重難點(diǎn)13 幾何光學(xué)和物理光學(xué)（教師版含解析）-高考物理專練(新高考專用)

高考物理【熱點(diǎn)·重點(diǎn)·難點(diǎn)】專練(新高考專用)重難點(diǎn)13幾何光學(xué)和物理光學(xué)【知識(shí)梳理】一折射定律的應(yīng)用1．對(duì)折射率的理解(1)公式n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)中，不論是光從真空射入介質(zhì)，還是從介質(zhì)射入真空，θ1總是真空中的光線與法線間的夾角，θ2總是介質(zhì)中的光線與法線間的夾角．(2)折射率由介質(zhì)本身性質(zhì)決定，與入射角的大小無關(guān)． (3)折射率與介質(zhì)的密度沒有關(guān)系，光密介質(zhì)不是指密度大的介質(zhì)，光疏介質(zhì)不是指密度小的介質(zhì)．(4)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?。?5)同一種色光，在不同介質(zhì)中雖然波速、波長(zhǎng)不同，但頻率相同．(6)折射率大小不僅反映了介質(zhì)對(duì)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．平行玻璃磚、三棱鏡和圓柱體(球)對(duì)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(duì)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(cè)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二對(duì)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(diǎn)提醒(1)光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)是相對(duì)而言的．同一種介質(zhì)，相對(duì)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(jìn)入光密介質(zhì)，則無論入射角多大，都不會(huì)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(shí)，往往同時(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)的臨界光路圖．(5)運(yùn)用幾何關(guān)系或三角函數(shù)關(guān)系以及反射定律等進(jìn)行分析、判斷、運(yùn)算，解決問題．3．求解全反射現(xiàn)象中光的傳播時(shí)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(jìn)行確定．(3)利用t＝eq\f(l,v)求解光的傳播時(shí)間．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(huì)形成彩色光帶．(2)成因：棱鏡材料對(duì)不同色光的折射率不同，對(duì)紅光的折射率最小，紅光通過棱鏡后的偏折程度最小，對(duì)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(lán)紫頻率ν低―→高同一介質(zhì)中的折射率小―→大同一介質(zhì)中速度大―→小波長(zhǎng)大―→小臨界角大―→小通過棱鏡的偏折角小―→大四、光的雙縫干涉現(xiàn)象1．產(chǎn)生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)原理圖如圖1所示圖1(2)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．a(chǎn)．光的路程差Δr＝r2－r1＝kλ(k＝0,1,2…)，光屏上出現(xiàn)亮條紋．