2020物理高考备考专题《光学》(附答案解析版)

专题十二 光学

熟练利用反射定律、折射定律及光路可逆作光路图．加深对折射率、全反射、临界角概念的理解．并能结合实际，解决问题．同时应注意对物理规律的理解和对物理现象、物理情景和数学几何知识结合的分析能力的培养．

物理光学部分应遵循历史发展线索，理解干涉、衍射、偏振等现象，并能解释生活中的相关物理现象．光的偏振、激光这些内容，与生产、生活、现代科技联系密切，应学以致用．

知识点一、几何光学的常见现象

项目 内容

折射

定律 (1)三线共面 (2)分居两侧

(3)入射角正弦与折射角正弦之比为常数sinθ1sinθ2＝n

折射率 定义式:光从真空进入介质时n＝sinθ1sinθ2

折射率 决定式:n＝

物理意义:描述透明介质对光线的偏折作用,n越大,折射光线偏离入射方向的夹角越大

全反射 发生条件:(1)从光密介质进入光疏介质

(2)入射角大于或等于临界角,即θ1≥C

临界角：sin C＝

光的

色散 产生原因：(1)太阳光是复色光；

(2)不同的色光折射率不同

规律:光的频率越大,折射率越大

红光→紫光:折射率逐渐增大,在介质中的速度逐渐减小;

(3)临界角逐渐减小;波长逐渐减小

常见光

学元件

的特点 平行玻璃板:(1)出射光线与入射光线平行; (2)出射光线发生侧移

棱镜:(1)光线向底边偏折;(2)能发生色散

全反射棱镜:(1)垂直于直角边射入,出射光线方向改变90°;(2)垂直于斜边射入,出射光线方向改变180°

知识点二、光的干涉、衍射和偏振现象

项目 内容

光的

干涉 双缝

干涉 产生条件:两光源频率相等,相位差恒定

出现明暗条纹的条件:路程差Δs＝nλ,明条纹;Δs＝(n＋)λ,暗条纹

相邻条纹间距:Δx＝λ

光的

干涉 薄膜

干涉 产生原因：同一束光分别经薄膜的前后表面反射的光叠加而成

规律:经薄膜上厚度相等的位置反射的光叠加后在同一干涉条纹上,相邻条纹间距与波长成正比,与斜面倾角成反比

应用:(1)光干涉法检查平面的平整度

(2)在光学镜头上涂增透膜d＝ λ

光的

衍射 明显衍射条件 障碍物或孔的尺寸跟光的波长差不多或者比光的波长小

衍射

现象 单缝衍射:中间条纹亮、宽;两侧条纹暗、窄;波长越长,条纹越宽,间距越大

圆孔衍射:明暗相间的圆形条纹

圆板衍射:圆形阴影的外侧是明暗相间的圆形条纹,中间是亮斑 (泊松亮斑)

光的

偏振 偏振片有特定的透振方向,

自然光通过后成为偏振光,

两偏振光片平行时透过的光最强,

垂直时最弱

【特别提醒】

(1)光的干涉和衍射现象说明光具有波动性,光的偏振现象说明光是横波.

(2)光的干涉条纹和光的衍射条纹的最大区别是研究条纹间距是否均匀,中央条纹和两侧条纹的亮度是否相同.

知识点三、光电效应及光的波粒二象性

项目 内容

光电

效应 概念 金属在光(包括不可见光)的照射下发射电子的现象

规律 (1)每种金属都有一个极限频率,ν≥ν0时才会发生光电效应

(2)光电子的最大初动能与光强无关,随ν的增大而增大

(3)光电效应的产生几乎是瞬时的

(4)饱和光电流与光强成正比

光电

效应 解释 光子说:(1)光在传播时是一份一份的,每份叫一个光子;(2)光子能量E＝hν, h＝6.63×10－34 J·s

逸出功:电子脱离金属时克服原子核引力做功的最小值W＝hν

光强:P＝nhν

光电效应方程:Ek＝hν－W

物质波 每个实物粒子对应一种波,叫物质波

物质波的波长λ＝

波粒二

象性 概率波:只能预测粒子在某区域出现的概率,概率符合波动规律

高频考点一、光的折射、全反射

例1．（2019·天津卷）某小组做测定玻璃的折射率实验，所用器材有：玻璃砖，大头针，刻度尺，圆规，笔，白纸。

①下列哪些措施能够提高实验准确程度______。

A．选用两光学表面间距大的玻璃砖

B．选用两光学表面平行的玻璃砖

C．选用粗的大头针完成实验

D．插在玻璃砖同侧的两枚大头针间的距离尽量大些

②该小组用同一套器材完成了四次实验，记录的玻璃砖界线和四个大头针扎下的孔洞如下图所示，其中实验操作正确的是______。

③该小组选取了操作正确的实验记录，在白纸上画出光线的径迹，以入射点O为圆心作圆，与入射光线、折射光线分别交于A、B点，再过A、B点作法线NN的垂线，垂足分别为C、D点，如图所示，则玻璃的折射率n______。（用图中线段的字母表示）

【答案】①AD ②D ③ACBD

【解析】①采用插针法测定光的折射率的时候，应选定光学表面间距大一些的玻璃砖，这样光路图会更加清晰，减小误差，同时两枚大头针的距离尽量大一些，保证光线的直线度，因此AD正确，光学表面是否平行不影响该实验的准确度，因此B错误，应选用细一点的大头针因此C错误。

