專題12 光學(xué)（精講）

學(xué)而優(yōu)教有方年高考物理二輪復(fù)習(xí)講練測專題12光學(xué)（精講）精講考點(diǎn)精講內(nèi)容考點(diǎn)1光的折射、全反射和色散考點(diǎn)2光的干涉、衍射和偏振【知識體系構(gòu)建】【典例方法突破】光的折射、全反射和色散【例1】（2023年浙江卷）如圖所示為一斜邊鍍銀的等腰直角棱鏡的截面圖。一細(xì)黃光束從直角邊以角度入射，依次經(jīng)和兩次反射，從直角邊出射。出射光線相對于入射光線偏轉(zhuǎn)了角，則（）A．等于 B．大于C．小于 D．與棱鏡的折射率有關(guān)【答案】A【詳解】如圖所示設(shè)光線在AB邊的折射角為，根據(jù)折射定律可得設(shè)光線在BC邊的入射角為，光線在AC邊的入射角為，折射角為；由反射定律和幾何知識可知；聯(lián)立解得根據(jù)折射定律可得可得過D點(diǎn)做出射光的平行線，則該平行線與AB的夾角為，由幾何知識可知，入射光與出射光的夾角為。故選A?！纠?】（2022年河北卷）如圖，一個(gè)半徑為R的玻璃球，O點(diǎn)為球心。球面內(nèi)側(cè)單色點(diǎn)光源S發(fā)出的一束光在A點(diǎn)射出，出射光線AB與球直徑SC平行，θ=30°。光在真空中的傳播速度為c。求：（i）玻璃的折射率；（ii）從S發(fā)出的光線經(jīng)多次全反射回到S點(diǎn)的最短時(shí)間?！敬鸢浮浚?）；（2）【詳解】（i）根據(jù)題意將光路圖補(bǔ)充完整，如下圖所示根據(jù)幾何關(guān)系可知i1=θ=30°，i2=60°根據(jù)折射定律有nsini1=sini2解得（ii）設(shè)全反射的臨界角為C，則光在玻璃球內(nèi)的傳播速度有根據(jù)幾何關(guān)系可知當(dāng)θ=45°時(shí)，即光路為圓的內(nèi)接正方形，從S發(fā)出的光線經(jīng)多次全反射回到S點(diǎn)的時(shí)間最短，則正方形的邊長則最短時(shí)間為【例3】（2022年山東卷）柱狀光學(xué)器件橫截面如圖所示，右側(cè)是以O(shè)為圓心、半徑為R的圓，左則是直角梯形，長為R，與夾角，中點(diǎn)為B。a、b兩種頻率的細(xì)激光束，垂直面入射，器件介質(zhì)對a，b光的折射率分別為1.42、1.40。保持光的入射方向不變，入射點(diǎn)從A向B移動(dòng)過程中，能在面全反射后，從面射出的光是（不考慮三次反射以后的光）（

）A．僅有a光 B．僅有b光 C．a(chǎn)、b光都可以 D．a(chǎn)、b光都不可以【答案】A【詳解】當(dāng)兩種頻率的細(xì)激光束從A點(diǎn)垂直于AB面入射時(shí)，激光沿直線傳播到O點(diǎn)，經(jīng)第一次反射沿半徑方向直線傳播出去。保持光的入射方向不變，入射點(diǎn)從A向B移動(dòng)過程中，如下圖可知，激光沿直線傳播到CO面經(jīng)反射向PM面?zhèn)鞑?，根?jù)圖像可知，入射點(diǎn)從A向B移動(dòng)過程中，光線傳播到PM面的入射角逐漸增大。當(dāng)入射點(diǎn)為B點(diǎn)時(shí)，根據(jù)光的反射定律及幾何關(guān)系可知，光線傳播到PM面的P點(diǎn)，此時(shí)光線在PM面上的入射角最大，設(shè)為，由幾何關(guān)系得根據(jù)全反射臨界角公式得；兩種頻率的細(xì)激光束的全反射的臨界角關(guān)系為故在入射光從A向B移動(dòng)過程中，a光能在PM面全反射后，從OM面射出；b光不能在PM面發(fā)生全反射，故僅有a光。