2023届高考物理一轮复习：第30讲 光学

知识图谱第30讲光学光学光学知识精讲一.光的折射2.介质的折射率(1)定义：光从真空射入某种介质，入射角的正弦跟折射角的正弦之比，叫做介质的折射率。(2)公式：,折射率总大于1,在介质中的传播速度v<c。(3)折射率的大小取决于介质本身和入射光的频率，与入射角的大小无关。某一频率的光在不同介质中传播时，频率不变，折射率不同，光速不同，波长也不同；不同频率的光在同一介质中传播时，折射率不同，4.测量玻璃的折射率(2)实验器材：玻璃砖、白纸、木板、大头针四枚、图钉四枚、量角器、三角板(或直尺)、铅笔。(3)利用平均值法求玻璃的折射率：根据测量数据求出各组,再算求这n组的平均值即为玻璃的(4)利用图像法求折射率：用sini表示纵坐标，用siny表示横坐标，把各组对应的数据描到坐标纸上，根据所描的点用过原点的直线使所描点尽量落在所画的直线上，或均匀后分布于直线的两(5)利用做图法求折射率：由下图可知：1.全反射的定义：光从光密介质射向光疏介质时，同时发生折射和反射，当入射角增加到某一(1)光从光密介质射向光疏介质；(2)入射角大于或等于临界角。3.临界角C:是指折射角为90°时的入射角，当光线从某介质射入真空(或空气)时，其临界角的正弦值为4.全反射的应用(1)全反射棱镜(2)光导纤维乙三.光的干涉S红滤色片1801年英国物理学家托马斯·杨在实验室里成功的观察到光的干涉现象。2.干涉图样的特点(1)明暗相间；(2)亮纹间等距，暗纹间等距；(3)两缝隙Si、S₂中垂线与屏幕相交位置是亮条纹，即中央亮纹。3.光的干涉现象两列频率相同、振动情况相同的光波相叠加，某些区域出现振动加强，某些区域出现振动减弱，并且加强区域和减弱区域总是相互间隔的现象叫光的干涉现象。只有相干光源发出的光叠加，才会发生干涉现象。相干光源是指频率相同、相位相同的两列光波。4.决定双缝干涉条纹间距的条件(1)当两束振动情况相同的光源产生的光相互叠加时，出现明条纹的条件是屏上某点P到两个相干光源Si和S₂的路程差等于波长的整数倍或半波长的偶数倍，即；当k=0时，即PSi=PS₂,此时P点处的明条纹叫做中央亮条纹；单色光的双缝干涉中相邻亮条纹间距离为(2)出现暗条纹的条件是屏上某点P到两个相干光源S₁和S₂的路程差等于半波长的奇数倍，即[PS₁-PS₂I暗条纹中心的位置为：。四.实验用双缝干涉测量光的波长可以计算出单色光的波长,公式中△x为相邻两条亮纹间的距离，波长用n表示，d表示两个狭缝之间的2.实验仪器及步骤(1)实验仪器(双缝干涉仪):包括光源，虑光片，单缝、双缝、遮光筒，光屏，光具座，测量头及刻度(2)测量单色波的波长时，实验注意事项：的读数；转动手轮，使分划板的中心刻线移动至另一条亮纹的中央，记下此时的读数，得出n个亮条纹间的距离a,则相邻两条亮纹间距;用刻度尺测量双缝到光屏的距离，是已(3)利用游标卡尺测量条纹间距的举例说明：图中，游标尺第4刻线与主尺刻线对齐，故读数为：11mm+0.1m×4=11.4mm;下半部分的图中，游标尺第7五.光的衍射2.发生明显衍射的条件：只有当障碍物的尺寸和光的波长相差不多，甚至比光的波长还小的时候，衍射3.衍射与干涉的区别：光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠(1)单缝衍射，对于单色光而言，形成明暗相间的不等距条纹，中央亮纹最宽最亮，两侧条纹具有对称(2)圆孔衍射：明暗相间的不等距圆环，圆环面积远远超过孔的直线照明的面积。(3)圆盘衍射：明暗相间的不等距圆环，中心有一亮斑，称为泊松亮斑。圆屏(盘)衍射三点剖析光的折射和全反射例题1、热反射玻璃一般是在玻璃表面镀一层或多层诸如铬、钛或不锈钢等金属或其化合物物，且室内也能看到室外的景物，其清晰程度取决于室外照度的强弱。根据以上信息和你所学过的物理知识判断，例题2、如图所示，某液体的折射率为√2,液面上有一点光源S发出一束光垂直入射到水平放置于液体中且距液面为d的平面镜M上，当平面镜M绕垂直纸面过入射点O的轴以角速度w做逆时针匀速转动时，岸上的观察者发现水面上有一光斑掠过，则观察者观察到的光斑在水面上掠过的最大速度为多少?S例题3、(1)如图所示为一列向右传播的简谐横波传到质点a点时的波形，波速为v=6m/s,质点b、c的坐标分别为xh=96m,xc=36m,以图示时刻为计时起点，下列说法中正确的是(填正确答案标号)A.