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模块四 光学规律：沿直线传播小孔成像本影和半影日食和月食现象同一均匀介质中光的波粒二象性光谱电磁说光子说磁波速为c能在真空中传电播波动说光电效应干涉、衍射微粒说波动说 直进、反射、折射反射、折射光的本性几何光学反射定律平面镜球面镜反射定律的应用光的反射两面平行的玻璃砖棱镜折射定律光的色散全反射折射定律的应用光的折射在两种介质的界面光学【知识网络】第一节 光的传播【考点透视】一、考纲指要1 光的直线传播、本影和半影。（I） 2 光的反射，反射定律，平面镜成像作图法。（） 3 光的折射、折射定律，折射率，全反射和临界角。（）4 光导纤维、棱镜、光的色散。（I） 二、命题落点1光的直线传播方面的计算题（包括日食、月食、本影、半影问题）画好示意图，利用数学中的相似形等几何知识计算。如例1。2光的折射定律，全反射和临界角的应用。如例2。3光导纤维的应用。如例3。4分析不同颜色的光的折射情况。如例4。【典例精析】lSAhxvt图1411例1：如图图1411所示，在A点有一个小球，紧靠小球的左方有一个点光源S。现将小球从A点正对着竖直墙平抛出去，打到竖直墙之前，小球在点光源照射下的影子在墙上的运动是 A.匀速直线运动 B.自由落体运动C.变加速直线运动 D.匀减速直线运动解析：小球抛出后做平抛运动，时间t后水平位移是vt，竖直位移是h=gt2，根据相似形知识可以由比例求得，因此影子在墙上的运动是匀速运动。ABCD图1412例2.直角三棱镜的顶角=15， 棱镜材料的折射率n=1.5，一细束单色光如图图1412所示垂直于左侧面射入，试用作图法求出该入射光第一次从棱镜中射出的光线。解析：由n=1.5知临界角大于30小于45，边画边算可知该光线在射到A、B、C、D各点时的入射角依次是75、60、45、30，因此在A、B、C均发生全反射，到D点入射角才第一次小于临界角，所以才第一次有光线从棱镜射出。图1413例3.如图图1413所示，一条长度为L=5.0m的光导纤维用折射率为n=的材料制成。一细束激光由其左端的中心点以= 45的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出。求：该激光在光导纤维中的速度v是多大？该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少？图1414解析：由n=c/v可得v=2.1108m/s如图图1414所示。由n=sin/sinr可得光线从左端面射入后的折射角为30，射到侧面时的入射角为60，大于临界角45，因此发生全反射，同理光线每次在侧面都将发生全反射，直到光线达到右端面。由三角关系可以求出光线在光纤中通过的总路程为s=2L/，因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间是t=s/v=2.710-8s。abM图1415例4.如图图1415所示，一细束红光和一细束蓝光平行射到同一个三棱镜上，经折射后交于光屏上的同一个点M，若用n1和n2分别表示三棱镜对红光和蓝光的折射率，下列说法中正确的是 （ ）A.n1n2，a为红光，b为蓝光 B.n1n2，a为红光，b为蓝光 D.n1n2，a为蓝光，b为红光 解析：由图可知，b光线经过三棱镜后的偏折角较小，因此折射率较小，是红光。答案：B【常见误区】1不能确定不同单色光的反射、全反射情况;不能深入分析不同单色光的折射情况。2对于光的可逆性不能灵活的应用;光在不同的介质中传播，频率保持不变认识不清。3数学几何知识的利用不灵活。