高三物理第14讲光学(教案)Word版含解析【KS5U高考】

1、第14讲 光学适用学科物理适用年级高三适用区域全国课时时长（分钟）120知识点1:光的折射、全反射2:光的干涉、衍射3:光程与半波损失教学目标1: 了解光学的考查特点2:掌握基本知识和解题方法。3:学会利用光路图辅助解题教学重点1:机械振动2：波的周期性教学难点1:光的干涉、衍射2：光程与半波损失【重点知识精讲和知识拓展】、光的独立传播规律当光线从不同方向通过透明媒质中一点时互不影响，不改变频率仍按原方向传播的规律。、折射率1 .相对折射率：光从 1媒质进入2媒质。2 .绝对折射率：任何媒质相对于真空的折射率。三、发生全反射的临界角：光从折射率为n的介质进入真空，其临界角质，其临界角 C=ar

2、csin （m/ni）。.四、透镜成像1.透镜公式若u为物距，v为像距，而f为焦距，则有:、， v像长放大率：m （线放大率）sin iv1n2i sin rv2sinicn -sinrvC=arcsin (1/n);光从折射率为ni的介质进入折射率为n2的介u 物长111u v f2.v一一，、k一（面放大率）说明：(1)上述公式适用范围：面镜，薄透镜。(2)适用条件：近轴光线；镜的两侧光学媒质相同。(3)符号规定：“实正、虚负”的原则。2 .透镜成像作图法：主要依据三条特殊光线确定像的位置。平行主轴的光线，经凸透镜折射后通过焦点，若为凹透镜，折射光线的反向演唱像通过焦点；通过焦点的光线，经

3、凸透镜折射后与主轴平行，若为凹透镜，指向透镜另一侧焦点的光线经折射后与主轴平行；通过光心的光线，经透镜后方向不变。以上三条特殊光线中的任何两条，可以确定像的位置。3 .实像和虚像：两条实际光线的交点为实像点；光线反向延长线的交点为虚像点。像点位置确定后，也同时确定了像的虚实、倒正和大小。实像用光屏接收，经光屏的反射用眼观察。虚像必须用眼直接观察。五、球面镜的焦距可以证明，球面镜的焦距 f等于球面半径 R的一半。且凹透镜的焦距为正值，凸透镜的焦距为负值。六.眼睛和光学仪器(1) 眼睛 人眼结构：水晶体：即眼珠，由折射率为 1.42的胶状透明物质组成的双凸透镜，前、后面曲率半径分别 为1厘米和0.

4、6厘米。 玻璃液：水晶体被一种透明淡盐溶液包围，这种溶液称玻璃液，折射率为1.33。瞳孔：玻璃液被称为巩膜的白色坚韧的膜包围，形成眼球，直径约为 2.4厘米。眼球前方有一小远控，称为 瞳孔。外来光束过弱时，瞳孔直径可扩大到0.8厘米。 视网膜：眼球后方有一极薄的膜，称为视网膜。由视神经把视网膜和大脑联系起来。人眼的调节功能： 自调节：水晶体有自我调节功能，使它的曲半径变化，从而自动改变焦点，使物体在视网膜上成像。近点和远点：眼睛能看清楚的最近点称为近点；最远点称为远点。随着年龄增加，近点逐渐变远，远点逐渐 变近。 非正常眼：正常眼能看清楚眼前25厘米处物体的细节，故把 25厘米称为明 视距离。

5、远点不在无限远而在眼前有限的距离，称为近视眼。可用凹透镜矫正。近点离眼很远的，称为远视眼，可用凸透镜矫正。眼珠在不 同方向的平面内曲率不同，称为散光眼，可用非球面透镜矫正。(2) 照相机：由物镜、快门、暗箱等组成。用感光片记录物体倒立实像，经显影和定影后，得到明暗对比与物体相 反的负片。如为彩照，负片的色彩与物体互成补色。快门控制感光片曝光时间，暗箱防止漏光。物镜中装有调 节直径大小的光圈，用来改变像的照度，缩小光圈还可增加成像的景深。复杂的照相机装有可变焦距的物镜。(3) 放大镜：一个焦距f很短的会聚透镜。f远小与明视距离s,作用是放大物体在视网膜上所成的像。像所s张的视角与肉眼观察时物体在

