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600分考点700分考法 专题16 光学


专题16
考点57 考点58 考点59

光学

光的折射和全反射 光的干涉、衍射和偏振 实验:测定玻璃的折射率

考点60 考点61

实验:用双缝干涉测光的波长 光学与几何知识的综合应用

1

考点57

光的折射和全反射<

br />折射定律

1.光的折射

光线从一种介质斜射到另一种介质,传播方向发生改变的现象,叫 做光的折射现象.光的折射现象遵循折射定律:折射光线与入射光线、

法线处在同一平面内,折射光线、入射光线分别位于法线两侧,入射角
的正弦值与折射角的正弦值成正比.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,叫做介质的折射率.

2

考点57 光的折射和全反射

(2) 定义式: (3) 实验证明: .

,任何介质的折射率均大于1.

(4) 相对折射率:
3.全反射

.

(1) 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. (2) 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(临界角:折射角等于90°时的入射角, 用C表示, ).(光线从某介质射向真空时临界角 )

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考点57 光的折射和全反射

4.棱镜和光的色散 (1) 通过棱镜的光线折射后要向棱镜底边偏折;隔着棱镜看物体的像 是正立的虚像,像的位置向棱镜顶角方向偏移. (2) 光的色散 :含有多种颜色的光被分解为单色光的现象叫光的色 散.光的色散现象说明白光是复合光.

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考法1 对折射和折射定律的考查★★★
1.对折射定律和折射率的理解及应用 (1) 折射率只由介质本身的光学性质和光的频率决定.由 义和计算, 与入射角θ1、折射角θ2无关. 定

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考点57 光的折射和全反射

6

考点57 光的折射和全反射 2.应用折射定律解题的思路 (1) 画出比较准确的光路图,分析边界光线或临界光线,用光发 生全反射的条件来判断光是否已经发生全反射,确定入射角及相对应 的折射角(注意它们是光线与法线的夹角,不是与界面的夹角); (2) 利用几何关系和光的折射定律求解. 一般来说,若入射角与折射角不是特殊角,需要通过对称性、相 似性等几何关系求出入射角与折射角的正弦值或比值来分析解答.

考法2 对全反射和光的色散的考查★★★★
1.对全反射现象的理解和应用

(1) 全反射现象中,只发生反射现象,不发生折射现象.折射角
等于90°时,实际上就已经没有折射光线了.

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考点57 光的折射和全反射

①全反射只在光线由光密介质射向光疏介质时发生. ②发生全反射的临界点是折射角为 90°,由此可依据条件进行计 算. (2) 发生全反射现象时的光能量的变化 光从光密介质射入光疏介质,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,一旦入射角等于临界角, 折射光的能量实际上已减为零,即此时已经发生了全反射. (3) 光导纤维:简称“光纤”,它是非常细的特制玻璃丝(直径在

几微米到一百微米之间),由内芯和外套两层组成.内芯的折射率比外
套大,光在内芯中传播时,在内芯与外套的界面上发生了全反射.光 纤通信就是利用了全反射原理. 8

考点57 光的折射和全反射 2.光的色散 (1) 单色光的颜色是由其频率决定的,当它从一种介质进入另一种 介质时,它的频率不变,因而其颜色也不变.光速v与波长λ、频率f的

关系为v=λf,因而光从一种介质进入另一种介质时,波长改变,光速
改变. (2) 色散的实质是由于各种色光在同一介质中传播的速率不同,或 同一介质对不同色光的折射率不同.

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考点58

光的干涉、衍射和偏振

1. 光的干涉 频率相同的两列光波相叠加,某些区域的光被加强,某些区域的光被 减弱,并且光被加强和被减弱的区域互相间隔的现象称为光的 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光程差为光波波长整数倍的地方光 被加强,将出现亮条纹,光屏上距双缝的光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. 10

考点58 光的干涉、衍射和偏振

计算表明相邻两条亮纹 (或暗纹)间的距离

,在两

狭缝间的距离d和狭缝与光屏间的距离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)出现在薄膜的厚度相同
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平整度和用于镜头的增透膜、镜片的增

反膜.
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考点58 光的干涉、衍射和偏振 2.光的衍射 光绕过障碍物继续向前传播的现象叫做光的衍射. 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经典的光的 衍射现象. 3.光的偏振 (1) 偏振:横波只沿某一特定的方向振动,称为波的偏振. (2) 自然光:在与光波传播方向垂直的平面内,光振动沿各个方 向振动强度都相同.如由太阳、电灯等普通光源发出的光. (3) 偏振光:在与光波传播方向垂直的平面内,只有沿着某一个 特定方向振动的光.如自然光经偏振片作用后的光. 12

考点58 光的干涉、衍射和偏振

(4) 光的偏振现象说明光是一种横波. (5) 偏振光的应用:照相机镜头、液晶显示器、立体电影、消除 车灯眩光等. 4.激光 (1) 激光的特点:相干性好、平行度好、亮度高. (2) 激光的应用:全息照相、医用激光刀、引起核聚变等.

