高考物理二轮复习精品资料Ⅰ 专题18 光学(同步课件)

专题十八光学一、光的折射、全反射和色散1．光的折射(1)折射现象：光从一种介质斜射进入另一种介质时，传播方向发生的现象．(2)折射定律(如图11－3－1所示)①内容：折射光线与入射光线、法线处在，折射光线与入射光线分别位于的两侧，入射角的正弦与折射角的正弦成．图11－3－1改变同一平面内法线正比②表达式：＝n12，式中n12是比例常数．③在光的折射现象中，光路是．(3)折射率①定义：光从真空射入某介质时，的正弦与的正弦的比值．②定义式：n＝(折射率由介质本身和光的频率决定)．③计算式：n＝(c为光在真空中的传播速度，v是光在介质中的传播速度，由此可知，n1)．可逆的入射角折射角2．全反射(1)发生条件：①光从介质射入介质；②入射角临界角．(2)现象：折射光完全消失，只剩下光．(3)临界角：折射角等于90°时的入射角，用C表示，sinC＝.(4)应用：①全反射棱镜；②光导纤维，如图11－3－2所示．光密光疏等于或大于反射3．光的色散(1)光的色散现象：含有多种颜色的光被分解为光的现象．(2)色散规律：由于n红＜n紫，所以以相同的入射角射到棱镜界面时，红光和紫光的折射角不同，即紫光偏折得更明显．当它们射到另一个界面时，光的偏折最大，光的偏折最小．单色紫红(3)光的色散现象说明：①白光为复色光；②同一介质对不同色光的折射率不同，频率越大的色光折射率；③不同色光在同一介质中的传播速度不同，波长越短，波速．越大越慢1．光密介质不是指密度大的介质，折射率的大小与介质的密度无关．2．由n＝知，当光从真空射向其他透明介质时，频率不变，波速和波长都发生改变．二、光的波动性1．光的干涉(1)产生干涉的条件：两列光的相同，恒定．(2)杨氏双缝干涉①原理如图11－3－3所示．②产生明、暗条纹的条件频率相位差图11－3－3a．单色光：若路程差r2－r1＝kλ(k＝0,1,2…)，光屏上出现；若路程差r2－r1＝(2k＋1)(k＝0,1,2…)，光屏上出现．b．白光：光屏上出现彩色条纹．③相邻明(暗)条纹间距：Δx＝.明条纹暗条纹(3)薄膜干涉①概念：由薄膜的前后表面反射的两列光相互叠加而成．劈形薄膜干涉可产生平行条纹．②应用：检查工件表面的平整度，还可以做增透膜．等距2．光的衍射(1)光的衍射现象：光在遇到障碍物时，偏离直线传播方向而照射到区域的现象．(2)发生明显衍射现象的条件：当孔或障碍物的尺寸比光波波长小，或者跟波长差不多时，光才能发生明显的衍射现象．阴影(3)各种衍射图样①单缝衍射：中央为，两侧有明暗相间的条纹，但间距和不同．用白光做衍射实验时，中央条纹仍为，最靠近中央的是紫光，最远离中央的是红光．②圆孔衍射：明暗相间的不等距．③泊松亮斑(圆盘衍射)：光照射到一个半径很小的圆盘后，在圆盘的阴影中心出现的亮斑，这是光能发生衍射的有力证据之一．亮条纹亮度白光圆环(4)衍射与干涉的比较两种现象比较项目单缝衍射双缝干涉不同点条纹宽度条纹宽度不等，中央最宽条纹宽度相等条纹间距各相邻条纹间距不等各相邻条纹等间距亮度中央条纹最亮，两边变暗清晰条纹，亮度基本相等相同点干涉、衍射都是波特有的现象；干涉、衍射都有明暗相间的条纹3．光的偏振现象(1)偏振光：在于传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动的光．(2)自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光包含沿一切方向振动的光，而且在各个方向上的光波强度都相等．(3)光的偏振现象说明光是波．垂直横(4)获得偏振光的方法有两种：让自然光经过或使反射光与折射光垂直．(5)偏振光的应用：水下照像、立体电影等．(6)平时我们所看到的光，除了直接从光源发出的光以外都是偏振光．偏振片1.折射率是用光线从真空斜射入介质，入射角的正弦与折射角的正弦之比定义的．由于光路可逆，入射角、折射角随光路可逆而“换位”，因此，在应用时折射率可记忆为n＝(真空角为真空中的光线与法线的夹角，介质角为介质中的光线与法线的夹角)2．