专题18光和电磁波（讲义）原卷版

专题18光和电磁波TOC\o"13"\h\u01专题网络·思维脑图 102考情分析·解密高考 203高频考点·以考定法 2 2一、光的折射和全反射 2二、光的波动性和电磁波 3 4 5考向1：光的反射和折射的综合应用 5考向2：光的衍射、干涉和偏振的现象判断及分析 604核心素养·难点突破 705创新好题·轻松练 12新情境1：光学知识在科技中的应用 12新情境2：光学知识在天文中的应用 13新情境3：光学知识在生活中的应用 14考点内容要求学习目标光的折射和全反射II掌握物理光学的解题技巧和方法；区分干涉和衍射现象，并掌握判断光的干涉现象和衍射现象的方法；光的波动性和电磁波II一、光的折射和全反射1．明确三个公式（1）n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)。（2）n＝eq\f(c,v)。（3）sinC＝eq\f(1,n)。2．折射率的理解（1）折射率与介质和光的频率有关，与入射角的大小无关。（2）在同一种介质中，光的频率越高，介质的折射率越大。3．发生全反射的条件（1）光由光密介质射向光疏介质。（2）入射角大于或等于临界角。4.解题方法及技巧（1）光的折射和全反射问题的解题关键是确定好光路，利用几何关系求解。（2）确定光路的依据①反射定律。②折射定律。③是否在界面处发生全反射。④光路可逆性。二、光的波动性和电磁波1．光的干涉产生条件：两束光频率相同、相位差恒定。（1）光的双缝干涉①条纹间隔均匀，亮度均匀，中央为亮条纹。②光的双缝干涉中相邻两亮条纹（或相邻两暗条纹）间距公式Δx＝eq\f(l,d)λ。③如用白光做实验，中央为白色亮条纹，两边为彩色条纹。（2）光的薄膜干涉现象：彩色油膜、增透膜、牛顿环。2．光的衍射产生明显衍射的条件：障碍物或狭缝的尺寸可以跟光的波长相比或比光的波长小。（1）光的单缝衍射①条纹宽度和间隔不均匀，亮度不均匀，中央亮条纹最宽最亮。②单缝衍射装置等其他条件相同时，可见光中红光的中央亮条纹最宽，紫光最窄。③如用白光做实验，中央为白色亮条纹，两边为彩色条纹。（2）光的其他衍射现象：圆孔衍射、泊松亮斑。3．光的干涉现象和光的衍射现象表明光具有波动性，光的偏振现象说明光是横波。4．可见光中各种色光特征比较单色光的颜色红→橙→黄→绿→青→蓝→紫频率（决定光的颜色）低→高真空（空气）中的波速c＝3×108m/s真空（空气）中的波长长→短同一介质中的折射率n小→大同一介质中的光速v＝eq\f(c,n)大→小同一介质中的波长长→短同一介质中的全反射临界角C＝arcsineq\f(1,n)大→小5.电磁波的传播不需要介质，在真空中传播的速度等于光速。光是一种电磁波。【典例1】（2023·江苏·统考高考真题）地球表面附近空气的折射率随高度降低而增大，太阳光斜射向地面的过程中会发生弯曲。下列光路图中能描述该现象的是（

）A．

B．

C．

D．

【典例2】（2023·江苏·统考高考真题）用某种单色光进行双缝干涉实验，在屏上观察到的干涉条纹如图甲所示，改变双缝间的距离后，干涉条纹如图乙所示，图中虚线是亮纹中心的位置。则双缝间的距离变为原来的（