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考法3 光的干涉和衍射★★
1.光的干涉与衍射的比较 (1) 光的干涉是在光重叠区域出现加强或减弱的现象,光的衍射是 光绕过障碍物偏离直线传播的现象. (2) 光的干涉产生条件是两束光频率相同、相位差恒定,即必须是 相干光源,明显衍射现象产生条件是障碍物或孔的尺寸比波长小或相差

不多.

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考点58 光的干涉、衍射和偏振

(3) 光的双缝干涉图样是中央为明纹,两边等间距分布明暗相间的 条纹,光的单缝衍射图样是中央为最宽、最亮的明纹,两边不等间距分

布明暗相间的条纹.
2.薄膜干涉的形成 (1) 肥皂液薄膜干涉实验 将肥皂液薄膜竖直立放,并把液膜当成镜面从前面看火焰的反射后 的虚像.可观察到火焰反射虚像中近似水平的明暗相间的条纹. (2) 明暗相间条纹的来源

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考点58 光的干涉、衍射和偏振 虚线代表前表面反射 实线代表后表面反射 图中所画的波都是反射波,是从楔形薄膜前表面和后表面分别反射 的两列波的叠加,这两列波是同一光源发出的,所以 是 相干波 ,由于同一水平线上的薄膜厚度近似相同,所以干涉后 能产生水平的明暗条纹. (3) 若用白光照射,则在薄膜某一厚度的地方某一波长的光反射后 增强,而另一些波长的光反射后减弱,这样薄膜的像上就出现彩色条 纹.

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考点58 光的干涉、衍射和偏振

考法4 光的偏振★
1.自然光与偏振光的比较 自然光是直接从光源发出的光,偏振光是通过偏振器后的光.自 然光在垂直于光的传播方向的平面内,光振动的方向沿各个方向,且 沿各个方向光振动的强度相同,偏振光在垂直于光的传播方向的平面 内,光振动的方向沿特定方向. 2.偏振光要点提示 偏振片并非刻有狭缝,而是具有一种特征,即存在一个偏振方向,

只让平行于该方向振动的光通过,其他振动方向的光被吸收了.

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考点59

实验:测定玻璃的折射率

1. 实验原理

用插针法确定光路,找出和入射光线相应的折射光线;确定入射角
i和折射角r,根据折射定律计算出玻璃的折射率 2.实验器材 两面平行的玻璃砖、白纸、木板、大头针、图钉、量角器、三角板 (或直尺)、铅笔. 3.实验步骤 (1) 把白纸用图钉钉在木板上. .

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考点59 实验:测定玻璃的折射率 (2) 在白纸上画一条直线aa′作为界面,画一条线段AO作为入射光

线,并过O点画出界面aa′的法线NN′,如图所示.
(3) 把长方形的玻璃砖放在白纸上,使它的一个长 边跟aa′对齐,并画出玻璃砖的另一个长边bb′. (4) 在AO线段上竖直地插上两枚大头针P1和P2. (5) 在玻璃砖的bb′一侧竖直地插上大头针P3,用眼睛观察调整视线,

要使P3能同时挡住P1、P2的像.
(6) 同样地在玻璃砖的bb′一侧再竖直地插上大头针P4,使P4能挡住 P3本身和P1、P2的像. (7) 记下P3和P4的位置,移去玻璃砖和大头针,过P3和P4画直线O′B 与bb′交于O′点,连接O与O′,OO′就是玻璃砖内的折射光线的方向,入 射角i=∠AON,折射角r=∠O′ON′. 19

考点59 实验:测定玻璃的折射率

(8) 用量角器量出入射角i和折射角r的度数. (9) 从三角函数表中查出入射角和折射角的正弦值,记入自己设计 的表格里. (10) 用上面的方法分别求出入射角是30°、45°、60°时的折射角, 查出入射角和折射角的正弦值,把这些数据记在表格里. 4.数据处理 (1) 计算法:计算每次的折射率n,然后求平均值.

