第一篇 专题五 第十三讲　光学　电磁波-【高考二轮】新高考物理大二轮复习（课件+讲义+专练）

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光学　电磁波　近代物理
第13讲　光学　电磁波
几何光学与物理光学的综合应用
(1)折射率与介质和光的频率有关，与入射角的大小无关。(2)光密介质指折射率较大的介质，而不是指密度大的介质。(3)同一种介质中，频率越高的光折射率越大，传播速度越小。
3.求解光的折射和全反射问题的思路
(1)根据题意画出正确的光路图，特别注意全反射的临界光线。(2)利用几何关系确定光路中的边、角关系。(3)利用折射定律等公式求解。(4)注意折射现象中光路的可逆性。
　(2023·江苏省苏锡常镇四市一模)一个长方体空气柱固定在水中，空气与水之间的透明介质厚度不计，一束红、蓝色激光射入空气柱，不考虑反射光线，下列光路图中可能正确的是
水相对于空气来说是光密介质，光从光密介质射入光疏介质，折射角大于入射角，所以光线向上偏折，光路向上平移；同时蓝光比红光的折射率大，因此蓝光比红光偏折得更厉害，故选C。
　(2023·全国乙卷·34(2))如图，一折射率为 的棱镜的横截面为等腰直角三角形△ABC，AB＝AC＝l，BC边所在底面上镀有一层反射膜。一细光束沿垂直于BC方向经AB边上的M点射入棱镜，若这束光被BC边反射后恰好射向顶点A，求M点到A点的距离。
由题意作出光路图如图所示光线垂直于BC方向射入，根据几何关系可知入射角为45°；
所以光在BC面的入射角为θ＝15°根据反射定律可知∠MOA＝2θ＝30°
　(2023·河北石家庄市质检)折射率为 的透明半圆柱体，其横截面的半径为R，圆心为O，AB为水平直径，如图所示。点光源S置于O点正下方距O点R处的圆面内，不考虑光在AB界面上的反射。(1)求半圆形界面上无光线射出的区域长度l；
光在介质内刚好发生全反射时的光路图如图所示
解得C＝60°，无光线射出的部分对应的圆心角θ＝2∠SDO＝120°
(2)若从O点正上方观察光源S，求观察到的光源距O点的距离h。
从O点正上方观察时光路如图所示
双缝干涉、薄膜干涉(油膜、空气膜、增透膜、牛顿环)；光的衍射现象：单缝衍射、圆孔衍射、光栅衍射、泊松亮斑。
2.光的双缝干涉和单缝衍射的比较
(1)电磁振荡： 电流为0时电场能最大，电流最大时磁场能最大。(2)麦克斯韦电磁场理论：变化的磁场能够在周围空间产生电场，变化的电场能够在周围空间产生磁场。(3)电磁波传播不需要介质，在介质中传播时，速度与介质材料和电磁波频率有关。(4)电磁波谱：按照电磁波的频率或波长的大小顺序把它们排列成谱叫作电磁波谱。按波长由长到短排列的电磁波谱为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。
　(多选)(2023·山西统考模拟预测)关于光的传播现象及应用，下列说法正确的是A.“3D电影”的播放和观看利用了光的干涉B.水中的气泡看起来特别明亮，是因为光从水射向气泡时，一部分光在　界面上发生了全反射的缘故C.利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光　缆传输D.红外体温计是依据人体温度越高，辐射的红外线强度越大来测体温的
“3D电影”的播放和观看利用了光的偏振现象，故A错误；水中的气泡看起来特别明亮，是因为光从水射向气泡时，一部分光在界面上发生了全反射的缘故，故B正确；光是一种电磁波，光可在光导纤维中传播，故C错误；红外体温计是依据人体发射红外线来测体温的，且人体温度越高，辐射的红外线强度越大，故D正确。
　(2020·浙江1月选考·8)如图所示，单刀双掷开关S先打到a端让电容器充满电。t＝0时开关S打到b端，t＝0.02 s时LC回路中电容器下极板带正电荷且电荷量第一次达到最大值。则A.LC回路的周期为0.02 sB.LC回路的电流最大时电容器中电场能最大C.t＝1.01 s时线圈中磁场能最大D.t＝1.01 s时回路中电流沿顺时针方向
