专题16光学原卷版

专题16光学01光的反射和折射一、光的反射1.定义：光从第1种介质射到它与第2种介质的分界面时，一部分光会返回到第1种介质的现象。2.图示：3.反射定律：反射光线与入射光线、法线处在同一平面内，反射光线与入射光线分别位于法线的两侧。反射角等于入射角。【注意】对于每一条入射光线，反射光线是唯一的，在反射现象中光路是可逆的。【跟踪训练】（2024·重庆·高考真题）某同学设计了一种测量液体折射率的方案。容器过中心轴线的剖面图如图所示，其宽度为16cm，让单色光在此剖面内从空气入射到液体表面的中心。调整入射角，当反射光与折射光垂直时，测出竖直器壁上的反射光点与液体表面的距离h，就能得到液体的折射率n。忽略气壁厚度，由该方案可知（

）二、光的折射1.定义：光由一种介质射入另一种介质时，在两种介质的界面上将发生光的传播方向改变的现象叫光的折射。2.图示：折射定律：(1)内容：如图所示，折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比。(2)表达式：eq\f(sinθ1,sinθ2)＝n12(n12为比例常数)。4.光路可逆性在光的反射和折射现象中，光路都是可逆的。如果让光线逆着出射光线射到界面上，光线就会逆着原来的入射光线出射。【跟踪训练】（2025·甘肃定西·模拟预测）平行玻璃砖横截面如图所示，一束由红、紫两种单色光组成的复色光从点射入玻璃砖，光束在玻璃砖内分成、两束单色光。下列说法正确的是（）A．光为紫光B．光在玻璃砖中发生全反射的临界角较小C．光在玻璃砖中的传播速度较大D．若用光照射某金属表面能发生光电效应，则用光照射该金属也一定能发生光电效应三、折射率与光学介质1.折射率：光从真空射入某种介质发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，叫这种介质的折射率。n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)。【注意】：折射率与速度的关系式：n＝eq\f(c,v)。因为v<c，所以任何介质的折射率都大于1。说明：①关系式n＝eq\f(c,v)中的n是指介质相对于真空的折射率，即绝对折射率。补充：对折射率的理解：（2）折射率的大小不仅与介质本身有关，还与光的频率有关：①同一种介质中，频率越大的光折射率越大，传播速度越小；②同一种光，在不同介质中虽然波速、波长不同，但频率相同。（3）折射率由介质本身性质决定，与入射角的大小无关。（4）折射率与介质的密度没有关系，光密介质不是指密度大的介质。（5）同一种介质中，频率越大的色光折射率越大，传播速度越小。2．光密介质与光疏介质介质光密介质光疏介质折射率大小光速小大相对性若n甲＞n乙，则甲相对乙是光密介质；若n甲＜n乙，则甲相对乙是光疏介质02光的干涉、衍射和偏振一、光的干涉1.定义：在两列光波叠加的区域，某些区域相互加强，出现亮条纹，某些区域相互减弱，出现暗条纹，且加强区域和减弱区域相互间隔的现象。2.产生干涉的条件：两束光的频率相同、相位差恒定、振动方向相同3．杨氏双缝干涉(1)原理如图所示。有光源、单缝、双缝和光屏。单缝的作用：获得一个线光源，使光源有唯一的频率和振动情况，也可用激光直接照射双缝。双缝的作用：将一束光分成两束频率相同且振动情况完全一致的相干光。(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|PS1－PS2|＝r2－r1＝kλ＝2k·eq\f(λ,2)(k＝0,1,2,3，…)，光屏上出现亮条纹。光的路程差|PS1－PS2|＝r2－r1＝(2k－1)·eq\f(λ,2)(k＝1,2,3，…)，光屏上出现暗条纹。【注意】k＝0时，PS1＝PS2，此时P点位于屏上的O处，为亮条纹，此处的条纹叫中央亮条纹或零级亮条纹。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。【注意】双缝干涉实验中，屏幕上相邻亮条纹和相邻暗条纹是等间距的，这个间距与光的波长、屏幕到双缝的距离和双缝的间距有关。波长越长，屏幕到双缝的距离越大，双缝的间距越小，干涉条纹的间距越宽。