2023届高考物理二轮复习专题五第2讲光学学案

第2讲　光学

1. 理解光的折射、全反射．

2. 光的波动性、电磁波．

1. 光的折射定律定义式：n＝．不能说n与sin  θ1成正比、与sin  θ2成反比．折射率是由介质本身的光学性质和光的频率决定的．

2. 折射率与光速的关系：n＝.因为v<c，所以任何介质的折射率都大于1.

3. 在光的折射现象中，光路是可逆的．

4. 全反射和临界角

(1) 条件：光从光密介质射向光疏介质；入射角大于或等于临界角．

(2) 临界角：sin C＝，C为折射角等于90°时所对应的入射角．

5. 光的色散：白光的色散说明白光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种单色光组成的复色光．其中红光的折射率最小，紫光的折射率最大．

6. 光的干涉条件：两光源发出的光频率相同，相位差恒定．

7. 双缝干涉

(1) 产生明暗条纹的条件：光屏上某点与两个狭缝的路程差是光波波长的整数倍处出现亮条纹；与两个狭缝的路程差是半波长的奇数倍处出现暗条纹．

(2) 条纹的特点：相邻明条纹(或暗条纹)的间距相等，且Δx＝λ，其中λ为波长，d为双缝间距，l为双缝到屏的距离．实验装置不变的条件下，红光的干涉条纹间距最大，紫光的干涉条纹间距最小；若换用白光，在屏上得到彩色条纹，且中央为白色．

8. 薄膜干涉

(1) 薄膜干涉：利用薄膜(如肥皂膜)前后两表面的反射光波相遇而形成的干涉．

(2) 图样特点：同一条亮(或暗)条纹对应薄膜的厚度相等，单色光在肥皂膜上(上薄下厚)形成水平状的明暗相间的条纹，白光入射时形成彩色条纹．

9. 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．

10. 泊松亮斑：当光照到不透明的小圆板上，在圆板的阴影中心出现亮斑(在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环).

11. 光的偏振现象说明光波是横波．应用有照相机镜头、立体电影、消除车灯眩光等等．

12. 麦克斯韦电磁场理论的要点

13. 电磁波的传播：电磁波是横波，其传播不需要介质．传播速度、频率和波长的关系为v＝λf．在真空中的传播速度为3.0×108__m/s．

14. 电磁波的发射和接收．

(1) 发射端：调制(调频和调幅).

(2)  接收端：调谐和解调．解调是调制的逆过程．

15. 电磁波谱

16. 狭义相对论的两个基本假设

(1) 狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的．

(2)  光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的．

17. 相对论中三个结论：时钟变慢、长度缩短、质量变大．

18. 质能方程：E＝mc2，ΔE＝Δmc2．

 1. (2021·江苏卷)铁丝圈上附有肥皂膜，竖直放置时，肥皂膜上的彩色条纹上疏下密，由此推测肥皂膜前后两个面的侧视形状应当是(　　)

【解析】 薄膜干涉为前后两个面反射回来的光发生干涉形成干涉条纹，复色光时，出现彩色条纹．由于重力作用，肥皂膜前、后表面的厚度从上到下逐渐增大，由于干涉条纹的间距上疏下密，所以由上到下，薄膜的厚度增加得越来越快，故C正确，A、B、D错误．

【答案】 C

 2. (2021·江苏卷)某种材料制成的半圆形透明砖平放在方格纸上，将激光束垂直于AC面射入，可以看到光束从圆弧面ABC出射，沿AC方向缓慢平移该砖，在如图所示位置时，出射光束恰好消失，该材料的折射率为(　　)

A. 1.2    B. 1.4   

C. 1.6    D. 1.8

【解析】 画出激光束从玻璃砖射出时恰好发生全反射的入射角如图所示，全反射的条件sin  θ＝，由几何关系知sin  θ＝，联立解得n＝1.2，故A正确，B、C、D错误．

【答案】 A

 3. (2022·浙江卷)关于双缝干涉实验，下列说法正确的是(　　)

