（山东专用）2020届高考物理一轮复习 专题十七 光学教师用书（PDF，含解析）

专题十七光学真题多维细目表真题涉分考点光的折射、全反射光的干涉、衍射、偏振电磁波、相对论题型难度设题情境思想方法试题结构素养要素２０１９课标Ⅰ，３４（２）１０光的折射、全反射计算中湖面帆船数理结合２问递进模型建构科学推理２０１９课标Ⅲ，３４（２）１０光的折射、全反射计算中直角三角形棱镜数理结合２问递进科学推理科学论证２０１９课标Ⅱ，３４（２）１０光的干涉填空中双缝干涉实验探究法３问递进证据、解释２０１８课标Ⅰ，３４（１）５光的折射填空中三棱镜图像法两空递进科学推理２０１８课标Ⅱ，３４（２）１０光的折射、全反射计算中直角三棱镜图像法２问递进科学推理２０１８课标Ⅲ，３４（２）１０光的折射计算中等边三棱镜作图法问题独立科学推理２０１７课标Ⅰ，３４（２）１０光的折射计算中玻璃工件作图法问题独立科学推理２０１７课标Ⅱ，３４（１）５光的干涉选择易双缝干涉实验探究法选项并列问题、解释２０１７课标Ⅱ，３４（２）１０光的折射、反射计算中透明液体作图法问题独立科学推理２０１７课标Ⅲ，３４（２）１０光的折射、全反射计算中玻璃半球作图法２问并列科学推理２０１６课标Ⅰ，３４（２）１０光的折射、全反射计算中水中光源图像法２问递进科学推理２０１６课标Ⅱ，３４（１）５电磁波多选易电磁波辨析法选项并列科学论证２０１６课标Ⅲ，３４（２）１０光的折射计算难玻璃球冠作图法问题独立科学推理２０１４山东理综，３８（２）８光的折射、全反射计算中透明圆柱体作图法问题独立科学推理２０１５山东理综，３８（２）８光的折射、全反射计算中三角形透明介质作图法２问递进科学推理总计卷均分９．３６１２题／１４卷２题／１４卷１题／１４卷计算中占比８．５１％考频常见考法命题规律与趋势０１考查内容１．本专题考查的热点内容有光的折射定律、折射率的计算、全反射的应用等。２．本专题中的测定玻璃折射率、光的双缝干涉现象及实验也常见于高考试题中。０２命题趋势１．２０２０年的命题趋势基本会保持前几年命题规律，具体细节、考向会有所变化。２．以几何光学为背景，侧重考查折射定律、光的全反射。３．命题背景仍结合半圆形介质、球形介质、棱镜、平行介质等考查光的反射、折射等。０３备考建议１．几何光学中要掌握折射定律等相关定律的内涵，临界角、偏向角等概念，还应能熟练应用三角函数、正余弦定理及相似三角形等数学知识。２．物理光学中要熟记双缝干涉实验中的条纹宽度公式、注意理解光的干涉和衍射的概念和现象。３．电磁波的相关知识也不可忽视。０４核心素养１．本专题的内容随着设问角度的不同可体现科学思维中不同的素养要素，常涉及模型建构、科学推理及科学论证等要素。２．实验题型中较多体现的是科学探究的要素，如证据、解释、交流等素养要素。１６４　　５年高考３年模拟Ｂ版（教师用书）对应学生用书起始页码Ｐ２８３考点一光的折射、全反射　　１．光的折射光从一种介质斜射入另一种介质，传播方向发生改变的现象叫做光的折射。折射定律：折射光线跟入射光线和法线在同一平面内；折射光线、入射光线分居法线两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比。在折射现象中，光路是可逆的。２．折射率（１）定义：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，叫做这种介质的绝对折射率，简称折射率。（２）定义式：ｎ＝ｓｉｎθ１ｓｉｎθ２（θ１表示真空中光线与法线的夹角，θ２表示介质中光线与法线的夹角）。（３）实验证明：ｎ＝ｃｖ（ｃ表示光在真空中的速度，ｖ表示光在介质中的速度）。３．全反射（１）光密介质与光疏介质。（光密介质与光疏介质是相对的）两种介质相比较，折射率较大的介质叫光密介质，折射率较小的介质叫光疏介质。（２）光照射到两种介质的界面上时，光线全部被反射回原介质的现象称为全反射现象。发生全反射的条件：①光线由光密介质射向光疏介质。②入射角大于或等于临界角。