专题12 光学（精讲）

学而优教有方年高考物理二轮复习讲练测专题12光学（精讲）精讲考点精讲内容考点1光的折射、全反射和色散考点2光的干涉、衍射和偏振【知识体系构建】【典例方法突破】光的折射、全反射和色散【例1】（2023年浙江卷）如图所示为一斜边镀银的等腰直角棱镜的截面图。一细黄光束从直角边以角度入射，依次经和两次反射，从直角边出射。出射光线相对于入射光线偏转了角，则（）A．等于 B．大于C．小于 D．与棱镜的折射率有关【答案】A【详解】如图所示设光线在AB边的折射角为，根据折射定律可得设光线在BC边的入射角为，光线在AC边的入射角为，折射角为；由反射定律和几何知识可知；联立解得根据折射定律可得可得过D点做出射光的平行线，则该平行线与AB的夹角为，由几何知识可知，入射光与出射光的夹角为。故选A。【例2】（2022年河北卷）如图，一个半径为R的玻璃球，O点为球心。球面内侧单色点光源S发出的一束光在A点射出，出射光线AB与球直径SC平行，θ=30°。光在真空中的传播速度为c。求：（i）玻璃的折射率；（ii）从S发出的光线经多次全反射回到S点的最短时间。【答案】（1）；（2）【详解】（i）根据题意将光路图补充完整，如下图所示根据几何关系可知i1=θ=30°，i2=60°根据折射定律有nsini1=sini2解得（ii）设全反射的临界角为C，则光在玻璃球内的传播速度有根据几何关系可知当θ=45°时，即光路为圆的内接正方形，从S发出的光线经多次全反射回到S点的时间最短，则正方形的边长则最短时间为【例3】（2022年山东卷）柱状光学器件横截面如图所示，右侧是以O为圆心、半径为R的圆，左则是直角梯形，长为R，与夹角，中点为B。a、b两种频率的细激光束，垂直面入射，器件介质对a，b光的折射率分别为1.42、1.40。保持光的入射方向不变，入射点从A向B移动过程中，能在面全反射后，从面射出的光是（不考虑三次反射以后的光）（

）A．仅有a光 B．仅有b光 C．a、b光都可以 D．a、b光都不可以【答案】A【详解】当两种频率的细激光束从A点垂直于AB面入射时，激光沿直线传播到O点，经第一次反射沿半径方向直线传播出去。保持光的入射方向不变，入射点从A向B移动过程中，如下图可知，激光沿直线传播到CO面经反射向PM面传播，根据图像可知，入射点从A向B移动过程中，光线传播到PM面的入射角逐渐增大。当入射点为B点时，根据光的反射定律及几何关系可知，光线传播到PM面的P点，此时光线在PM面上的入射角最大，设为，由几何关系得根据全反射临界角公式得；两种频率的细激光束的全反射的临界角关系为故在入射光从A向B移动过程中，a光能在PM面全反射后，从OM面射出；b光不能在PM面发生全反射，故仅有a光。A正确，BCD错误。故选A。【例4】（2022年河南三市模拟）如图所示是一细束太阳光通过玻璃三棱镜后，在光屏上产生光谱的示意图—光的色散现象。光谱中红光在最上端，紫光在最下端，中间从上到下依次是橙、黄、绿、蓝、靛等色光。下表是测得的该玻璃棱镜材料对各种色光的折射率。根据光的色散现象、表格中的有关数据以及光学知识，下列说法正确的是（）A．各种色光通过棱镜后的偏折角度不同，红光的偏折角度最小，紫光的偏折角度最大B．该棱镜材料对不同色光的折射率不同，对红光的折射率小，对紫光的折射率大C．各种色光在三棱镜中的传播速度不同，红光在该玻璃三棱镜中的传播速度比紫光大D．同一色光在不同介质中传播时波长相同E．同一色光在不同介质中传播时频率不同【答案】ABC【详解】A．根据图示光路图可知红光相对入射的白光偏折程度最小，紫光相对入射的白光偏折程度最大，所以各种色光通过棱镜后的偏折角度不同，红光的偏折角度最小，紫光的偏折角度最大，A正确；B．根据题中表格可知该棱镜材料对不同色光的折射率不同，对红光的折射率小，对紫光的折射率大，B正确；C．光在介质中传播的速率与折射率的关系为，红光折射率小于紫光的折射率，所以红光在三棱镜中传播的速度大于紫光的传播速度，C正确；DE．