A. 用复色光投射就看不到条纹

B. 明暗相间条纹是两列光在屏上叠加的结果

C. 把光屏前移或后移，不能看到明暗相间条纹

D. 蓝光干涉条纹的间距比红光的大

【解析】 用复色光投射同样能看到条纹，A错误；双缝干涉实验中，明暗相间条纹是两列光在屏上叠加的结果，B正确；由条纹间距Δx＝λ 知，把光屏前移或后移，改变了L，从而改变了条纹间距，但还可能看到明暗相间条纹，C错误；由条纹间距Δx＝λ 知，且λ蓝<λ红，则蓝光干涉条纹的间距比红光的小，D错误．

【答案】 B

 4. (2022·辽宁卷)完全失重时，液滴呈球形，气泡在液体中将不会上浮.2021年12月，在中国空间站“天宫课堂”的水球光学实验中，航天员向水球中注入空气形成了一个内含气泡的水球．如图所示，若气泡与水球同心，在过球心O的平面内，用单色平行光照射这一水球．下列说法正确的是(　　)

A. 此单色光从空气进入水球，频率一定变大

B. 此单色光从空气进入水球，频率一定变小

C. 若光线1在M处发生全反射，光线2在N处一定发生全反射

D. 若光线2在N处发生全反射，光线1在M处一定发生全反射

【解析】 光的频率是由光源决定的，与介质无关，频率不变，A、B错误；如图可看出光线1入射到水球的入射角小于光线2入射到水球的入射角，则光线1在水球外表面折射后的折射角小于光线2在水球外表面折射后的折射角，设水球半径为R、气泡半径为r、光线经过水球后的折射角为α、光线进入气泡的入射角为θ，根据几何关系有＝，则可得出光线2的θ大于光线1的θ，故若光线1在M处发生全反射，光线2在N处一定发生全反射，C正确，D错误．

【答案】 C

光的折射和全反射题型的分析思路

(1) 确定要研究的光线，有时需根据题意，分析、寻找临界光线、边界光线为研究对象．

(2) 找入射点，确认界面，并画出法线．

(3) 明确两介质折射率的大小关系．

①若光疏→光密：定有反射、折射光线．

②若光密→光疏：如果入射角大于或等于临界角，一定发生全反射．

(4) 根据反射定律、折射定律列出关系式，结合几何关系，具体求解．

(2022·南通通州联考)如图所示，一束白光以入射角θ射向三棱镜ABC，在光屏上形成彩色光带ab，则(　　)

A. a处光的波长小于b处光的波长

B. 在棱镜中，a处光的传播速度小于b处光的传播速度

C. 增大θ，a处的光可能在AB面上发生全反射

D. 减小θ，b处的光可能在AC面上发生全反射

【解析】由光路图可知，b处光的偏折程度大于a处光的偏折程度，所以b处光的折射率大，b处光的频率大，波长短，故A错误；由折射率n＝，b处光的折射率大，所以在棱镜中，a处光的传播速度大于b处光的传播速度，故B错误；光在从折射率大的物质射入折射率小的物质时才会发生全反射，故在AB面不会发生全反射，故C错误；由图可知减小θ，若α可以增大到使sin α＝时，就会在AC面发生全反射，故D正确．

【答案】 D

(2022·河北卷)如图所示，一个半径为R的玻璃球，O点为球心．球面内侧单色点光源S发出的一束光在A点射出，出射光线AB与球直径SC平行，θ＝30°.光在真空中的传播速度为c.求：

(1) 玻璃的折射率；

(2) 从S发出的光线经多次全反射回到S点的最短时间．

【答案】 (1) 根据题意将光路图补充完整，如图所示：

根据几何关系可知i1＝θ＝30°，i2＝60°，

根据折射定律有n sin  i1＝sin  i2，

解得n＝.

(2) 设全反射的临界角为C，

则sin  C＝＝，

则sin 45°>sin C，

光在玻璃球内的传播速度有v＝，

根据几何关系可知当θ＝45°时，即光路为圆的内接正方形时，从S发出的光线经多次全反射回到S点的时间最短，则正方形的边长

x＝R，

则最短时间为t＝＝.