b．光的路程差Δr＝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.五、薄膜干涉現(xiàn)象1．薄膜干涉現(xiàn)象如圖3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．圖32．薄膜干涉原理分析(1)相干光：光照射到透明薄膜上，從薄膜的兩個(gè)表面反射的兩列光波．(2)圖樣特點(diǎn)：同雙縫干涉，同一條亮(或暗)條紋對(duì)應(yīng)的薄膜的厚度相等．單色光照射薄膜時(shí)形成明暗相間的條紋，白光照射薄膜時(shí)形成彩色條紋．3．薄膜干涉的應(yīng)用干涉法檢查平面的平整程度如圖4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(huì)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．圖4【辨析】光的干涉和衍射的比較1．衍射與干涉的比較兩種現(xiàn)象比較項(xiàng)目單縫衍射雙縫干涉不同點(diǎn)條紋寬度條紋寬度不等，中央最寬條紋寬度相等條紋間距各相鄰條紋間距不等各相鄰條紋等間距亮度情況中央條紋最亮，兩邊變暗條紋清晰，亮度基本相等相同點(diǎn)干涉、衍射都是波特有的現(xiàn)象，屬于波的疊加；干涉、衍射都有明暗相間的條紋【特別提醒】(1)白光發(fā)生光的干涉、衍射和光的色散都可出現(xiàn)彩色條紋，但光學(xué)本質(zhì)不同．(2)區(qū)分干涉和衍射，關(guān)鍵是理解其本質(zhì)，實(shí)際應(yīng)用中可從條紋寬度、條紋間距、亮度等方面加以區(qū)分．2．干涉與衍射的本質(zhì)光的干涉條紋和衍射條紋都是光波疊加的結(jié)果，從本質(zhì)上講，衍射條紋的形成與干涉條紋的形成具有相似的原理．在衍射現(xiàn)象中，可以認(rèn)為從單縫通過兩列或多列頻率相同的光波，它們?cè)谄辽席B加形成單縫衍射條紋．六、光的偏振現(xiàn)象1．偏振：光波只沿某一特定的方向的振動(dòng)．2．自然光：太陽、電燈等普通光源發(fā)出的光，包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動(dòng)的光，而且沿著各個(gè)方向振動(dòng)的光波的強(qiáng)度都相同，這種光叫做自然光．3．偏振光：在垂直于傳播方向的平面上，只沿某個(gè)特定方向振動(dòng)的光．光的偏振證明光是橫波．自然光通過偏振片后，就得到了偏振光．4．偏振光的理論意義及應(yīng)用(1)理論意義：光的干涉和衍射現(xiàn)象充分說明了光是波，但不能確定光波是橫波還是縱波．光的偏振現(xiàn)象說明了光波是橫波．(2)應(yīng)用：照相機(jī)鏡頭、立體電影、消除車燈眩光等．【命題特點(diǎn)】幾何光學(xué)主要考查折射定律與全反射的綜合應(yīng)用；物理光學(xué)主要考查基本概念的理解析與應(yīng)用，一般以選擇題的形式出現(xiàn)【限時(shí)檢測(cè)】(建議用時(shí)：30分鐘)一、單選題1．(2021·全國(guó)高三專題練習(xí))在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，光屏上P點(diǎn)到雙縫S1、S2的距離之差，光屏上Q點(diǎn)到雙縫S1、S2的距離之差，如果用頻率為6.0×1014Hz的黃光照射雙縫，則()A．P點(diǎn)出現(xiàn)明條紋，Q點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋B．Q點(diǎn)出現(xiàn)明條紋，P點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋C．兩點(diǎn)均出現(xiàn)明條紋D．