　(多选)(2023·湖北高考预测)某同学欲采用双缝干涉现象测量某单色光的波长，实验装置如图所示，S为单缝，S1、S2为双缝，O点为S水平正对的中心，即中央零级亮条纹中心，P点为第3级亮条纹的中心，且OP＝1.2 mm，S1S2＝1.0 mm，双缝到屏的距离L＝0.5 m，光在真空中的速度为c，下列说法正确的是A.条纹间距为0.4 mmB.该单色光的波长为800 nmC.若将光屏向右移动少许，条纹间距会减小D.入射到P点两束光的时间差为
　(2023·山东卷·5)如图所示为一种干涉热膨胀仪原理图。G为标准石英环，C为待测柱形样品，C的上表面与上方标准平面石英板之间存在劈形空气层。用单色平行光垂直照射上方石英板，会形成干涉条纹。已知C的膨胀系数小于G的膨胀系数，当温度升高时，下列说法正确的是A.劈形空气层的厚度变大，条纹向左移动B.劈形空气层的厚度变小，条纹向左移动C.劈形空气层的厚度变大，条纹向右移动D.劈形空气层的厚度变小，条纹向右移动
由题知，C的膨胀系数小于G的膨胀系数，当温度升高时，G增长的高度大于C增长的高度，则劈形空气层的厚度变大，且同一厚度的空气层向劈尖移动，则条纹向左移动。故选A。
1.含有多种颜色的光从一种介质进入另一种介质，由于介质对不同色光的折射率不同，各种色光的偏折程度不同。
　(2023·浙江省模拟预测)一束光照射到底面有涂层的平行玻璃砖上表面，经下表面反射从玻璃砖上表面射出，光线分为a、b两束，如图所示。下列说法正确的是A.在玻璃中a光的传播速度大于b光的传播速度B.在真空中用同一装置进行双缝干涉实验，a光的　条纹间距大于b光的条纹间距C.a、b光在涂层表面一定不会发生全反射D.在真空中，遇到障碍物时a光更容易产生明显的衍射现象
光路图如图所示。在玻璃砖上表面折射时，a光的偏折程度较大，则a光的折射率较大，由v＝　　　知，在玻璃中a光的传播速度小于b光的传播速度，故A项错误；
a光的折射率大，频率大，波长小，根据Δx＝ 知，在真空中用同一装置进行双缝干涉实验，a光的条纹间距小于b光的条纹间距，故B项错误；a、b光在涂层表面的入射角等于在玻璃砖上表面的折射角，a、b光在涂层表面一定不会发生全反射，故C项正确；
b光的波长较长，波动性较强，遇到障碍物时b光更容易产生明显的衍射现象，故D项错误。
1.(多选)(2023·湖南张家界市模拟)日晕是一种常见的大气光学现象，如图甲所示。太阳光线经卷层云中同一冰晶的两次折射，分散成单色光，形成日晕。冰晶截面可看作正六边形。如图乙所示为一束紫光在冰晶上的折射光路，θ1为冰晶上的入射角，θ2为经过第一个界面的折射角，θ3为光线离开冰晶的折射角，θ4为出射光相对入射光的偏转角。下列说法中正确的是
A.在冰晶内红光的传播速度比紫　光的小B.若θ1＝θ3＝60°，则冰晶对紫光　的折射率为C.保持入射角不变，将紫光改为红光，偏转角将增大D.若红光和紫光均能使同一金属发生光电效应，紫光照射产生的光电子　的最大初动能大
由于红光的折射率小于紫光的折射率，根据　　 可知在冰晶内红光的传播速度比紫光的大，故A错误；
保持入射角不变，将紫光改为红光，因紫光的折射率大于红光的折射率，则偏转角将减小，故C错误；
根据光电效应方程由Ekm＝hν－W0可知，由于红光频率小于紫光频率，若红光和紫光均能使同一金属产生光电效应，则紫光对应的光电子最大初动能一定比红光的大，故D正确。
(1)此时光线与水面的夹角θ；
代入数据解得θ＝30°
(2)到了中午，若阳光仍能照到水面，则照亮容器底部的范围如何变化，简要说明原因。
答案　照亮的范围不变　见解析
到了中午，太阳升高，光线的入射角变小，折射角也随之变小，光仍会照亮整个底部，照亮的范围不变。