【基础演练】图14171（03年江苏）如图图1417，一玻璃柱体的横截面为半 圆形，细的单色光束从空气射向柱体的O点（半圆的圆心），产生反射光束1和透射光束2，已知玻璃折射率为，入射解为45（相应的折射角为24），现保持入射光不变，将半圆柱绕通过O点垂直于图面的轴线顺时针转过15，如图中虚线所示，则（ ）（ ）A光束1转过15B光束1转过30C光束2转过的角度小于15 D光束2转过的角度大于152如图1418所示是一束光线穿过介质、时的光路，则 （ ）A.介质的折射率最大 B.介质的折射率最大C.介质的折射率最大 D.光在介质中传播速度最大图1418图14193（03年江苏）如图1419，都是厚度均匀的平玻璃板，它们之间的夹角为，一细光束以入射角从P点射入，已知此光束由红光和蓝光组成，则当光束透过板后， （ ）A传播方向相对于入射光方向向左偏转角B传播方向相对于入射光方向向右偏转角C红光在蓝光的左边 . D红光在蓝光的右边图141104如图14110所示，两个同种玻璃制成的棱镜，顶角1 略大于2 ，两单色光A和B分别垂直入射三棱镜，其出射光线与第二界面的夹角1 =2，则 （ ）A.A光的频率比B光的频率高B.在棱镜中A光的波长比B光的短C.在棱镜中B光的传播速度比A光的大D.把此两光由水中射向空气，产生全反射时，A光的临 界角比B光的临界角大5某棱镜顶角=41.30，一束白光以较大的入射角从棱镜的一个侧面射入，通过棱镜后从另一个侧面射出，在光屏上形成由红到紫的彩色光带（如图示）。当入射角i渐渐减小到零的过程中彩色光带变化情况是： 色光紫蓝绿黄橙红折射率1.5321.5281.5191.5171.5141.513临界角40.7540.8841.1741.2341.3441.37图14114A.紫光最先消失，最后只剩下橙光、红光B.紫光最先消失，最后只剩下黄、橙、红光C.红光最先消失，最后只剩下紫、靛、蓝光D.红光最先消失，最后只剩下紫、靛、蓝光和绿光图141116单色光束射到折射率n=1.414的透明球表面，光束在过 球心的平面内，入射角i=45。研究经折射进入球内后，又经内表面反射一次，再经球面折射后射出的光线，如图14111所示。（图中已画出入射光和出射光）.（1）在图中画出光线在球内的路径和方向。（2）求入射光和出射光之间的夹角；（3）如果入射的是一束白光，透明球的色散情况与玻璃相仿，问那种颜色光的角最大？哪种颜色的角最小？第二节 光的本性【考点透视】一、考纲指要1光的本性学说的发展简史。 （I） 2光的干涉、双缝干涉、薄膜干涉，双缝干涉的条纹间距语波长的关系。 （I） 3光的衍射、光的偏振 （I）4光谱和光谱分析。红外线、紫外线、X射线、射线以及他们的应用.光的电磁本性.电磁波谱。 （I）5激光的特性及应用。 （I）二、命题落点1双缝干涉产生明暗条纹的条件，条纹间距与哪些因素有关。如例1。2伦琴射线管的结构原理。如例2。3对爱因斯坦光电效应方程EK= h-W的理解及应用。例3。4光电管与爱因斯坦光电效应方程的应用。如例4。【典例精析】例1在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏上观察到彩色干涉条纹，若在双缝中的一缝前放一红色滤光片（只能透过红光），另一缝前放一绿色滤光片（只能透过绿光），这时 （ ）A只有红色和绿色的干涉条纹，其它颜色的双缝干涉条纹消失B红色和绿色的干涉条纹消失，其它颜色的干涉条纹仍然存在C任何颜色的干涉条纹都不存在，但屏上仍有亮光D屏上无任何亮光解析：在双缝干涉实验中，白光通过单缝成为线光源，从单缝射出的光通过双缝分成两束光，它们在光屏上形成彩色的干涉条纹，现在两个缝前分别放上红色和绿色滤光片，红光和绿光的频率不同，不是相干光，所以屏上没有干涉条纹，只有亮光，选项C正确。答案：CEK AP Q图1421例2：图1421是伦琴射线管的结构示意图。电源E给灯丝K加热，从而发射出热电子，热电子在K、A间的强电场作用下高速向对阴极A飞去。电子流打到A极表面，激发出高频电磁波，这就是X射线。下列说法中正确的有 （ ）A.P、Q间应接高压直流电，且Q接正极 B.P、Q间应接高压交流电C.K、A间是高速电子流即阴极射线，从A发出的是X射线即一种高频电磁波D.