物理选修3-4光学复习资料

物理选修物理选修 3 3 4 4 光学复习光学复习 第第 1 1 课时课时 光的直线传播光的直线传播 光的反射光的反射 1 1 高考解读 高考解读 真题品析真题品析 知识 知识 平面镜成象特点 例例 1 1 09 年全国卷 15 某物体左右两侧各有一竖直放置的平 面镜 两平面镜相互平行 物体距离左镜 4m 右镜 8m 如图所示 物体在左镜所成的像中从右向左数的第三个像与物体的距离是 A 24m B 32m C 40m D 48m 解析解析 本题考查平面镜成像 从右向左在左镜中的第一个像是物体的像距离物体 8cm 第二个 像是物体在右镜所成像的像 第 3 个像是第一个像在右镜中的像在左镜中的像距离物体为 32cm 答案 答案 B 点特 点特 像与物关于镜面对称 热点关注热点关注 知识点 知识点 确定平面镜成象观察范围 例例 2 如图所示 画出人眼在 S 处通过平面镜可看到障碍物后地面的范围 解析 解析 先根据对称性作出人眼的像点 S 再根据光路可逆 设想 S 处有 一个点光源 它能通过平面镜照亮的范围就是人眼能通过平面镜看到的 范围 图中画出了两条边缘光线 点评 点评 1 利用光路可逆原理 2 利用平面镜成像的对称性 2 2 知识网络 知识网络 考点考点 1 1 光的直线传播 1 光源发光是将其他形式的能转化为光能 2 光的直线传播 1 光在同一均匀介质中沿直线传播 如影 日食 月食 小孔成像等都是直线传播的例证 2 光在真空中的传播速度为 c 3 00 10 m s 8 3 影 1 影分本影和半影 2 点光源只能形成本影 3 本影的大小决定于光源 物体和光屏的相对位置 考点考点 2 2 光的反射 1 反射现象 光射到两种介质的分界面处 有一部分返回原来介质的现象 S S S P Q 2 反射定律 反射光线 入射光线和法线在同一平面内 反射光线和入射光线分居在法线的 两侧 反射角等于入射角 3 反射光路是可逆的 考点考点 3 3 平面镜 1 平面镜的作用 只改变光的传播方向 不改变光束的聚散性质 2 平面镜的成像特点 成正立的等大的虚像 物与像关于镜面对称 3 平面镜成像光路作图的技巧 先根据平面镜成像的特点 确定像的位置 再补画入射光线 与反射光线 4 平面镜的视场问题 需借助边界光线作图 如有障碍物 还需画出障碍物的像 再借助边 缘光线作图 3 3 复习方案 复习方案 基础过关基础过关 重难点 重难点 影子运动性质的分析 例例 3 一路灯距地面的高度为 h 身高为 l 的人以速度匀速行走 如图所示v 1 试证明人的头顶的影子作匀速运动 2 求人影的长度随时间的变化率 解析 解析 1 设 t 0 时刻 人位于路灯的正下方 O 处 在时刻 t 人走到 S 处 根据题意有 OS vt 过路灯 P 和人头顶的直线与地面的交点 M 为 t 时刻人头顶影子的位置 如图所示 OM 为人 头顶影子到 O 点的距离 S h O P l M 由几何关系 有 OSOM l OM h 解 式得 t lh hv OM 因 OM 与时间 t 成正比 故人头顶的影子作匀速运动 2 由图可知 在时刻 t 人影的长度为 SM 由几何关系 有 SM OM OS 由 式得 t lh lv SM 可见影长 SM 与时间 t 成正比 所以影长随时间的变化率 lh lv k 点评 点评 本题由生活中的影子设景 以光的直线传播与人匀速运动整合立意 根据光的直线传 播规律 建立三角形的模型 运用数学上的平面几何知识解决物理问题 培养学生应用数学 知识解决物理问题的能力 典型例题 典型例题 例例 4 4 如图 AB 表示一平面镜 P P 是水平放置的米尺 有刻度的 12 一面朝着平面镜 MN 是屏 三者相互平行 屏 MN 上 ab 表示一条 竖直的缝 即 ab 之间是透光的 某人眼睛紧贴米尺上的小孔 S 其 位置见图 可通过平面镜看到米尺的一部分刻度 试在本题的图上用 三角板作图求出可看到的部分 并在 P P 上把这部分涂以标志 12 解析 解析 在遇到找 人眼观察范围 的题目时 采取 设人眼为光源 求由它发射的光线经 平面镜反射照亮范围 的方法 这其实是光路可逆思维的体现 但要注意这里屏既要遮入射 