6、明视距离处所张的视角之比，定义为放大镜的视角放大率M, M 上。f(4) 幻灯片：使透明图片在屏幕上成放大倒立实像的仪器，由光源、聚光器和放映镜头(凸透镜)等组成。(5) 显微镜 . 结构：在放大镜(目镜)前加一个称为物镜的焦距极短的会聚透镜，组成显微镜。物体放在物镜物方焦点外侧附近，经物镜成放大实像于目镜物方焦点内侧附近。再经目镜成放大虚像于明视距离以外。 . 放大倍 率：物镜、目镜的焦距分别为f0和fe ,如光学筒长为 ，明视距离为 S,则显微镜放大倍率为：M 号一负号表示像是倒立的。fo fe(6) 望远镜镜做目镜的，.放大倍率：用.最小分辨角：决定：0七.光的干涉(1)、双缝干涉:.结

7、构：物镜为凸透镜，焦 距较长，把无穷远处的物成像在物镜的像方 ,焦平面上。目镜有两类，用短焦距凸透 称为开普勒望远镜，成倒立像。用短焦距凹透镜做目镜的，称为伽利略望远镜，成正立像。S0、fe表示物、目镜的焦距，则放大倍率为M 包，负号表示像是倒的。fe望远镜能辨别远处两物点的最小角距离称为最小分辨角。由光波波长和望远镜的通光孔 D所1.22 .D在用单色光做双缝干涉实验时，若双缝处光的振动情况完全相同，则在光屏上距双缝的路程差为光波波长整数倍的地方出现明条纹；光屏上距双缝的路程差为光波半波长的奇数倍的地方出现暗条纹理论和实验都证明，在实验装置不变的条件下，干涉条纹间距(相邻两条明条纹中心或相邻

8、两条暗条纹中心间的距离)跟波长成正比。所以从红光到紫光的干涉条纹间距将越来越小。在用白光做双缝干涉实验时，除中央亮条纹为白色外，两侧均为彩色的干涉条纹。(2)、薄膜干涉：光照射到薄膜上时，被膜的前、后表面反射的两列光相叠加，也可发生干涉现象.若入射光为单色光，可形成明暗相间的干涉条纹；若入射光为白光，可形成彩色的干涉条纹温馨提示：利用双缝干涉可以精确测定光的波长，而薄膜干涉常用于检查平面质量和镜头的增透膜。八.光程光在介质中传播的路程 L与该介质的折射率 n的乘积nL称为光程，即S=nL.光在传播过程中其位相变化 A与光程的关系是更2 S2 。式中人为光在真空中的波长。在真空中或空气中n=1,

9、光传播的路程就等于光程。九、半波损失光由光疏介质射向光密介质在两介质分界面上发生反射时，光的相位要发生180°的变化，相当于有半个波长的光程差，称为半波损失。反之，当光由光密介质射向光疏介质在分界面上发生反射时，其相位不发生变化，因此，这时没有半波损失。十.光的衍射光离开直线路径而绕到障碍物阴影里的现象叫做光的衍射现象只有在障碍物或孔的尺寸比光的波长小或者跟波长差不多的条件下，才能发生明显的衍射现象.著名的泊松亮斑就是典型的光的衍射现象 .十一.光的电磁说(1)、麦克斯韦电磁场理论认为光是一种电磁波.赫兹用实验证实了光的电磁本性 .(2)、电磁波谱：电磁波按波长由大到小的顺序排列为：

10、无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、丫射线.其产生机理、性质差别、用途等可概括如下表：波谱无线电波红外线可见光紫外线X射线丫射线产生机理振荡电路中自由电子运动原子外层电子受激发原子内层电子受激发原子核受激发特性波动性强热效应引起视觉化学作用、荧光效应、杀菌贯穿作用强贯穿本领最强应用无线电技术加热、遥感照明摄影感光技术医用消毒检查探测医用透视工业探伤医用治疗十二.光谱和光谱分析光谱分析：根据光谱鉴别物质和确定它的化学组成的方法叫做光谱分析【典例精析】例1 .凸透镜成像时，物距u、像距v和焦距f之间的关系为1/f=1/u+1/v 。.一架以108km/h匀速飞行的飞机要航拍与地面景物比例为1

11、 ： 5000的照片时，其飞行高度应为1000m.试求:(1)航拍员所用照相机的焦距有多大？（2）若要用这架照相机航拍与地面景物的比例为1 ： 2000的照片，则:飞机的飞行高度应多高？ 航拍时，景物在胶卷上所成像的位移不能超过0.1mm,其像才不至于模糊。.这时航拍员应选取多大的快门，所拍摄的像才不至于模糊 ？（注：照相机上的快门数据，为快门开启时间的倒数）【答案】：见解析【解析】：（1） 根据凸透镜成像时的光路图成相似三角形的关系可得，放大率 卜=二: T =50001111 500。15W。广3 1= * ye -丑 J/ IE v liu1000 1000(2)££

