回归教材重难点14 光学-【查漏补缺】2022年高考物理三轮冲刺过关（解析版）

回归教材重难点14  光学

光学是高中物理重要的组成部分之一，也是高考必考内容；本知识点包括几何光学和物理光学的相关知识，题型相对比较单一，多以基础性和综合性考查为主。几何光学主要考查光的折射定律和全反射的知识，因涉及光路图，需要应用数学知识解答；物理光学主要考查光的干涉、衍射相关知识，重点放在对光的干涉产生实质的理解上。题目的情境从“直接给出光路的特点、边角关系”，向“将已知条件放在实际情境中”进行过渡，更深层次地考查学生的阅读能力、理解能力，从“解题”向“解决问题”进行转变。

在备考策略上：⑴重点理解光的折射定律和全反射的内涵；⑵平时多注重数学能力的训练和培养，重点突出与数学知识中三角函数部分知识相关联的训练，这往往是解决问题的关键所在；⑶理解光的干涉、衍射和偏振的概念及相关现象的解释；⑷重点掌握用双缝干涉测量光的波长实验，理解双缝干涉实验中各物理量的含义及其关系；⑸关注前沿科技、生活实际情境中与光学知识相联系的部分，加强考生对情境问题的阅读能力和理解能力。

知识点一　光的折射与折射率

1．折射定律

(1)内容：如图所示，折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比．

(2)表达式：＝n.

(3)在光的折射现象中，光路是可逆的．

2．折射率

(1)折射率是一个反映介质的光学特性的物理量．

(2)定义式：n＝.

(3)计算公式：n＝，因为v<c，所以任何介质的折射率都大于1.

(4)当光从真空(或空气)射入某种介质时，入射角大于折射角；当光由介质射入真空(或空气)时，入射角小于折射角．

知识点二、全反射

1．条件：(1)光从光密介质射入光疏介质．

(2)入射角≥临界角．

2．临界角：折射角等于90°时的入射角，用C表示，sin C＝.

知识点三、光的色散、棱镜

1．光的色散

(1)色散现象

白光通过三棱镜会形成由红到紫七种色光组成的彩色光谱，如图．

(2)成因

由于n红＜n紫，所以以相同的入射角射到棱镜界面时，红光和紫光的折射角不同，就是说紫光偏折得更明显些，当它们射到另一个界面时，紫光的偏折角最大，红光偏折角最小．

2．棱镜

三棱镜对光线的作用：改变光的传播方向，使复色光发生色散．

知识点四、光的干涉

1．定义：在两列光波的叠加区域，某些区域的光被加强，出现亮纹，某些区域的光被减弱，出现暗纹，且加强和减弱互相间隔的现象叫做光的干涉现象．

2．条件：两列光的频率相等，且具有恒定的相位差，才能产生稳定的干涉现象．

3．双缝干涉：由同一光源发出的光经双缝后形成两束振动情况总是频率相等的相干光波，屏上某点到双缝的路程差是波长的整数倍处出现亮条纹；路程差是半波长的奇数倍处出现暗条纹．相邻的明条纹(或暗条纹)之间距离Δx与波长λ、双缝间距d及屏到双缝距离l的关系为Δx＝λ.

4．薄膜干涉：利用薄膜(如肥皂液薄膜)前后表面反射的光相遇而形成的．图样中同一条亮(或暗)条纹上所对应薄膜厚度相同．

知识点五、光的衍射

1．光的衍射现象

光在遇到障碍物时，偏离直线传播方向而照射到阴影区域的现象叫做光的衍射．

2．光发生明显衍射现象的条件

当孔或障碍物的尺寸比光波波长小，或者跟光波波长相差不多时，光才能发生明显的衍射现象．

3．衍射图样

(1)单缝衍射：中央为亮条纹，向两侧有明暗相间的条纹，但间距和亮度不同．白光衍射时，中央仍为白光，最靠近中央的是紫光，最远离中央的是红光．

(2)圆孔衍射：明暗相间的不等距圆环．

(3)泊松亮斑：光照射到一个半径很小的圆板后，在圆板的阴影中心出现的亮斑，这是光能发生衍射的有力证据之一．

知识点六、光的偏振

1．偏振光：在跟光传播方向垂直的平面内，光在某一方向振动较强而在另一些方向振动较弱的光即为偏振光．

光的偏振现象证明光是横波(填“横波”或“纵波”)．

2．自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包括在垂直于传播方向上沿各个方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫做自然光．