A正確，BCD錯(cuò)誤。故選A?！纠?】（2022年河南三市模擬）如圖所示是一細(xì)束太陽光通過玻璃三棱鏡后，在光屏上產(chǎn)生光譜的示意圖—光的色散現(xiàn)象。光譜中紅光在最上端，紫光在最下端，中間從上到下依次是橙、黃、綠、藍(lán)、靛等色光。下表是測得的該玻璃棱鏡材料對各種色光的折射率。根據(jù)光的色散現(xiàn)象、表格中的有關(guān)數(shù)據(jù)以及光學(xué)知識，下列說法正確的是（）A．各種色光通過棱鏡后的偏折角度不同，紅光的偏折角度最小，紫光的偏折角度最大B．該棱鏡材料對不同色光的折射率不同，對紅光的折射率小，對紫光的折射率大C．各種色光在三棱鏡中的傳播速度不同，紅光在該玻璃三棱鏡中的傳播速度比紫光大D．同一色光在不同介質(zhì)中傳播時(shí)波長相同E．同一色光在不同介質(zhì)中傳播時(shí)頻率不同【答案】ABC【詳解】A．根據(jù)圖示光路圖可知紅光相對入射的白光偏折程度最小，紫光相對入射的白光偏折程度最大，所以各種色光通過棱鏡后的偏折角度不同，紅光的偏折角度最小，紫光的偏折角度最大，A正確；B．根據(jù)題中表格可知該棱鏡材料對不同色光的折射率不同，對紅光的折射率小，對紫光的折射率大，B正確；C．光在介質(zhì)中傳播的速率與折射率的關(guān)系為，紅光折射率小于紫光的折射率，所以紅光在三棱鏡中傳播的速度大于紫光的傳播速度，C正確；DE．根據(jù)可知，各色光在介質(zhì)中頻率不變，在介質(zhì)中光速不同，所以波長不同，DE錯(cuò)誤。故選ABC。【方法規(guī)律歸納】1.折射定律和折射率(1)光的折射的常用公式:n=sinθ1sinθ2(2)兩點(diǎn)注意:①同種介質(zhì)對不同頻率的光的折射率不同,頻率越高,折射率越大;②由n=cv、n=λ2.光的全反射(1)光從折射率為n的某種介質(zhì)射向空氣(真空)時(shí)發(fā)生全反射的臨界角為C,則。(2)利用好光路圖中的臨界光線,準(zhǔn)確地判斷出恰好發(fā)生全反射的光路圖是解題的關(guān)鍵,且在作光路圖時(shí)應(yīng)盡量與實(shí)際相符。3.應(yīng)用光的折射定律解題的一般思路(1)根據(jù)入射角、折射角及反射角之間的關(guān)系,作出比較完整的光路圖。(2)充分利用光路圖中的幾何關(guān)系,確定各角之間的聯(lián)系,根據(jù)折射定律求解相關(guān)的物理量,如折射角、折射率等。(3)注意在折射現(xiàn)象中,光路是可逆的。4.求解光的折射、全反射問題的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)5.光的色散(1)現(xiàn)象：一束白光通過三棱鏡后在屏上會形成彩色光帶。(2)成因：棱鏡材料對不同色光的折射率不同，對紅光的折射率最小，紅光通過棱鏡后的偏折程度最小，對紫光的折射率最大，紫光通過棱鏡后的偏折程度最大，從而產(chǎn)生色散現(xiàn)象。6．各種色光的比較分析顏色紅橙黃綠青藍(lán)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)中的臨界角大→小同一裝置的雙縫干涉條紋間距大→小光的干涉、衍射和偏振【例5】（2022年山東卷）某同學(xué)采用圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置研究光的干涉與衍射現(xiàn)象，狹縫，的寬度可調(diào)，狹縫到屏的距離為L。同一單色光垂直照射狹縫，實(shí)驗(yàn)中分別在屏上得到了圖乙，圖丙所示圖樣。