折射率的大小不仅反映了介质对光的折射本领，也反映了光在介质中传播速度的大小，v＝3．折射率的大小不仅与介质本身有关，还与光的频率有关．同一种介质，对频率大的光折射率大，对频率小的光折射率小．4．同一种色光，在不同介质中虽然波速、波长不同，但频率不变．1.对于某单色光，玻璃的折射率比水的大，则此单色光在玻璃中传播时()A.其速度比在水中的大，其波长比在水中的长B.其速度比在水中的大，其波长比在水中的短C.其速度比在水中的小，其波长比在水中的短D.其速度比在水中的小，其波长比在水中的长解析：由光在介质中的波速与折射率的关系式v＝可知，n玻＞n水，所以v玻＜v水，光的频率与介质无关，只由光源决定，即光在玻璃及水中传播时ν不变，据v＝λν，知λ玻＜λ水．C项正确．答案：C1.在光的反射和全反射现象中，均遵循光的反射定律；光路均是可逆的．2．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．当折射角等于90°时，实际上就已经没有折射光了．3．全反射现象可以从能量的角度去理解：当光由光密介质射向光疏介质时，在入射角逐渐增大的过程中，反射光的能量逐渐增强，折射光的能量逐渐减弱，当入射角等于临界角时，折射光的能量已经减弱为零，这时就发生了全反射．1．无论是应用折射定律，还是应用全反射分析问题，都应准确作出光路图，个别问题还要注意找出符合边界条件或恰好发生全反射的对应光线．2．光学题目经常涉及到日常生活或高科技中的光学元件，如光纤通信、照像机镜头等．2．如图11－3－4所示，有一束平行于等边三棱镜截面ABC的单色光从空气射向E点，并偏折到F点．已知入射方向与边AB的夹角为θ＝30°，E、F分别为边AB、BC的中点，则()图11－3－4A．该棱镜的折射率为B．光在F点发生全反射C．光从空气进入棱镜，波长变小D．从F点出射的光束与入射到E点的光束平行解析：由几何关系可知，入射角θ1＝60°，折射角θ2＝30°.由折射定律A正确；在BC界面上，入射角为30°，根据计算所得折射率，由折射定律易知，出射角度为60°，不会发生全反射，B错误；光从空气进入棱镜，频率ν不变，波速v减小，所以λ＝减小，C正确；由上述计算结果，作出光路图，可知D错误．答案：AC例1、一半径为R的1/4球体放置在水平桌面上，球体由折射率为的透明材料制成．现有一束位于过球心O的竖直平面内的光线，平行于桌面射到球体表面上，折射入球体后再从竖直表面射出，如图11－3－5所示．已知入射光线与桌面的距离为求出射角θ.图11－3－5[思路点拨][解析]如图所示，设入射光线与1/4球体的交点为C，连接OC，OC即为入射点的法线．因此，图中的角α为入射角．过C点作球体水平表面的垂线，垂足为B.依题意，∠COB＝α.又由△OBC知sinα＝①设光线在C点的折射角为β，由折射定律得②由①②两式得β＝30°③由几何关系知，光线在球体的竖直表面上的入射角γ为30°.由折射定律得④因此sinθ＝解得θ＝60°[答案]60°应用折射定律进行相关计算时，关键是做好光路图，确定入射角和折射角.例2、如图11－3－6所示，一棱镜的截面为直角三角形ABC，∠A＝30°，斜边AB＝a，棱镜材料的折射率为n＝在此截面所在的平面内，一条光线以45°的入射角从AC边的中点M射入棱镜．画出光路图，并求光线从棱镜射出的点的位置(不考虑光线沿原路返回的情况)．图11－3－6[课堂笔记]设入射角为i，折射角为r，由折射定律得①由已知条件及①式得r＝30°②如果入射光线在法线的右侧，光路图如图所示．设出射点为F，由几何关系可得∠AFM＝90°AF＝a③甲即出射点在AB边上离A点a的位置．如果入射光线在法线的左侧，光路图如图所示．设折射光线与AB的交点为D.由几何关系可知，在D点的入射角θ＝60°④设全反射的临界角为θC，则sinθc＝⑤乙由⑤和已知条件得θC＝45°⑥因此，光在D点发生全反射．设此光线的出射点为E，由几何关系得∠DEB＝90°BD＝a－2AF⑦BE＝DBsin30°⑧联立③⑦⑧式得BE＝a即出射点在BC边上离B点a的位置．