从A发出的X射线的频率和P、Q间的交流电的频率相同 解析：K、A间的电场方向应该始终是向左的，所以P、Q间应接高压直流电，且Q接正极。从A发出的是X射线，其频率由光子能量大小决定。若P、Q间电压为U，则X射线的频率最高可达Ue/h。 答案：AC例3：对爱因斯坦光电效应方程EK= h-W，下面的理解正确的有 A.只要是用同种频率的光照射同一种金属，那么从金属中逸出的所有光电子都会具有同样的初动能EKB.式中的W表示每个光电子从金属中飞出过程中克服金属中正电荷引力所做的功 C.逸出功W和极限频率0之间应满足关系式W= h0D.光电子的最大初动能和入射光的频率成正比解析：爱因斯坦光电效应方程EK= h-W中的W表示从金属表面直接中逸出的光电子克服金属中正电荷引力做的功，因此是所有逸出的光电子中克服引力做功的最小值。对应的光电子的初动能是所有光电子中最大的。其它光电子的初动能都小于这个值。若入射光的频率恰好是极限频率，即刚好能有光电子逸出，可理解为逸出的光电子的最大初动能是0，因此有W= h0。由EK= h-W可知EK和之间是一次函数关系，但不是成正比关系。答案：C。VAPK图1422例4：如图1422，当电键K断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。合上电键，调节滑线变阻器，发现当电压表读数小于0.60V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于0.60V时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为A.1.9eV B.0.6eV C.2.5eV D.3.1eV 解析：电流表读数刚好为零说明刚好没有光电子能够到达阳极，也就是光电子的最大初动能刚好为0.6eV。由EK= h-W可知W=1.9 eV。选A。 【常见误区】1对干涉图样的成因理解片面，混淆干涉与衍射图样。2不理解增透膜，增反膜在生产中的具体应用。3对光电效应现象不理解，不能利用光电效应规律很好的分析问题。4不清楚光的偏振现象的含义，不理解光的波粒二象性的含义。【基础演练】1（04年江苏）下列说法正确的是（ ）A. 光波是种概率波 B. 光波是一种电磁波C. 单色光从光密介质进入光疏介质时光子的能量改变D. 单色光从光密介质进入光疏介质时，光的波长不变图14232如图1423所示是用干涉法检查某块厚玻璃板的上表 面是否平整的装置，所用单色光是用普通光源加滤色片后获得的，检查中所观察到的干涉条纹是下列哪两个表面反射的光线叠加而成的 （ ） AA的上表面和B的下表面BA的上表面和B的上表面CA的下表面和B的上表面DA的下表面和B的下表面3在不透光的挡板上有一个宽度可调节的狭缝，缝后放一光屏用平行单色光照射狭缝，我们看到 （ ）A缝越宽，屏上被照亮的宽度越大，亮度越大B缝越窄，屏上被照亮的宽度越大，亮度越大C缝很窄时，屏上被照亮的宽度反而增大，亮度减小D缝很窄时，屏上中心亮条纹宽度减小，亮度减小4用绿光做双缝干涉实验，在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹，相邻两条绿条纹间的距离为x。下列说法中正确的有 （ ）A如果增大单缝到双缝间的距离，x 将增大B如果增大双缝之间的距离，x 将增大C如果增大双缝到光屏之间的距离，x将增大D如果减小双缝的每条缝的宽度，而不改变双缝间的距离，x将增大5（06年全国理综卷，15）红光和紫光相比，（ ）A.红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较大B.红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较大C.红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较小D.