高考物理三輪沖刺突破訓(xùn)練專題24 光學(xué)（原卷版）

專題24光學(xué)目錄TOC\o"1-2"\h\u專題24光學(xué) 1考向一折射定律及其應(yīng)用 1考向二對全反射現(xiàn)象的理解和應(yīng)用 3考向三光的色散現(xiàn)象 10考向四光的干涉現(xiàn)象 12考向五光的衍射和光的偏振現(xiàn)象 14【題型演練】 16考向一折射定律及其應(yīng)用1．對折射率的理解(1)折射率大小不僅反映了介質(zhì)對光的折射本領(lǐng)，也反映了光在介質(zhì)中傳播速度的大小v＝eq\f(c,n).(2)折射率的大小不僅與介質(zhì)本身有關(guān)，還與光的頻率有關(guān)．同一種介質(zhì)中，頻率越大的色光折射率越大，傳播速度越?。?3)同一種色光，在不同介質(zhì)中雖然波速、波長不同，但頻率相同．2．光路的可逆性在光的折射現(xiàn)象中，光路是可逆的．如果讓光線逆著原來的折射光線射到界面上，光線就會逆著原來的入射光線發(fā)生折射．3.平行玻璃磚、三棱鏡和圓柱體(球)對光路的控制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，出射光線向棱鏡底邊偏折圓界面的法線是過圓心的直線，經(jīng)過兩次折射后向圓心偏折應(yīng)用測定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【典例1】如圖所示為一斜邊鍍銀的等腰直角棱鏡的截面圖。一細黃光束從直角邊SKIPIF1<0以角度SKIPIF1<0入射，依次經(jīng)SKIPIF1<0和SKIPIF1<0兩次反射，從直角邊SKIPIF1<0出射。出射光線相對于入射光線偏轉(zhuǎn)了SKIPIF1<0角，則SKIPIF1<0（）A．等于SKIPIF1<0 B．大于SKIPIF1<0C．小于SKIPIF1<0 D．與棱鏡的折射率有關(guān)[變式]如圖為一用透明材料做成的中心是空的球，其中空心部分半徑與球的半徑之比為1:3。當(dāng)細光束以SKIPIF1<0的入射角射入球中，其折射光線剛好與內(nèi)壁相切，則該透明材料的折射率為（）A．SKIPIF1<0 B．1.5 C．SKIPIF1<0 D．2考向二對全反射現(xiàn)象的理解和應(yīng)用1．求解光的折射、全反射問題的四點提醒(1)光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)是相對而言的．同一種介質(zhì)，相對于其他不同的介質(zhì)，可能是光密介質(zhì)，也可能是光疏介質(zhì)．(2)如果光線從光疏介質(zhì)進入光密介質(zhì)，則無論入射角多大，都不會發(fā)生全反射現(xiàn)象．(3)在光的反射和全反射現(xiàn)象中，均遵循光的反射定律，光路均是可逆的．(4)當(dāng)光射到兩種介質(zhì)的界面上時，往往同時發(fā)生光的折射和反射現(xiàn)象，但在全反射現(xiàn)象中，只發(fā)生反射，不發(fā)生折射．2．解決全反射問題的一般方法(1)確定光是光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)．(2)應(yīng)用sinC＝eq\f(1,n)確定臨界角．(3)根據(jù)題設(shè)條件，判定光在傳播時是否發(fā)生全反射．(4)如發(fā)生全反射，畫出入射角等于臨界角時的臨界光路圖．(5)運用幾何關(guān)系或三角函數(shù)關(guān)系以及反射定律等進行分析、判斷、運算，解決問題．3．求解全反射現(xiàn)象中光的傳播時間的一般思路(1)全反射現(xiàn)象中，光在同種均勻介質(zhì)中的傳播速度不發(fā)生變化，即v＝eq\f(c,n).(2)全反射現(xiàn)象中，光的傳播路程應(yīng)結(jié)合光路圖與幾何關(guān)系進行確定．(3)利用t＝eq\f(l,v)求解光的傳播時間．【典例2】完全失重時，液滴呈球形，氣泡在液體中將不會上浮。2021年12月，在中國空間站“天宮課堂”的水球光學(xué)實驗中，航天員向水球中注入空氣形成了一個內(nèi)含氣泡的水球。如圖所示，若氣泡與水球同心，在過球心O的平面內(nèi)，用單色平行光照射這一水球。下列說法正確的是（