）A．倍 B．倍 C．2倍 D．3倍【典例3】（多选）（2024·浙江·高考真题）在如图所示的直角坐标系中，平面为介质Ⅰ和Ⅱ的分界面（z轴垂直纸面向外）。在介质I中的（0，）处有一点波源，产生波长为、速度为v的波。波传到介质Ⅱ中，其速度为，图示时刻介质Ⅱ中仅有一个波峰，与x轴和y轴分别交于R和S点，此时波源也恰好位于波峰。M为O、R连线的中点，入射波与反射波在O点相干加强，则（）A．介质Ⅱ中波的频率为 B．S点的坐标为（0，）C．入射波与反射波在M点相干减弱 D．折射角的正弦值【典例4】（2023·山东·统考高考真题）一种反射式光纤位移传感器可以实现微小位移测量，其部分原理简化如图所示。两光纤可等效为圆柱状玻璃丝M、N，相距为d，直径均为，折射率为n（）。M、N下端横截面平齐且与被测物体表面平行。激光在M内多次全反射后从下端面射向被测物体，经被测物体表面镜面反射至N下端面，N下端面被照亮的面积与玻璃丝下端面到被测物体距离有关。（1）从M下端面出射的光与竖直方向的最大偏角为，求的正弦值；（2）被测物体自上而下微小移动，使N下端面从刚能接收反射激光到恰好全部被照亮，求玻璃丝下端面到被测物体距离b的相应范围（只考虑在被测物体表面反射一次的光线）。考向1：光的反射和折射的综合应用1．（2023·江苏苏州·统考三模）如图为浮筒式航标灯的示意图，圆柱形浮筒半径R=4a、长L=18a，浮筒上表面中央竖直固定一高为h=3a的细立柱，立柱顶端有一发光灯泡（可看作点光源），静止时浮筒水面以下部分的长度为12a，已知水深为H=20a，水的折射率，水面平静水底平坦。现让浮筒在水中上下自由运动，当浮筒上表面与水面相平时速度恰好为零。（不计阻力）（1）证明浮筒做简谐运动；（2）求运动过程中水底阴影的最大面积S。（sin37°=0.6，cos37°=0.8）2．（2023·江苏·统考二模）如图所示，一透明材料块，下部是半径为R、高3R的圆柱体，上部为半径为R的半球，O1为球心，O1O2为中心轴，在O1正下方距离R处有一个点光源S，向各个方向发光。（1）若该材料的折射率，光线SA与轴成α角，照射到表面A点后恰能平行中心轴出射，求α角的大小；（2）不考虑光的反射，若要使该透明材料块表面各处均有光线出射，该材料的折射率不能超过多大？考向2：光的衍射、干涉和偏振的现象判断及分析3．（2024·江苏南通·统考一模）如图所示，挡板上安装有宽度可调的一条狭缝，缝后放一个光屏。用单色平行光照射狭缝，狭缝宽度从调整为，光屏上可能呈现（

）A．图样①变化为图样② B．图样②变化为图样①C．图样③变化为图样④ D．图样④变化为图样③4．（多选）（2023·浙江·模拟预测）关于下面图片中的五颜六色的形成原因，说法正确的是（）A．图甲中的彩色是因为三棱镜对白光中不同频率的光的折射率不同导致的B．图乙中的彩色是因为光在肥皂薄膜前后表面的反射光的光程差不同导致的C．图丙中的彩色是因为光在地面反射时人们看的角度不同导致的D．图丁中的彩色是因为光在镜片前后的反射光发生干涉导致的一、单选题1．（2023·浙江宁波·校联考二模）如图所示，平行玻璃砖下表面镀有反射膜，两束平行细单色光a、b从空气斜射到玻璃砖上表面，入射点分别为、，两光线刚好从玻璃砖上表面同一点P射出，已知玻璃砖对a、b两单色光的折射率均大于，下列说法中正确的是（）A．在玻璃中b光的速度比a光大B．若a、b两束光通过同一个干涉装置，b光对应的条纹间距较大C．若a、b两束光同时从玻璃砖上表面射入，则a光比b光先从P点射出D．增大b光的入射角，当b光从玻璃砖上表面射出时有可能发生全反射2．（2023·湖南长沙·长郡中学校考模拟预测）冰雕展上有一块边长为1m的立方体冰块，冰块内上下底面中心连线为，在处安装了一盏可视为点光源的灯，已知冰块的折射率为1.3，下列说法不正确的是（）A．光在冰块中发生全反射的临界角为C，可知B．由灯直接发出的光照到冰块四个侧面时全部能从侧面射出C．由灯直接发出的光照到冰块上表面时全部能从上表面射出D．从冰块正上方沿方向观察，点光源的视深是m3．（2023·湖南永州·统考一模）如图所示为某种透明介质做成的等腰直角三棱镜的截面示意图。由、两种单色光组成的细光束从空气垂直于边射入棱镜，经两次反射后光束垂直于边射出，且在、边只有光射出，光路图如图所示，下列说法正确的是（