下列描述正確的是（）A．圖乙是光的雙縫干涉圖樣，當(dāng)光通過狹縫時(shí)，也發(fā)生了衍射B．遮住一條狹縫，另一狹縫寬度增大，其他條件不變，圖丙中亮條紋寬度增大C．照射兩條狹縫時(shí)，增加L，其他條件不變，圖乙中相鄰暗條紋的中心間距增大D．照射兩條狹縫時(shí)，若光從狹縫、到屏上P點(diǎn)的路程差為半波長的奇數(shù)倍，P點(diǎn)處一定是暗條紋【答案】ACD【詳解】A．由圖可知，圖乙中間部分等間距條紋，所以圖乙是光的雙縫干涉圖樣，當(dāng)光通過狹縫時(shí)，同時(shí)也發(fā)生衍射，故A正確；B．狹縫越小，衍射范圍越大，衍射條紋越寬，遮住一條狹縫，另一狹縫寬度增大，則衍射現(xiàn)象減弱，圖丙中亮條紋寬度減小，故B錯(cuò)誤；C．根據(jù)條紋間距公式可知照射兩條狹縫時(shí)，增加L，其他條件不變，圖乙中相鄰暗條紋的中心間距增大，故C正確；D．照射兩條狹縫時(shí)，若光從狹縫、到屏上P點(diǎn)的路程差為半波長的奇數(shù)倍，P點(diǎn)處一定是暗條紋，故D正確。故選ACD。【例6】（2022年山東青島二模）光的干涉現(xiàn)象在技術(shù)中有重要應(yīng)用。一頂角極大的圓錐形玻璃體，倒立在表面平整的標(biāo)準(zhǔn)板上，其截面如圖甲。單色光從上方垂直玻璃的上表面射向玻璃體，沿光的入射方向看到明暗相間的干涉條紋。下列說法正確的是（）A．條紋是以頂點(diǎn)為圓心的同心圓，且疏密均勻B．條紋是以頂點(diǎn)為圓心的同心圓，且中間疏，邊緣密C．產(chǎn)生干涉的兩束光是來自玻璃體上表面和側(cè)面的反射光D．若出現(xiàn)乙圖所示條紋，則說明玻璃體側(cè)面上有凸起【答案】AD【詳解】AB．空氣膜的上下兩個(gè)表面反射的兩列光波發(fā)生干涉，依據(jù)光程差是光的半個(gè)波長的偶數(shù)倍即為明條紋，而其是光的半個(gè)波長的奇數(shù)倍即為暗條紋，因圓錐形玻璃體壓在平面標(biāo)準(zhǔn)板上，以頂點(diǎn)為圓心的各點(diǎn)空氣薄膜間距相等且隨半徑的方向均勻變化，因此可以看到條紋是以頂點(diǎn)為圓心的同心圓，且疏密均勻，故A正確，B錯(cuò)誤；C．產(chǎn)生干涉的兩束光是來自玻璃體的下表面和平面標(biāo)準(zhǔn)板上表面的反射光，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；D．空氣薄層干涉是等厚干涉，即明條紋處空氣膜的厚度相同，若出現(xiàn)乙圖所示條紋，說明該處光的路程差與內(nèi)側(cè)的路程差相等，即該處出現(xiàn)凸起，選項(xiàng)D正確。故選AD。【例7】（2023年江蘇模擬預(yù)測）如圖1是用光傳感器研究激光通過單縫或雙縫后光強(qiáng)分布的裝置圖，鐵架臺上從上到下依次為激光光源、偏振片、縫、光傳感器。實(shí)驗(yàn)中所用的單縫縫距為，雙縫間距為。光源到縫的距離為，縫到傳感器的距離為，實(shí)驗(yàn)得到的圖像如圖2、圖3所示，則（）A．題圖2所用的縫為雙縫，題圖3所用的縫為單縫B．旋轉(zhuǎn)偏振片，題2、題3兩幅圖像不會發(fā)生明顯變化C．僅減小縫到傳感器的距離，題2、題3兩幅圖像不會發(fā)生明顯變化D．實(shí)驗(yàn)中所用的激光波長約為【答案】D【詳解】A．由干涉、衍射圖樣特點(diǎn)可知題圖2所用的縫為單縫，題圖3所用的縫為雙縫，A錯(cuò)誤；B．激光是偏振光，故旋轉(zhuǎn)偏振片，題2、題3兩幅圖像會發(fā)生明顯變化，B錯(cuò)誤；C．