3．偏振光的产生

自然光通过起偏器：通过两个共轴的偏振片观察自然光，第一个偏振片的作用是把自然光变成偏振光，叫做起偏器．第二个偏振片的作用是检验光是否是偏振光，叫做检偏器．

1. （2021·浙江卷）用激光笔照射透明塑料制成的光盘边缘时观察到的现象如图所示。入射点O和两出射点P、Q恰好位于光盘边缘等间隔的三点处，空气中的四条细光束分别为入射光束a、反射光束b、出射光束c和d、已知光束a和b间的夹角为，则（　　）

A．光盘材料的折射率

B．光在光盘内的速度为真空中光速的三分之二

C．光束b、c和d的强度之和等于光束a的强度

D．光束c的强度小于O点处折射光束的强度

【答案】D

【解析】

A．如图所示由几何关系可得入射角为

折射角为

根据折射定律有

所以A错误；

B．根据

所以B错误；

C．光束在b、c和d的强度之和小于光束a的强度，因为在Q处光还有反射光线，所以C错误；

D．光束c的强度与反射光线PQ强度之和等于折身光线OP的强度，所以D正确；

故选D。

2（2021海南卷）. 如图，长方体玻璃砖的横截面为矩形，，其折射率为。一束单色光在纸面内以的入射角从空气射向边的中点O，则该束单色光（　　）

A. 在边的折射角为

B. 在边的入射角为

C. 不能从边射出

D. 不能从边射出

【答案】C

【解析】

A．光线从O点入射，设折射角为，由折射定律有

解得

即该束单色光在边的折射角为，故A错误；

B．设边长，则，作出光路图如图所示。

由几何关系可知光在边的入射角为，故B错误；

C．设光在玻璃砖与空气界面发生全反射的临界角设为C，有

即，而光在MN边的入射角大于，所以光在MN边发生全反射，不能从边射出，故C正确；

D．根据几何关系可知光在A点发生全反射后到达NP边的B点时的入射角为30°，小于全反射临界角，所以光在B点折射出玻璃砖，故D错误。

故选C

3．（2021·浙江卷）肥皂膜的干涉条纹如图所示，条纹间距上面宽、下面窄。下列说法正确的是（　　）

A．过肥皂膜最高和最低点的截面一定不是梯形

B．肥皂膜上的条纹是前后表面反射光形成的干涉条纹

C．肥皂膜从形成到破裂，条纹的宽度和间距不会发生变化

D．将肥皂膜外金属环左侧的把柄向上转动，条纹也会跟着转动

【答案】AB

【解析】

A．肥皂膜因为自重会上面薄而下面厚，因表面张力的原因其截面应是一个圆滑的曲面而不是梯形，A正确；

B．薄膜干涉是等厚干涉，其原因为肥皂膜上的条纹是前后表面反射光形成的干涉条纹，B正确；

C．形成条纹的原因是前后表面的反射光叠加出现了振动加强点和振动减弱点，形成到破裂的过程上面越来越薄，下面越来越厚，因此出现加强点和减弱点的位置发生了变化，条纹宽度和间距发生变化，C错误；

D．将肥皂膜外金属环左侧的把柄向上转动，由于重力，表面张力和粘滞力等的作用，肥皂膜的形状和厚度会重新分布，因此并不会跟着旋转90°；D错误。

故选AB。

4.（2021北京卷）如图所示平面内，光束a经圆心O射入半圆形玻璃砖，出射光为b、c两束单色光。下列说法正确的是（   ）

A. 这是光的干涉现象

B. 在真空中光束b的波长大于光束c的波长

C. 玻璃砖对光束b的折射率大于对光束c的折射率

D. 在玻璃砖中光束b的传播速度大于光束c的传播速度

【答案】C

【解析】

A．光束a经圆心O射入半圆形玻璃砖，出射光为b、c两束单色光，这是光的色散现象，A错误；

C．由题图可知光束c的折射角大于光束b的折射角，根据折射定律可知

nc < nb

C正确；

B．由于光的折射率越大，其频率越大，波长越短，则b光在真空中的波长较短，B错误；

D．根据v =知，c光束的折射率小，则c光在棱镜中的传播速度大，D错误。

故选C。

5. （2021湖北卷）如图所示，由波长为λ1和λ2的单色光组成的一束复色光，经半反半透镜后分成透射光和反射光。透射光经扩束器后垂直照射到双缝上并在屏上形成干涉条纹。O是两单色光中央亮条纹的中心位置，P1和P2分别是波长为λ1和λ2的光形成的距离O点最近的亮条纹中心位置。反射光入射到三棱镜一侧面上，从另一侧面M和N位置出射，则（　　）