根据可知，各色光在介质中频率不变，在介质中光速不同，所以波长不同，DE错误。故选ABC。【方法规律归纳】1.折射定律和折射率(1)光的折射的常用公式:n=sinθ1sinθ2(2)两点注意:①同种介质对不同频率的光的折射率不同,频率越高,折射率越大;②由n=cv、n=λ2.光的全反射(1)光从折射率为n的某种介质射向空气(真空)时发生全反射的临界角为C,则。(2)利用好光路图中的临界光线,准确地判断出恰好发生全反射的光路图是解题的关键,且在作光路图时应尽量与实际相符。3.应用光的折射定律解题的一般思路(1)根据入射角、折射角及反射角之间的关系,作出比较完整的光路图。(2)充分利用光路图中的几何关系,确定各角之间的联系,根据折射定律求解相关的物理量,如折射角、折射率等。(3)注意在折射现象中,光路是可逆的。4.求解光的折射、全反射问题的两个关键点5.光的色散(1)现象：一束白光通过三棱镜后在屏上会形成彩色光带。(2)成因：棱镜材料对不同色光的折射率不同，对红光的折射率最小，红光通过棱镜后的偏折程度最小，对紫光的折射率最大，紫光通过棱镜后的偏折程度最大，从而产生色散现象。6．各种色光的比较分析颜色红橙黄绿青蓝紫频率ν低→高同一介质中的折射率小→大同一介质中的速度大→小同一介质中的波长大→小通过同一棱镜的偏折角小→大同一介质中的临界角大→小同一装置的双缝干涉条纹间距大→小光的干涉、衍射和偏振【例5】（2022年山东卷）某同学采用图甲所示的实验装置研究光的干涉与衍射现象，狭缝，的宽度可调，狭缝到屏的距离为L。同一单色光垂直照射狭缝，实验中分别在屏上得到了图乙，图丙所示图样。下列描述正确的是（）A．图乙是光的双缝干涉图样，当光通过狭缝时，也发生了衍射B．遮住一条狭缝，另一狭缝宽度增大，其他条件不变，图丙中亮条纹宽度增大C．照射两条狭缝时，增加L，其他条件不变，图乙中相邻暗条纹的中心间距增大D．照射两条狭缝时，若光从狭缝、到屏上P点的路程差为半波长的奇数倍，P点处一定是暗条纹【答案】ACD【详解】A．由图可知，图乙中间部分等间距条纹，所以图乙是光的双缝干涉图样，当光通过狭缝时，同时也发生衍射，故A正确；B．狭缝越小，衍射范围越大，衍射条纹越宽，遮住一条狭缝，另一狭缝宽度增大，则衍射现象减弱，图丙中亮条纹宽度减小，故B错误；C．根据条纹间距公式可知照射两条狭缝时，增加L，其他条件不变，图乙中相邻暗条纹的中心间距增大，故C正确；D．照射两条狭缝时，若光从狭缝、到屏上P点的路程差为半波长的奇数倍，P点处一定是暗条纹，故D正确。故选ACD。【例6】（2022年山东青岛二模）光的干涉现象在技术中有重要应用。一顶角极大的圆锥形玻璃体，倒立在表面平整的标准板上，其截面如图甲。单色光从上方垂直玻璃的上表面射向玻璃体，沿光的入射方向看到明暗相间的干涉条纹。下列说法正确的是（）A．条纹是以顶点为圆心的同心圆，且疏密均匀B．条纹是以顶点为圆心的同心圆，且中间疏，边缘密C．产生干涉的两束光是来自玻璃体上表面和侧面的反射光D．若出现乙图所示条纹，则说明玻璃体侧面上有凸起【答案】AD【详解】AB．空气膜的上下两个表面反射的两列光波发生干涉，依据光程差是光的半个波长的偶数倍即为明条纹，而其是光的半个波长的奇数倍即为暗条纹，因圆锥形玻璃体压在平面标准板上，以顶点为圆心的各点空气薄膜间距相等且随半径的方向均匀变化，因此可以看到条纹是以顶点为圆心的同心圆，且疏密均匀，故A正确，B错误；C．产生干涉的两束光是来自玻璃体的下表面和平面标准板上表面的反射光，选项C错误；D．空气薄层干涉是等厚干涉，即明条纹处空气膜的厚度相同，若出现乙图所示条纹，说明该处光的路程差与内侧的路程差相等，即该处出现凸起，选项D正确。故选AD。【例7】（2023年江苏模拟预测）如图1是用光传感器研究激光通过单缝或双缝后光强分布的装置图，铁架台上从上到下依次为激光光源、偏振片、缝、光传感器。