　1. 干涉加强点和减弱点的判断

(1) 干涉条件：频率相同、相位差恒定、振动方向在同一条直线上．

(2)  加强、减弱区形成条件：

Δx＝kλ，k＝0，1，2，3，…振动加强区；

Δx＝(k＋)λ，k＝0，1，2，3，…振动减弱区．

2. 区分光的干涉、衍射和色散

(1) 白光发生光的干涉、衍射和光的色散时都可出现彩色条纹，但出现彩色条纹的本质不相同，干涉和衍射是光的波长不同引起的干涉条纹间距、衍射明显程度不同的缘故，而光的色散是光在同一种介质中波速不同、折射率不同造成的．

(2) 区分干涉和衍射，关键是理解其本质，实际应用中可从条纹宽度、条纹间距、亮度等方面加以区分．

(2022·山东卷改编)某同学采用图甲所示的实验装置研究光的干涉与衍射现象，狭缝S1、S2 的宽度可调，狭缝到屏的距离为L.同一单色光垂直照射狭缝，实验中分别在屏上得到了图乙、图丙所示图样．下列描述错误的是(　　)

甲                       乙                    丙

A. 图乙是光的双缝干涉图样，当光通过狭缝时，也发生了衍射

B. 遮住一条狭缝，另一狭缝宽度增大，其他条件不变，图丙中亮条纹宽度增大

C. 照射两条狭缝时，增加L，其他条件不变，图乙中相邻暗条纹的中心间距增大

D. 照射两条狭缝时，若光从狭缝S1 、S2 到屏上P点的路程差为半波长的奇数倍，P点处一定是暗条纹

【解析】 由图可知，图乙中间部分是等间距条纹，所以图乙是光的双缝干涉图样，当光通过狭缝时，同时也发生衍射，故A正确；狭缝越小，衍射范围越大，衍射条纹越宽，遮住一条狭缝，另一狭缝宽度增大，则衍射现象减弱，图丙中亮条纹宽度减小，故B错误；根据条纹间距Δx＝λ 可知照射两条狭缝时，增加L，其他条件不变，图乙中相邻暗条纹的中心间距增大，故C正确；照射两条狭缝时，若光从狭缝S1、S2 到屏上P点的路程差为半波长的奇数倍，P点处一定是暗条纹，故D正确．故选B.

【答案】 B

(2022·连云港调研)如图所示，某同学观察肥皂膜干涉现象．将有肥皂膜的铁丝圈挂在酒精灯右侧，在火焰中分别加入不同金属元素，火焰会呈现不同的颜色．下列说法正确的是　(　　)

A. 条纹形状是相互平行的竖直线

B. 从上向下，条纹的间距越来越小

C. 紫光的条纹数比黄光要少一些

D. 干涉条纹是由一束反射光和另一束入射光叠加产生的

【解析】 条纹形状是相互平行的水平线，A错误；肥皂膜在重力作用下，从上向下肥皂膜厚度越来越大，根据Δx＝λ，d越来越大，条纹的间距越来越小，B正确；根据Δx＝λ，波长越短，条纹越窄，条纹数越多，因为紫光的波长比黄光的波长短，所以紫光的条纹数比黄光要多一些，C错误；干涉条纹是由膜的前后两个表面反射的两列光叠加产生的，D错误．

【答案】 B

(2022·南通如东高级中学、泰州姜堰中学、宿迁沭阳高级中学联考)下列说法正确的是　(　　)

A. 电视机遥控器是利用遥控器发出红光脉冲信号来换频道的

B. 电磁波与声波由空气进入水中时，波长都变短

C. 某人在水面上方观察水底同位置放置的红、黄、绿三盏灯时，看到红灯距水面最近

D. 照相机镜头前的增透膜是利用了光的干涉原理

【解析】电视机遥控器是利用遥控器发出的红外线脉冲信号来换频道的，A错误；电磁波由空气进入水中时，波速减小，波长变短；声波由空气进入水中时，波速变大，波长变长；B错误；某人在水面上方观察水底同位置放置的红、黄、绿三盏灯时，由于绿光的折射率最大，绿光从水中射到水面时折射角最大，人逆着折射光线的方向看时，感觉绿灯距水面最近，红灯最远，故C错误；照相机镜头前的增透膜是利用了光的干涉原理，D正确．