该波的振动周期为4sB.该波传播到质点c时，质点a通过的路程为6mC.质点b开始振动时，振动方向沿y轴负方向D.t=12s时质点b第一次到达波谷，此时质点a经过平衡位置向y轴负方向振动E.质点b到达波峰时，质点c经过平衡位置向y轴正方向振动①若玻璃半球对紫色光的折射率为n=√2,请你求出圆形亮②若将题干中紫光改为白光，在屏幕S上形成的圆形亮区的边缘是什么颜色.随练1、[多选题]如图所示，一单色光由介质I射入介质Ⅱ,在界面MN上发生偏折.下列说法正确的是()A.该光在介质I中传播的速度大从AO面的C点射入玻璃砖，折射光线CD与OB面平行，且刚好从圆弧AB的中点D射出，光在真空中传播速度为①单色光从C传播到D所用的时间；②光线从D点出射后，与OB的延长线的交点离B点的距离。光的波动性例题1、[多选题]虹是由阳光射入雨滴(视为球形)时，经一次反射和两次折射而产生色散形成的。现有白光束L由图示方向射入雨滴，a、b是经反射和折射后的其中两条出射光线，如图。下列说法正确的是()D.若分别让a、b两色光通过同一双缝装置，则b光形成的干涉条纹的间距较大例题2、[多选题]两种单色光束a,b分别照射C.a光的频率大于b光的频率D.同一种介质对a光的折射率小于对b光的折射率例题3、[多选题]一般认为激光器发出的是频率为v的"单色光",实际上它的频率并不是真正单一的，激光频率v到平行液膜的上表面，射入时与液膜上表面成θ角.则下列说法正确的是()A.a光从下表面射出时与入射光线间偏移的距离较大例题4、如图所示的4种明暗相间的条纹，分别是红光、蓝光通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样和黄光、紫光通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分代表亮纹),那么1、2、3、4四个图中亮条纹的颜色依次是()例题5、用干涉法检查平整的工件表面，产生的干涉条纹是一组平行的直线，若角度，如图所示，干涉条纹将()A.Q光穿过该玻璃砖所需的时间比P光短B.P光的波长比Q光的波长小C.PQ两束光以相同的入射角从水中射向空气，若Q光能发生全反射，则P光也一定能发生全反射随练2、[多选题]科学家发现光既能像波一样向前传播，有时又表现出粒子的特征，因此我们称光的“波粒二象性",光的干涉、衍射和偏振说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性，下面我们分别研究这些现象.乙A位置读数A位置读数实验：测玻璃折射率和测光的波长=0.20mm的双缝屏。从仪器注明的规格可知，像屏与双缝屏间的距离L=700mm。然后，接通电源使光源正常工甲丙①已知测量头上主尺的最小刻度是毫米，副尺(游标尺)上有20分度。某同学调整手轮后，从测量头的目镜看去，利用上述测量结果，经计算可得经滤光片射向双缝的色光的波长λ=m(保留2位有效数字)。仍能观察到清晰的条纹，且条纹数目有所增加。以下改动A.仅将滤光片移至单缝和双缝之间C.仅将单缝与双缝的位置互换(1)分划板在图中A、B位置时游标卡尺读数xA=11.1mm,xB=mm,Axmm(2)波长的表达式n=(用Ax、L、d表示),该单色光的波长λ=m;例题4、学校开展研究性学习，某研究小组的同学根据图所示，在一圆盘上，过其圆心O作两条互相垂直的直径BC、EF,在半径OA上，垂直盘面插下两枚大头针P、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，就可直接读出液体折射率(1)若∠AOF=30°,OP₃与OC的夹角为30°,则P₃处所对应的折射率的值为,(2)图中P3、P₄两位置中(填"P₃"或"P⁴")处所对应的折射率大，(3)若保持∠AOF=30°不变，用该装置能测量的最大折射率的值不超过随练1、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，要把它们放在如图所(1)将白光光源C放在光具座最左端，依次放置其它光学元件，由左至右，表示各光学元件的字母排列顺 (2)本实验的步骤有：④用测量头(其读数方法同螺旋测微器)测量数条亮纹间的距离。