红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较小实验 测折射率 测光的波长【考点透视】一、考纲指要1测定玻璃折射率。（I） 2用双缝干涉测定光的波长。（I） 二、命题落点1、实验过程中，操作规范的考查。比如：玻璃砖移动对测量结果的影响。如例1。2、实验步骤的是否操作正确、是否有疏漏。如例2。3、液体折射率的测定。如例3。4、插针法作图的准确性。如例4。5、双缝干涉实验测波长，有关波长的计算、游标卡尺或螺旋测微器的读数。如例5。【典例精析】例1： 在“测定玻璃的折射率”实验中，已画好玻璃砖界面两直线aa与bb后，不小心误将玻璃砖向上稍平移了一点，如图141（1）所示，若其它操作正确，则测得的折射率将（ ）A.变大 B.变小 C.不变 D.变大、变小均有可能解析 要解决本题，一是需要对测折射率的原理有透彻的理解，二是要善于画光路图。图141（1）（2）设P1、P2、P3、P4是正确操作所得到的四枚大头针的位置，画出光路图后可知，即使玻璃砖向上平移一些，如图141(2)所示，实际的入射角没有改变。实际的折射光线是O1O1，而现在误把O2O2作为折射光线，由于O1O1平行于O2O2，所以折射角没有改变，因此折射率不变。答案：C例2：在测定玻璃折射率的实验中：（1）某同学实验插针的步骤如下：A.在表示入射光线的AO上插上大头针P1、P2；B.通过玻璃砖观察P2、P1，调整视线，直到P1的像被P2的像挡住；C.在观察一侧插上大头针P3、P4，记下P3、P4的位置。这位同学在操作中有什么重要漏？ 。（2）以通过P1、P2的直线与玻璃砖的交点O为圆心，以某一适当长度R为半径画圆，与OA交与P，与OO的延长线交与Q，如图示，从P、Q分别作玻璃砖界面的法线NN的垂线，图中P、Q分别为垂足，用刻度尺量得PP=45mm，QQ=30mm，求玻璃砖的折射率为 。解析 解决此类的问题就是要熟练掌握实验的步骤与操作规范、表述一定要准确。 答案.（1）插针时应使P3挡住P2、P1的像，P4挡住P3、P2和P1的像。 （2）1.5图14-2例3：如图142所示，两块相同的玻璃三棱镜ABC，两者的AC面是互相平行放置的，在它们之间是均匀的未知介质，一单色细光束O垂直于AB面入射，在图中的出射光线中 （ ）A1、2、3（彼此平行）中的任何一条都有可能B4、5、6（彼此平行）中的任何一条都有可能C7、8、9（彼此平行）中的任何一条都有可能D只能是4、6中的某一条解析 垂直AB面射入左棱镜的入射光线，在此三棱镜中不会改变方向，由AC面出射到两棱镜间的均匀未知介质中时，则可能有三种情况：若介质的折射率与棱镜的折射率相同，则不改变方向，最后沿着第五条光线射出，相当于一整块玻璃砖，垂直AB面射入（即治法线射入）不会发生偏折根据折射定律可知，在右三棱镜内折射光线必定与CB边平行，即与BA边垂直，对于他们之间的介质而言，发生了侧移，而从右三棱镜中出射到空气中的折射光线不会改变方向若介质的折射率大于三棱镜的折射率，侧沿着光路“6”出射所以只有选项B正确。答案：B。例4：在测定玻璃的折射率的实验中，对一块两面平行的玻璃砖，用“插针法”找出与入射光线对应的出射光线现有甲、乙、丙、丁四位同学分别做出如图143所示的四组插针结果。（1）从图上看，肯定把针插错了的同学是 （2）从图上看，测量结果准确度最高的同学是 丁甲乙丙 图14-3解析 光线透过平行玻璃时出射光线与入射光线平行，且从空气射入玻璃砖时入射角大于折射角，因而光线透出时相对于入射光线向右下侧发生偏移。另外，插针确定光路时，入射角稍大些，且插针相距稍远些，由上图可知，乙图中出射光线向左上偏移不符合事实，肯定插错了。丙图出射光线与入射光线不平行且插针间距也太小，因而错误，甲图未侧移不正确，只有丁图符合要求且测量准确度高。答案：（1）乙，（2）丁例5：用双缝干涉测光的波长。