②根据光的折射定律可知当选用平行的玻璃砖时出射光和入射光应是平行光，又因发生了折射因此出射光的出射点应相比入射光的延长线向左平移，因此D正确，ABC错误；

③由折射定律可知折射率sinsinAOCnBOD，sinACAOCR，sinBDBODR，联立解得ACnBD。

【变式探究】某同学通过实验测定半圆形玻璃砖的折射率n.如图甲所示，O是圆心，MN是法线，AO、BO分别表示某次测量时光线在空气和玻璃砖中的传播路径．该同学测得多组入射角i和折射角r，作出sin i－sin r图象如图乙所示，则( )

A．光由A经O到B，n＝1.5

B．光由B经O到A，n＝1.5

C．光由A经O到B，n＝0.67

D．光由B经O到A，n＝0.67

【答案】B

【解析】在题图乙中任取一点，对应sin r>sin i，即折射角大于入射角，可知光由B经O到A，A、C错误．由折射定律和题图乙可知，n＝sin rsin i＝1k，当sin r＝0.9时，sin i＝0.6，代入数据得n＝1.5，B正确，D错误．

【变式探究】直线P1P2过均匀玻璃球球心O，细光束a、b平行且关于P1P2对称，由空气射入玻璃球的光路如图所示．a、b光相比( )

A．玻璃对a光的折射率较大

B．玻璃对a光的临界角较小

C．b光在玻璃中的传播速度较小

D．b光在玻璃中的传播时间较短

【答案】C

【解析】从题图中看出，b光线进入玻璃后偏折程度较大，因此玻璃对b光折射率大，A错误．根据sin

C＝1n知，折射率大的临界角小，B错误．根据v＝cn知，折射率大的传播速度小，C正确．由几何关系知，b在玻璃中运动路程长，结合b的传播速度小，可知b在玻璃中的传播时间较长，D错误．

高频考点二、光的折射、全反射的计算

例2. （2019·新课标全国Ⅲ卷）如图，直角三角形ABC为一棱镜的横截面，∠A=90°，∠B=30°。一束光线平行于底边BC射到AB边上并进入棱镜，然后垂直于AC边射出。

（1）求棱镜的折射率；

（2）保持AB边上的入射点不变，逐渐减小入射角，直到BC边上恰好有光线射出。求此时AB边上入射角的正弦。

【答案】（1）3 （2）322

【解析】（1）光路图及相关量如图所示。光束在AB边上折射，由折射定律得

sinsinin①

式中n是棱镜的折射率。由几何关系可知

α+β=60°②

由几何关系和反射定律得

==B③

联立①②③式，并代入i=60°得

n=3④

（2）设改变后的入射角为i，折射角为，由折射定律得

sinsini=n⑤

依题意，光束在BC边上的入射角为全反射的临界角c，且

sinc=1n⑥

由几何关系得

c=α'+30°⑦

由④⑤⑥⑦式得入射角的正弦为

sini=322⑧

【举一反三】(2018·高考全国卷Ⅱ)如图，△ABC是一直角三棱镜的横截面，∠A＝90°，∠B＝60°.一细光束从BC边的D点折射后，射到AC边的E点，发生全反射后经AB边的F点射出．EG垂直于AC交BC于G，D恰好是CG的中点．不计多次反射．

(1)求出射光相对于D点的入射光的偏角；

(2)为实现上述光路，棱镜折射率的取值应在什么范围？

【解析】(1)光线在BC面上折射，由折射定律有

sin i1＝nsin r1 ①

式中，n为棱镜的折射率，i1和r1分别是该光线在BC面上的入射角和折射角．光线在AC面上发生全反射，由反射定律有

i2＝r2 ②

式中i2和r2分别是该光线在AC面上的入射角和反射角

光线在AB面上发生折射，由折射定律有

nsin i3＝sin r3 ③

式中i3和r3分别是该光线在AB面上的入射角和折射角

由几何关系得

i2＝r2＝60°，r1＝i3＝30° ④

F点的出射光相对于D点的入射光的偏角为

δ＝(r1－i1)＋(180°－i2－r2)＋(r3－i3) ⑤

由①②③④⑤式得

δ＝60°. ⑥

(2)光线在AC面上发生全反射，光线在AB面上不发生全反射，有nsin i2≥nsin C>nsin i3⑦

式中C是全反射临界角，满足

nsin C＝1 ⑧

由④⑦⑧式知，棱镜的折射率n的取值范围应为

233≤n<2. ⑨

【变式探究】如图所示，三棱镜的横截面为直角三角形ABC，∠A＝30°，∠B＝60°.一束平行于AC边的光线自AB边的P点射入三棱镜，在AC边发生反射后从BC边的M点射出．若光线在P点的入射角和在M点的折射角相等．

(1)求三棱镜的折射率；

(2)在三棱镜的AC边是否有光线透出，写出分析过程．(不考虑多次反射)

【解析】(1)光路图如图所示，

图中N点为光线在AC边发生反射的入射点．设光线在P点的入射角为i，折射角为r，在M点的入射角为r′，依题意知折射角也为i，有i＝60° ①

由折射定律有sin i＝nsin r ②

nsin r′＝sin I ③

由②③式得r＝r′ ④