A. λ1<λ2，M是波长为λ1的光出射位置 B. λ1<λ2，N是波长为λ1的光出射位置

C. λ1>λ2，M是波长为λ1的光出射位置 D. λ1>λ2，N是波长为λ1的光出射位置

【答案】D

【解析】

由双缝干涉条纹间距的公式

可知，当两种色光通过同一双缝干涉装置时，波长越长条纹间距越宽，由屏上亮条纹的位置可知

反射光经过三棱镜后分成两束色光，由图可知M光的折射角大，又由折射定律可知，入射角相同时，折射率越大的色光折射角越大，由于

则

所以N是波长为λ1的光出射位置，故D正确，ABC错误。

故选D。

6．（2021·河北衡水高三模拟）如图所示，直角三角形ABC为一棱镜的横截面，∠B=90°，∠C=53°，M点为AB边的中点。复色光k由a、b两种单色光混合而成，k由M点平行于底边BC射入棱镜。仅有a光从AC上的N点射出，在BC下侧P点（图中未画出）检测到b光。sin53°=0.8，cos53° =0.6。则（　　）

A．该棱镜对b光的折射率等于

B．在BC边下方射出的b光的右侧，可检测到a光

C．若k光经M点斜向下入射，则a光可能在界面AC上发生全反射

D．在双缝干涉实验中，要使相邻亮条纹间距较大，应该使用b光

E.由M点至N点，a光所用的时间小于b光所用的时间

【答案】BCE

【解析】A．由题知b光在AC上发生了全反射，恰好发生全反射时AC右侧亦无b光射出，此时

，由几何关系可知，得出，故棱镜对b光的折射率大于等于，故A错误；

B．k光在AC上发生反射，如图

因a光的折射率小于b光，二光以相同的入射角射到界面BC上同一点，故a光在b光的右侧，故B正确；

C．若 k光经M点斜向下入射， 当a光射到AC上入射角大于等于其临界角时，将发生全反射， 故C 正确；D．b光的折射率大于a光，故b光的频率大于a光，b光的波长小于a光，使用a光做双缝干涉实验时，相邻亮条纹间距较大， 故D错误；E．由，可知，在棱镜中a光的速度大于b光，故由M至N的过程中，a光的传播时间小于b，故E正确。故选BCE。

7．（2021·天津高三一模）汽车的自适应巡航功能能够帮助驾驶员减轻疲劳，毫米波雷达是其中一个重要部件。毫米波的波长比短波波长短，比红外线波长长，则（　　）

A．这三种电磁波，红外线最容易发生明显的衍射绕过粉尘

B．这三种电磁波在真空中传播，短波的传播速度最小

C．这三种电磁波中毫米波比红外线更容易发生明显衍射绕过粉尘

D．这三种电磁波，短波频率最高

【答案】C

【解析】A．这三种电磁波中，短波的波长最长，最容易发生明显的衍射绕过粉尘，故A错误；B．这三种电磁波在真空中传播时速度相同，都为光速，故B错误；C．毫米波波长比红外线波长长，则毫米波比红外线更容易发生明显衍射绕过粉尘，故C正确；D．由公式可知，波长越小，频率越高，则红外线波的频率最高，故D错误。故选C。

8．（2021·辽宁葫芦岛市高三一模）水中点光源S沿SO方向射岀a、b两种单色光，其中a单色光射出水面，光路如图所示。则下列说法正确的是（　　）

A．水中的反射光是b单色光

B．a光的频率大于b光的频率

C．a、b在水中的传播速度关系为va＜vb

D．用同一双缝干涉装置进行实验可看到a光干涉条纹间距比b光的宽

【答案】D

【解析】A．水中的反射光是ab两种单色光的复合光，选项A错误；B．因b光发生了全反射，则b光的临界角小于a光，根据，可得，b光的折射率较大，则b光的频率大于a光的频率，选项B错误；