【答案】D

光的双缝干涉和单缝衍射的比较

 1. (2022·苏锡常镇模拟)某同学用“插针法”测量平行玻璃砖的折射率．如图所示，直线MN 与PQ 之间的距离等于玻璃砖的厚度，a、b、c、d为大头针的位置，下列说法中正确的是(　　)

A. 该同学在插大头针c时，只要使其挡住b的像即可

B. 入射角较大时光会在玻璃砖下表面可能发生全反射

C. 若实验时玻璃砖向上平移微小距离，结果不受影响

D. “插针法”实验只能用来测量平行玻璃砖的折射率

【解析】 插大头针c时，应使其挡住a、b的像，故A错误；由几何知识可知，光线在上表面的折射角等于在下表面的入射角，根据光线可逆原理可知，只要上表面不发生全反射，有光线射入玻璃砖，光线就一定会从下表面射出，折射光线不会在下表面发生全反射，故B错误；实验时玻璃砖向上平移微小距离，入射角和折射角不会变化，根据折射定律可知测得的折射率不会改变，故C正确；该实验的原理是光的折射定律，也能用来测量其他透明介质的折射率，故D错误．

【答案】 C

 2. (2022·南京、盐城模拟)某小组用图甲装置进行双缝干涉实验，调节完毕后，在屏上观察到如图乙所示的竖直条纹．下列说法正确的是(　　)

A. 装置中的双缝沿水平方向放置

B. 仅向右移动单缝，使之靠近双缝，干涉条纹间距将变大

C. 仅更换双缝间距更小的双缝，干涉条纹间距将变大

D. 仅将红色滤光片换为绿色滤光片，干涉条纹间距将变大

【解析】 根据图乙可知，装置中的双缝沿竖直方向放置，故A错误；根据双缝干涉的条纹间距公式Δx＝λ，仅向右移动单缝，条纹间距不变，故B错误；仅更换双缝间距更小的双缝，d变小，干涉条纹间距将变大，故C正确；仅将红色滤光片换为绿色滤光片，波长变小，干涉条纹间距将变小，故D错误．

【答案】 C

 3. (2022·连云港模拟)2021年1月21日，科学家以高速电子束为“光源”利用冷冻电镜首次“拍摄”到新冠病毒的3D影像，如图所示．冷冻电镜分辨率比光学显微镜高1 000倍以上，可达0.2 nm.不考虑相对论效应，下列说法正确的是(　　)

A. 冷冻电镜的分辨率非常高，是由于电子的德布罗意波长长

B. 用高倍光学显微镜也能拍摄到新冠病毒的影像

C. 电子运动的速度越大，其德布罗意波的衍射能力越强

D. 若用相同动能的质子代替电子，也能“拍摄”到新冠病毒的3D影像

【解析】 影响冷冻电镜分辨率的直接因素是光源的波长，波长越短，加速电压越高，分辨率越高，病毒比细菌还小得多，只有在电镜下才可以看到新冠病毒的影像，故A、B错误；电子运动的速度越大，则其动量越大，由λ＝，可知其对应的德布罗意波的波长越小，其德布罗意波的衍射现象越不明显，故C错误；由p＝，p＝，可得λ＝，质子和电子的动能相同，质子质量大于电子质量，所以质子的波长小于电子的波长，波长越短，分辨率越高，所以，更能“拍摄”到新冠病毒的3D影像，故D正确．

【答案】 D

 4. (2022·南京、盐城模拟)如图所示，一束激光斜射到一块折射率为1.5的长方体玻璃砖上表面后折射到侧面，已知入射光与玻璃砖上表面间的夹角为45°，则光离开侧面的路径是(　　)

A. A    B. B    C. C    D. D

【解析】 一束激光斜射到一块折射率为1.5的长方体玻璃砖上表面，设折射角为θ，则＝1.5，根据几何关系可知，在侧面入射角β＝－θ，sin  β＝cos  θ＝>，在侧面发生全反射，故光离开侧面的路径是A.

【答案】 A