在操作步骤②时还应注意单缝和双缝间距5cm—10cm和(3)将测量头的分划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2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3中手轮上的示数mm,(4)已知双缝间距d为2.0×10⁻4m,测得双缝到屏的距离L为0.700m,由计算式λ=,求得所测红光波长为nm.(计算结果保留2位有效数字)随练2、某同学利用图示装置测量某种单色光的波长。实验时，接A.将单缝向双缝靠近B.将屏向靠近双缝的方向移动(ii)若双缝的间距为d,屏与双缝间的距离为1,测得第1条暗条纹到第n条暗条纹之间的距离为△x,则单色光的波长λ=;(iii)某次测量时，选用的双缝的间距为0.300mm,测得屏与双缝间的距离为1.20m,第1条暗条纹到第4条暗条纹之间的距离为7.56mm。则所测单色光波长为nm(结果保留3位有效数字)。随练3、(1)在用双缝干涉测光的波长的实验中，所用实验装置如图甲所示①调节分划板的位置，使分划板中心刻线对齐第1条亮条纹的中心，此时手轮上的读数如图乙所示，则读数为 ②如果用上述装置测量氦氖激光器发出激光的波长，则图中除了光源以外，其他不必(2)在"测定玻璃的折射率"实验中，某同学经正确操作插好了4枚大头针，画出完整的光路图，由于没有量角器，他以入射点O点为圆心画圆交入射光线于A点，交折射光线于B点，过A点画法线的垂线与法线交于C点，过B表示为B.t=1.35s时质点a的速度正在增大C.波传到c点时，质点c开始向上振动D.任意时刻质点a与质点a'振动状态完全相同E.若接收器向距它20m的波源S匀速远离，接收器接收到的频率将大于1Hz(2)如图所示，在平静的湖面岸边处，垂钓者的眼睛恰好位于岸边P点正上方0.9m高度处，浮标Q离P点1.2m远，鱼饵灯M在浮标正前方1.8m远处的水下，垂钓者发现鱼饵灯刚好被浮标挡住，已知水的折射率0②若鱼饵灯缓慢竖直上浮，当它离水面多深时，鱼饵灯发出的光恰好无法从水面PQ间射出?玻璃中有一个正三棱柱的真空区域。三棱柱轴线垂直于纸面，图中竖直截面正三角形的边长18cm,顶点C很靠近M,距离可忽略。底边AB与屏幕平行，一束激光在竖直截面内垂直于AB边射向AC边的中点O,结果在屏幕MN衍射和偏振说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性。下面我们分别研究这些现象.偏振现象是光波特有的现象，利用偏振现象可以判断一列波是横波还是纵波.现有两个偏振片紧靠在一起将它们放在一盏灯的前面以致没有光通过(可认为光强为零),如果将其中的一片旋转180度，在旋转过程中，将会产生下4、雨后太阳光入射到水滴中发生色散而形成彩虹，设水滴是球形的，图中的圆代表水滴过球心的截面，入射光的干涉、衍射和偏振说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性，下面我们分别研究张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜，当光垂直入射后，形成干涉条纹，干涉条纹有如下特点：(1)任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；(2)任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定，关于该薄膜干涉，下列说法中正确的是A.干涉条纹是由空气薄层的上下两个面反射A.干涉条纹是由空气薄层的上下两个面反射的光形成的B.干涉条纹是由样板的上下两个面反射的光形成的C.若将该装置中抽去一张纸片，从上往下观察到的干涉变疏D.若将该装置中抽去一张纸片，从上往下观察到的干涉变密6、[多选题]科学家发现光既能像波一样向前传播，有时又表现出粒子的特征，因此我们称光的"波粒二象性".光的干涉、衍射和偏振说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性，下面我们分别研究这些现象，如图所示是一竖立的肥皂液薄膜的横截面，关于竖立肥皂液薄膜上产生光的干涉现象的下列陈述中正确的是A.干涉条纹的产生是由于光线在薄膜前后两表面反射形成的两列光波的叠加B.干涉条纹的暗纹是由于上述两列反射波的波谷与波谷叠加而成C.薄膜上干涉条纹基本上是水平的D.