C．根据可知，因na＜nb，a、b在水中的传播速度关系为va>vb，选项C错误；D．因a的频率小，波长较大，则根据可知，用同一双缝干涉装置进行实验可看到a光干涉条纹间距比b光的宽，选项D正确。故选D。

9．（2021·山东高三一模）2021年央视春晚首次采用5G信号“云”传播方式，使“云”观众、“云”演员和春晚互动起来，与4G信号相比，5G信号使用频率更高的电磁波，每秒传送的数据量是4G的50～100倍，5G信号网络的高性能很好的实现了观众的良好体验。相比4G信号（　　）

A．5G信号的光子能量更大 B．5G信号的衍射更明显

C．5G信号的传播速度更大 D．5G信号的波长更长

【答案】A

【解析】A．因为5G使用的电磁波频率比4G高，根据可知，5G使用的电磁波比4G光子能量更大，选项A正确；B．发生明显衍射的条件是障碍物（或孔）的尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还小；因5G使用的电磁波频率更高，即波长更短，故5G越不容易发生明显衍射，选项B错误；C．光在真空中的传播速度都是相同的；5G的频率比4G高，即5G的折射率比4G大，根据光在介质中的传播速度为，折射率越大的光在介质中的传播速度越小，选项C错误；D．频率越高的电磁波波长越短，因5G使用的电磁波频率更高，所以5G信号的波长更短，选项D错误。故选A。

10．（2021·江苏高三一模）利用微距相机可以拍摄到形状各异的雪花图像（图甲），其中有一种“彩虹”雪花，中间部分有一个夹有空气的薄冰层，呈彩色花纹（图乙），这是由于（　　）

A．光的干涉 B．光的衍射 C．光的偏振 D．小孔成像

【答案】A

【解析】薄冰中间所夹的空气薄层相当与一层薄膜，光在此空气薄层上形成薄膜干涉，呈现彩色花纹。

故选A。

11．（2021·河南高三二模）如图所示，AOBC为某种透明介质的截面图，△AOC为等腰直角三角形，BC为半径R=10cm的四分之一圆弧，AB与水平屏幕MN垂直并接触于A点。由红光和紫光两种单色光组成的复色光射向圆心O，在AB分界面上的入射角i=45°，结果在水平屏幕MN上出现两个亮斑。已知该介质对红光和紫光的折射率分别为，。

（1）请画出光路示意图，标出两个亮斑的大致位置，说明亮斑的颜色；

（2）求两个亮斑间的距离。

【答案】（1） ；（2）cm

【解析】①根据临界角公式，可得红光与紫光的临界角分别为，。而光线在AB面上入射角i=45°，说明紫光恰好发生全反射，红光在AB面有反射，也有折射。所以AM区域的亮斑P1为红色，AN区域的亮斑P2为红色与紫色的混合色。光路图如图所示

②设折射角为r，根据折射定律

得到

由几何知识可得

解得

由几何知识可得△OAP2为等腰直角三角形，解得

所以

12．（2021·山西高三模拟）唐朝《玄真子·涛之灵》中写道：“雨色映日而为虹”。从物理学的角度看，彩虹是太阳光经过雨滴的两次折射和一次反射形成的，其成因的简化平面图如图所示。细白光束在过球心的平面内射向球形雨滴，人射角。射出后，色光按频率分布，红光和紫光分别位于彩虹的最上方或下方。已知雨滴对紫光的折射率为、雨滴的半径为R，真空中的光速为c。

（1）通过分析判定：位于彩虹最下方的色光b是红光还是紫光；

（2）紫光在球形雨滴内传播的时间是多少？

【答案】（1）红光；（2）

【解析】（1）过入射点A做如图的法线，可以判定最下方的色光b，从空气进入雨滴中，入射角相同时，折射角最大；根据折射规律，色光b在介质中折射率最小，频率最小，是红光        

（2）从A点入射时，设折射角为，根据折射定律：，解得：

在B点发生反射时，为等腰三角形，故，根据反射定律：，在C点出射时，，紫光在球体内传播的路程：

紫光在球体内传播速率：

紫光在球体内传播时间：

解得：