光线又要遮有限范围内的反射光线 要充分认识到 ab 部分的窗口作用 本题是典型的视场 问题 设 S 为光源 它发出的光线经平面镜反射后 照射到米尺上的范围 由光路可逆知 即 为人眼通过平面镜和狭缝 ab 看到的范围 光路图如 18 2 a 若正面求解如 b 点评 点评 这道题运用了平面镜成像的对称性及光路的可逆性 通过作图解决了平面镜成像的视 场问题 其中还得考虑障碍物对视场的约束 这样 才可正确 迅速地解决有关问题 第第 2 2 课时课时 光的折射光的折射 全反射全反射 P1P2 M N a b AB S S ce 眼的像的位置 a P1P2 M N ab AB S 屏的像的位置 尺的像的位置 b P1P2 M N a b AB S 真品分析真品分析 知识点 折射定律知识点 折射定律 例例 1 08 宁夏卷 9 分 一半径为 R 的 1 4 球体放置在水平面上 球体由折射率为的透3 明材料制成 现有一束位于过球心 O 的竖直平面内的光线 平行于桌面射到球体表面上 折 射入球体后再从竖直表面射出 如图所示 已知入射光线与桌面的距离为 求出射角2 3R 解析 解析 设入射光线与 1 4 球体的交点为 C 连接 OC OC 即为入射 点的法线 因此 图中的角 为入射角 过 C 点作球体水平表面 的垂线 垂足为 B 依题意 COB 又由 OBC 知 sin 3 2 设光线在 C 点的折射角为 由折射定律得 sin 3 sin 由 式得 30 由几何关系知 光线在球体的竖直表面上的入射角 见图 为 30 由折射定律得 sin1 sin3 因此 3 sin 2 解得60 点评 点评 本题考查几何光学知识 通过画光路图 根据折射定律 由几何关系列式求解 热点关注热点关注 知识点 折射 全反射知识点 折射 全反射 例例 2 2 09 年全国卷 21 一玻璃砖横截面如图所示 其中 ABC 为直 角三角形 AC 边末画出 AB 为直角边 ABC 45 ADC 为一圆弧 其圆心在 BC 边的中 点 此玻璃的折射率为 1 5 P 为一贴近玻璃砖放置的 与 AB 垂直的光屏 若一束宽度与 AB 边长度相等的平行光从 AB 边垂直射入玻璃砖 则 A 从 BC 边折射出束宽度与 BC 边长度相等的平行光 B 屏上有一亮区 其宽度小于 AB 边的长度 C 屏上有一亮区 其宽度等于 AC 边的长度 D 当屏向远离玻璃砖的方向平行移动时 屏上亮区先逐渐变小然后逐渐变大 解析解析 宽为 AB 的平行光进入到玻璃中直接射到 BC 面 入射角为 45o 临界角 5 1 1 arcsin 所以在 BC 面上发生全反射仍然以宽度大小为 AB 长度的竖直向下的平行光射到 AC 圆弧面上 根据几何关系可得到在屏上的亮区宽度小于 AB 的长度 B 对 D 正确 答案 答案 BD 点评 点评 本题考查光的折射和全反射 当光线由光密介质射向光疏介质入射角大于或等于临界 角时 将会发生全反射 2 2 知识网络 知识网络 考点考点 1 1 光的折射 1 光的折射 光由一种介质进入另一种介质或在同一种不均匀介质中传播时 方向发生偏折 的现象叫做光的折射 2 折射率 n 折射率是表示在两均匀介质中光速度比值的物理量 光从真空射入介质时 n 叫该介质的折射率 绝对折射率 同一介质对不同频率的光具有不同的折射率 说明折 v c 射率不仅与介质有关 还与光的频率有关 在可见光为透明的介质内 折射率随光的频率的 增大而增大 3 光密介质和光疏介质 任何介质的折射率都大于 折射率越大 光在其中传播的速度就越小 两种介质相比较 折 射率大的介质叫光密介质 折射率小的介质叫光疏介质 4 折射定律 折射光线 入射光线和法线在同一平面内 折射光线和入射光线分居在法线的 两侧 入射角的正弦与折射角的正弦之比是一个常数 即 n r i sin sin 5 折射光路是可逆的 6 折射率与光速及波长的关系 当光从真空进入介质时 频率不变 速度 波长均减小 公式 v f 考点考点 2 2 全反射 1 全反射 光从光密介质射入光疏介质 当入射角大于 或等于 某一角度时 折射光线消 失 只剩下反射光线 这种现象叫做全反射 2 产生条件 光从光密介质射入光疏介质 入射角大于 