（3）亮暗纹的时间关系亮条纹：Δt＝nT(n＝0,1,2,3，…)；暗条纹：Δt＝(2n＋1)·eq\f(T,2)(n＝0,1,2,3，…)．式中Δt表示两列光波到同一点的时间差。T＝eq\f(1,f)为光波的周期。补充：对双缝干涉的理解在单色光的干涉条纹中，两相邻明纹或暗纹间的距离是相等的，不同色光的条纹间距不相等。双缝干涉的条件是必须有相干光源，且双缝间的间距必须很小。光源不同部位发出的光不一定具有相同的频率和恒定的相位差，所以一般情况很难观察到光的干涉现象，杨氏双缝干涉实验采用将一束光“一分为二”的方法获得相干光源。4．薄膜干涉(1)形成原因：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，从膜的前表面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)明暗条纹的判断方法：两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr等于薄膜厚度的2倍，光在薄膜中的波长为λ。在P1、P2处，Δr＝nλ(n＝1,2,3，…)，薄膜上出现亮条纹。在Q处，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。【跟踪训练】（2025·江苏常州·二模）电子的双缝干涉实验曾被物理学家们评选为“十大最美物理实验”。如图所示，从相干电子辐射源射出的电子束经过两个靠得很近的双缝后，在显微镜的光屏上出现了干涉条纹。已知光屏上第3级亮纹到狭缝s1和s2的距离分别为l1和l2，电子的质量为m，真空中光速为c，普朗克常量为h，不考虑相对论效应。则从相干电子辐射源射出的单个电子的（）二、光的衍射1.定义：光通过很小的狭缝(或圆孔)时，明显地偏离了直线传播的方向，在屏上应该出现阴影的区域出现明条纹或亮斑，应该属于亮区的地方也会出现暗条纹或暗斑的现象。2.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。3.图样特点：衍射时产生的明暗条纹或光环。4.分类（1）单缝衍射：单色光通过狭缝时，在屏幕上出现明暗相间的条纹，中央为亮条纹，中央条纹最宽最亮，其余条纹变窄变暗；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白条纹。（2）圆孔衍射：光通过小孔时(孔很小)在屏幕上会出现明暗相间的圆环。（3）圆盘衍射（泊松亮斑）：障碍物的衍射现象．在单色光传播途中，放一个较小的圆形障碍物，会发现在阴影中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑。（4）衍射光栅（结构由许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学仪器）：衍射图样特点与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加。【跟踪训练】（2025·甘肃白银·模拟预测）如图甲所示，用单色光照射厚纸板上的圆孔，在纸板后边的光屏上得到如图乙所示的圆形光斑。下列方法有助于在光屏上看到明显衍射条纹的是（）A．增大光的强度B．增大光的频率C．减小圆孔的直径D．减小纸板到光屏的距离三、光的偏振1.偏振：光波只沿某一特定的方向振动。2.自然光：由太阳、电灯等普通光源发出的光，它包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这样的光叫做自然光。3.偏振光：在垂直于光的传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动的光。【注意】：光的偏振证明光是横波。5．光的偏振(3)偏振光的形成①让自然光通过偏振片形成偏振光。②让自然光在两种介质的界面发生反射和折射，反射光和折射光可以成为部分偏振光或完全偏振光。(4)偏振光的应用：加偏振滤光片的照相机镜头、液晶显示器、立体电影、消除车灯眩光等。补充：自然光与偏振光的比较光自然光偏振光振动方向自然光在垂直于光的传播方向的平面内，沿所有方向振动偏振光在垂直于光的传播方向的平面内，沿某一特定的方向振动经过偏振片的现象自然光通过偏振片后变成偏振光，后面的屏是明亮的，转动偏振片时，偏振光的振动方向随之变化，但屏上亮度不变。