兩點(diǎn)均出現(xiàn)暗條紋【答案】B【解析】由c＝λf知黃光的波長(zhǎng)為λ＝＝m＝0.5μm到P點(diǎn)的光程差與黃光的半波長(zhǎng)相比為：＝＝3即為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，所以P點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋．到Q點(diǎn)的光程差與黃光的半波長(zhǎng)相比為：＝＝6即為半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍，所以Q點(diǎn)出現(xiàn)明條紋．故選B。2．(2021·江蘇高三專題練習(xí))如圖所示，OBCD為半圓柱體玻璃的橫截面，OD為直徑，一束由紫光和紅光組成的復(fù)色光，沿AO方向從真空射入玻璃，分成OB、OC兩束光。則()A．光束OB是紅光B．在玻璃中紫光的頻率比紅光的頻率小C．兩束光分開后沿OB、OC傳播所用的時(shí)間相等D．若將復(fù)色光平移到橫截面的圓心處射入，則兩束光在玻璃中傳播時(shí)間相等【答案】C【解析】A．由折射定律可知，相同入射角i的情況下，紅光的折射率n較小，折射角r較大，故光束OC是紅光，A錯(cuò)誤；B．紫光在真空中的頻率比紅光的大，光束射入玻璃后頻率不變，故在玻璃中紫光的頻率比紅光的頻率大，B錯(cuò)誤；C．設(shè)半圓柱體玻璃的半徑為R，光束AO的入射角為i，光束OB在玻璃中的折射角為r，如圖所示，則光束OB的長(zhǎng)度玻璃對(duì)光束OB的折射率光束OB在玻璃中的傳播速度則光束OB傳播時(shí)間聯(lián)立可解得，與光束的折射率無關(guān)，故兩束光分開后沿OB、OC傳播所用的時(shí)間相等，C正確；D．若將復(fù)色光平移到橫截面的圓心處射入，折射光束長(zhǎng)度均為R，則在玻璃中傳播時(shí)間由于紅光的折射率n較小，故傳播時(shí)間較短，D錯(cuò)誤。故選C。3．(2021·全國(guó)高三專題練習(xí))圖1是測(cè)定半圓柱形玻璃磚的折射率n的示意圖，O是圓心，MN是法線。一束單色光線以入射角i=30°由玻璃磚內(nèi)部射向O點(diǎn)，折射角為r，當(dāng)入射角增大到也為r時(shí)，恰好無光線從玻璃磚的上表面射出。讓該單色光分別通過寬度不同的單縫a、b后，得到圖2所示的衍射圖樣(光在真空中的傳播速度為c)。則下列說法錯(cuò)誤的是()A．此光在玻璃磚中的全反射臨界角為60°B．玻璃磚的折射率n=C．此光在玻璃磚中的傳播速度v=cD．單縫b寬度較大【答案】A【解析】AB．根據(jù)折射定律有n=由題知，玻璃磚的全反射臨界角等于r，根據(jù)sinr=結(jié)合i=30°，解得n=，r=45°，A錯(cuò)誤，符合題意，B正確，不符合題意；C．光在玻璃磚中的傳播速度v==cC正確，不符合題意；D．由圖2知，單色光通過單縫a后衍射現(xiàn)象比較顯著，所以單縫a寬度較小，單縫b寬度較大，D正確，不符合題意。故選A。4．(2021·全國(guó)高三專題練習(xí))關(guān)于楊氏實(shí)驗(yàn)，下列說法中錯(cuò)誤的是()A．單色光通過小孔后射向兩個(gè)靠得很近的狹縫可作為振動(dòng)情況總是相同的波源B．兩波源發(fā)出的光波在波谷與波谷疊加的地方，光相互抵消或者削弱，屏上出現(xiàn)暗條紋C．兩個(gè)波源發(fā)出的光波在波峰與波峰疊加的地方，光相互加強(qiáng)，屏上出現(xiàn)亮條紋D．兩波源發(fā)出的光波在波峰與波谷疊加的地方，光相互抵消或削弱，屏上出現(xiàn)暗條紋【答案】B【解析】在楊氏實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)狹縫的光源來自同一光源，頻率、相位和振動(dòng)方向均相同，具備干涉條件，所以通過兩個(gè)狹縫的光在屏上疊加，波峰和波峰疊加的地方，波谷和波谷疊加的地方，光相互加強(qiáng)，屏上出現(xiàn)亮條紋，波峰和波谷疊加的地方，光相互抵消或削弱，形成暗條紋，B錯(cuò)誤，A、C、D正確。