或等于 临界角 3 临界角 折射角等于 90 或折射光线恰好消失 时的入射角叫临界角 0 公式 sinC C 为临界角 n 1 4 全反射现象的应用 光导纤维 全反射棱镜 全反射的一个重要应用就是用于光导纤维 简称光纤 光纤有内 外两层材料 其中内 层是光密介质 外层是光疏介质 光在光纤中传播时 每次射到内 外两层材料的界面 都 要求入射角大于临界角 从而发生全反射 这样使从一个端面入射的光 经过多次全反射能 够没有损失地全部从另一个端面射出 考点考点 3 3 光的色散 光的色散 1 三棱镜 横截面为三角形的三棱柱透明体称三棱镜 2 三棱镜对光线的作用 光密三棱镜 当光线从一侧面射入 从另一侧面射出时 光线两次均向底面偏折 光疏三棱镜 当光线从一侧面射入 从另一侧面射出时 光线两次均向顶角偏折 全反射棱镜 等腰直角棱镜 当光线从一直角边垂直射入时 在斜边发生全反射 从另一直角边垂直射出 当光线垂直于斜边射入时 在两直角边发生全反射后又垂直于斜边 射出 3 三棱镜成像 当物体发出的光线从三棱镜的一侧面射入 从另一侧面射出时 逆着出射光 线可以看到物体的虚像 4 光的色散 光的色散 白光通过三棱镜后 出射光束变为红 橙 黄 绿 蓝 靛 紫七色光束 由七色光组成的 光带叫做光谱 这种现象叫做光的色散 色散的实质是由于各种色光在同一介质中传播的速 率不同 或同一介质对不同色光的折射率不同而引起的 注注 1 光的频率 颜色 由光源决定 与介质无关 2 同一介质中 频率越大的 光折射率越大 3 n c v 正确应用以上几点就能准确地判断有关色光在介质中的传播速度 波长 折射光线的偏折程度等问题 3 3 复习方案 复习方案 基础过关基础过关 重难点 重难点 折射定律的解题策略 例例 3 3 2001 江苏理综 22 如图 18 7 所示 两块同样的玻璃直角三棱镜 ABC 两者的 AC 面是平行放置的 在它们之间是均匀的未知透明介质 一单色细光束 O 垂直于 AB 面入射 在图示的出射光线中 A 1 2 3 彼此平行 中的任一条都有可能 B 4 5 6 彼此平行 中的任一条都有可能 C 7 8 9 彼此平行 中的任一条都有可能 D 只能是 4 6 中的某一条 解析 解析 玻璃狭缝中透明介质可能折射率 n n也可能 nh 1 H 3 35 如图所示 设水面为 CF A 到水面点 C 的距离为 L1 B 灯与水面点 C 之间的距离 为 L2 人眼到水面上点 F 之间的距离为 L3 点 C D 之间的距离为 L4 由 A 灯光的反射得 5 05 1 5 05 0 15 4 4 3 1 4 4 L L L L LL L 得 L4 5 m 对 B 灯光的折射过程 有CBDi sinsin 2 2 2 5 5 L DACr sinsin 22 15 5 解得 L2 4 35m 3 1 11 sin sin nr i 即灯在水面下 4 35 m 深处 36 解 1 由几何关系知 由题意知当 液面高度变化 折射角 r 不变 式即 代入 得 2 37 37 2 分 32 3 2 rad s 2 3 1 2 t 6 m 1 分 1 分 v2360cos 0 REF34 3 3 360sin 0 RBF H L h lx 4 2 L x H h 22 4 H L H L h l rtan H L h l h x h lx 2 h H L x 3 3 2 L x H h h H L x 2 Ax v H L v 2 2 分 2 分 13 32 52 34 sin 13 394 sin sin n 38 解 S 发出的临界光线光路如图所示 由几何关系有 1 sin 2 根据折射定律有 sin sin n 由 解得 0 45 此横截面上标尺上被照亮的长度 代入数据得 m 0 1 tan30 tanxdbhhh 1 2x 设此液体的临界角为 则 1 sin n 所示 0 45 则液面上能射出光线部分的长度 00 221 tan45tan30 xPOPOb h 代入数据得 m 2 2m 1 3 31 x 39 解 从O点射入的光线 折射角为r 根据折射定律 有 r n sin 45sin 0 解得 r 30 从某位置P点入射的光线 