d)λ可知，a光條紋間距小，故C正確；a光頻率大，可以發(fā)生光電效應(yīng)，b光頻率小，可能小于極限頻率，所以可能不發(fā)生光電效應(yīng)，故D錯誤。3.(多選)《夢溪筆談》是中國科學(xué)技術(shù)史上的重要文獻(xiàn)，書中對彩虹作了如下描述：“虹乃雨中日影也，日照雨則有之”。如圖3是彩虹成因的簡化示意圖，設(shè)水滴是球形的，圖中的圓代表水滴過球心的截面，入射光線在過此截面的平面內(nèi)，a、b是兩種不同頻率的單色光。下列說法正確的是()圖3A.水滴對a光的臨界角小于對b光的臨界角B.在水滴中，a光的波長大于b光的波長C.在水滴中，a光的傳播速度大于b光的傳播速度D.a、b光分別通過同一雙縫干涉裝置，a光的相鄰亮條紋間距較小答案AD解析第一次折射時，入射角相同，a光的折射角較小，根據(jù)n＝eq\f(sini,sinr)可知，a光的折射率較大，根據(jù)sinC＝eq\f(1,n)可知，水滴對a光的臨界角小于對b光的臨界角，故A正確；因為a光的折射率較大，所以a光頻率較大，波長較短，故B錯誤；a光的折射率較大，根據(jù)v＝eq\f(c,n)可知，在水滴中a光的傳播速度小于b光的傳播速度，故C錯誤；雙縫干涉條紋間距與波長成正比，a光波長較短，條紋間距較小，故D正確。4.如圖4所示，一束光由半圓形玻璃磚的右側(cè)面沿半徑射入，經(jīng)AB界面折射后分為a、b兩束光，則下列說法正確的是()圖4A.b光的光子能量小于a光的光子能量B.現(xiàn)將入射光繞O點逆時針轉(zhuǎn)動，則a光先消失C.分別用a、b光在同一個雙縫干涉實驗裝置上做實驗，a光的干涉條紋間距大于b光的干涉條紋間距D.在半圓形玻璃磚中，b光的傳播時間小于a光的傳播時間答案C解析因為玻璃對b光的偏折程度大于a光，所以玻璃對b光的折射率大于對a光的折射率，所以b光頻率高，光子能量大，故A錯誤；根據(jù)sinC＝eq\f(1,n)可知，b光臨界角小，現(xiàn)將入射光繞O點逆時針轉(zhuǎn)動，則b光先消失，故B錯誤；b光頻率高，波長短，根據(jù)Δx＝eq\f(l,d)λ可知，分別用a、b光在同一個雙縫干涉實驗裝置上做實驗，a光的干涉條紋間距大于b光的干涉條紋間距，故C正確；根據(jù)v＝eq\f(c,n)，可知在半圓形玻璃磚中，b光的速度小，路程相同，則b光傳播時間長，故D錯誤。5.(2022·天津河?xùn)|區(qū)模擬)如圖5所示，將某種透明材質(zhì)的三棱鏡置于水中，△ABC為其截面，一束由a、b單色光組成的復(fù)色光從水中以角度i射入三棱鏡再從三棱鏡射出，光路如圖所示，則()圖5A.a光在該材質(zhì)中傳播速度小于在水中傳播速度B.增大入射角i，則a光先發(fā)生全反射C.用a光照射某金屬能發(fā)生光電效應(yīng)，則用b光也一定能發(fā)生D.使用同種裝置，用a光做雙縫干涉實驗得到的條紋間距比用b光得到的條紋間距寬答案B解析因該材質(zhì)相對水是光疏介質(zhì)，則單色光a在該材質(zhì)中傳播速度大于在水中傳播速度，故A錯誤；因a光在材質(zhì)中的折射角較大，則增大入射角，a光的折射角先到達(dá)90°，則a光先在AB面上發(fā)生全反射，故B正確；因a光在材質(zhì)中的折射角比b光大，所以a光的折射率高，對應(yīng)頻率也高，當(dāng)a光能發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象時，說明a光頻率夠高，但b光頻率略小，不一定能發(fā)生，故C錯誤；因a光在材質(zhì)中的折射角比b光大，所以a光比b光波長短，雙縫干涉時a光得到的條紋間距窄，故D錯誤。