高三物理第十五章光學(xué)

高三物理第十五章光學(xué)高考導(dǎo)航本章要緊研究的是光在介質(zhì)中傳播的規(guī)律、物體經(jīng)光學(xué)器件成像的規(guī)律以及光的本性。光學(xué)是物理學(xué)中進(jìn)展較早的一個(gè)分支學(xué)科。以光的直線傳播性質(zhì)為基礎(chǔ)，用幾何的方法研究光在透亮介質(zhì)中傳播的光學(xué)，稱(chēng)為幾何光學(xué)的要緊內(nèi)容由兩大部分組成。一部分是以光的直線傳播為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)光的反射和折射等差不多光現(xiàn)象的研究，講述光的傳播規(guī)律---反射定律和折射定律。另一部分是講述平面鏡、棱鏡、透鏡燈光學(xué)元件對(duì)光線的作用及其成像規(guī)律?？键c(diǎn)精析一、什么是反射成像的“像”？如何樣確定“像”的位置？1．“像”的概念“物點(diǎn)”發(fā)出的光線通過(guò)反射面反射后，反射光線（或其反向延長(zhǎng)線）會(huì)聚點(diǎn)叫這“物點(diǎn)”的“像點(diǎn)”.所有“像點(diǎn)”的集合即是物體的像.反射成的“像”分“實(shí)像”（實(shí)際反射光線會(huì)聚的）和“虛像”（反射光線的反向延長(zhǎng)線會(huì)聚）.明顯，“像點(diǎn)”必須在反射光線（或其反向延長(zhǎng)線）上.2．像的位置確定因?yàn)橄褚欢ㄔ诜瓷涔饩€（或其反向延長(zhǎng)線）上，因此依照光的反射定律確定反射光線，即確定了“像”的位

置，如圖14－1（甲）、（乙）所示...圖14－1二、平面鏡成像特點(diǎn)及可視像的范疇從平面鏡成像的光路圖（圖14－2）可知像的特點(diǎn)：圖14－2（1）像與物以鏡面為軸對(duì)稱(chēng).（2）虛像；（3）與物體等大小.（4）正立的；.（5）像距和物距相等.把握平面鏡成像特點(diǎn)能夠確定能夠觀看到平面鏡中虛像的范疇，如圖14－3所示..由圖中可見(jiàn)，“可視范疇”即是物體各點(diǎn)發(fā)出光線經(jīng)反射后，反射光線的公共區(qū)域.畫(huà)“可視范疇”光路，必須如圖14－3所示，如直截了當(dāng)畫(huà)出（如圖14－4）是錯(cuò)誤的.圖14－3圖14－4三、如何樣明白得折射率光在傳播過(guò)程中，遇到兩種介質(zhì)的界面，除發(fā)生反射現(xiàn)象外，還可能發(fā)生折射，如圖14－5所示.OB為反射光

線，OC為折射光線.圖14－5中學(xué)時(shí)期只研究光由真空（或空氣）射向介質(zhì)或由介質(zhì)射向真空（或空氣）時(shí)發(fā)生的折射現(xiàn)象.光線偏折的情形，由介質(zhì)決定.描述介質(zhì)對(duì)光線的這種作用的物理量稱(chēng)“折射率”.

