高中物理选修3―4《光学》考点、技法详解

高中物理光学专题授课讲义训练稿物理特级教师尹海钢第1页共25页一、几何光学1．光的反射及平面镜成像：光的反射遵守反射定律，平面镜成成等大正立的虚像，像和物关于镜面对称。2．光的折射、全反射和临界角：重点应放在能应用光的折射定律和全反射的原理解答联系实际的有关问题。3．用折射规律分析光的色散现象：着重理解两点：其一，光的频率（颜色）由光源决定，与介质无关；其二，同一介质中，频率越大的光折射率越大。二、光的本性1．光的波动性：光的干涉、衍射现象表明光具有波动性，光的偏振现象说明光波为横波，光的电磁说则揭示了光波的本质——光是电磁波。在电磁波谱中，波长从大到小排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、x射线、射线，各种电磁波中，除可见光以外，相邻两个波段间都有重叠，但各种电磁波产生机理不同，表现出来的性质也不同。2．光的粒子性（1）光电效应：在光的照射下，从物体发射出电子（光电子）的现象。其规律是：任何金属都存在极限频率，只有用高于极限频率的光照射金属，才会发生光电效应现象。在入射光的频率大于金属极限频率的情况下，从光照射到逸出光电子，几乎是瞬时的。光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，与光强无关。单位时间内逸出的光电子数与入射光的强度成正比。（2）光子说：即空间传播的光是一份一份地进行的，每一份的能量等于h（为光子的频率），每一份叫做一个光子。光子说能解释光电效应现象。爱因斯坦光电方程Whmvm2213．光的波粒二象性：光的干涉、衍射说明光具有波动性，光电效应现象表明光具有粒子性，因此光具有波粒二象性。题型一光的反射、光的折射和全反射题型特点：题目主要考查光的反射定律、光的折射定律和全反射的基本应用，考查对重要物理现象和物理规律的掌握情况。物理特级教师尹海钢老师解题策略：这类题目一般都有一定的难度。解题时既要抓住基本规律光的折射定律和临界角公式，还要结合实际图形进行分析，重在形成一个正确的思维过程。例1．如图所示，P、Q是两种透明材料制成的两块相同的直角梯形棱镜，叠合在一起组成一个长方体，一单色光处P的上表面射入，折射光线正好垂直通过两棱镜的界面，已知材料的折射率PQnn，射到P上表面的光线与P的上表面的夹角为θ，下列判断正确的是A．光线一定在Q的下表面发生全反射B．光线一定能从Q的下表面射出，出射光线与下表面的夹角一定等于θC．光线一定能从Q的下表面射出，出射光线与下表面的夹角一定大于θD．光线一定能从Q的下表面射出，出射光线与下表面的夹角一定小于θ解析：光由P进入Q时垂直界面，故传播方向不改变，在Q中的入射角等于P中的折高中物理光学专题授课讲义训练稿物理特级教师尹海钢第2页共25页射角，11sinPCn，21sinQCn，PQnn，∴12CC，光线在P中的折射角小于临界角，故在Q中不会发生全反射,又sinsininr，故从Q中射出时折射角小于射入P的入射角，即出射光线与下表面夹角大于θ，正确选项为：C。例2．在完全透明的水下某深处，放一点光源，在水面上可见到一个圆形的透光圆面，若透光园面的半径匀速增大，则光源正（）A．加速上升B．加速下降C．匀速上升D．匀速下降解析：所形成的透光圆面是由于全反射造成的，如下图（a）所示，圆面的边缘处是光发生全反射的位置，即iC若光源向上移动，只能导致透光圆面越来越小，所以光源只能向下移动。如右图(b)所示，取时间t，则透光圆面扩大的距离为st，由几何知识可得coscoshsCtC设这段时间内，光源下移的距离L，由几何关系可得：cotsinhLtCC，由上面的表达式可知：cotC为定值，L与t成正比关系，满足匀速运动条件，所以，光源向下匀速运动。故正确选项为D。物理特级教师尹海钢老师点拨：在解决光的折射问题时，如果光源是动态的，解此类题目的关键是：通过瞬时(静态)物理量之间的关系，找出它们动态时的变化规律。