6.(多選)△OMN為等腰三棱鏡的橫截面。a、b兩束可見單色光從空氣垂直射入玻璃棱鏡底面MN(兩束光關(guān)于O′O對稱)，在棱鏡側(cè)面OM、ON上反射和折射的情況如圖6所示，下列說法正確的是()圖6A.在玻璃棱鏡中，a光由MN面射向MO面的傳播時間小于b光由MN面射向NO面的傳播時間B.在玻璃棱鏡中，a光的傳播速度小于b光的傳播速度C.若光束從玻璃棱鏡中射向空氣，則光束b的臨界角比光束a的臨界角小D.用同樣的裝置做雙縫干涉實驗，a光的條紋間距小答案AC解析由題圖可知，a、b兩束單色光以相同的入射角分別射向OM、ON兩界面，b光發(fā)生全反射，而a光發(fā)生折射，所以在玻璃棱鏡中，a光的折射率小于b光的折射率，根據(jù)n＝eq\f(c,v)，知a光的傳播速度大于b光的傳播速度，則a光射到側(cè)面的時間較短，故A正確，B錯誤；光束從玻璃棱鏡中射向空氣，由臨界角公式sinC＝eq\f(1,n)知，折射率大的光臨界角小，則光束b的臨界角比光束a的臨界角小，故C正確；a光的折射率小，則a光頻率小，波長大，用同樣的裝置做雙縫干涉實驗，根據(jù)公式Δx＝eq\f(l,d)λ，知a光的條紋間距大，故D錯誤。B級綜合提升練7.(多選)如圖7所示為某種透明介質(zhì)做成的等腰直角三棱鏡的截面示意圖。由a、b兩種單色光組成的細(xì)光束從空氣垂直于BC邊射入棱鏡，經(jīng)兩次反射后光束垂直于BC邊射出，且在AB、AC邊只有b光射出，光路圖如圖所示，下列說法正確的是()圖7A.該三棱鏡對a光的折射率應(yīng)大于等于eq\r(2)B.a光的頻率比b光的頻率小C.b光在三棱鏡中的傳播速度大于a光在三棱鏡中的傳播速度D.a、b兩種單色光通過同一單縫，b光的衍射現(xiàn)象更明顯答案ACD解析因a光在AB、AC邊外側(cè)均無出射光線，故發(fā)生了全反射，則臨界角C≤45°，由折射定律得n＝eq\f(1,sinC)，可得n≥eq\r(2)，A正確；b光在AB、AC邊有光線出射，說明b光的臨界角大于45°，b光的折射率小于a光的折射率，a光的頻率大于b光的頻率，B錯誤；由n＝eq\f(c,v)可知b光在三棱鏡中的傳播速度大于a光在三棱鏡中的傳播速度，C正確；b光的波長長，通過同一單縫，b光衍射現(xiàn)象更明顯，D正確。8.(多選)如圖8所示，某一復(fù)合光線對準(zhǔn)一半圓形玻璃磚的圓心O入射，當(dāng)在O點的入射角為30°時，出射光線分成a、b兩束，光束a與下邊界的夾角為37°，光束b與下邊界的夾角為53°，則下列說法正確的是()圖8A.a光的頻率比b光的頻率大B.a光在玻璃磚中的傳播速率比b光的大C.a、b兩束光在該玻璃磚中的折射率之比為3∶4D.