）A．光的频率比光的频率小B．该三棱镜对光折射率应小于等于C．、两种单色光通过同一单缝，光的衍射现象更明显D．光在三棱镜中的传播速度小于光在三棱镜中的传播速度4．（2023·浙江·慈溪中学校联考模拟预测）如图所示，半径为R的特殊圆柱形透光材料圆柱体部分高度为，顶部恰好是一半球体，底部中心有一光源向顶部发射一束由a、b两种不同频率的光组成的复色光，当光线与竖直方向夹角θ变大时，出射点P的高度也随之降低，只考虑第一次折射，发现当点高度h降低为时只剩下a光从顶部射出，（光速为c）下列判断正确的是（）A．在此透光材料中a光的传播速度小于b光的传播速度B．此透光材料对b光的折射率为C．a光从P点射出时，a光经过SP路程所需的时间为D．同一装置用a、b光做单缝衍射实验，b光的衍射现象更加明显二、多选题5．（2023·湖南岳阳·统考三模）一种发光装置是由半径为的半球体透明介质和发光管芯组成的，管芯发光部分是一个圆心与半球体介质球心重合的圆面。其纵截面如图所示，，上的点发出的一条光线经点的折射光线平行，已知，圆弧长，则下列说法正确的是（

）A．该透明介质折射率为B．沿方向的光线从半球面射出时的折射角是C．为使从管芯射向半球面上的所有光线都不会发生全反射，的半径要小于D．不论发光管芯的半径多大，总会有部分光线到达球面时发生全反射现象三、解答题6．（2023·辽宁·校联考模拟预测）如图所示，一种透明柱状材料的横截面由一个直角三角形和一个圆心在O点、半径为R的半圆组成，半圆下表面涂有反射膜，一束平行于的单色光从边上的M点进入材料内部后沿直线到达圆周上的C点，经两次反射后从边射出，然后沿直线到达边再次射入材料内部，最后从边射出。已知，，光在真空中的传播速度为c，求：（1）单色光在材料内传播速度v；（2）单色光从M点射入到从射出传播所用的时间t。7．（2023·广东佛山·统考二模）在饮品质检中常通过测液体折射率确定饮料含糖量。如图甲所示，一半圆柱透明薄壳空腔，截面圆心为O点，MN部分内表面涂黑，向其中注满待测液体，有一目镜可沿以О点为圆心的圆轨道PQ转动，始终对准O点进行观察。（1）一束单色光如图乙从O点射入，请画出该入射光在待测液体中折射光线的大致光路；（2）图甲中，若有各个方向的单色光从O点射入待测液体，当目镜沿方向转动时，先观察到目镜中全是亮光，后观察到如图所示半明半暗的情形，接着再向Q转动目镜，则观察不到亮光，请分别解释一开始能看到亮光的原因和最后看不到亮光的原因；（3）在图甲中，观察到目镜视野中明暗各一半时，测得经目镜的视线与竖直方向的夹角为φ，求该饮料的折射率。8．（2023·贵州六盘水·统考二模）如图所示为一直角三角形透明介质的截面图，其中，，一束单色光从边上的O点平行边射入介质，已知O、B两点的的距离为d，该介质对此光的折射率是，已知光在真空中的传播速度是c。（i）求该光从O点传播到边的时间。（ii）保证入射光从O点法线左侧射入，改变入射角的大小，使该单色光不从边射出，求该入射角正弦值的最大值。9．（2023·河北衡水·河北衡水中学校考模拟预测）真空中一正三棱柱形透明体，其横截面如图所示。AB=AC=BC=6R，透明体中心有一半径为R的球形真空区域，一束平行单色光垂直AB面射向透明体。已知透明体对该单色光的折射率为，光在真空中的传播速度为c、求：（1）如图所示，光线从D点射入时恰好与真空球相切，请问该光线是从AC边还是BC边射出透明体？并求该光线穿过透明体所需要的时间；（2）为使光线不能从AB面直接射入中间的球形真空区域，则须在透明体AB面贴上不透明纸，求不透明纸的最小面积。10．（2023·河北张家口·张家口市宣化第一中学校考三模）如图所示，一玻璃砖的截面由半圆柱和等腰直角三角形柱ABC组成，AC是半圆的直径，O点为圆心，AC长为2R，光屏MN距圆心O的距离为。一束与AB等宽的平行光垂直AB面射入玻璃砖，发现从半圆弧上D点出射的光线恰好落在光屏上的F点，FO连线沿半圆的半径方向且垂直于AC，OD与OF夹角为（忽略未发生全反射光线的二次反射），光在真空中的传播速度为c，求：（1）该玻璃砖的折射率；（2）半圆弧上有一点E，OE与OF夹角为，求射到E点的光线在玻璃砖中的传播时间。新情境1：光学知识在科技中的应用1．（2024·福建·统考一模）光纤在通信、医疗等领域应用广泛。如图所示，光纤由内芯和包层构成，为使入射光能在光纤内发生全反射，实现在内芯中传播，要求内芯折射率（选填“大于”“等于”或“小于”）包层折射率。已知，光从空气进入内芯时，折射角的正弦值，则入射角正弦值。2．（2024·全国·模拟预测）如图甲所示，用于通讯的光纤由内芯和外套构成，光在内芯和外套的界面处发生全反射，所以光只在内芯中传播。对一段长直光纤，一束光由其左端的中心O点射入，若入射角在（趋近于）范围时，光只能在内芯中传播，就表明光能在内芯中正常传播。如图乙所示为某种光以角入射时的传播光路图（、已知），下列说法正确的是（