折射到AB弧面上Q点时 入射角恰等于临界 角C 有 sinC n 1 代入数据得 C 45 PQO中 180 90 C r 15 所以能射出的光线区域对应的圆心角 90 r 45 能射出光线的部分占 AB 面的比例为 2 1 90 45 0 0 40 解析 光线在AB面上折射时有 sin60 nsin 在BC面上出射时 nsin nsin 由几何关系 90 60 30 联立解得 45 60 所以n sin60 sin45 26 光在棱镜中的路程 光在棱镜中光速2 2dS 3 6 CnCv 设垂直距离为 L 所以 30sin CLvS4 3dL 4141 半圆柱体的横截面如图所示 OO为半径 设从 A 点入射的光线在 B 点处恰好满足 全反射条件 由折射定律有 sin1n 式中 为全反射临界角 由几何关系得 S AB C D h h b S 1 O 2 O M P OO B 2 SRLO OB 代入题所给条件得 3 SRL 光学光学 经典高考题经典高考题 全国卷 1 20 某人手持边长为 6cm 的正方形平面镜测量身后一棵树的高度 测量时保 持镜面与地面垂直 镜子与眼睛的距离为 0 4m 在某位置时 他在镜中恰好能够看到整棵树 的像 然后他向前走了 6 0 m 发现用这个镜子长度的 5 6 就能看到整棵树的像 这棵树的高 度约为 A 5 5m B 5 0m C 4 5m D 4 0m 答案 B 解析 如图是恰好看到树时的反射光路 由图中的三角形 可得 0 4m 0 4m 6cm眼睛距镜的距离 眼睛距镜的距离树到镜的距离 镜高 树高 即 0 4m 0 4m 06m0 LH 人离树越远 视野越大 看到树所需镜面 越小 同理有 0 4m 6m0 4m 05m0 LH 以上两式解得 L 29 6m H 4 5m 命题意图与考点定位 平面镜的反射成像 能够正确转化为三角形求解 全国卷 2 20 频率不同的两束单色光 1 和 2 以相同的入射角从同一点射入一厚玻璃板 后 其光路如图所示 下列说法正确的是 A 单色光 1 的波长小于单色光 2 的波长 B 在玻璃中单色光 1 的传播速度大于单色光 2 的传播速度 C 单色光 1 通过玻璃板所需的时间小于单色光 2 通过玻璃板所需的时间 D 单色光 1 从玻璃到空气的全反射临界角小于单色光 2 从玻璃到空气的全反射临界角 眼睛 树的像 树 答案 AD 解析 由折射光路知 1 光线的折射率大 频率大 波长小 在介质中的传播速度小 产 生全反射的临界角小 AD 对 B 错 sin sin i n r 在玻璃种传播的距离为 cos d l r 传播速度 为 c v n 所以光的传播事件为 sin2 sin sin cossin2 ldidi t vcrrcr 1 光线的折射角小 所经历的 时间长 C 错误 命题意图与考点定位 平行玻璃砖的折射综合 新课标卷 33 物理 选修 3 4 1 5 分 如图 一个三棱镜的截面为等腰直角 ABC A 为直角 此截面所在平面内的 光线沿平行于 BC 边的方向射到 AB 边 进入棱镜后直接射到 AC 边上 并刚好能发生全反射 该棱镜材料的折射率为 填入正确选项前的字母 A 6 2 B 2 C 3 2 D 3 答案 A 解析 根据折射率定义有 2sin1sin n 13sin n 已知 1 450 2 3 900 解得 n 6 2 北京卷 14 对于红 黄 绿 蓝四种单色光 下列表述正确的是 在相同介质中 绿光的折射率最大 红光的频率最高 在相同介质中 蓝光的波长最短 黄光光子的能量最小 答案 答案 C 解析 红 黄 绿 蓝四种单色光的频率依次增大 光从真空进入介质频率不变 B 错 由色散现象同一介质对频率大的光有大的折射率 A 错 频率大的光在真空中和介质中的 波长都小 蓝光的波长最短 C 正确 频率大 光子能量大 D 错 上海理综 9 使用照相机拍摄清晰满意的照片 必须选择合适的曝光量 曝光量 P 可 以表示为 P 2 d k f t 式中k为常数 d为照相机镜头 通光孔径 的直径 f为照相机镜头的焦 距 t为曝光时间 将 d f 的倒数 f d 称为照相机的光圈数 一摄影爱好者在某次拍摄时 选择 的光圈数是 