若用a、b兩束光分別照射同一雙縫干涉裝置時，a光的干涉條紋間距比b光的小答案AD解析由光路圖可知，a光的偏折程度比b光大，則玻璃磚對a光的折射率較大，則a光的頻率比b光的頻率大，選項A正確；根據(jù)v＝eq\f(c,n)可知，a光在玻璃磚中的傳播速率比b光的小，選項B錯誤；根據(jù)n＝eq\f(sini,sinr)，a、b兩束光在該玻璃磚中的折射率分別為na＝eq\f(sin53°,sin30°)＝1.6，nb＝eq\f(sin37°,sin30°)＝1.2，則折射率之比為4∶3，選項C錯誤；因a光的波長小，根據(jù)Δx＝eq\f(l,d)λ可知，用a、b兩束光分別照射同一雙縫干涉裝置時，a光的干涉條紋間距比b光的小，選項D正確。9.(多選)(2023·湖北省部分重點中學(xué)聯(lián)考)真空中a、b兩種單色光的波長比λa∶λb＝k∶1，則a、b兩種光()A.光子能量之比Ea∶Eb＝1∶kB.若都能使某種金屬發(fā)生光電效應(yīng)，則所產(chǎn)生的光電子最大初動能之比為Eka∶Ekb＝1∶kC.入射到同一雙縫干涉裝置上時，則干涉條紋間距之比為Δxa∶Δxb＝k∶1D.從玻璃入射到空氣中，兩種光的臨界角之比Ca∶Cb＝1∶k答案AC解析根據(jù)光子的能量表達(dá)式有ε＝heq\f(c,λ)，光子的能量與波長成反比，所以光子能量之比Ea∶Eb＝1∶k，則A正確；根據(jù)光電效應(yīng)方程有Ek＝heq\f(c,λ)－W0，光電子最大初動能與光子的能量是線性關(guān)系不是正比關(guān)系，所以B錯誤；由干涉條紋間距的公式有Δx＝eq\f(l,d)λ，干涉條紋間距與波長成正比，所以干涉條紋間距之比為Δxa∶Δxb＝k∶1，則C正確；根據(jù)全反射的臨界角公式sinC＝eq\f(1,n)，臨界角的正弦值與折射率成反比，臨界角與波長不是反比關(guān)系，則D錯誤。10.(多選)如圖9所示，一束復(fù)色光經(jīng)三棱鏡后分開成a、b、c和d四種單色光。用這四種單色光分別照射金屬鉀板，其中c光恰好可從金屬鉀板上打出光電子；也可以用這四種單色光分別作為雙縫干涉實驗的光源。下列說法正確的是()圖9A.d光的頻率最高B.d光在棱鏡中的折射率最小C.a光產(chǎn)生的干涉條紋間距最大D.a光打出的光電子的遏止電壓最大答案BD解析由光路圖可知，a光通過三棱鏡的偏折程度最大，則折射率最大，a光的頻率最大，d光的折射率最小，則頻率最小，選項A錯誤，B正確；因a光的頻率最大，則波長最短，根據(jù)Δx＝eq\f(l,d)λ可知，a光產(chǎn)生的干涉條紋間距最小，選項C錯誤；因為c光恰好可從金屬鉀板上打出光電子，則a光一定能發(fā)生光電效應(yīng)，因a光的頻率最大，則根據(jù)eUc＝Ek＝hν－W0可知，a光打出的光電子的遏止電壓最大，選項D正確。光路控制與光的色散1.平行玻璃磚、三棱鏡和圓柱體(球)對光路的控制特點平行玻璃磚三棱鏡圓柱體(球)結(jié)構(gòu)玻璃磚上下表面是平行的橫截面為三角形的三棱鏡橫截面是圓對光線的作用通過平行玻璃磚的光線不改變傳播方向，但要發(fā)生側(cè)移通過三棱鏡的光線經(jīng)兩次折射后，出射光線向棱鏡底面偏折圓界面的法線是過圓心的直線，光線經(jīng)過兩次折射后向圓心偏折應(yīng)用測量玻璃的折射率全反射棱鏡，改變光的傳播方向改變光的傳播方向2.各種色光的比較與分析顏色紅橙黃綠藍(lán)靛紫頻率ν低→高同一介質(zhì)中的折射率小→大同一介質(zhì)中的速度大→小同一介質(zhì)中的波長大→小通過同一棱鏡的偏折角小→大同一介質(zhì)中的