1.(2024·广东惠州市一模)使用蓝牙耳机接听手机来电，信号传输示意图如图所示，以下说法正确的是A.蓝牙通信的电磁波是可见光B.在同种介质中，蓝牙通信的　电磁波波长比手机通信的电　磁波波长短C.两束蓝牙通信的电磁波在任何情况下都不会发生干涉D.蓝牙通信的电磁波在真空中的传播速度小于光速
蓝牙通信的电磁波是无线电波，不是可见光，故A错误；在同种介质中，蓝牙通信与手机通信的电磁波传播速度相等，但蓝牙通信的电磁波频率高于手机通信的电磁波频率，所以蓝牙通信的电磁波波长比手机通信的电磁波波长短，故B正确；
两束蓝牙通信的电磁波若频率相同，相位差恒定，就会发生干涉，故C错误；蓝牙通信的电磁波在真空中的传播速度等于光速，故D错误。
2.随着通信技术的更新换代，无线通信使用的电磁波频率更高，频率资源更丰富，在相同的时间内能够传输的信息量更大。第5代移动通信技术(简称5G)意味着更快的网速和更大的网络容载能力，“4G改变生活，5G改变社会”。与4G相比，5G使用的电磁波A.光子能量更大 B.衍射更明显C.传播速度更大 D.波长更长
5G使用电磁波的频率更高，由ε＝hν知，光子能量更大；由c＝λν知，光子波长更短，衍射更不明显；电磁波在真空中的速度是c，在其他介质中的传播速度为 电磁波频率越高，折射率越大，传播速度越小。故A正确，B、C、D错误。
3.(多选)(2023·天津市重点学校联考)对于下列四幅图，以下说法正确的是A.图甲是一束复色光进入水珠后传播的示意图，　其中a光束在水珠中传播的速度一定小于b光　束在水珠中传播的速度B.图乙是一束单色光进入足够长的平行玻璃砖　后传播的示意图，无论入射角i增大到多少，　都一定有光线从bb′面射出C.图丙中的M、N是偏振片，P是光屏，当M固　定不动缓慢转动N时，光屏P上的光亮度将明、暗交替变化，此现象表明光是横波D.图丁是用干涉法检测工件表面平整程度时得到的干涉图样，弯曲的干涉条纹说明　被检测的平面在此处是凸起的
根据折射率和光的传播速度之间的关系可知，折射率越大，传播速度越小，从题图甲中可以看出，b光线在水珠中偏折程度大，即b的折射率大于a的折射率，则a光束在水珠中的传播速度大于b光束在水珠中的传播速度，故A错误；
当入射角i逐渐增大时，折射角逐渐增大，但折射角始终小于临界角，根据几何知识可知，光在玻璃砖内的入射角不可能大于临界角，不论入射角i如何增大，玻璃砖中的光线不会发生全反射，故肯定有光线从bb′面射出，故B正确；
只有横波才能产生偏振现象，所以光的偏振现象表明光是一种横波，故C正确；由于不知道被检测工件表面的放置方向，故不能判断此处是凸起的还是凹陷的，故D错误。
4.(2023·吉林长春市三模)倒挂的彩虹被叫作“天空的微笑”，是由薄且均匀的卷云里面大量扁平的六角片状冰晶(如图甲所示)折射形成。图乙为光线的简化光路图，冰晶的上、下表面平行且与侧面垂直，光线从冰晶的上表面进入，经折射从侧面射出，当太阳高度角α增大到某一临界值时，侧面的折射光线因发生全反射而消失不见，下列说法正确的是A.光线有可能在下表面发生全反射B.光从空气进入冰晶后波长变长C.红光在冰晶中的传播速度比紫光　在冰晶中的传播速度小D.随太阳高度角α增大，紫光比红光先在侧面发生全反射
下表面的入射角等于上表面的折射角，根据光路可逆原理可知，光线不可能在下表面发生全反射，故A错误；
光从空气进入冰晶后，频率不变，速度减小，根据v＝λf可知，波长变小，故B错误；红光频率低，折射率小，根据　　 可知，红光在冰晶中的传播速度比紫光在冰晶中的传播速度大，故C错误；
因为紫光频率高，折射率大，则全反射临界角小，所以随太阳高度角α增大，紫光比红光先在侧面发生全反射，故D正确。