题型二光的波动性问题题型特点：题目主要考查光的干涉、光的衍射现象，考查对光的波动性现象和根据叠加原理得出的一些特定条件的掌握情况。物理特级教师尹海钢老师解题策略：这类题目一般都是中等难度和较容易的题。主要包含反映光的波动性的一些基本现象的识记和用明暗条纹形成条件分析及条纹间距的计算，解题时要识记平时少有接触的有关公式就能直接进行有关计算。例3．如图所示，S1和S2是杨氏双缝实验装置的两个狭缝，S是光源，光源发出的光的波长为0.4000m，12SSSS，，则下列说法正确的是（）A．在光屏上的P位置出现明条纹B．若把其中一条狭缝挡住，屏上出现相同的明暗相间的条纹，只是亮度减半C．不论是单缝衍射或双缝干涉或薄膜干涉，都是色散效应造成的D．光通过双缝或单缝产生的明暗相间的条纹，说明光具有波动性解析:光源S发出的光同时传到S1和S2，S1和S2就形成了两个振动情况总是相同的光源，它们发出的光在屏上叠加，就会出现干涉现象。若S1、S2的光到达屏上某位置的路程高中物理光学专题授课讲义训练稿物理特级教师尹海钢第3页共25页差2rrr等于波长λ的整数倍时，光在该位置总是波峰跟波峰或波谷跟波谷叠加，就互相加强，出现明条纹；若△r等于半个波长2的奇数倍，光在该位置总是波峰跟波谷叠加，就相互抵消，出现暗条纹。由于本题给出的6211.210rrrm，等于波长λ的3倍，所以在P位置出现明条纹。若将S1或S2挡住就成为单缝衍射，其明暗相间的条纹与双缝干涉的不同。单缝衍射或双缝干涉或薄膜干涉所出现的明暗条纹都不是色散效应造成的，而是光的叠加效应造成的，即单缝衍射是衍射光叠加，双缝干涉是双缝发生的光叠加，薄膜干涉是两表面的反射光叠加造成的，而色散是由于同一媒质对不同频率的光的折射情况不同而产生的现象。光能产生干涉和衍射现象，所以光具有波动性。故正确选项为A、D物理特级教师尹海钢老师点拨：对于光的干涉，学生往往觉得抽象难懂，如果建立起清晰的物理图景．如例1中的图，对照图将光的干涉的知识内容一一落实，加深理解，同时要熟记一些相关知识，如各种色光波长的大小比较，红光波长大，紫光波长小等。例4．如图所示，图（a)表示单缝，图(b)表示双缝，用某单色光分别照射竖直放置的单缝和双缝，在缝后较远位置竖直放置的光屏上可以观察到明暗相间的条纹(图中阴影表示明条纹)，如图(c)(d)所示，下列关于缝和条纹间关系的说法中正确的是（）A．图(c)表示单缝衍射条纹，图(d)表示双缝干涉条纹B．单缝S越宽，越不容易观察到对应的明暗条纹C．双缝间距离越短，对应条纹间距越小D．照射双缝的单色光波长越短，对应条纹间距越大解析：光通过单缝会发生衍射，通过双缝会发生干涉，两者都会产生明暗相间的条纹，但干涉的条纹宽度都一样，而衍射的条纹中间宽、两侧愈来愈窄，所以(c)为干涉条纹，(d)为衍射条纹，对于衍射，缝越窄，条纹愈宽，条纹愈明显(但亮度逐渐变暗)；而缝越宽，条纹愈模糊，所以A错、B正确．双缝干涉时，双缝间距越小，波长越长，条纹愈宽，所以C、D选项都不正确，故本题选项为B。物理特级教师尹海钢老师点拨：要正确解答考查光的衍射和双逢干涉结合在一起的问题，必须熟练掌握光的衍射和双缝干涉的特点和区别，否则，很容易因为识记不清或对原理理解的似是而非选择错误的选项。变式训练2：如图4—15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（）A．红黄蓝紫B．红紫蓝黄C．蓝紫红黄D．蓝黄红紫（答案：B）题型三光的量子性问题高中物理光学专题授课讲义训练稿物理特级教师尹海钢第4页共25页题型特点：题目主要考查光的量子性和爱因斯坦光电效应方程，考查对光的量子性和发生光电效应的条件以及结合其他知识综合应用分析问题的能力。物理特级教师尹海钢老师解题策略：这类题目一般都是光子能量——频率——光电效应——光电流联系在一起的，解题时一个非常重要的关键就是极限频率，同时还要考虑带电粒子在电场中的能量转化的问题有较强的综合性和严密的思维。例5．