故錯(cuò)誤的選B。二、多選題5．(2021·全國(guó)高三專題練習(xí))如圖所示，三棱鏡的橫截面ABC為直角三角形，∠B=90°，∠A=30°。一束復(fù)色光從空氣射向BC上的E點(diǎn)，分成兩束光a、b后分別偏折到AB上的F、G點(diǎn)，光線EF平行于底邊AC。已知入射光與BC的夾角為θ=45°，下列說法正確的是()A．三棱鏡對(duì)a光的折射率為B．a(chǎn)光在F點(diǎn)能發(fā)生全反射C．b光發(fā)生全反射的臨界角比a光的小D．a(chǎn)、b光用同一種裝置做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，a光產(chǎn)生的條紋間距更寬【答案】AB【解析】A．a(chǎn)光在BC界面的入射角i=45°，折射角r=30°，根據(jù)折射定律得A正確；B．a(chǎn)光在AB界面的入射角為i′=60°，而a光發(fā)生全反射的臨界角C的正弦值則C=45°，i′＞C，所以a光在F點(diǎn)能發(fā)生全反射，B正確；C．由幾何關(guān)系知，a光在三棱鏡中的偏折程度比b光的大，則三棱鏡對(duì)a光的折射率大于對(duì)b光的折射率，則由可知b光發(fā)生全反射的臨界角大于a光發(fā)生全反射的臨界角，C錯(cuò)誤；D．由三棱鏡對(duì)a光的折射率大于對(duì)b光的折射率知，a光的波長(zhǎng)比b光的短，由公式可知，a光的干涉條紋間距小于b光的，D錯(cuò)誤；故選AB。6．(2021·全國(guó)高三專題練習(xí))如圖所示，一束由兩種單色光混合的復(fù)色光沿PO方向射向一上、下表面平行的厚玻璃平面鏡的上表面，得到三束光Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。下列有關(guān)這三束光的判斷正確的是()A．光束Ⅰ仍為復(fù)色光，光束Ⅱ、Ⅲ為單色光B．光束Ⅱ在玻璃中的傳播速度比光束Ⅲ小C．增大α角且α<90°，光束Ⅱ、Ⅲ會(huì)遠(yuǎn)離光束ⅠD．改變?chǔ)两乔姚?lt;90°，光束Ⅱ、Ⅲ一定與光束Ⅰ平行E.減小α角且α>0，光束Ⅲ可能會(huì)在上表面發(fā)生全反射【答案】ABD【解析】A．由題意畫出如圖所示的光路圖可知光束Ⅰ是反射光線，所以仍是復(fù)色光，而光束Ⅱ、Ⅲ由于折射率的不同導(dǎo)致偏折分離，所以光束Ⅱ、Ⅲ是單色光，故A正確；B．由于光束Ⅱ的偏折程度大于光束Ⅲ，所以玻璃對(duì)光束Ⅱ的折射率大于對(duì)光束Ⅲ的折射率，根據(jù)可知，光束Ⅱ在玻璃中的傳播速度比光束Ⅲ小，故B正確；C．當(dāng)增大α角且α<90°，即入射角減小時(shí)，光束Ⅱ、Ⅲ會(huì)靠近光束Ⅰ，故C錯(cuò)誤；D．因?yàn)楹癫Ａ矫骁R的上下表面是平行的，根據(jù)光的入射角與反射角相等以及光的可逆性，可知改變?chǔ)两乔姚?lt;90°，光束Ⅱ、Ⅲ一定與光束Ⅰ平行，故D正確；E．減小α角且α>0，根據(jù)折射定律，光的折射角增大，根據(jù)光的可逆性知，光束Ⅲ不可能在上表面發(fā)生全反射，故E錯(cuò)誤；故選ABD。三、解答題7．(2021·安徽馬鞍山市·高三一模)直角棱鏡的折射率，其橫截面如圖所示，圖中∠B=90°，∠A=30°。截面內(nèi)一細(xì)光束從棱鏡BC邊上的D點(diǎn)射入，入射角θ=45°，經(jīng)折射后射到AB邊上。①光線在AB邊上是否會(huì)發(fā)生全反射？說明理由；②不考慮多次反射，求從AC邊射出的光線與最初的入射光線夾角?！敬鸢浮竣倌馨l(fā)生全反射，理由見解析；②60°【解析】①由折射定律sinθ=nsin∠1得∠1=30°所以∠2=60°∠3=∠2=60°而全反射臨界角C有能發(fā)生全反射②有∠4=∠3-30°=30°nsin∠4=sin∠5得∠5=45°兩光線夾角為(60°-θ)＋(90°-∠5)=60°8．(2021·全國(guó)高三其他模擬)“跳棋”游戲中的棋子是用玻璃材料做的一種球形器材，有位同學(xué)想測(cè)定棋子的折射率。如圖所示為其