[答案]见课堂笔记以45°的入射角从AC边的中点M射入棱镜，对应两个入射方向，解答本题时易出现漏解现象．例3、abc为一全反射棱镜，它的主截面是等腰直角三角形，如图11－3－7所示．一束白光垂直入射到ac面上，在ab面上发生全反射，若光线入射点O的位置保持不变，改变光线的入射方向(不考虑自bc面反射的光线)，则：(1)使入射光按图中所示的顺时针方向逐渐偏转，如果有色光射出ab面，则哪种色光首先射出？(2)使入射光按图中所示的逆时针方向逐渐偏转，哪种色光首先射出ab面？[思路点拨]解答本题时应注意以下四个方面：(1)明确各种色光折射率的大小关系．(2)比较白光转动时各色光折射角的大小．(3)明确各色光在ab面上入射角变化．(4)根据临界角大小作出判断．[课堂笔记](1)白光垂直入射ac面后直射到ab面，入射角为45°，发生全反射说明棱镜的临界角C≤45°，这是对从红光到紫光的所有色光说的．当入射光顺时针偏转时，在ac面上发生色散，不同色光折射不同，红光偏折小，紫光偏折大，如图所示，射到ab面上时红光入射角小，紫光入射角大，但它们都小于45°.另一方面，棱镜对红光的临界角比紫光的临界角大．因此，入射光顺时针逐渐偏转时，在ab面上红光的入射角将首先小于临界角而射出ab面．(2)如果入射光逆时针偏转，则经ab面上的红光、紫光的入射角都大于45°，都发生全反射而不可能从ab面射出．[答案](1)红光(2)无光射出ab面光垂直界面入射时传播方向不发生改变，但不垂直界面时光线要发生折射，红光折射率小，紫光折射率大，发生全反射时红光临界角大于紫光的临界角．本题中还要注意改变光路的两种情况要分别考虑，作出光路图找出在ab界面上的入射角与临界角的关系再判断．1．已知某玻璃对蓝光的折射率比对红光的折射率大，则两种光()A．在该玻璃中传播时，蓝光的速度较大B．以相同的入射角从空气斜射入该玻璃中，蓝光的折射角较大C．从该玻璃中射入空气发生全反射时，红光的临界角较大D．用同一装置进行双缝干涉实验，蓝光的相邻条纹间距、较大解析：在光的折射和干涉现象中有这样四个公式：v＝，n据此结合题目中的条件可知只有C正确．答案：C2．如图11－3－8所示，一束细光线a射到Ⅰ、Ⅱ两种介质的界面后，反射光束只有b，折射光束只有c.下列说法正确的是()A．若a是复色光，则b、c都一定是复色光B．若a是单色光，则b、c都一定是单色光C．若b是复色光，则a、c都一定是复色光D．若b是单色光，则a、c都一定是单色光图11－3－8解析：光射到两种介质界面上，一定有反射，但不一定有折射；不同频率的光入射角相同时，折射角一定不同．若a是复色光，b一定是复色光，而折射光线只有c，c一定是单色光，而且只有这种频率的光发生了折射，其余频率的光都发生了全反射．若b是复色光，说明a是复色光，但c只能是单色光．若b是单色光，说明a一定是单色光，因此c也一定是单色光．答案：BD3．如图11－3－9所示的长直光纤，柱芯为玻璃，外层以折射率比玻璃稍低的介质包覆．若光线自光纤左端进入，与中心轴的夹角为θ，则下列有关此光线传递方式的叙述，正确的是()A．不论θ为何值，光线都不会发生全反射B．不论θ为何值，光线都会发生全反射C．θ够小时，光线才会发生全反射D．θ够大时，光线才会发生全反射图11－3－9解析：发生全反射的条件之一是入射角i要等于或大于临界角C，即光线传播到光纤侧面时的入射角i应满足i＝90°－θ≥C，θ≤90°－C，故选项C正确．答案：C4．在杨氏双缝干涉实验中，如果()A．用白光作为光源，屏上将呈现黑白相间的条纹B．用红光作为光源，屏上将呈现红黑相间的条纹C．用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上将呈现彩色条纹D．用紫光作为光源，遮住其中一条狭缝，屏上呈现间距不等的条纹解析：在双缝干涉实验中，用白光作为光源，将得到彩色条纹，用红光作为光源，将得到红黑相间的条纹．用不同颜色的光分别照射两缝，得不