5.(多选)(2023·云南昆明一中、银川一中一模)如图所示，固定的半圆形玻璃砖，O点为圆心，直径AB和垂直纸面足够大的屏PQ相互平行。由a、b两种单色光组成的一束光垂直于直径AB方向射向玻璃砖，入射点由A点逐渐移动到B点，发现PQ上先出现a光的光斑，再出现b光的光斑，随着时间推移，b光光斑先消失，a光光斑后消失，由此可判断A.玻璃砖对a光的折射率比对b光的大B.玻璃砖对a光的折射率比对b光的小C.若a光照射某金属表面能发生光电效应，b光也一定能D.分别通过真空中同一双缝干涉装置，b光的相邻亮条纹间距大
入射点由A点逐渐向B点移动时，玻璃砖右侧入射角逐渐减小，由于先出现a光的光斑，故a光在玻璃砖中的临界角大，故玻璃砖对a光的折射率比对b光的小，A错误，B正确；因a光的折射率比b光的小，故a光的频率比b光的
小，a光照射某金属表面能发生光电效应，b光也一定能，C正确；因a光的频率比b光的小，故a光的波长比b光的长，通过真空中同一双缝干涉装置，b光的相邻亮条纹间距小，D错误。
6.(2023·江苏卷·6)用某种单色光进行双缝干涉实验，在屏上观察到的干涉条纹如图甲所示，改变双缝间的距离后，干涉条纹如图乙所示，图中虚线是亮纹中心的位置。则双缝间的距离变为原来的
7.(2023·山东省枣庄市二模)1801年，英国物理学家托马斯·杨完成了著名的双缝干涉实验。如图所示为双缝干涉实验的原理图，单缝S0、屏上的P0点均位于双缝S1和S2的中垂线上。在双缝与屏之间充满折射率为n的均匀介质，屏上P点是P0点上方的第4条暗条纹的中心，P点到P0点的距离为x。已知入射光在真空中的波长为λ，双缝与屏之间的距离为L，则双缝S1和S2的距离为
8.(2023·河南焦作市二模)真空中半径为R的半圆柱体玻璃砖的截面图如图所示，固定放置一块平行于半圆柱体底面的平面镜。一束单色光从玻璃砖底面上的P点垂直射入玻璃砖，从玻璃砖侧面上的Q点射出，经平面镜反射后从玻璃砖侧面再次进入玻璃砖，从M点垂直玻璃砖底面射出。已知 真空中的光速为c。求：(1)玻璃砖的折射率n；
(2)光从P点传播到M点的时间t。
9.(2023·湖北卷·6)如图所示，楔形玻璃的横截面POQ的顶角为30°，OP边上的点光源S到顶点O的距离为d，垂直于OP边的光线SN在OQ边的折射角为45°。不考虑多次反射，OQ边上有光射出部分的长度为
取细灯带上某一点作为点光源，点光源发出的光在水面上有光射出的水面形状为圆形，设此圆形的半径为R，点光源出的光线在水面恰好全反射的光路图如图甲所示。
三角形发光体的每一条细灯带发出的光在水面上有光射出的水面形状的示意图如图乙所示三条细灯带构成的等腰直角三角形发光体发出的光在水面上有光射出的水面形状的示意图如图丙所示设直角边的长度为a＝0.9 m，由几何关系可得
11.(2023·贵州黔东南凯里一中三模)如图，某潜水员在海中潜水，处于距离海岸7 m海面下4 m的E点，潜水员观察岸上的竖直放置的标尺杆F，标尺杆F长6 m，潜水员最低能看到杆的一半刻度处。已知海面CD到海岸AB的高度为3 m，标尺杆F到
岸边A点的距离为4 m。(1)海水的折射率为多少？
未涨潮时最低可以观察到的位置如图甲
(2)若涨潮海面CD上升3 m与海岸AB平齐，潜水员相对海岸位置不变，则此时能看到的标尺杆长度为多少？
涨潮后最低观察到的位置如图乙
12.(2023·四川成都市一检)2022年10月31日，中国空间站梦天实验舱发射成功，梦天实验舱主要面向微重力进行科学研究。如图所示为某宇航员进行的水球光学实验，在水球中心注入空气，形成球形气泡，内外两球面球心均在O点，让一束单色光从外球面上的A点与AO连线成53°角射入球中，光束经折射后恰好与内球面B点相切。已知内球面与外球面半径之比为3∶5，sin 53°＝0.8，求：(1)水的折射率；
设内球面半径为3R，则外球面半径为5R，光在A点发生折射，由折射定律有光路图如图所示
(2)欲使该光束能射入内部气泡中，在A点入射角应该满足什么条件？(不考虑光在水中的二次反射)
刚好满足题设条件(光在内球表面上刚好发生全反射)的光路如图所示设光在A点的入射角和折射角分别为i′和r′，在内球面D点发生全反射，由折射定律有
所以，入射角应该满足i′