实验装置如图144（甲）所示，已知单缝与双缝间的距离L1=100mm，双缝与屏的距离L2=700mm，双缝间距d=0.25mm。用测量头来测量亮纹中心的距离。测量头由分划板、目镜、手轮等构成，转动手轮，使分划板左右移动，让分划板的中心刻线对准亮纹的中心（如图14-4（乙）所示），记下此时手轮上的读数，转动测量头，使分划板中心刻线对准另一条亮纹的中心，记下此时手轮上的读数。（1）分划板的中心刻线分别对准第1条和第4条亮纹的中心时，手轮上的读数如图14-4（丙）所示，则对准第1条时读数x1=_mm、对准第4条时读数x2=_mm光源滤光片单缝双缝遮光筒屏图（甲）L1L2图14-4（2）写出计算波长的表达式，=_（用符号表示），=_nm15205100202515图（丙）第1条时读数第4条时读数1520510030354045图（乙）图14-5解析：螺旋测微器读数特别注意半mm刻度线是否漏出。图（丙）中两个读数分别为2.190mm，7.868mm。第一条与第四条之间有三个条纹间距的宽度，相邻条纹间的距离，由公式，可得。答案：（1）2.190，7.868 （2） 【常见误区】1对用玻璃砖测折射率的步骤掌握不熟练，注意事项不明确，而找不出错误。2对折射率测定的方法理解不深，不能很好的变通应用到测其他模型的折射率中去。3对双缝干涉实验的仪器不熟悉，不明确单缝、双缝的作用，特别是测量头的使用。4游标卡尺或螺旋测微器不会读数。5移动分划板的中心刻线测条纹间距误多记或少记一个。 A y M O x图14-5 P1 P2 P3【基础演练】1（04年广州）如图145，画有直角坐标系Oxy的 白纸位于水平桌面上，M是放在白纸上的半圆形玻璃砖，其底面的圆心在坐标的原点，直边与x轴重合，OA是画在纸上的直线，为竖直地插在直线OA上的两枚大头针， 是竖直地插在纸上的第三枚大头针，是直线OA与y轴正方向的夹角，是直线与轴负方向的夹角，只要直线OA画得合适，且的位置取得正确，测得角和，便可求得玻璃得折射率。某学生在用上述方法测量玻璃的折射率，在他画出的直线OA上竖直插上了两枚大头针，但在y2，则这两种单色光相比（ ）A单色光2的频率较小B玻璃对单色光1的折射率较大C在玻璃中，单色光1的传播速度较大D单色光1的光子的能量较大7下表给出了一些金属材料的逸出功。材料铯钙镁铍钛逸出功（J）3.04.35.96.26.6现用波长为400nm的单色光照射上述材料，能产生光电效应的材料最多有几种？（普朗克常量h6.61034 Js，光速c3.0108m/s） （ ）A.2种 B.3种 C.4种 D.5种图38如图3所示，将半圆形玻璃砖放在竖直面内，它左方有较大的光屏P，一光束SA总是射向圆心O，在光束SA绕圆心O逆时针转动过程中，在P上先看到七色光带，然后各色光陆续消失，则此七色光带从下到上的排列顺序以及最早消失的光是（ ）A红光紫光，红光 B紫光红光，红光C红光紫光，紫光 D紫光红光，紫光9劣质的玻璃中往往含有空气泡，这些空气泡看上去比较亮， 对这一现象有以下不同的解释，其中正确的是（ ）A空气泡对光线有会聚作用，因而较亮B空气泡对光线有发散作用，因而较亮C从空气泡到达玻璃的界面处的光一部分发生全反射，因而较亮D从玻璃到达空气泡的界面处的光一部分发生全反射，因而较亮10激光散斑测速是一种崭新的测速技术，它应用了光的干涉原理。用二次曝光照相所获得的“散斑对”相当于双缝干涉实验中的双缝，待测物体的速度与二次曝光时间间隔的乘积等于双缝间距。实验中可测得二次曝光时间间隔、双缝到屏之距离以及相邻两条亮纹间距。若所用激光波长为，则该实验确定物体运动速度的表达式是（ ）A. B. C. D. 11如图4所示为X射线管的结构示意图，E为灯丝电源。