如图，当电键K断开时，用频率为的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。合上电键，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于u时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于u时，电流表读数为零。其中普朗克常量为h,由此可知阴极材料的逸出功为（）A．hB．ueC．hueD．hue解析：电流表读数刚好为零说明刚好没有光电子能够到达阳极，光电子逸出后动能全部转化成电势能可得光电子的最大初动能为ue。再由光电效应方程kEhW可知kWhEhue，故正确选项为D。物理特级教师尹海钢老师点拨：本题在考察光电效应方程的同时考察光子的能量方程，还包含了带电粒子在电场中运动的能量转化，综合性很强。变式训练3：用不同频率的紫外光分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子最大初动能EK随入射光频率变化的kE—图，已知钨的逸出功是3．28eV，锌的逸出功是3．34eV，若将两者的图线画在一个kE—坐标图中，用实线表示钨，虚线示锌，则正确反映这一过程的是如下图所示的（）（答案：A）【专题训练A】1．如图所示，两束单色光以不同的入射角从空气射入玻璃中。若折射角相同，则下列说法不正确的是（）A．若此两种单色光从玻璃射入空气，则Ⅱ单色光发生全反射的临界角较小B．若此两种单色光分别通过相同的障碍物，则Ⅱ单色光比Ⅰ单色光发生衍射现象明显C．此两种单色光相比，Ⅱ单色光的光子能量较小D．用此两种单色光分别照射某种金属，若用Ⅱ单色光照射恰高中物理光学专题授课讲义训练稿物理特级教师尹海钢第5页共25页好能发生光电效应，则用Ⅰ单色光照射时一定也能发生光电效应1．A解析:由图可知：21ii且折射角都为r，由21nn，由色光与折射率的关系：。由临界角公式得：Ⅱ单色光发生全反射的临界角大，A说法错。由发生衍射的条件可知，Ⅱ单色光比Ⅰ单色光发生衍射现象明显，B说法正确。由Eh，可知单色光光子能量较小，C说法正确。由光电效应规律，可知用Ⅱ单色光照射恰好能发生光电效应，则用Ⅰ单色光照射时一定也能发生光电效应，D说法正确。2．一束光从真空射到折射率为2的某种玻璃的表面，用i表示入射角，r表示折射角，则A．当r=30o时，045iB．无论i多大，r都小会超过45oC．当045i时，将没有光线射入到玻璃中D．当arctan2i时，反射光线与折射光线恰好相互垂直2．ABD解析:00sinsin452sinsin30inr，A正确，045r时，090i，所以，无论i多大，r都不会超过045，B正确，光线从空气到玻璃，无论入射角多大，都不会发生全反射现象，C错误。当反射光线与折射光线恰好相互垂直时00sin2sin(18090)ini，解得tan2i，D正确。3．单色光a在真空中的波长比单色光b在真空中的波长短，现让a、b两束光以相同的入时角i从空气中分别射向长方体玻璃砖的同一点(见图)，此时两束光都能直接从下表面射出，那么（）A．从上表面射入时，a光的折射角将大于b光的折射角B．从下表面射入时，a光的折射角将小于b光的折射角C．从上表面射出时，a光的出射角将大于b光的出射角D．将入射角i不断增加，总可以使两束光在玻璃砖的下表面发生全反射现象3．B解析：由题意，a光的频率大于b光的频率，所以在同一介质中a光的折射率大于b光的折射率，abnn，据sinsininr，n大，r小，故从上表面射入时，a光的折射角小于b光的折射角；据光路可逆，出射角等于入射角，且将入射角不断增加，在玻璃砖的下表面不可能发生全反射现象。故B对，A、C、D错。高中物理光学专题授课讲义训练稿物理特级教师尹海钢第6页共25页4．有关红、蓝两束单色光，下列说法正确的是（）A．在空气中的波长红蓝B．在水中的光速红蓝C．在同一介质中的折射率nn红蓝D．蓝光光子的能量大于红光光子的能量4．D解析：红、蓝两色光的频率为红光小于蓝光，在空气中的速度可认为大致相