新高考物理二轮复习 第18讲 光学 学案

第18讲光学

核心考点1光的折射和全反射

【高考真题•引领】

1.(2021•全国乙卷)用插针法测量上、下表面平行的玻璃砖的折射率。实验中用A、B

两个大头针确定入射光路、C、。两个大头针确定出射光路，。和0,分别是入射点和出射点，

如图(a)所示。测得玻璃砖厚度为/?=15.0mm,A到过O点的法线0M的距离AM=10.0mm,

M到玻璃砖的距离M0=20.0mm,O'到OM的距离为5=5.0mm。

(1)求玻璃砖的折射率；

(2)用另一块材料相同，但上下两表面不平行的玻璃砖继续实验，玻璃砖的截面如图(b)

所示。光从上表面入射，入射角从0逐渐增大，达到45°时，玻璃砖下表面的出射光线恰

好消失。求此玻璃砖上下表面的夹角。

［思维分析］

考查

光的折射和全反射

角度

解题根据折射率计算折射角；根据全反射和几何关系求得玻璃砖上下表面的

关键夹角

解析：(1)从。点射入时，设入射角为a,折射角为尸。根据题中所给数据可得:

sina=错误！=错误！

sin£=错误！=错误！

再由折射定律可得玻璃砖的折射率：

sinQ厂

片sinB72

(2)当入射角为45°时，设折射角为人由折射定律：

sin45°

n=：

smy

可求得：y=30°

再设此玻璃砖上下表面的夹角为e,光路图如下：

3O\3O0+0

而此时出射光线恰好消失，则说明发生全反射，有:

sinC—~n

解得：C=45。

由几何关系可知：。+30°=C

即玻璃砖上下表面的夹角：（9=15°

答案：（1班⑵15。

【知识方法•深化】

解决光的折射和全反射的方法

__、__该光线一般是人射光线，还有可能是反射

痴病\光线或折射光线

、四光變/若研究的光线不明确，根据题意分析、寻

L•找，如临界光线、边界光线等

「找人射点，确认界而，并画出法线

画光路硝-

、根据反射定律、折射定律做出光路图，结

合几何关系，具体求解

「从光疏一►光密：定有反射、折射光线

^恵两夕-从光密~光疏：如果入射角大于或等于临

界角，一定发生全反射

【精选典题・练透】

考向I光的折射及折射率的计算

2.（2021•山东济南二模）如图所示，一半径为R的透明玻璃球放

置在水平面上，一束复合光（由两种单色光组成）从玻璃球的最高点A

沿与竖直方向成60°角射入玻璃球，单色光。经过两次反射回到A

点，单色光6经过三次反射回到A点，已知真空中光速为c,求：

（1）该玻璃对单色光a的折射率和单色光«第一次射出玻璃球相

对于入射方向的偏向角；

（2）两种单色光从A点进入到第一次从A点射出的过程中在透明

玻璃球中传播的时间差。（计算结果可用根式表示）

解析：（1）由几何知识可得a=£=30°,由折射定律得该玻隔对

单色光a的折射率

sin6()广厶，sinyr-

&=sina=小f由折射疋律二〃，产sin£=小9Y=60n,

单色光〃第一次折射到玻璃中偏向角为60°-Q=30°,

第二次从玻璃到空气中折射偏向角也为y一夕=30°,

所以，单色光〃第一次射出玻璃球相对于入射方向的偏向角为60°

(2)该玻璃对单色光b的折射率口==坐，由〃得，

"sin豊q)乙。

单色光。在玻嬌中速度Va=

小，

2c

单色光6在玻璃中速度v=

b巫

由几何知识，单色光a在玻璃球中的光程以=3小R,

单色光人在玻璃球中的光程si,=4帀R,

在玻璃球中第一次回到A点时间差△/=况啓―4.丁=(9—4小)?