）A．此單色光從空氣進入水球，頻率一定變大B．此單色光從空氣進入水球，頻率一定變小C．若光線1在M處發(fā)生全反射，光線2在N處一定發(fā)生全反射D．若光線2在N處發(fā)生全反射，光線1在M處一定發(fā)生全反射[變式1]如圖，某三棱鏡的橫截面為等腰直角三角形ABC，BC長度為d，O為BC中點。在ABC所在平面內(nèi)，光線PO垂直BC邊入射，恰好在AB邊界發(fā)生全反射。(ⅰ)求該三棱鏡的折射率；(ⅱ)保持光線PO入射點O不變，入射方向逐漸向CO方向偏轉(zhuǎn)，求AB邊有光線射出的區(qū)域?qū)挾取變式2]某種透明材料制成的空心球體外徑是內(nèi)徑的2倍，其過球心的某截面(紙面內(nèi))如圖所示。一束單色光(在紙面內(nèi))從外球面上A點入射，入射角為45°時，光束經(jīng)折射后恰好與內(nèi)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(nèi)球面上發(fā)生全反射，則應(yīng)將入射角變?yōu)槎嗌俣龋俊镜淅?】如圖所示，水面上有一透明均質(zhì)球，上半球露出水面，下半球內(nèi)豎直中心軸上有紅、藍兩種單色燈（可視為點光源），均質(zhì)球?qū)煞N色光的折射率分別為SKIPIF1<0和SKIPIF1<0。為使從光源照射到上半球面的光，都能發(fā)生折射（不考慮光線在球內(nèi)反射后的折射），若紅燈到水面的最大距離為SKIPIF1<0，（1）求藍燈到水面的最大距離；（2）兩燈都裝在各自到水面的最大距離處，藍燈在紅燈的上方還是下方？為什么？[變式1]如圖所示，兩條距離為D的平行光線，以入射角θ從空氣射入平靜水面，反射光線與折射光線垂直，求：（1）水的折射率n；（2）兩條折射光線之間的距離d。

[變式2]如圖所示，水族館訓(xùn)練員在訓(xùn)練海豚時，將一發(fā)光小球高舉在水面上方的A位置，海豚的眼睛在B位置，A位置和B位置的水平距離為d，A位置離水面的高度為SKIPIF1<0d。訓(xùn)練員將小球向左水平拋出，入水點在B位置的正上方，入水前瞬間速度方向與水面夾角為θ。小球在A位置發(fā)出的一束光線經(jīng)水面折射后到達B位置，折射光線與水平方向的夾角也為θ。已知水的折射率SKIPIF1<0，求:（1）tanθ的值；（2）B位置到水面的距離H。

考向三光的色散現(xiàn)象1．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．2．各種色光的比較顏色紅橙黃綠青藍紫頻率ν低→高同一介質(zhì)中的折射率小→大同一介質(zhì)中速度大→小波長大→小臨界角大→小通過棱鏡的偏折角小→大【典例4】如圖所示，一束復(fù)合光垂直玻璃磚界面進入球形氣泡后分為a、b兩種色光，下列說法正確的是()A．玻璃磚的氣泡缺陷處顯得更亮是光的全反射現(xiàn)象B．a(chǎn)光在玻璃中的傳播速度比b光在玻璃中的傳播速度大C．a(chǎn)光的頻率比b光的頻率大D．若保持復(fù)合光的方向不變僅將入射點上移，則a光最先消失E．若讓a、b兩種色光通過一雙縫干涉裝置，則a光形成的干涉條紋的間距更大[變式1]三束單色光a、b、c沿圖示方向射向圓形玻璃磚，經(jīng)兩次折射后變成復(fù)色光d，以下說法正確的是()A．b光的頻率比c光小B．在真空中，a光傳播速度比b、c大C．在玻璃磚中，a光傳播速度比b、c小D．a(chǎn)光的光子能量最小E．若以a、b、c三種單色光分別用相同的裝置做“用雙縫干涉測定單色光的波長”的實驗，則a光觀察到的條紋間距最大[變式2]如圖所示，從點光源S發(fā)出的一束復(fù)色光，以一定的角度入射到玻璃三棱鏡的表面，經(jīng)過三棱鏡的兩次折射后分為a、b兩束光．下面的說法中正確的是 ()A．在三棱鏡中a光的傳播速率大于b光的傳播速率B．a(chǎn)光頻率大于b光頻率C．若改變復(fù)色光的入射角，可在入射面發(fā)生全反射D．a(chǎn)、b兩束光分別通過同一雙縫干涉裝置產(chǎn)生的干涉條紋的間距Δxa<ΔxbE．真空中的a、b兩束光的光速相對于不同的慣性參考系是相同的考向四光的干涉現(xiàn)象1．雙縫干涉(1)光能夠發(fā)生干涉的條件：兩光的頻率相同，振動步調(diào)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Δx＝eq\f(l,d)λ.(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(cè)為彩色條紋．2．亮暗條紋的判斷方法(1)如圖所示，光源S1、S2發(fā)出的光到屏上某點的路程差r2－r1＝kλ(k＝0,1,2，…)時，光屏上出現(xiàn)亮條紋．