12、 2DDDU2000=200mm = 3.2m2000Au 0.2 面 1所以快门应选取“ 150”及以上。0.72m时，再一次出现了清晰的像。求透镜的焦距例2. （2014华约自主招生物理试题）蜡烛与光屏的间距为1.8m。从蜡烛处开始移动透镜，第一次在光屏上出现清晰的像之后，又向前移动了【答案】：见解析【解析】：令光源蜡烛与光屏之间的距离为 L,两次成像时，物距(物体与透镜的距离)分别为以和出二，像距分别 为力和吃,两次透镜间距离为d,则由成像公式111% %一解得(1)由对称性(或光路可逆性)，交换蜡烛与光屏的位置，则成像时透镜在同样位置，故:可得址1+巧=1, Uj - ufl = d.

13、, %一丐=4由上述四式可得：u =- CL + d)(2)2(2)(3)带入(1)得：f三与;4-X0378m【点评】此方法在实验上称为位移法测透镜焦距，也叫二次成像法。解答此题所需要的知识是初中物理的凸透镜成像公式。例3:在杨氏双缝干涉实验中，已知缝 A和B的间距为d=3.3mm,狭缝到光屏的距离 L=3.0m,单色光的波长 =500nni(1)试计算两相邻亮条纹的间距 x。(2)若在狭缝B后插入一厚度为10 dm的两面平行的玻璃片，如图所示，试确定由此引起的条纹移动方向。(3)若已知插入上述玻璃片后，光屏上条纹移动了4.73mm,试求此玻璃片的折射率。【答案】：见解析【解析】：(1)由双

14、缝干涉实验条纹间隔公式可得两相邻亮纹的间距= = 0A5xl0-am(2)插入玻璃片后，由于玻璃片折射率大于空气，所以有B到M的光程增大，图中 M点的条纹图样下移。即由此引起的条纹移动方向向下。(3)干涉条纹移动一级就相当于两缝到光屏的光程差变化了一个波长。由公=155,可知干涉条纹图样下移10.5级，所以BM之间的光程增加了 10.5，增加的光程为 8 =(n-1)L=10.5入.。解得n=1.525.例4.由于生态环境被破坏，地表土裸露，大片土地沙漠化，加上干旱少雨，.我国北方地区春天会出现扬尘天气甚至沙尘暴。据环保部门测定，在北京地区出现严重沙尘暴时，最大风速可达到12 m/s,同时由于

15、大量微粒在空中悬浮，天空呈橙黄色，能见度只有50m左右。(1)根据光的散射规律可知，当空中悬浮的微粒直径d与入射光的波长入之比d/入=0.1时，该波长的光散射最强。在空气洁净时，主要是大气中的气体分子在散射日光，其中蓝光被散射得最强，所以天空呈蓝色。发生沙尘暴时由于悬浮微粒对光的散射，使得天空呈橙黄色，已知橙黄色光波的平均波长为6.0 X10-7m,请计算悬浮微粒的平均直径为多大。(2)若某次沙尘暴使空气中悬浮微粒的最高浓度达到5.8x10-6 kg /n3,已知单个悬浮微粒的密度为2.0 X103k/m3,这时1.0cm3的空气约含多少颗悬浮微粒 ？(3)在一般扬尘天气，风力发电机还可以正常

16、工作。已知风力发电机将空气的动能转化为电能的效率为20%,空气密度为1.29 kg /岳，某风力发电机风车的有效受风面积为 4.0 m2,此风力发电机在风速为 10 m/s时的输 出电功率为多大？【答案】：见解析【解析】：因为:时，该波长的光散射最强，所以沙尘的平均直径d = 0.1,1 = 6.0 x(4分)沙尘暴天气是，的扬尘空气中所含悬浮微粒的总体积为:V = - = 23 x 10-（1 分）P每个悬浮微粒的平均体积为：%=詈=冥1T (2分)D的空气中所含悬浮微粒的数量为N = T- = Z6 X 1C (2分)所以1.0 cm3的空气中所含悬浮微粒的数量为丸=2,6x 1胪个 (1

17、分)(3) 1s内吹到风车上的空气的体积为:（2分）这些空气具有的动能为：/ 制即铲（2分）风力发电机的输出功率为:P = n% = 2 螳=516W(2 分)例5、如图所示，L为薄凸透镜，点光源 S位于L的主光轴上，它到L的距离为36cm； M为一与主光轴垂直的挡光圆板，其圆心在主光轴上，它到 L的距离为12cm； P为光屏，到L的距离为30cm。现看到P上有一与挡光 板同样大小的圆形暗区 abo求透镜的焦距。1 1ZC1E36cm SO cmS经挡光圆板边缘（譬如图中的【答案】：见解析【解析】：光屏上的暗区是由于挡光圆板挡住部分光线而形成的。因而从点光源c点）射到透镜上的 H点的光线ScH