实验中所用的单缝缝距为，双缝间距为。光源到缝的距离为，缝到传感器的距离为，实验得到的图像如图2、图3所示，则（）A．题图2所用的缝为双缝，题图3所用的缝为单缝B．旋转偏振片，题2、题3两幅图像不会发生明显变化C．仅减小缝到传感器的距离，题2、题3两幅图像不会发生明显变化D．实验中所用的激光波长约为【答案】D【详解】A．由干涉、衍射图样特点可知题图2所用的缝为单缝，题图3所用的缝为双缝，A错误；B．激光是偏振光，故旋转偏振片，题2、题3两幅图像会发生明显变化，B错误；C．由可知，仅减小缝到传感器的距离，题2、题3两幅图像会发生明显变化，C错误；D．由可知，实验中所用的激光波长约为，D正确；故选D。【例8】（2023年全国模拟预测）如图所示是一种利用温度敏感光纤测量物体温度的装置，检偏器的透振方向与起偏器的相同。一束偏振光射入光纤，由于温度的变化，光纤的长度、芯径、折射率发生变化，从而使偏振光的偏振方向发生变化，光接收器接收的光强度就会变化。关于这种温度计的工作原理，正确的说法是（）A．到达检偏器的光的偏振方向变化越大，光接收器所接收的光强度就会越小，表示温度变化越大B．到达检偏器的光的偏振方向变化越小，光接收器所接收的光强度就会越小，表示温度变化越小C．到达检偏器的光的偏振方向变化越小，光接收器所接收的光强度就会越大，表示温度变化越小D．到达检偏器的光的偏振方向变化越大，光接收器所接收的光强度就会越大，表示温度变化越大【答案】AC【详解】温度变化越大，光纤的各个物理参量变化越大，光的偏振方向变化越大，光接收器接收的光强度会越小，故AC正确，BD错误。故选AC。【方法规律归纳】（一）光的干涉1．产生干涉的条件两列光的频率相同，振动方向相同，且具有恒定的相位差，才能产生稳定的干涉图样。2．杨氏双缝干涉(1)原理如图所示。(2)形成亮、暗条纹的条件①单色光：形成明暗相间的条纹，中央为亮条纹。光的路程差r2－r1＝kλ(k＝0，1，2，…)，光屏上出现亮条纹。光的路程差r2－r1＝(2k＋1)eq\f(λ,2)(k＝0，1，2，…)，光屏上出现暗条纹。②白光：光屏上出现彩色条纹，且中央亮条纹是白色(填写颜色)。③条纹间距公式：Δx＝eq\f(l,d)λ。3．薄膜干涉的理解和应用(1)形成：如图所示，竖直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形。光照射到薄膜上时，在膜的前表面AA′和后表面BB′分别反射回来，形成两列频率相同的光波，并且叠加。(2)亮、暗条纹的判断①在P1、P2处，两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr等于波长的整数倍，即Δr＝nλ(n＝1,2,3，…)，薄膜上出现亮条纹。②在Q处，两列反射回来的光波的路程差Δr等于半波长的奇数倍，即Δr＝(2n＋1)eq\f(λ,2)(n＝0,1,2,3，…)，薄膜上出现暗条纹。(3)应用：干涉法检查平面如图所示，两板之间形成一楔形空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检查平面是平整光滑的，我们会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹；若被检查平面不平整，则干涉条纹发生弯曲。（二）光的衍射1．发生明显衍射的条件：只有当障碍物的尺寸与光的波长相差不多，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象才会明显。2．衍射条纹的特点(1)单缝衍射和圆孔衍射图样的比较单缝衍射圆孔衍射单色光中央为亮且宽的条纹，两侧为明暗相间的条纹，且越靠近两侧，亮条纹的亮度越弱，宽度越小①中央是大且亮的圆形亮斑，周围分布着明暗相间的同心圆环，且越靠外，圆形亮条纹的亮度越弱，宽度越小②亮环或暗环间的距离随圆孔半径的增加