小乖

答案：(1)于60°(2)(9-473§

考向2全反射现象的理解和应用

3.(2021•山东淄博二模)如图所示,折射率为的液面上有一光源S,发出一条光线,

垂直射到水平放置于液体中且距液面高度为h=\m的平面镜M的。点上，当平面镜绕垂

直于纸面的轴。以角速度ft>=55rad/s逆时针方向匀速转动时，液面上的观察者跟踪观察,

发现液面上有一光斑掠过，且光斑到P点后立即消失，求：

(1)光斑在这一过程中平均速度的大小；

(2)光斑在P点即将消失时瞬时速度的大小。

解析：当平面镜绕轴。逆时针方向匀速转动时，光线经平面镜反射，到达液面的光斑

从S点开始水平向左运动，反射光线到P点恰好发生全反射，临界角满足sinC=(,解得

C=45°,光路如图所示

由几何关系可知NO«4=NPO4=45°,即附=04=厶,

n

法线转过£,即镜面转过装,需要的时间为，=?~-,

oo3X3

—PA8coh

光斑在这一过程中平均速度的大小为。=—=----=0.4m/s

In

（2）光斑在液面上移动的速度v是光线的伸长速度也与光线转动速度v\的合速度，其中

OP=yf2h,注意到光线的转动角速度是平面镜转动角速度的2倍，即光斑在P点的线速度

（转动速度）为Vi=2-yf2h,3=专产m/s,

所以在尸点光斑沿液面向左移动的速度为片記卜m/s

,,冗

答案：(1)0.4m/s(2)5m/s

考向3光在三棱镜中的传播

4.（2021・山东卷）超强超短光脉冲产生方法曾获诺贝尔物理学奖，其中用到的一种脉冲激

光展宽器截面如图所示。

在空气中对称放置四个相同的直角三棱镜，顶角为仇一细束脉冲激光垂直第一个棱镜

左侧面入射，经过前两个棱镜后分为平行的光束，再经过后两个棱镜重新合成为一束，此时

不同频率的光前后分开，完成脉冲展宽。已知相邻两棱镜斜面间的距离d=100。mm,脉冲

激光中包含两种频率的光，它们在棱镜中的折射率分别为川=小和物=卑。取sin37°

金=1.890。

（1）为使两种频率的光都能从左侧第一个棱镜斜面射出，求。的取值范围；

（2）若9=37°,求两种频率的光通过整个展宽器的过程中，在空气中的路程差厶厶保留

3位有效数字）。

解析：（1）设C是全反射的临界角，光线在第一个三棱镜右侧斜面上恰好发生全反射时,

根据折射定律得sinC=~①

代入较大的折射率得C=45°

所以顶角。的范围为0<6»<45°（或。<45°）

（2）脉冲激光从第一个三棱镜右侧斜面射出时发生折射，设折射角分别为内和az,由折

射定律得

sinai为

n'-sine②

sina?

ni=—(3)

sin0

设两束光在前两个三棱镜斜面之间的路程分别为厶和厶，则厶二器片,厶二焉;

△L=2（A|—72）④

联立②③④式，代入数据得△厶=14.4mm

答案：(l)0<6X45°(或。<45°)(2)A1=14.4mm

核心考点2光的波动性和电磁波

【高考真题・引领】

1.（2020.山东卷）双缝干涉实验装置的截面图如图所示。光源S

,,玻璃片

到S、S2的距离相等，。点为Si、S2连线中垂线与光屏的交点。光sN

。

光

源S发出的波长为，的光，经S出射后垂直穿过玻璃片传播到。点，Si廃

经52出射后直接传播到O点，由5.到O点与由S2到。点，光传播

的时间差为玻璃片厚度为10九，空气中光速为c,不计光在玻璃片内的反射。以下判

断正确的是（）

5久154

A.△z=B.~2^

［思维分析I

考查

双缝干涉中光的传播

角度

解题光在该玻璃中传播速度0=（;光源S到&、S2的距离相等，则光从S

关键

到S和到S2的时间相等，光传播的时间差即为两缝到光屏的时间差。

［尝试解答］

解析：由于玻璃对该波长光的折射率为"，则光在该玻璃中传播速度为：=与，

光从S到S|和到S2的时间相等，设光从S1到。点的时间为九，从融到。点的时间为30

点到$2的距离为L,则有：厶='一二"：+~~,。2=£,光传播的时间差为：Z="-t2=

+~~一9代入丫=当可得：,故A正确，BCD错误。

答案：A

【精选典题・练透】

2.（2021.江苏苏州二模）某一质检部门为检测一批矿泉水的质

量，利用干涉原理测定矿泉水的折射率。方法是将待测矿泉水填

充到特制容器中，放置在双缝与荧光屏之间（之前为空气），如图所

示，特制容器未画出，通过比对填充后的干涉条纹间距X2和填充

前的干涉条纹间距占就可以计算出该矿泉水的折射率。单缝So、双缝中点0、屏上的Po点

均位于双缝$和S2的中垂线上，屏上P点处是Po上方的第3条亮条纹（不包括Po点处的亮

条纹）的中心。已知入射光在真空中的波长为九真空中的光速为c,双缝Si与S2之间距离

为止双缝到屏的距离为3则下列说法正确的是（）

34

A.来自双缝Si和S2的光传播到P点处的时间差为工一

B.X2>Xl

C.该矿泉水的折射率为平

X2

D.仅将单缝So向左（保持So在双缝的中垂线上）移动的过程中，P点处能观察到暗条纹

解析：由第三条亮条纹对应路程差s=3晨但光在介质中的传播速度小于c,故A错误；

由公式x=/4,"=弓=当可知，光在水中的波长小于空气中的波长，所以在水中的干

ClVA

涉条纹间距X2小于填充前的干涉条纹间距X1,故B错误；由公式4,〃=三=当可

aVA

知，x\=^j/o,X2=W,得〃=&,故C正确；由公式△工=）人可知，移动

uacinX2a

So对观察结果没有影响，故D错误。

答案：C

3.（2021•山东日照二模）随着社会生活节奏的日益加快，通信网络的速度也在不断提升，

第五代移动通信技术（简称“5G”）将开启数字经济的新篇章，推动经济社会全方位变革。第

四代移动通信技术4G,采用1880—2635MHz频段的无线电波;“5G”采用3300—5000MHz

频段的无线电波。“5G”意味着更快的网速和更大的网络容载能力，与4G相比，5G使用的

电磁波（）

A.光子能量更大B.衍射现象更明显

C.传播速度更快D.波长更长

解析：因为5G使用的电磁波频率比4