要使X射线管发出X射线，须在K、A两极间加上几万伏的直流高压 （ ）图4A高压电源正极应接在P点，X射线从K极发出B高压电源正极应接在P点，X射线从A极发出C高压电源正极应接在Q点，X射线从K极发出D高压电源正极应接在Q点，X射线从A极发出12在上题所示的X射线管中，由阴极发出的电子被加速后打 到阳极，会产生包括X射线在内的各种能量的光子，其中光子能量的最大值等于电子的动能，已知阳极与阴极之间的电势差为U、普朗克常数h，电子电量e和光速c，则可知该X射线管发出的X光的（ ）A 最短波长为 B 最长波长为图5C 最小频率为 D 最大频率为 13发出白光的细线光源ab，长度为l0，竖直放置，上端a恰好在水面以下，如图5。现考虑线光源a b发出的靠近水面法线（图中的虚线）的细光束经水面折射后所成的像，由于水对光有色散作用，若以l1表示红光成的像的长度，l2表示蓝光成的像的长度，则 （ ）A. l1 l2 l2l0 C.l2 l1l0 D.l2 l1l014某激光光源，光的发光功率为P，发射激光的波长为。当激光照射到折射率为n的均匀介质时，由于反射，入射能量减少了10%。若介质中的激光光束的直径是d，已知激光在真空中传播速度为c，则在介质中单位时间内通过与光速传播方向垂直横截面积的光子个数为（ ）A. B. C. D. Ld图6二、非选择题（本题包括5题）15（6分）一个军事设施的观察孔如图6所示，其宽度L=30cm， 厚度d=30cm，为了扩大向外的观察视野，将折射率n=的某种玻璃砖完全嵌入观察孔内（图中为观察孔的俯视图）。（1）嵌入玻璃砖后，视野的最大张角是_（2）如果要使视野的最大水平张角接近180，则要求嵌入折射率至少_的玻璃砖。BCOAEFKMNP1P216（8分）某研究小组的同学根据所学的光学知识，设计了一个测量液体折射率的仪器。如图7所示，在一个圆盘上，过其圆心O做两条互相垂直的直径BC、EF。在半径OA上，垂直盘面插上两枚大头针P1、P2并保持P1、P2位置不变，每次测量时让圆盘的下半部分竖直进入液体中，而且总使夜面与直径BC相平，EF作为界面的法线，而后在图中右上方区域观察P1、P2的像，图7并在圆周上插上大头针P3，使P3正好挡住P1、P2的像。同学们通过计算，预先在圆周EC部分刻好了折射率的值，这样只要根据P3所插的位置，就可以直接读出液体折射率的值。（1）在用此仪器测量液体的折射率时，下列说法正确的是_ （填字母代号）A大头针P3插在M位置时液体的折射率值大于插在N位置时液体的折射率值B大头针P3插在M位置时液体的折射率值小于插在N位置时液体的折射率值C对于任何液体，在KC部分都能观察到大头针P1、P2的像D可能有一种液体，在KC部分观察不到大头针P1、P2的像（2）若AOF=30，OP3与OC的夹角为30，则液体的折射率为 。图817（8分）（2005年天津）现有毛玻璃屏A、双缝B、白光光源C、单缝D和透红光的滤光片E等光学元件，要把他们放在图8所示的光具座上组装成双缝干涉装置，用以测量红光的波长。（1）将白光光源C放在光具座最左端，依次放置其他光学元件，由左至右，表示各光学元件的字母排列顺序应为C、_、A。（2）本实验的步骤有：取下折光筒左侧的元件，调节光源高度，使光束能直接沿折光筒轴线把屏照亮；按合理顺序在光具座上放置各光学元件，并使各元件的中心位于折光筒的轴线上；用米尺测量双缝到屏的距离；用测量头（其读数方法与螺旋测微器相同）测量数条亮纹的间距。在操作步骤时还应注意_和_。（3）测量头的划分板中心刻线与某亮纹中心对齐，将该亮纹定为第1条亮纹，此时手轮上的示数如图9所示。然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐，记下此时图10中手轮上的示数_mm，求得相邻亮纹的 间距x为_mm。图9图10（4）已知双缝间距d为2.0104m，测得双缝到屏的距离l为0.700mm，由计算式_，求得所测红波波长为 _nm。VGMNRSE图1118（8分）如图11所示是测定光电效应产生 的光电子比荷的实验原理简图。两块平行金属板相距为d，放在真空容器中，其中N金属板受光线照射时发射出沿不同方向运动的光电