一樣所說(shuō)的介質(zhì)折射率（n）是指光由真空射向介質(zhì)，該介質(zhì)對(duì)真空的折射率常稱(chēng)為絕對(duì)折射率：n=①式中c為真空中光速，v是光在該介質(zhì)中的光速.由于不同頻率的光在同一介質(zhì)中傳播速度不同，頻率越大，其速度越小，因此，在同一介質(zhì)對(duì)不同頻率的光折射率不同，頻率大的折射率也大.介質(zhì)的折射率也可從光的入射角與折射角測(cè)得：n=②由式①可知，不能認(rèn)為n與i和r有關(guān).四、什么是折射成的“像”？如何樣確定“像”的位置？依照“像”的概念，應(yīng)用折射定理，確定物點(diǎn)發(fā)出的任意兩條入射光線的折射光線，即可確定像的位置.如圖14－6所示.14－6五、如何正確地畫(huà)出光路圖1．透鏡成像光路圖透鏡成像屬于折射成像，因此畫(huà)成像光路必定應(yīng)用折射定律，確定出折射光線即可確定像的位置.然而，一樣差不多上應(yīng)用“三條專(zhuān)門(mén)光線”中任意兩條畫(huà)成像光路，其三條專(zhuān)門(mén)光線如圖14－7所示.圖14－7畫(huà)出專(zhuān)門(mén)光線時(shí)一定注意：（1）各種鏡對(duì)光線的作用；（2）平行光軸的光線折射后折射光線通過(guò)該透鏡的焦點(diǎn).畫(huà)成像光路圖要規(guī)范，如圖14－8.從成像光路中我們總結(jié)出兩條“專(zhuān)門(mén)線”：（1）物點(diǎn)、像點(diǎn)、光心在一條直線上，應(yīng)用這條“專(zhuān)門(mén)線”能夠確定鏡的位置.（2）平行光軸的光線的入射點(diǎn)（如圖中C點(diǎn)）、像點(diǎn)、焦點(diǎn)在一條直線上.應(yīng)用這條“專(zhuān)門(mén)線”能夠確定透鏡的焦點(diǎn)位置.圖14－8（a）圖14－8（b）2．光傳播方向光路圖光線通過(guò)“光具”后，光路發(fā)生改變，改變后的光路是遵守光的傳播規(guī)律的.因此，能正確畫(huà)出光傳播方向的光路圖，自然反映了對(duì)光學(xué)差不多規(guī)律把握的情形，因此也是專(zhuān)門(mén)重要的.從圖14－9中我們應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：圖14－9（1）畫(huà)出代表性光線，不是題中給出多少光線都要一一畫(huà)出.（2）光線由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，一定要注意是否可能發(fā)生全反射.六、透鏡成像公式*與成像規(guī)律1．成像公式.=+m==應(yīng)用時(shí)要注意各物理量的符號(hào)：焦距（f）:物距（u）:像距（v）:m為線放大率（h′為像長(zhǎng)，h為物長(zhǎng)），面放大率為m2.2．成像規(guī)律透鏡成像規(guī)律，可由對(duì)求成像公式的討論得出，如下表凸透鏡物距像距像的大小像的虛實(shí)像的倒正u=∞異側(cè)f縮小實(shí)像倒立u＞2f異側(cè)f＜v＜2f縮小實(shí)像倒立u=2f異側(cè)u=2f等大小實(shí)像倒立f＜u＜2f異側(cè)u＞2f放大實(shí)像倒立u=f異側(cè)∞不成像u＜f異側(cè)u＞f放大虛像正立凹透鏡任意處同側(cè)u＜f縮小虛像正立像（同性質(zhì)的）和物運(yùn)動(dòng)方向相同.七、光的干涉現(xiàn)象及應(yīng)用1．條件相干光（頻率相同，相差恒定）.相干光源有：雙縫、雙鏡和薄膜等.2．現(xiàn)象明、暗相間條紋.（1）明紋位置：該點(diǎn)到兩光源距離差（光程差）：Δs=2n·，n=0，1，2，…（2）暗紋位置：該點(diǎn)到兩光源距離差：Δs=（2n＋1）·，n=0，1，2，…（3）兩相鄰明（或暗）紋間距離大小與光的波長(zhǎng)有關(guān)：（當(dāng)雙縫距離d一定，光源到屏距離L一定時(shí)）波長(zhǎng)越長(zhǎng)，相距越寬（Δx=λ）.3．應(yīng)用（1）用干涉法檢查平面，如圖15－1所示，若干涉條紋彎曲則說(shuō)明該平面不平.（2）增透膜：減少反射缺失，增強(qiáng)了透射光的強(qiáng)度，其厚度為入射光在薄膜中波長(zhǎng)的.