18、,静透镜折射后，出射光线应经过暗区的边缘的某点。这点可以是暗区的边缘点a,也可以是暗区的另一边缘点bo也就是说符合要求的像点有两点：5；、兄先求与像点工相应的焦距人设r表示圆板与暗区的半径，以u表示物距，,土表示像距。(1)(2)由成像公式得：-+ = T- (3)M Vl Fl解(1) (2) (3)式得 & = 25.7cm再求与像点 鼻 相应的焦距月.以w表示像距。由成像公式得：- + - = -(6)11 也 用解(1) (5) (6)式得月=1251例6:雨过天晴，人们常看到天空中出现彩虹，它是由阳光照射到空中弥漫的水珠上时出现的现象.在说明这个现象时，需要分析光线射入水珠后

19、的光路.一细束光线射入水珠，水珠可视为一个半径为R的球，球心O到入射光线的垂直距离为d .水的折射率为n .(2)求这束光线从射向水珠到射出水珠每一次偏转的角度.【答案】：见解析【解析】：(1)光路如图(a)所示.(0)(2)以F、L表示入射光线的入射角、折射角，由折射定律有sin F =印占沆f ,以£工、% 瞑表示每一次偏转的角度，由图(b)所示，由反射定律、*)折射定律和几何关系可知(1)在图上画出该束光线 射入水珠内经一次反射后又从水珠中射出的光路图.一 一 ， 一 一 ，/”：由以上各式解得电=且皿口%-aE崂。内二口一 2aicsindnR叫 二 arcsui arcxi

20、ii n例7.假设把地球大气等效为一个具有一定厚度和折射率均匀的透光气体球壳。其折射率取n=1.00028 ,把地球看作圆球。当太阳在地球某处正上方时，该处的观察者看太阳时的视角比太阳对观察者所在处的张角相差多少？已知太阳半径 Rs=6.96X 10 8m,日地距离r e=1.50 X 1011m)【答案】：见解析【解析】：当太阳在地球上观察者正上方时，观察者看太阳时的视角以2%表示；太阳对观察者所在处的张角以2。2表示；0 2和。1也就是太阳边缘发出的光线经过大气层表面时的入射角和折射角，如图所示。由于这两个角很小，所以折射定律可以写成：n 0 1= 0 2O其中:2：Rse观察者看太阳时的

21、视角 与太阳对观察者所在处的张角之差为： =2 0 1-2 0 21 . n 2R联立解得：=二n 上代入数据解得： =- 2.60 x 10-6rad 。例8: 一赛艇停在平静的水面上，赛艇前端有一标记 P离水面的高度为 h1=0.6m,尾部下端 Q略高于水面;赛艇正前方离赛艇前端 S1 =0.8m处有一浮标，示意如图。一潜水员在浮标前方S2=3.0m处下潜到深度为h2=4.0m时，看到标记刚好被浮标挡住，此处看不到船尾端Q继续下潜 h=4.0m,恰好能看见 Q。求（i）水的折射率n;（ii ）赛艇的长度1。（可用根式表示）【答案】：见解析【解析】：（i ）设过P点光线，恰好被浮子挡住时，入

22、射角、折射角分别为c（x 则:sina =(1)s Ln i n =-£i-n|J(2)(3)由(1) (2) (3)得：n =-.心（ii ）潜水员和Q点连线与竖直方向的夹角刚好为临界角C,则:mic十:（4）tanC =(5)由（4）（5）得：1二层一 3田”城工例9. （2012北约自主招生真题） OA OB是两面镜子，成 36°夹角，观察者 S在两镜之间，则人从A镜中最多能看到个像；从B镜中最多能看到个像。【答案】5个像；5个像。【解析】根据平面镜成像规律可画出示意图如图。S在A平面镜中成像 S,在B平面镜中成像 S2； S1在B平面镜中成像 S,及在A平面镜中成像

23、 S4； S4在B平面镜 中成像S6,S3在A平面镜中成像 G;S5在B平面镜中成像S7,&在A平面镜中成像S;S8在B平面镜中成像Sio,S7在A平面镜中成像由图可知，人从 A镜中最多能够看到的是 Si、S、&、&、S9共五个像，从 B镜中最多能看到S2、S3、S6、S7、Sio共五个像。【经典精练】1. （2013北约自主招生）人在平面镜前看到站在自己身边朋友在镜中的像时，虽然上下不颠倒，左右却互换 了。今将两块相互平行的平面反射镜如图放置，观察者 A在图示右侧位置可看到站在图示左侧位置的朋友B,则A看到的像必定是（）A.上下不颠倒，左右不互换B.上下不颠倒，左右互