用绿色光照射薄膜产生的干涉条纹间距比黄光照射时小7、某同学利用如图甲所示装置测量光的波长甲(1)将测量头的分划板中心刻线与某亮条纹的中心对齐，将该亮条纹定为第1条亮条纹，此时手轮上的示数为3.730mm,转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮条纹中心对齐，此时手轮上的示数如图乙所示，则图乙读数为mm,已知双缝间距d=0.3mm,双缝到屏的距离L=600mm,由以上数据得这种光的波长λ=nm。(2)以下操作，能使条纹间距变大的是A.将滤光片由红色换成蓝色B.增大单缝到双缝的距离C.增大双缝到光屏的距离D.换一个间距较大的双缝8、利用双缝干涉测光的波长实验中，双缝间距d=0.4mm,双缝到光屏的距离1=0.5m,用某种单色光照射双缝得到干涉条纹如图所示，分划板在图中A、B位置时游标卡尺读数也如图中所示，则：A位置读数B位置读数(1)分划板在图中A、B位置时游标卡尺读数分别为xA=mm,XB=mm,相邻两条纹间距△x_(2)波长的表达式λ=(用Ax、I、d表示),该单色光的波长λ=m;(3)若改用频率较高的单色光照射，得到的于涉条纹间距将(填“变大”、"不变”或“变小”).答案解析 例题1、例题2、且,而设液体的临界角为C,则,可得C=45°例题3、【答案】【解析】(2)①紫光刚要发生全反射时的临界光线射在屏幕S上的点E到亮区中心G的距离r就是所求最大半径.径又由几何知识可知②紫色.当白光从玻璃中射向空气时，由于紫光的折射率最大，则临界角最小，所以首先发生全反射，因此出射光随练2、光的波长大于b光的波长。故B项正确。C:在真空中所有色光的速度相等，据c=Av可得，D:同一种介质对频率高的色光折射率大，同一种介质对a光的折射率小于对b光的折射率。故D项正确。例题3、[多选题]B:由于平行液膜的上表面与下表面平行，光在上表面的折射角等于下表面的入射角，根据光路的可逆性得知，两D:相同装置做双缝干涉实验，干涉条纹间距,b光产生的干涉条纹间距较大。故D项错误。例题4、【解析】双缝干涉的条纹是明暗相间且等距的，故1、3为红光和蓝光的干涉条纹图样，由L知波长大的条纹间距宽，因红光比蓝光的波长长，所以1为红光，3为蓝光；单缝衍射的条纹是明暗相间不等距的，故2、4为黄光和紫光的衍射条纹图样，因波长大的更易发生衍射现象，且黄光比紫光的波长长，所以2为紫光，4为黄光.例题5、随练1、根据光路图可知Q光的偏折较大，所以折射率较大，频率较大，根知Q光在玻璃砖中的速度较小，经过大，D项正确；综上本题选D。随练2、[多选题]随练3、[多选题]实验：测玻璃折射率和测光的波长例题1、②、根据双缝干涉条纹的间距公式知，增大双缝到屏的距离，即L增大，干涉条纹间距增大.③、根据双缝干涉条纹的间距公式知，将绿光换为红光，波长变长，则干涉条纹间距增大.例题2、②D【解析】(1)图中游标卡尺的主尺的刻度为0,游标尺的第5刻度与上边对齐，则读数为：0mm+0.05×5=0.25mm,A到B条纹间的距离为8.40mm,由图可知A到B条纹间的距离为5个条纹宽度，则：根据公式得：(2)对实验装置作了一下改动后，在像屏上仍能观察到清晰的条纹，且条纹数目有所增加，可知各条纹的宽度减A.仅将滤光片移至单缝和双缝之间，λ、L与d都不变，则△x不变。故A错误；B.仅将单缝远离双缝移动少许，λ、L与d都不变，C.仅将单缝与双缝的位置互换，将不能正常观察双缝干涉。故C错误；D.仅将红色滤光片换成绿色的滤光片，λ减小，L与d都不变，则△x减小。故D正确。例题3、(3)变小【解析】(1)B位置游标卡尺的主尺读数为15mm,游标读数为0.1×6mm=0.6mm,所以最终读数为15.6mm。(2)根据双缝干涉条纹的间距公式λ得：(3)根据双缝干涉条纹的间距公式，例题4、知，频率变高，波长变短，则干涉条纹间距变小。【答案】【解析】(1)由图看出，折射角为i=∠AOF=30°,折射角r=∠EOP₃=60°,则P₃处所对应的折射率的值为(2)P₃处对应的入射角较小，根据折射定律，(3)最大的折射角为90°,对应的折射,可知P₃处对应的折射率较小，P₄处对应的折射率较大.,故最大折射率不超过2.随练1、(2)使单缝与双缝相互平行(3)13.870;2.310(或2.31)【解析】(1)为获取单色线光源，白色光源后面要有滤光片、单缝、双缝。(2)在操作步骤②时还应注意使单缝与双缝相互平行，使一个线光源变为频率相等的两个线光源。(3)图3,螺旋测微器固定刻