(2)光的路程差r2－r1＝(2k＋1)eq\f(λ,2)(k＝0,1,2，…)時，光屏上出現(xiàn)暗條紋．3．條紋間距：Δx＝eq\f(l,d)λ，其中l(wèi)是雙縫到光屏的距離，d是雙縫間的距離，λ是光波的波長．4．薄膜干涉(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，兩列光波同相疊加，出現(xiàn)明紋；反相疊加，出現(xiàn)暗紋．(3)條紋特點：①單色光：明暗相間的水平條紋；②白光：彩色水平條紋．【典例5】在雙縫干涉實驗中，用綠色激光照射在雙縫上，在縫后的屏幕上顯示出干涉圖樣．若要增大干涉圖樣中兩相鄰亮條紋的間距，可選用的方法是()A．改用紅色激光B．改用藍色激光C．減小雙縫間距D．將屏幕向遠離雙縫的位置移動E．將光源向遠離雙縫的位置移動[變式]如圖所示是a、b兩光分別經(jīng)過同一雙縫干涉裝置后在屏上形成的干涉圖樣，則 ()A．在同種均勻介質(zhì)中，a光的傳播速度比b光的大B．在真空中a、b兩光傳播速度相同C．從真空射入同種介質(zhì)發(fā)生全反射時，a光全反射臨界角小D．從同種介質(zhì)射入真空發(fā)生全反射時，a光全反射臨界角小E．在相同的條件下，b光比a光更容易產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象考向五光的衍射和光的偏振現(xiàn)象1．對光的衍射的理解(1)衍射是波的特征，波長越長，衍射現(xiàn)象越明顯．任何情況下都可以發(fā)生衍射現(xiàn)象，只是明顯與不明顯的差別．(2)衍射現(xiàn)象說明“光沿直線傳播”只是一種特殊情況，只有在光的波長比障礙物小得多時，光才可以看作是沿直線傳播的．2．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(nèi)，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(nèi)，光振動沿特定方向【典例6】關(guān)于波的干涉和衍射，下列說法正確的是 ()A．衍射是一切波特有的現(xiàn)象B．兩列波發(fā)生干涉時，振動加強區(qū)域的質(zhì)點的位移一定始終最大C．聲波容易發(fā)生衍射是因為聲波的波長較長D．觀察薄膜干涉時，應(yīng)該在入射光的同一側(cè)E．醫(yī)院中用于體檢的“B超”利用了超聲波的衍射原理【變式】光的偏振現(xiàn)象說明光是橫波．下列現(xiàn)象中能反映光的偏振特性的是 ()A．一束自然光相繼通過兩個偏振片，以光束為軸旋轉(zhuǎn)其中一個偏振片，透射光的強度發(fā)生變化B．一束自然光入射到兩種介質(zhì)的分界面上，當(dāng)反射光線與折射光線之間的夾角恰好是90°時，反射光是偏振光C．日落時分，拍攝水面下的景物，在照相機鏡頭前裝上偏振濾光片可以使景像更清晰D．通過手指間的縫隙觀察日光燈，可以看到彩色條紋E．陽光在水面的反射光是自然光

【題型演練】一、單選題1．如圖所示，王亞平在天宮課堂上演示了水球光學(xué)實驗，在失重環(huán)境下，往大水球中央注入空氣，形成了一個空氣泡，氣泡看起來很明亮，其主要原因是（）A．氣泡表面有折射沒有全反射B．光射入氣泡衍射形成“亮斑”C．氣泡表面有折射和全反射D．光射入氣泡干涉形成“亮紋”2．柱狀光學(xué)器件橫截面如圖所示，SKIPIF1<0右側(cè)是以O(shè)為圓心、半徑為R的SKIPIF1<0圓，左側(cè)是直角梯形，SKIPIF1<0長為R，SKIPIF1<0與SKIPIF1<0夾角SKIPIF1<0，SKIPIF1<0中點為B。a、b兩種頻率的細激光束，垂直SKIPIF1<0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，入射點從A向B移動過程中，能在SKIPIF1<0面全反射后，從SKIPIF1<0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光都不可以如圖，長方體玻璃磚的橫截面為矩形SKIPIF1<0，SKIPIF1<0，其折射率為SKIPIF1<0。一束單色光在紙面內(nèi)以SKIPIF1<0的入射角從空氣射向SKIPIF1<0邊的中點O，則該束單色光（）A．在SKIPIF1<0邊的折射角為SKIPIF1<0B．在SKIPIF1<0邊的入射角為SKIPIF1<0C．不能從SKIPIF1<0邊射出D．不能從SKIPIF1<0邊射出如圖所示，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（）A．