）A．内芯对不同频率的光折射率不同，故光纤只能传播单一频率的光B．内芯对某种光的折射率，该光能在内芯中正常传播C．若图乙中某种频率的光能在内芯中正常传播，则一定满足D．某种能在内芯中正常传播的光，从左端射入的入射角越大，在光纤中的传播时间越长3．（2024·全国·模拟预测）某同学发现饭卡是由两层塑料胶合而成，内层为白色塑料，外层为透明、硬质塑料。由于磨损，饭卡右下角张开一定角度并进入空气，在激光笔竖直照射下会看到明暗相间的条纹。现使饭卡右下角的张角变大，下列说法正确的是（）A．条纹变疏，且向左上方移动 B．条纹变密，且向左上方移动C．条纹变疏，且向右下方移动 D．条纹变密，且向右下方移动4．（2023·江西·成都七中校联考一模）芯片制作关键在于光刻机的技术突破，光刻机利用光源发出的紫外线，将精细图投影在硅片上，再经技术处理制成芯片。目前的高端光刻机主要分为EUV光刻机和DUV光刻机。DUV（波长）是深紫外线，EUV（波长）是极深紫外线。浸没式光刻机在透镜组和硅片之间充有液体，已知光在真空中传播速度大于在介质中传播速度。关于光刻机物理量的比较下列说法正确的是（）A．真空中DUV光源光子能量比EUV光源光子能量大B．相同条件下，DUV光源比EUV光源更容易发生明显衍射现象C．DUV光源和EUV光源叠加时可以发生干涉现象D．浸没式光刻机光在液体中波长比在真空中长新情境2：光学知识在天文中的应用5．（2024·广东茂名·统考一模）《史记》中对日晕有“日有晕，谓之日轮”的描述.如图（a）所示，日晕是日光通过卷层云时，受到冰晶的折射或反射而形成的。图（b）为太阳光射到六边形冰晶上发生两次折射的光路图，对于图（b）中出射的单色光a，b，下列说法正确的是（

）A．单色光a的折射率比单色光b的折射率大B．在冰晶中，单色光a的传播速度比单色光b的传播速度大C．单色光a的频率比单色光b的频率大D．单色光a的单个光子能量比单色光b的单个光子能量大6．（2024·吉林·校联考模拟预测）夏季常出现如图甲所示的日晕现象，日晕是太阳光通过卷层云时，受到冰晶的折射或反射形成的。图乙为一束太阳光射到六角形冰晶上时的光路图，a、b为其折射出的光线中的两种单色光，比较a、b两种单色光，下列说法正确的是（）A．在冰晶中，b光的波速比a光大B．通过同一仪器发生双缝干涉，a光的相邻明条纹间距较大C．b光比a光更容易发生明显衍射现象D．a、b两种光分别从水射入空气发生全反射时，a光的临界角比b光的小新情境3：光学知识在生活中的应用7．（2024·江苏连云港·统考一模）如图所示，圆柱形玻璃杯前侧表面上有a、b、c三点，粗细均匀的铅笔紧靠玻璃杯后侧外壁竖直放置，且在b点正后方。将杯中注满水（）A．通过b点看到铅笔变细 B．通过b点看到铅笔无变化C．通过a点看到铅笔向右侧移 D．通过c点看到铅笔向右侧移8．（2023·山东潍坊·校考模拟预测）图甲是用光的干涉法来检查物体平面平整程度的装置，其中A为标准平板，B为被检查其平