如图所示为一光导纤维（可简化为一长玻璃丝）的示意图，玻璃丝长为Ｌ，折射率为ｎ，ＡＢ代表端面。已知光在真空中的传播速度为ｃ。（ⅰ）为使光线能从玻璃丝的ＡＢ端面传播到另一端面，求光线在端面ＡＢ上的入射角应满足的条件；（ⅱ）求光线从玻璃丝的ＡＢ端面传播到另一端面所需的最长时间。解析　（ⅰ）设光线在端面ＡＢ上Ｃ点（见图）的入射角为ｉ，折射角为ｒ，由折射定律有ｓｉｎｉ＝ｎｓｉｎｒ①设该光线射向玻璃丝内壁Ｄ点的入射角为α，为了使该光线可在此光导纤维中传播，应有α≥θ②式中，θ是光线在玻璃丝内发生全反射时的临界角，它满足ｎｓｉｎθ＝１③由几何关系得α＋ｒ＝９０°④由①②③④式得ｓｉｎｉ≤ｎ２－１⑤（ⅱ）光在玻璃丝中传播速度的大小为ｖ＝ｃｎ⑥光速在玻璃丝轴线方向的分量为ｖｚ＝ｖｓｉｎα⑦光线从玻璃丝端面ＡＢ传播到其另一端面所需时间为Ｔ＝Ｌｖｚ⑧光线在玻璃丝中传播，在刚好发生全反射时，光线从端面ＡＢ传播到其另一端面所需的时间最长，由②③⑥⑦⑧式得Ｔｍａｘ＝Ｌｎ２ｃ⑨答案　（ⅰ）ｓｉｎｉ≤ｎ２－１　（ⅱ）Ｌｎ２ｃ１．实验表明，可见光通过三棱镜时各色光的折射率ｎ随波长λ的变化符合科西经验公式：ｎ＝Ａ＋Ｂλ２＋Ｃλ４，其中Ａ、Ｂ、Ｃ是正的常量。太阳光进入三棱镜后发生色散的情形如图所示。则（　　）Ａ．屏上ｃ处是紫光Ｂ．屏上ｄ处是红光Ｃ．屏上ｂ处是紫光Ｄ．屏上ａ处是红光１．答案　Ｄ　由科西经验公式可知，光的波长越长，折射率越小。太阳光经三棱镜发生色散，从红光到紫光的波长越来越短，即折射率越来越大，所以ａ处是红光，ｄ处是紫光，则Ａ、Ｂ、Ｃ错误，Ｄ正确。２．（多选）固定的半圆形玻璃砖的横截面如图，Ｏ点为圆心，ＯＯ′为直径ＭＮ的垂线。足够大的光屏ＰＱ紧靠玻璃砖右侧且垂直于ＭＮ。由Ａ、Ｂ两种单色光组成的一束光沿半径方向射向Ｏ点，入射光线与ＯＯ′夹角θ较小时，光屏ＮＱ区域出现两个光斑，逐渐增大θ角，当θ＝α时，光屏ＮＱ区域Ａ光的光斑消失，继续增大θ角，当θ＝β时，光屏ＮＱ区域Ｂ光的光斑消失，则（　　）􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋专题十七　光学１６５　　Ａ．玻璃砖对Ａ光的折射率比对Ｂ光的大Ｂ．Ａ光在玻璃砖中传播速度比Ｂ光的大Ｃ．α＜θ＜β时，光屏上只有１个光斑Ｄ．β＜θ＜π２时，光屏上只有１个光斑２．答案　ＡＤ　因Ａ光先消失，说明Ａ光先发生全反射，所以玻璃对Ａ光的折射率大于Ｂ光，Ａ项正确。由ｖ＝ｃｎ可知折射率越大则速度ｖ越小，Ｂ项错误。当α＜θ＜β时，Ａ光发生全反射，只有反射光斑与Ｂ光的折射光斑，共２个，Ｃ项错误。当β＜θ＜π２时，Ａ、Ｂ光均发生全反射，光屏上只剩下１个反射光斑，Ｄ项正确。３．如图，三棱镜的横截面为直角三角形ＡＢＣ，∠Ａ＝３０°，∠Ｂ＝６０°。一束平行于ＡＣ边的光线自ＡＢ边的Ｐ点射入三棱镜，在ＡＣ边发生反射后从ＢＣ边的Ｍ点射出。若光线在Ｐ点的入射角和在Ｍ点的折射角相等，（ⅰ）求三棱镜的折射率；（ⅱ）在三棱镜的ＡＣ边是否有光线透出？写出分析过程。（不考虑多次反射）３．答案　（ⅰ）３　（ⅱ）没有光线透出；分析过程见解析解析　（ⅰ）光路图如图所示，图中Ｎ点为光线在ＡＣ边发生反射的入射点。设光线在Ｐ点的入射角为ｉ、折射角为ｒ，在Ｍ点的入射角为ｒ′、折射角依题意也为ｉ，有ｉ＝６０°①由折射定律有ｓｉｎｉ＝ｎｓｉｎｒ②ｎｓｉｎｒ′＝ｓｉｎｉ③由②③式得ｒ＝ｒ′④ＯＯ′为过Ｍ点的法线，∠Ｃ为直角，ＯＯ′∥ＡＣ。由几何关系有∠ＭＮＣ＝ｒ′⑤由反射定律可知∠ＰＮＡ＝∠ＭＮＣ⑥联立④⑤⑥式得∠ＰＮＡ＝ｒ⑦由几何关系得ｒ＝３０°⑧联立①②⑧式得ｎ＝３⑨（ⅱ）设在Ｎ点的入射角为ｉ″，由几何关系得ｉ″＝６０°⑩此三棱镜的全反射临界角满足ｎｓｉｎθＣ＝１􀃊􀁉􀁓由⑨⑩􀃊􀁉􀁓式得ｉ″＞θＣ􀃊􀁉􀁔此光线在Ｎ点发生全反射，三棱镜的ＡＣ边没有光线透出。考点二光的干涉、衍射、偏振　　１．光的干涉频率相同的两列光波互相叠加，某些区域的光被加强，某些区域的光被减弱，并且光被加强和减弱的区域互相间隔，这种现象称为光的干涉现象。