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的光出射位置一束復(fù)色光從空氣射入光導(dǎo)纖維后分成a、b兩束單色光，光路如圖所示，比較內(nèi)芯中的a、b兩束光，a光的（）A．頻率小，發(fā)生全反射的臨界角小B．頻率大，發(fā)生全反射的臨界角小C．頻率小，發(fā)生全反射的臨界角大D．頻率大，發(fā)生全反射的臨界角大光刻機是制造芯片的核心裝備，利用光源發(fā)出的紫外線，將精細圖投影在硅片上，再經(jīng)技術(shù)處理制成芯片。為提高光刻機清晰投影最小圖像的能力，在透鏡組和硅片之間充有液體。紫外線進入液體后與其在真空中相比（）A．波長變短 B．光子能量增加 C．頻率降低 D．傳播速度增大二、多選題7．氫原子從高能級向低能級躍遷時，會產(chǎn)生四種頻率的可見光，其光譜如圖1所示。氫原子從能級6躍遷到能級2產(chǎn)生可見光I，從能級3躍遷到能級2產(chǎn)生可見光Ⅱ。用同一雙縫干涉裝置研究兩種光的干涉現(xiàn)象，得到如圖2和圖3所示的干涉條紋。用兩種光分別照射如圖4所示的實驗裝置，都能產(chǎn)生光電效應(yīng)。下列說法正確的是（）A．圖1中的SKIPIF1<0對應(yīng)的是ⅠB．圖2中的干涉條紋對應(yīng)的是ⅡC．Ⅰ的光子動量大于Ⅱ的光子動量D．P向a移動，電流表示數(shù)為零時Ⅰ對應(yīng)的電壓表示數(shù)比Ⅱ的大8.不同波長的電磁波具有不同的特性，在科研、生產(chǎn)和生活中有廣泛的應(yīng)用。a、b兩單色光在電磁波譜中的位置如圖所示。下列說法正確的是（）A．若a、b光均由氫原子能級躍遷產(chǎn)生，產(chǎn)生a光的能級能量差大B．若a、b光分別照射同一小孔發(fā)生衍射，a光的衍射現(xiàn)象更明顯C．若a、b光分別照射同一光電管發(fā)生光電效應(yīng)，a光的遏止電壓高D．若a、b光分別作為同一雙縫干涉裝置光源時，a光的干涉條紋間距大8．某同學(xué)采用圖甲所示的實驗裝置研究光的干涉與衍射現(xiàn)象，狹縫SKIPIF1<0，SKIPIF1<0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，實驗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，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，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，若光從狹縫SKIPIF1<0、SKIPIF1<0到屏上P點的路程差為半波長的奇數(shù)倍，P點處一定是暗條紋三、填空題9．如圖，單色光從折射率n=1.5、厚度d=10.0cm的玻璃板上表面射入。已知真空中的光速為SKIPIF1<0m/s，則該單色光在玻璃板內(nèi)傳播的速度為___________m/s；對于所有可能的入射角，該單色光通過玻璃板所用時間t的取值范圍是___________s≤t<___________s（不考慮反射）。我國的光纖通信技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。光纖內(nèi)芯（內(nèi)層玻璃）的折射率比外套（外層玻璃）的_____（選填“大”或“小”）。某種光纖的內(nèi)芯在空氣中全反射的臨界角為SKIPIF1<0，則該內(nèi)芯的折射率為_____。（取SKIPIF1<0，結(jié)果保留2位有效數(shù)字）11．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°。12．在雙縫干涉實驗中，分別用紅色和綠色的激光照射同一雙縫，在雙縫后的屏幕上，紅光的干涉條紋間距Δx1與綠光的干涉條紋間距Δx2相比Δx1______Δx2（填“＞”、“＜”或“=”）。若實驗中紅光的波長為630nm，雙縫到屏幕的距離為1m，測得第1條到第6條亮條紋中心間的距離為10.5mm，則雙縫之間的距離為______mm。13．兩束單色光A、B的波長分別為SKIPIF1<0、SKIPIF1<0，且SKIPIF1<0>SKIPIF1<0，則______（選填“A”或“B”）在水中發(fā)生全反射時的臨界角較大．用同一裝置進行楊氏雙縫干涉實驗時，可以觀察到______（選填“A”或“B”）產(chǎn)生的條紋間距較大