如下图所示。偏振光经过偏振片时，若光的振动方向与偏振片的透振方向平行，屏是亮的；若光的振动方向与偏振片的透振方向垂直，屏是暗的；若既不平行也不垂直，屏的亮度介于两者之间，随着振动方向与透振方向的夹角变大，亮度逐渐变暗。如下图所示。产生方式太阳、电灯等直接发出的光是自然光。自然光经偏振片后都是偏振光，自然光射到两种介质的交界面上，使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直。【跟踪训练】（2025·江苏泰州·二模）有一种魔术道具称为“穿墙而过”。其结构是两片塑料偏振片卷起来，中间两偏振片重叠区域给观众感觉为一块“挡板”，如图甲所示。当圆筒中的小球从B端滚向A端，居然穿过了“挡板”，如图乙所示，则可以实现的是（）A．两偏振片的透振方向相同B．两偏振片的透振方向相垂直C．两偏振片同时旋转90°“挡板”会消失D．将一片塑料偏振片旋转90°“挡板”依然存在四、光的色散1.定义：白光通过三棱镜后，出射光束变为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种色光的光束，这种现象叫做光的色散。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。补充：光的本性发展简史1.微粒说：以牛顿为代表，认为光是沿直线高速传播的粒子流。2.波动说：以惠更斯为代表，认为光是某种振动以波的形式向外传播。3.电磁说：麦克斯韦认为光是一种电磁波。5.光的波粒二象性(长期争论后达成的共识)【跟踪训练】（2025·辽宁·一模）唐人张志和在《玄真子·涛之灵》中写道：“雨色映日而为虹……背日喷乎水，成虹霓之状。”从物理学的角度来看，彩虹是因阳光照射到空中的小水滴，发生折射、色散及反射形成的。如图所示，一细束太阳光从P点射入球形水滴后，经一次反射有M、N两条出射光线。下列说法正确的是（）A．从P点射入时M光的折射角比N光的大B．在水滴中，M光的传播速度小于N光的传播速度C．M光的波动性较N光更显著D．用同一装置做双缝干涉实验，M光相邻干涉亮条纹间距比N光的大五、激光：1.产生：激光是原子受激发辐射产生的光，发光的方向、频率、偏振方向均相同，两列相同激光相遇可以发生干涉。2.特点：①单色性好，频率单一，相干性好；②具有极好的平行性，几乎是一束方向不变、发散角很小的平行光；③亮度高，激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。3.应用：光纤通信；激光测距；激光武器等。【跟踪训练】（2025·北京昌平·二模）我国智能驾驶汽车进入快速发展期。某车载雷达系统可以发出激光和超声波（频率高于20kHz的声波）信号，下列说法正确的是（）A．激光与超声波都是横波B．激光与超声波都是纵波C．激光与超声波都能发生衍射D．激光与超声波都可在真空中传播全反射1.定义：光从光密介质射入光疏介质时，当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光完全消失，只剩下反射光的现象。说明：入射角增大的过程中，折射光的能量减少，反射光的能量增加，当发生全反射时，反射光的能量最强。2.条件：①光从光密介质射入光疏介质。②入射角大于或等于临界角。3.临界角：折射角等于90°时的入射角。若光从光密介质(折射率为n)射向真空或空气时，发生全反射的临界角为C，由n＝eq\f(sin90°,sinC)，得sinC＝eq\f(1,n)。介质的折射率越大，发生全反射的临界角越小。4．应用：(1)全反射棱镜(2)光导纤维说明：内芯相对于外套为光密介质，内芯的折射率大于外套的折射率。(1)求玻璃砖的折射率；(2)在该横截面沿圆弧任意改变入射点的位置和入射方向，使激光能在圆心O点发生全反射，求入射光线与x轴之间夹角的范围。01光学现象的几种应用1.薄膜干涉的应用（1）增透膜：增透膜的厚度为透射光在薄膜中波长的四分之一的奇数倍，使薄膜前后两面的反射光的路程差为薄膜中波长的一半的奇数倍，故反射光叠加后减弱，透射光的强度增强。（2）利用薄膜干涉检测平整度：如图甲所示，两板之间形成一个空气薄层，用单色光从上向下照射，如果被检测表面是平滑的，得到的干涉图样必是等间距的。