圖15－1八、各種電磁波產(chǎn)生的機(jī)理與特性波譜無(wú)線電波紅外線可見(jiàn)光紫外線X射線γ射線產(chǎn)生機(jī)理振蕩電路中自由電子的運(yùn)動(dòng)原子外層電子受激發(fā)原子內(nèi)層電子受激發(fā)原子核內(nèi)部激發(fā)特性波動(dòng)性強(qiáng)熱作用引起視覺(jué)化學(xué)作用穿透本領(lǐng)強(qiáng)穿透本領(lǐng)導(dǎo)最強(qiáng)九、光譜及光譜分析光譜吸取光譜發(fā)射光譜連續(xù)光譜明線光譜產(chǎn)生白光通過(guò)物質(zhì)蒸氣酷熱的固體液體，高壓氣體稀薄氣體和金屬蒸汽應(yīng)用光譜分析-光譜分析光譜分析儀器：分光鏡.分光鏡的構(gòu)造原理：三棱鏡，將不同頻率的光分開(kāi)（色散）.平行光管：兩部分組成，一端有狹縫，另一端有一凸透鏡，狹縫射入的光線經(jīng)凸透鏡后變成平行光線，射到三棱鏡上.因此，觀看時(shí)，需將狹縫調(diào)解在凸透鏡的焦點(diǎn).十、光電效應(yīng)光照耀物體，由物體發(fā)射出電子的現(xiàn)象叫光電效應(yīng).光電效應(yīng)使光的波動(dòng)理論遇到困難.1．研究光電效應(yīng)規(guī)律的裝置如圖15－2所示，圖中K板是陰極（金屬），A板為陽(yáng)極，R為分壓電阻.圖15－22．光電效應(yīng)規(guī)律（1）光電效應(yīng)產(chǎn)生條件：任何一種金屬，都有一個(gè)極限頻率，入射光頻率必須大于那個(gè)頻率，υ＞υ0.才能產(chǎn)生光電效應(yīng).（2）光電效應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)刻極短，t≤19－9s.（3）產(chǎn)生光電效應(yīng)，單位時(shí)刻金屬放出的光電子數(shù)與入射光強(qiáng)度成正比（n0=）.光強(qiáng)是描述垂直光傳播方向上單位時(shí)刻、單位面積同意光能多少的物理量（E=n0hυ）.（4）光電效應(yīng)中，光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨著入射光頻率的增大而增大，如圖15－3所示.圖15－3光電效應(yīng)規(guī)律中（1）、（2）、（4）差不多上光的波動(dòng)理論無(wú)法說(shuō)明的.3．光子說(shuō)愛(ài)因斯坦鑒于光電效應(yīng)的規(guī)律無(wú)法由光的波動(dòng)理論說(shuō)明，依照普朗克對(duì)電磁波“量子化”的研究而得到啟發(fā)，提出光是由光源發(fā)出的光子，其能量為E=hυ，專(zhuān)門(mén)好地說(shuō)明了光電效應(yīng)的產(chǎn)生和規(guī)律.真題解析1．圖15－3中一個(gè)點(diǎn)光源S對(duì)平面鏡成像，設(shè)光源不動(dòng)，平面鏡以速率v沿OS方向向光源平移，鏡面與OS方向之間的夾角為30°，則光源的像S'，將（）。圖15－3A．以速率0.5v沿S'S連線向S運(yùn)動(dòng)B．以速率v沿S'S連線向S運(yùn)動(dòng)C．以速率沿S'S連線向S運(yùn)動(dòng)D．以速率2v沿S'S連線向S運(yùn)動(dòng)（2002·北京·春招）【答案】（B）【解析】由物像的對(duì)稱(chēng)性可知：像一定沿S'S方向運(yùn)動(dòng)。設(shè)經(jīng)時(shí)刻t，鏡的位移：AB＝vt圖15－22由圖可知：OO'＝ABsin30°＝則該時(shí)刻內(nèi)像的位移：因此，像的速度為B答案正確。2．A與B是兩束平行的單色光，它們從空氣射入水中的折射角分別為rA、rB，若rA＞rB，則（）。A．在空氣中A的波長(zhǎng)大于B的波長(zhǎng)B．在水中A的傳播速度大于B的傳播速度C．A的頻率大于B的頻率D．在水中A的波長(zhǎng)小于B的波長(zhǎng)（2000·全國(guó)）【答案】（A、B）【解析】因?yàn)棣肁＞γB，因此nA＜nB，fA＜fB，在空氣中光速差不多上一樣，λA＞λB，A正確，又因?yàn)関＝c／n，因此在水中A光的傳播速度大于B光的速度，C、D不正確。