24、换C.上下颠倒，左右不互换D.上下颠倒，左右互换解折：根据平面楂成辑规律.A看型的像定是上小,颠倒，左右不互模.选独A正确.等都A【点评】上阅所示装苴实际上是督空3.此题节置平面镜或俯“难度不大,2: （2013年华约自主招生）如图所示，凸透镜和球面反射镜的中心与光源S在同一条直线上。半径为 R的球面反射镜放置在焦距为 f的凸透镜右侧，其中心位于凸透镜的光轴上，并可沿凸透镜的光轴左右调节。（1）固定凸透镜与反射镜之间的距离l ,将一点光源放置于凸透镜的左侧光轴上，调节光源在光轴上的位置，使该光源的光线经凸透镜一一反射镜一一凸透镜后，成实像于点光源处。问该点光源与凸透镜之间的距离d可能是多少？(

25、2)根据(1)的结果，若固定距离 d,调节l以实现同样的实验目的，则 l的调节范围是多少？解析 (1)可分下制三科情况付论.第一独情况t通过调节光源与遥统之间的距离d里, 如臣1所示&当叶氏即由尤德发出的任芭光统用过凸涛餐后口点光源成像干、造噫古网把粉上的点,而匚 京正好处于球面反射樵的球1,电菖匕无线会衿反期推的半部方向入井到底上面.并将 沿同一雌反射回E,所有这番闷光线里海会聚于尤源所在点.由遇僦成偲公式，第二肿情况 通过调节光源与透精N网的距离d值<d<f).如图士所示“当什RK. T-O.即由光海唆出的任意限穿过凸透辑后。点光源专营熊于凸逸镌左例I光轴上的C点, 而

26、C点正好处于球面反射错的球泄置上.史豉会沿反射橇的 半校方向入射到它上面，并将沿同一悠仔反射回去，所有这样的光线都用亲炎于光源所在直v由透盘底津公定.1-1+1 J V /第三种情况如正好有条件艮4调节左倒光源与£造错之|可能d值“X.如图3所示.根据d%E, R=L由透虢成像公武，1 =2-L d R f解得由出口对应中的二种情况，时应于第一种情况r即根据QF当必泣,并现同样的实验目的，J的调节考国是.对应于第二种情况，即根据也已当仁理/+ ?-/实现同样的安疆目的.1的调节死囤是：度以对应干第三种情况，即根混dAF,当did-，了十鼻买叫同样的辞目的,，的调节范围是二Rr【点评】

27、此题涉及的知识是初中物理的凸透镜成像和凹面镜成像，但是能力要求较高。此题给出的信息是高校自 主招生重点在于考查运用知识的能力。3: （2012卓越自主招生）如图，A和B两单色光，以适当的角度向半圆形玻璃砖射入，出射光线都从圆心沿OC方向射出，且这两种光照射同种金属，都能发生光电效应，则下列说法正确的是A. A光照射该金属释放的光电子的最大初动能一定比B光的大B. A光单位时间内照射该金属释放的光电子数一定比B光的多C.分别通过同一双缝干涉装置，A光比B光的相邻亮条纹间距小D.两光在同一介质中传播，A光的传播速度比B光的传播速度大管紧,AC解析由尤昭臼可知，A光折射率校大.月光颜率较高,由光电效

28、应方程可如，/光照 射该亲属样放的光电子的最大初勘捷一定比3光的大.选项A正南*由于从题集不 知两束光的轮度，不能判断A光甲在叶问内眼时该钙恒族的光电子数是吾一定比 E元的争，选前己错误.根据纸谦干陟手纹网隔公式可如，两引光分剜通过同一蜕 建工衿奘置，月光比方优的指相亮条纹间距小,逝项U工琳由比=两光在目 一介质用仿播,W元的隹播电度比3光晌传嘴更度选项D错误*4: （2012年华约自主招生）若实心玻璃管长40cm,宽4cm,玻璃的折射率为 2/、/3 ,光从管的左端正中心射入，则光最多可以在管中反射几次（40 cmA. 5 B .6 C .7 D .8苔募B解析，入射角魅大，折时角越大，尤左管中反射史魏谑第七当入射自接近9T时，由折射定律可用折射用l6T u发生笫一次反射,光涔板埔管巾