重难点14 光学-2025年高考物理 热点 重点 难点 专练（上海专用）

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【思维导图】
【高分技巧】
一、光的折射定律
1．光的折射定律：对于特定的介质，入射角的正弦与折射角的正弦成正比，即比值是常数。
2．折射率
(1) 定义式：n＝eq \f(sinθ1,sinθ2)
①折射率是相对于真空的，所以真空n=1，空气近似等于1。
②物理意义：折射率越大，光从真空射入到该介质时偏折越大。
③把折射率较小的介质称为光疏介质，折射率较大的介质称为光密介质。光疏与光密是相对的。
④光从光疏介质到光密介质，折射角小于入射角。
(2) 决定式：n＝eq \f(c,v)，即某种介质的折射率，等于真空中的光速c与光在这种介质中的传播速度v之比。
3．折射定律的另外表达式
(1) 即：入射角和这时角的正弦执笔和速度成正比，和折射率成反比。
(2) 由于光路可逆性，n越大，则v越小，θ角度越小。
4．单色光从真空进入介质，频率不变，波长变小，速度变小。
二、全反射及发生条件
1． 全反射的条件：必须同时具备两个条件：
①光从光密介质射入光疏介质； ②入射角等于或大于临界角。
2． 临界角：光由介质射入空气(或真空)时，sin C＝eq \f(1,n)
3． 光导纤维的传播原理：
光由一端进入，由于内芯的折射率大于外套介质的折射率，在两层的界面上经过多次全反射，从另一端射出。

4． 光导纤维的折射率
设光导纤维的折射率为n，当入射角为θ1时，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射。
如图所示，则有sin C＝eq \f(1,n)，n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)，C＋θ2＝90°，由以上各式可得sin θ1＝eq \r(n2－1)
当θ1＝90°时，所有进入纤维中的光线都能发生全反射，解得n＝eq \r(2)，因此光导纤维折射率要比eq \r(2)大些。
5．光的折射与波长的关系：（机械波的波速由介质决定，与波长无关）
6． 几何光学主要计算题型：利用几何条件分析角度关系。
(1)求折射率：已知折射角度，已知速度
(2)求光速： (3)求传播时间 (4)求临界角 sin C＝eq \f(1,n)
三、杨氏双缝干涉实验
1．光产生干涉的条件：两束光的频率相同、相位差恒定、振动方向相同。
2．杨氏双缝干涉实验
(1)双缝干涉的装置示意图实验装置如图所示，有光源、滤光片、单缝、双缝和光屏。
(2)单缝的作用：获得一个线光源，使光源有唯一的频率和振动情况，也可用激光直接照射双缝。
(3)双缝的作用：将一束光分成两束频率相同且振动情况完全一致的相干光。
(4)滤光片的作用：让指定频率的单色光通过，改变实验条件。

3．干涉图样
①单色光：形成明暗相间的条纹，中央为亮条纹。
a．光的路程差Δr＝r2－r1＝kλ（k＝0，1，2…），光屏上出现亮条纹。
b．光的路程差Δr＝r2－r1＝（2k＋1）eq \f(λ,2)（k＝0，1，2…），光屏上出现暗条纹。
②白光：光屏上出现彩色条纹，且中央亮条纹是白色。
③条纹间距公式：Δx＝eq \f(l,d) λ. 即增大挡板和屏的距离，减小双缝间距，增加波长都会导致条纹变宽。
四、薄膜（等厚）干涉及其应用
1． 薄膜干涉现象
(1) 如下图（1）所示，竖直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形。
(2) 牛顿环的干涉如下图（2）所示。