說(shuō)明同一媒質(zhì)，對(duì)不同頻率的光折射率是不同的，頻率越大的光，折射率也越大，折射角就越小。而頻率越大，波長(zhǎng)越短，在水中B光的波長(zhǎng)就更短了，能夠?qū)懗搔怂溅?/n，λ0表示在空氣中的波長(zhǎng)。8．如圖15－5所示，兩塊同樣的玻璃直角三棱鏡ABC，兩者的AC面是平行放置的，在它們之間是平均的未知透亮介質(zhì)，一單色細(xì)光束O垂直于AB面入射，在圖示的出射光線中（）。圖15－5A．1、2、3（彼此平行）中的任一條都有可能B．4、5、6（彼此平行）中的任一條都有可能C．7、8、9（彼此平行）中的任一條都有可能D．只能是4、6中的某一條（2001·全國(guó)綜合）【答案】（B）【解析】未知透亮介質(zhì)能夠看做是平行介質(zhì)板，出射光線一定與入射光線平行，但由于該介質(zhì)的折射率與玻璃折射率的關(guān)系未知，當(dāng)介質(zhì)折射率與玻璃相同時(shí)，出射線為5；小于玻璃折射率時(shí)出射光線為6；大于玻璃折射率時(shí)出射光線為4。答案為B。3．如圖15－10，光線以入射角i從空氣射向折射率n＝的透亮媒質(zhì)表面。圖15－10（1）當(dāng)入射角i＝45°時(shí)，求反射光線與折射光線的夾角θ。（2）當(dāng)入射角i為何值時(shí)，反射光線與折射光線間的夾角θ＝90°？（99·上海）【答案】（1）θ＝105°（2）</P<p>【解析】（1）如圖15－27設(shè)折射角為r，由折射定律圖15－27得r＝30°而i'＝i＝45°∴θ＝180°－45°－30°＝105°（2）現(xiàn)在i'＋r＝90°sinr＝cosi代入折射定律得4．（1）用簡(jiǎn)明的語(yǔ)言表述臨界角的定義。（2）玻璃和空氣相接觸，試畫(huà)出入射角等于臨界角時(shí)的光路圖，并標(biāo)明臨界角。（3）當(dāng)透亮介質(zhì)處在真空中時(shí)，依照臨界角的定義導(dǎo)出透亮介質(zhì)的折射率n與臨界角的關(guān)系式。（2000·北京·春招）【解析】（1）光從光密介質(zhì)射到光疏介質(zhì)中，折射角為90°時(shí)的入射角叫做臨界角。（2）如圖15－29所示，θc為臨界角。圖15－29（3）用n表示透亮介質(zhì)的折射率，θc表示臨界角，由折射定律5．如圖15－16所示，p字形發(fā)光物經(jīng)透鏡L在毛玻璃光屏M上成一實(shí)像，觀看者處于E處，他看到屏M上的像的形狀為（）。圖15－16A．qB．pC．dD．b（2001·全國(guó)）【答案】（C）【解析】由于所有點(diǎn)發(fā)出的光線均通過(guò)光心，因此成實(shí)像時(shí)，像不僅上、下倒置，而且左、右也相反，因此C正確。6．圖中L是凸透鏡，OO'是它的主軸，AB是垂直于主軸的光源，P是垂直于主軸的光屏．當(dāng)兩者到透鏡的距離相等時(shí)，在光屏上得到清晰的像，如將AB向右移動(dòng)任意一段距離后，再移動(dòng)P，則在P上（）。圖15－17A．總能得到縮小的像B．總能得到放大的像C．可能得到放大的像，也可能得到縮小的像D．可能得到放大的像，也可能得不到像（2002·北京·春招）【答案】（D）【解析】題中當(dāng)AB、P與L距離相等得到清晰的像，現(xiàn)在物距為2f，若AB向右移動(dòng)，則物距可能在f與2f之間，也可能小于f，既可能成放大實(shí)像，也可能成虛像，而虛像不能成在屏上，因此D正確。7．如圖15－19，一光源位于金屬圓筒內(nèi)部軸線上A軸點(diǎn)，與筒B端的距離為d，d無(wú)法直截了當(dāng)測(cè)量，另有凸透鏡、光屏、米尺及帶支架的光具座?，F(xiàn)用這些器材測(cè)量d。為此，先將圓筒、凸透鏡、光屏依次放在光具座支架上，令圓筒細(xì)線與透鏡主光軸重合，屏與光源的距離足夠遠(yuǎn)，使得移動(dòng)透鏡時(shí)，可在屏上兩次顯現(xiàn)光源的像。將圓筒及光屏位置固定，由光路的可逆性可知，第一次成像的像距等于第二次成像的物距，然后進(jìn)行以下的測(cè)量：________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________用測(cè)得的物理量可得d＝____________________________________________。