由可知，僅減小縫到傳感器的距離，題2、題3兩幅圖像會發(fā)生明顯變化，C錯(cuò)誤；D．由可知，實(shí)驗(yàn)中所用的激光波長約為，D正確；故選D?！纠?】（2023年全國模擬預(yù)測）如圖所示是一種利用溫度敏感光纖測量物體溫度的裝置，檢偏器的透振方向與起偏器的相同。一束偏振光射入光纖，由于溫度的變化，光纖的長度、芯徑、折射率發(fā)生變化，從而使偏振光的偏振方向發(fā)生變化，光接收器接收的光強(qiáng)度就會變化。關(guān)于這種溫度計(jì)的工作原理，正確的說法是（）A．到達(dá)檢偏器的光的偏振方向變化越大，光接收器所接收的光強(qiáng)度就會越小，表示溫度變化越大B．到達(dá)檢偏器的光的偏振方向變化越小，光接收器所接收的光強(qiáng)度就會越小，表示溫度變化越小C．到達(dá)檢偏器的光的偏振方向變化越小，光接收器所接收的光強(qiáng)度就會越大，表示溫度變化越小D．到達(dá)檢偏器的光的偏振方向變化越大，光接收器所接收的光強(qiáng)度就會越大，表示溫度變化越大【答案】AC【詳解】溫度變化越大，光纖的各個(gè)物理參量變化越大，光的偏振方向變化越大，光接收器接收的光強(qiáng)度會越小，故AC正確，BD錯(cuò)誤。故選AC。【方法規(guī)律歸納】（一）光的干涉1．產(chǎn)生干涉的條件兩列光的頻率相同，振動(dòng)方向相同，且具有恒定的相位差，才能產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉圖樣。2．楊氏雙縫干涉(1)原理如圖所示。(2)形成亮、暗條紋的條件①單色光：形成明暗相間的條紋，中央為亮條紋。光的路程差r2－r1＝kλ(k＝0，1，2，…)，光屏上出現(xiàn)亮條紋。光的路程差r2－r1＝(2k＋1)eq\f(λ,2)(k＝0，1，2，…)，光屏上出現(xiàn)暗條紋。②白光：光屏上出現(xiàn)彩色條紋，且中央亮條紋是白色(填寫顏色)。③條紋間距公式：Δx＝eq\f(l,d)λ。3．薄膜干涉的理解和應(yīng)用(1)形成：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。光照射到薄膜上時(shí)，在膜的前表面AA′和后表面BB′分別反射回來，形成兩列頻率相同的光波，并且疊加。(2)亮、暗條紋的判斷①在P1、P2處，兩個(gè)表面反射回來的兩列光波的路程差Δr等于波長的整數(shù)倍，即Δr＝nλ(n＝1,2,3，…)，薄膜上出現(xiàn)亮條紋。②在Q處，兩列反射回來的光波的路程差Δr等于半波長的奇數(shù)倍，即Δr＝(2n＋1)eq\f(λ,2)(n＝0,1,2,3，…)，薄膜上出現(xiàn)暗條紋。(3)應(yīng)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，如果被檢查平面是平整光滑的，我們會觀察到平行且等間距的明暗相間的條紋；若被檢查平面不平整，則干涉條紋發(fā)生彎曲。（二）光的衍射1．發(fā)生明顯衍射的條件：只有當(dāng)障礙物的尺寸與光的波長相差不多，甚至比光的波長還小的時(shí)候，衍射現(xiàn)象才會明顯。2．衍射條紋的特點(diǎn)(1)單縫衍射和圓孔衍射圖樣的比較單縫衍射圓孔衍射單色光中央為亮且寬的條紋，兩側(cè)為明暗相間的條紋，且越靠近兩側(cè)，亮條紋的亮度越弱，寬度越?、僦醒胧谴笄伊恋膱A形亮斑，周圍分布著明暗相間的同心圓環(huán)，且越靠外，圓形亮條紋的亮度越弱，寬度越?、诹镰h(huán)或暗環(huán)間的距離隨圓孔半徑的增加