如果某处凹下，则对应亮纹(或暗纹)向左弯曲，如图乙所示；如果某处凸起来，则对应亮条纹(或暗条纹)向右弯曲，如图丙所示。2.偏振光的应用：应用于照相机镜头、立体电影、消除车灯眩光等。【跟踪训练】（2025·天津滨海新·三模）对图中所列光学现象的认识，正确的是（）A．甲图中，用激光水平射向塑料瓶小孔，观察到光的传播路径沿水流方向是光的全反射现象B．乙图中，用白光照射不透明的小圆盘，在圆盘阴影中心出现亮斑是光的折射现象C．丙图中，用3D眼镜看3D电影感受到的立体影像是利用了光的偏振现象D．丁图中，阳光下吹出的肥皂泡呈现出彩色花纹是光的全反射现象02光的折射和全反射的综合应用1.应用光的折射和全反射解决问题的两个技巧：(1)解答全反射类问题时，要抓住发生全反射的两个条件：①光必须从光密介质射入光疏介质；②入射角大于或等于临界角。(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，且在作光路图时尽量与实际相符。2.应用光的折射和全反射解决问题的四个注意：(1)明确哪种是光密介质、哪种是光疏介质。同一种介质，相对于其他不同的介质，可能是光密介质，也可能是光疏介质。(2)如果光线从光疏介质进入光密介质，则无论入射角多大，都不会发生全反射现象。(3)光的反射、折射和全反射现象，光路均是可逆的。(4)当光射到两种介质的界面上时，往往同时发生光的折射和反射现象，但在全反射现象中，只发生反射，不发生折射。全反射问题的解题要点(1)求该透明体对单色光的折射率；(2)该截面内另一单色光从边上的点（未画出）垂直射入该透明体，恰好在上表面发生两次全反射后到达点，求单色光在该介质中的临界角，并分析点在的左侧还是右侧；(3)若该截面内整个上均有垂直于的单色光射入介质，不考虑在上的反射，求上表面有光射出部分的弧长。01干涉和衍射中几种光现象的判断(1)单缝衍射：①单色光的衍射图样中间为宽且亮的单色条纹，两侧是明暗相间的条纹，条纹宽度比中央窄且暗；单色光的波长越长，单缝越窄，中央亮纹越宽。②白光的衍射图样中间为宽且亮的白条纹，两侧是渐窄且暗的彩色条纹，其中最靠近中央的色光是紫光、离中央最远的是红光如图所示，这是光在衍射时的色散。(2)圆孔衍射：①单色光的衍射图样如图所示，中央是大且亮的圆形光斑，周围分布着明暗相间的不等距的同心圆环，且越靠外，亮圆环越窄越暗。②白光的衍射图样，中央是大且亮的白色亮斑，周围是不等间距的彩色的同心圆环(3)圆盘衍射(泊松亮斑)：如图所示，当光照到不透明的半径很小的小圆盘上时，对于一定的波长，在适当的距离上，圆盘的阴影中心出现亮斑，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。（4）双缝干涉：在两列光波叠加的区域，某些区域相互加强，出现亮条纹，某些区域相互减弱，出现暗条纹，且加强区域和减弱区域相互间隔。单色光照射时，形成明暗相间的等间距的干涉条纹。补充：单缝衍射和圆孔衍射的对比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而减小白光中央为亮且宽的白色条纹，两侧为亮度逐渐变暗、宽度逐渐变窄的彩色条纹，其中最靠近中央的色光是紫光、离中央最远的是红光中央是大且亮的白色亮斑，周围是不等间距的彩色的同心圆环补充：单缝衍射与双缝干涉的比较两种现象单缝衍射双缝干涉不同点图样特点图样条纹宽度条纹宽度不等，中央最宽条纹宽度相等条纹中心间距两相邻亮条纹中心间距不等两相邻亮条纹中心间距相等亮度情况中央条纹最亮，两侧条纹逐渐变暗条纹清晰，亮度基本相等发生条件产生明显衍射的条件：障碍物或孔、缝的尺寸与光的波长差不多或比光的波长更小两束光频率相同、相位差恒定、振动方向相同相同点干涉、衍射都是波特有的现象，波长越长越明显；干涉、衍射都形成明暗相间的条纹，从本质上看都属于光波的叠加，干涉是从双缝通过两列频率相同的光波在屏上叠加形成的，衍射是由来自单缝上不同位置的光在屏上叠加形成的【跟踪训练】（2025·山东济南·二模）图甲和图乙是红、蓝两种单色光用同样的仪器形成的单缝衍射图样，图丙和图丁是红、蓝两种单色光用同样的仪器形成的双缝干涉图样。甲、乙、丙、丁四幅图样中用红光形成图样的是（）A．甲、丙 B．乙、丁 C．