8 曝光时间是 1 30 s 若他想把曝光时间减少一半 但不改变曝光量 那么光圈 数应选择 A 4 B 5 6 C 8 D 11 答案答案 B 上海物理 6 根据爱因斯坦光子说 光子能量E等于 h为普朗克常量 c 为真空中 的光速和波长 A c h B h c C h D h 答案答案 A 解析 解析 c Ehvh 本题考查光子能量公式和光速公式 难度 易 天津卷 8 用同一光管研究 a b 两种单色光产生的光电效应 得到光电流 I 与光电管 两极间所加电压 U 的关系如图 则这两种光 A 照射该光电管时 a 光使其逸出的光电子最大初动能大 B 从同种玻璃射入空气发生全反射时 a 光的临界角大 C 通过同一装置发生双缝干涉 a 光的相邻条纹间距大 D 通过同一玻璃三棱镜时 a 光的偏折程度大 答案答案 BC 重庆卷 20 如题 20 图所示 空气中在一折射率为2的玻璃柱体 其横截面是圆心角 为 90 半径为 R 的扇形 OAB 一束平行光平行于横截面 以 45 入射角照射到 OA 上 OB 不透光 若只考虑首次入射到圆弧AAB上的光 则AAB上有光透出部分的弧长为 A 1 6 R B 1 4 R C 1 3 R D 5 12 R 答案答案 B 解析 根据折射定律 rsin 45sin 2 可得光进入玻璃后光线与竖直方向的夹角为 30 过 O 的光线垂直入射到 AB 界面上点 C 射出 C 到 B 之间没有光线射出 越接近 A 的光线入射 到 AB 界面上时的入射角越大 发生全反射的可能性越大 根据临界角公式 2 1 sin C得临 界角为 45 如果 AB 界面上的临界点为 D 此光线在 AO 界面上点 E 入射 在三角形 ODE 中可求得 OD 与水平方向的夹角为 180 120 45 15 所以 A 到 D 之间没有光线 射出 由此可得没有光线射出的圆弧对应圆心角为 90 30 15 45 为 1 4 R 江苏卷 12 选做题 B B 选修模块 选修模块 3 43 4 1212 分 分 1 激光具有相干性好 平行度好 亮度高等特点 在科学技术和日常生活中应用广泛 下面关于激光的叙述正确的是 A 激光是纵波 B 频率相同的激光在不同介质中的波长相同 C 两束频率不同的激光能产生干涉现象 D 利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离 2 如图甲所示 在杨氏双缝干涉实验中 激光的波长为 5 30 7 10 m 屏上 P 点距双缝 1 s和 2 s的路程差为 7 95 7 10 m 则在这里出现的应是 选填 明条纹 或 暗条纹 现改用波长为 6 30 7 10 m 的激光进行上述实验 保持其他条件不变 则屏上的条纹间距 将 选填 变宽 变窄 或 不变 3 如图乙所示 一束激光从 O 点由空气射入厚度均匀的介质 经下表面反射后 从上 面的 A 点射出 已知入射角为 i A 与 O 相距 l 介质的折射率为 n 试求介质的厚度 d 答案答案 1 D 2 暗条纹 变宽 解析解析 7 95 1 5 5 30 波程差是半波长的奇数倍 是暗条纹 I x d 变大 x 变大 变宽 3 设折射角为 r 折射定律 sin sin i n r 几何关系2 tanldr 解得 22 sin 2sin ni dI i 江苏卷 12 选做题 C 选修模块 3 5 12 分 1 研究光电效应电路如图所示 用频率相同 强度不同的光分别照射密封真空管的钠极 板 阴极 K 钠极板发射出的光电子被阳极 A 吸收 在电路中形成光电流 下列光电流 I 与 A K 之间的电压 ak U的关系图象中 正确的是 2 钠金属中的电子吸收光子的能量 从金属表面逸出 这就是光电子 光电子从金属 表面逸出的过程中 其动量的大小 选填 增大 减小 或 不变 原因是 3 已知氢原子处在第一 第二激发态的能级分别为 3 4eV 和 1 51eV 金属钠的截止 频率为 14 5 53 10 Hz 普朗克常量 h 34 6 63 10 JAs 请通过计算判断 氢原子从第二激发态 跃迁到第一激发态过程中发出的光照射金属钠板 能否发生光电效应 解析 1 选 C 本题考查光电效应规律