（１）双缝干涉：在用单色光做双缝干涉实验时，若双缝处两列光的振动情况完全相同，则在光屏上距双缝的路程差为光波波长整数倍的地方光被加强，将出现亮条纹；光屏上距双缝的路程差为光波半波长的奇数倍的地方光被减弱，将出现暗条纹。计算表明相邻两条亮条纹（或暗条纹）间的距离Δｘ＝Ｌｄλ，在两狭缝间的距离ｄ和狭缝与屏间的距离Ｌ不变的条件下，单色光产生的干涉条纹间距跟光的波长λ成正比。在用白光做双缝干涉实验时，光屏上除中央亮条纹为白色外，两侧均为彩色的干涉条纹。（２）薄膜干涉：光照射到薄膜上时，薄膜的前、后表面反射的两列光相叠加，也可发生干涉现象。若入射光为单色光，可形成明暗相间的干涉条纹；若入射光为白光，可形成彩色的干涉条纹。在薄膜干涉中，同一级亮条纹（或暗条纹）出现在膜的厚度相同处，故此种干涉又常称为等厚干涉。薄膜干涉常用于检查平面和用于镜头的增透膜。２．光的衍射光离开直线路径而绕到障碍物阴影里的现象叫做光的衍射现象。只有在障碍物或孔的尺寸比光的波长小，或者跟光的波长差不多的条件下，才能发生明显的衍射现象。著名的泊松亮斑就是典型的光的衍射现象。３．光的偏振（１）偏振现象：横波只沿某一特定方向振动，称为波的偏振现象。（２）自然光：若光源发出的光，包含着在垂直于光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，这种光叫自然光。（３）偏振光：在垂直于光传播方向的平面上，只沿一个特定方向振动的光，叫偏振光。例如：自然光通过偏振片后，就得到了偏振光。见示意图。（４）光的偏振充分说明光是横波，只有横波才有偏振现象。除了从光源直接发出的光以外，我们通常见到的大部分光都是偏振光。􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋１６６　　５年高考３年模拟Ｂ版（教师用书）例如自然光射到两种介质的界面上，调整入射角的大小，使反射光与折射光的夹角是９０°，这时反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向互相垂直。（５）偏振光的简单应用：拍摄水面下的景物或玻璃橱窗里的陈列物时，加偏振片滤去水面或玻璃表面的反射光，使景、像清晰。立体电影也是应用光的偏振现象的例子。在信息技术迅猛发展的今天，光盘是存储信息的一种重要媒介。光盘上的信息通常是通过激光束来读取的。若红、蓝激光束不是垂直投射到盘面上，则光线在通过透明介质层时会发生偏折而改变行进的方向，如图所示。下列说法中正确的是　（　　）Ａ．图中光束①是红光，光束②是蓝光Ｂ．在光盘的透明介质层中，光束①比光束②传播速度更快Ｃ．若光束①、②从透明介质层以相同且逐渐增大的入射角射向空气中，则光束①先发生全反射Ｄ．若光束①、②先后通过同一小孔，则光束①衍射现象更明显解析　由图可知光束①偏折程度大，则其折射率大，光束②偏折程度小，则其折射率小，故光束①为蓝光，光束②为红光，Ａ错；由ｎ＝ｃｖ知，在透明介质层中光束①比光束②传播速度慢，Ｂ错；由ｓｉｎＣ＝１ｎ知：光束①的临界角比光束②的小，因此光束①先发生全反射，故Ｃ对；由λ＝ｃ／ν知，光束①的波长比光束②的小，故光束①、②先后通过同一小孔，则光束②衍射现象更明显，Ｄ错。答案　Ｃ１．用如图所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象。图甲是点燃的酒精灯（在灯芯上洒些盐），图乙是竖立的附着一层肥皂液薄膜的金属线圈。将金属线圈在其所在的竖直平面内缓慢旋转，观察到的现象是（　　）Ａ．当金属线圈旋转３０°时，干涉条纹同方向旋转３０°Ｂ．当金属线圈旋转４５°时，干涉条纹同方向旋转９０°Ｃ．当金属线圈旋转６０°时，干涉条纹同方向旋转３０°Ｄ．干涉条纹保持不变１．答案　Ｄ　金属线圈的转动，改变不了肥皂液膜的上薄下厚的形状，由干涉原理可知干涉条纹与金属线圈在该竖直平面内的转动角度无关，仍然是水平的干涉条纹，Ａ、Ｂ、Ｃ错误，Ｄ正确。２．（多选）把一平行玻璃板压在另一