图（1） 图（2）
2．薄膜干涉原理分析
（1）相干光：光照射到透明薄膜上，从薄膜的两个表面反射的两列光波。
（2）图样特点：同双缝干涉，同一条亮（或暗）条纹对应的薄膜的厚度相等．单色光照射薄膜时形成明暗相间的条纹，白光照射薄膜时形成彩色条纹。
3．薄膜干涉的应用（一）：检查平面平整度
如图甲所示，两板之间形成一层空气膜，用单色光从上向下照射，M的下表面和N的上表面反射的光产生干涉，形成条纹图案。
(1) 如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是平行且等间距的。
(2) 如果被测表面某处凹下，则对应亮条纹(或暗条纹)提前出现，如图乙中P条纹所示；
(3) 如果某处凸起来，则对应条纹延后出现，如图乙中Q所示：
4．薄膜干涉的应用（二）：增透膜
增透膜是在光学元件表面镀一层特定厚度的薄膜，以增加光的透射。
原理：当光波照射到薄膜上时，由于薄膜上下界面的反射光发生干涉，可以使得某一特定波长的光在反射时相互抵消，从而减少反射光的强度，相应地增加透射光的强度。
五、光的衍射
1．定义：光通过很小的狭缝(或圆孔)时，明显地偏离了直线传播的方向，形成一定的图样的现象。
2．明显衍射的条件：
障碍物或孔径的尺寸与光波的波长相近或更小，即，则会发生明显的衍射现象。
波长越长，衍射效应越明显；波长越短，衍射效应越不明显。
例如，可见光中红光波长较长，衍射效应比蓝光更明显。
3．单缝衍射：单色光通过狭缝时，在屏幕上出现明暗相间的条纹，中央为亮条纹，中央条纹最宽最亮，其余条纹变窄变暗；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白条纹。
(1)中央条纹最亮、越向两边越暗，条纹间距不等．越靠外，条纹间距越小。
(2)中央亮条纹的宽度及条纹间距：入射光波长越大，单缝越窄，中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大。
(3)用白光做单缝衍射时，中央亮条纹是白色的，两边是彩色条纹，中央亮条纹仍然最宽最亮。
(4)单缝衍射与双缝干涉的比较：
4．圆孔衍射：光通过小孔时(孔很小)在屏幕上会出现明暗相间的圆环，如图（a）。