（應(yīng)說(shuō)明各符號(hào)所代表的物理量）圖15－19（2000·全國(guó)）【答案】（d＝v－L）【解析】移動(dòng)透鏡，當(dāng)屏上得到光源清晰像時(shí)，測(cè)量像v；連續(xù)移動(dòng)透鏡，當(dāng)屏上得到光源的另一個(gè)清晰的像時(shí)，測(cè)量端面B與透鏡的距離L，用測(cè)得的物理量可得：d＝v－L說(shuō)明由于光源s與屏的位置不動(dòng)，且兩者間的距離足夠遠(yuǎn)，保證s與屏間距大于4f。在移動(dòng)透鏡時(shí)可在屏上兩次成像，依照光路的可逆性，透鏡由端面B開(kāi)始向屏移動(dòng)時(shí)，第一次成像的像距將等于第二次成像時(shí)的物距。由此即可測(cè)出d。依照上述原理，所測(cè)得的物理量不同，因此表示的結(jié)果將不同。例如可測(cè)第一次成像時(shí)B到透鏡的距離L，第二次成像時(shí)的像距v2，得d＝v2－L也可測(cè)量?jī)纱纬上竦南窬鄓1和v2，第二次成像時(shí)端面B到光屏的距離L，得d＝v1＋v2lL，也能夠測(cè)第一次成像的像距v1和端面B到透鏡的距離L，兩次成像透鏡移動(dòng)的距離ΔL，則d＝v1－L－ΔL。……總之表示的形式專(zhuān)門(mén)多，但其原理差不多上一個(gè)，那確實(shí)是光路的可逆性，共軛成像原理。8．做測(cè)定凸透鏡焦距的實(shí)驗(yàn)時(shí)，把蠟燭和光屏放在透鏡的主光軸上，與主光軸垂直，若這時(shí)在它們之間不管如何樣移動(dòng)透鏡，光屏上都得不到清晰的蠟燭像，則應(yīng)采取的措施是______________________。為了求得凸透鏡的焦距，測(cè)出蠟燭到光屏的距離L和蠟燭在光屏上兩次成像時(shí)透鏡的兩個(gè)位置之間的距離d，則該透鏡的焦距f＝____________________________________________。（2001·北京·春招）【答案】（加大蠟燭與光屏之間的距離，）【解析】要在屏上成像（實(shí)像），其條件是L≥4f。當(dāng)L＜4f時(shí)，不管如何樣移動(dòng)透鏡，在屏上都得不到像。9．市場(chǎng)上有種燈具俗稱(chēng)“冷光燈”，用它照耀物品時(shí)能使被照物品處產(chǎn)生的熱效應(yīng)大大降低，從而廣泛地應(yīng)用于博物館、商店等處，這種燈降低熱效應(yīng)的緣故之一是在燈泡后面放置的反光鏡玻璃表面上鍍一層薄膜（例如氟化鎂），這種膜能排除不鍍膜時(shí)玻璃表面反射回來(lái)的熱效應(yīng)最顯著的紅外線，以λ表示此紅外線的波長(zhǎng)，則所鍍薄膜的厚度最小應(yīng)為（）。A．B．λC．λD．λ（2001·全國(guó)綜合）【答案】（B）【解析】當(dāng)兩束反射光的程差，現(xiàn)在干涉減弱，因此d最小時(shí)k為0，即，B正確。10．圖16－4為X射線管的結(jié)構(gòu)示意圖，E為燈絲電源。要使射線管發(fā)出X射線，須在K、A兩電極間加上幾萬(wàn)伏的直流高壓（），圖16－4A．高壓電源正極應(yīng)接在P點(diǎn)，X射線從K極發(fā)出B．高壓電源正極應(yīng)接在P點(diǎn)，X射線從A極發(fā)出C．高壓電源正極應(yīng)接在Q點(diǎn)，X射線從K極發(fā)出D．高壓電源正極應(yīng)接在Q點(diǎn)，X射線從A極發(fā)出（2000·全國(guó)）【答案】（D）【解析】圖中K是陰極，A是陽(yáng)極，陰極的鎢絲接上低壓電源后，就發(fā)射電子，若在A、K間接上幾萬(wàn)伏的高壓電源，使由陰極K發(fā)射的電子就被加速，高速的電子流撞擊到陽(yáng)極A上，就打出了X光束，因此D正確。11．A、B兩幅圖是由單色光分別入射到圓孔而形成的圖像，其中圖A是光的_________（填干涉或衍射）圖像。由此能夠判定出圖A所對(duì)應(yīng)的圓孔的孔徑___________（填大于或小于）圖B所對(duì)應(yīng)的圓孔的孔徑。圖16－5（2001·上海）【答案】（衍射，小于）12．在X射線管中，由陰極發(fā)射的電子被加速后打到陽(yáng)極，會(huì)產(chǎn)生包括X光在內(nèi)的各種能量的光子，其中光子能量的最大值等于電子的動(dòng)能。已知陽(yáng)極與陰極之間的