（a） （b）
(1)中央是大且亮的圆形亮斑，背景是暗的。
(2)圆孔越小，波长越大，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱。
(3)白光的圆孔衍射图样中，中央是大且亮的白色光斑，周围是彩色同心圆环。
5．圆点衍射（泊松亮斑）：障碍物的衍射现象，如图（b）。
(1)中央是亮斑，而且背景是明亮的。
(2)泊松亮斑图样的亮环或暗环的距离随着圆板半径的增大而减小。
六、光的偏振
1． 自然光：包含着在垂直于传播方向上的各个方向，且各个方向光强都相同，这样的光叫作自然光。
2． 偏振光：在垂直于传播方向的平面上，只沿着某一特定方向振动，这样的光称为偏振光。
3． 只有横波才有偏振现象。
4． 自然光通过偏振片后的振动方向如下图：
（建议练习时间：60分钟）
一、单选题
1．（24-25高二上·上海·阶段练习）对于薄膜干涉，下列认识中正确的是（ ）
A．应在入射光的另一侧观察薄膜
B．暗纹出现的地方，两个表面反射的光在这里是波谷和波谷相遇叠加
C．干涉条纹是薄膜前后两个表面反射回来的光叠加的结果
D．用单色光作光源时，出现平行的明暗条纹，说明整个膜的厚度相同
【答案】C
【详解】AC．薄膜干涉是由薄膜前后两个表面反射的光线叠加而成，应在入射光的同侧观察薄膜，故A错误，C正确；
B．条纹中的暗纹是由于两列反射光的波谷与波峰叠加的结果，故B错误；
D．用单色光做光源时，出现平行的明暗条纹，如满足
则为明条纹，如满足 为暗纹，这说明整个膜的厚度不同，故D错误。
故选C。
2．（24-25高二上·上海·阶段练习）关于光的衍射现象，下面说法正确的是（ ）
A．光通过小圆孔后在光屏上出现了泊松亮斑，说明发生了衍射
B．白光的单缝衍射图样是白黑相间的直条纹
C．光照到较大圆孔上出现大光斑，说明光沿着直线传播，不存在光的衍射
D．红光的单缝衍射图样是不等间距的、红黑相间的直条纹
【答案】D
【详解】A．光照到不透明小圆盘上出现泊松亮斑，说明发生了衍射，故A错误；
B．白光的单缝衍射图样，是彩色的直条纹，故B错误；
C．光照到较大圆孔上出现大光斑，说明光沿直线传播，但仍存在光的衍射，不过不明显而已，故C错误；
D．红光的单缝衍射图样，是不等间距的、红黑相间的直条纹，故D正确。
故选D。
3．（24-25高二上·上海·随堂练习）双缝干涉实验的部分实验装置如图所示，调整实验装置使得光屏上可以看到清晰的干涉条纹，关于干涉条纹的情况，下列叙述正确的是（ ）
A．若将光屏向右平移一小段距离，屏上的干涉条纹不再清晰
B．若将光屏向左平移一小段距离，屏上的干涉条纹将不会发生变化
C．若将光屏向上平移一小段距离，屏上仍有清晰的干涉条纹
D．若将光屏向上平移一小段距离，屏上的干涉条纹将发生变化
【答案】C
【详解】AC．双缝干涉发生后，并不只在光屏处有干涉图样，而是在双缝右侧的空间，只要通过双缝后，在两列光相遇的地方叠加都能发生光的干涉现象，并且在新的位置干涉条纹仍很清晰，故A错误，C正确；
BD．将光屏向左平移一小段距离，屏上的干涉条纹间距将变小，将光屏向上平移一小段距离，屏上的干涉条纹将不会发生变化，故BD错误。
故选C。
4．（24-25高二上·上海·随堂练习）如图所示，一束白光从左侧射入肥皂薄膜，下列说法中正确的是（ ）
A．人从右侧向左看，可以看到彩色条纹
B．人不管从左侧向右看，还是从右侧向左看，都可以看到彩色条纹
C．彩色条纹水平排列
D．彩色条纹竖直排列
【答案】C
【详解】一束白光射到肥皂薄膜上，经前、后两个面反射回来的光相互叠加，产生干涉现象，所以从左侧向右看可看到彩色条纹；因为薄膜同一水平线上的厚度相同，所以彩色条纹是水平排列的。
故选C。
5．（24-25高二上·上海·随堂练习）煤矿中瓦斯爆炸危害极大。某同学查资料得知含有瓦斯的气体的折射率大于干净空气的折射率，于是，他设计了一种利用光的干涉监测矿井瓦斯的仪器，原理如图所示。在双缝前面放置两个完全相同的透明容器A、B，容器A与干净的空气相通，在容器B中通入矿井中的气体，观察屏上的干涉条纹，就能够监测瓦斯浓度，以下说法正确的是（ ）
①如果屏的正中央仍是亮条纹，说明B中的气体与A中的空气成分相同，不含瓦斯
②如果屏的正中央是暗条纹，说明B中的气体与A中的空气成分不相同，可能含有瓦斯
③如果屏上干涉条纹不停地移动，说明B中的气体瓦斯含量不稳定
④只有用单色光照射单缝时，才可能在屏上出现干涉条纹
A．①③B．②③C．②④D．①④
【答案】B
【详解】若B中气体含有瓦斯，光经过两容器时折射率不同，光速不同，到达屏正中央的光程差可能是波长的整数倍，也可能是半波长的奇数倍，所以屏的正中央可能是亮条纹，也可能是暗条纹，故屏的正中央为亮条纹时，B中气体可能含有瓦斯，也可能不含瓦斯，故①错误；如果屏的正中央是暗条纹，必有光程差，说明B中的气体与A中的气体成分不相同，可能含瓦斯，故②正确；如果屏上干涉条纹不停地移动，说明光程差不稳定，即B中的气体瓦斯含量不稳定，故③正确；无论用单色光还是白光照射单缝时，都能在屏上出现干涉条纹，故④错误。
故选B。
6．（23-24高二下·上海嘉定·期末）如图所示，甲、乙两图是同一单色光分别透过孔径为d甲和d乙的两圆孔后在光屏上形成的图样，则（ ）
A．d甲>d乙 B．d甲=d乙 C．d甲