(2) 图像法:作sin θ1-sin θ2图像,由
斜率即为折射率.

可知图像为直线,其

(3) 单位圆法:在不使用量角器的情况下,可以用单位圆法.

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考点59 实验:测定玻璃的折射率

①以入射点O为圆心,以一定长度R为半径画圆,交入射光线OA于E点,
交折射光线OO′于E′点,过E作NN′的垂线EH,过E′作NN′的垂线E′H′,如图 所示.

②由图中关系



,OE=OE′=R,则

.

只要用刻度尺测出 EH、E′H′ 的长度就可以求出n. ③不用画圆时,截取EO=OE′作EH⊥NN′,E′H′⊥NN′,则 .

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考点59 实验:测定玻璃的折射率

5.注意事项 (1) 玻璃砖应选用厚度、宽度较大的. (2) 大头针要插得竖直,且间隔要适当大些. (3) 入射角不宜过大或过小,一般在30°~60°之间. 6.误差分析 (1) 观察P1、P2的像,确定P3、P4位置时可能出现误差,要求入射 一侧和出射一侧所插两枚大头针间距稍大一些.

(2) 用量角器测量入射角和折射角时可能出现误差.

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考点60

实验:用双缝干涉测光的波长

1. 实验原理 据双缝干涉条纹间距 Δx=λ得,波长λ=Δx.已知双缝间距d,再测出

双缝到屏的距离L和条纹间距Δx,就可以求得光波的波长.
2.实验器材 实验装置采用双缝干涉仪,它由各部分光学元件在光具座上组 成.如图所示,各部分元件包括光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、 光屏.

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考点60 实验:用双缝干涉测光的波长

3.实验步骤 (1) 观察干涉条纹 ①将光源、遮光筒、光屏依次安放在光具座上. ②取下双缝,打开光源,调节光源的高度,使它发出的光束能够沿 着遮光筒的轴线把屏照亮. ③放好单缝和双缝,单缝和双缝间距离为5~10 cm,使缝相互平行, 中心大致位于遮光筒的轴线上,这时在屏上就会看到白光的双缝干涉图 样.

④在单缝和光源间放上滤光片,观察单色光的干涉条纹.
(2) 测量单色光的波长 ①安装测量头,调节至可清晰观察到干涉条纹.

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考点60 实验:用双缝干涉测光的波长

②使分划板中心刻线对齐某条亮纹的中心,记下手轮上的读数a1, 将该条纹记为第 1 条亮纹;转动手轮,使分划板中心刻线移至另一亮 条纹的中心,记下此时手轮上的读数an,将该条纹记为第n条亮纹,则 相邻亮纹间的距离 . ③用刻度尺测量双缝到光屏的距离L(d是已知的). ④换用不同颜色的滤光片,观察条纹间距的变化,并测出相应色 光的波长.

4. 数据处理
(1) 条纹间距的计算:移动测量头的手轮,分划板中央刻线在第1 条亮纹中央时读数为a1,在第n条亮纹中央时读数为an,则 .

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考点60 实验:用双缝干涉测光的波长

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考点60 实验:用双缝干涉测光的波长 (4) 不要直接测Δx,要测多个亮条纹的间距再计算得Δx的平均值, 这样可以减小误差. 6.误差分析 (1) 双缝到屏的距离L的测量存在误差. (2) 测条纹间距Δx带来的误差: ①干涉条纹没有调整到最清晰的程度. ②误认为Δx为亮(暗)条纹的宽度. ③分划板刻线与干涉条纹不平行,中心刻线没有恰好位于条纹中 心.

④测量多条亮条纹间的距离时读数不准确,此间距中的条纹数未数
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考点61

光学与几何知识的综合应用

考法5 光学与几何知识的综合应用★★★★
本章包括“光的折射”和“光的波动性”两部分.“光的折射”以 光的直线传播为基础,主要讨论光的折射现象中所遵循的基本规律 —— 折射定律和初中学习过的反射定律.其中光的折射定律、折射率、反射 定律、全反射现象及几何光路图是本章的重点之一,也是高考考查的热 点内容,几乎每年都考.本章的难点是将光学问题与其他学科的结合, 特别是和数学中圆的知识、三角形知识以及三角函数等知识相结合,同 时也有一定的运算量,是近几年命题的方向.

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考点61 光学与几何知识的综合应用

在求解此类问题时,要注意以下几点:(1)要认真审题,深入理解 题目所给的已知条件,将题目所说的实际问题抽象成物理模型; (2)通 过合适的视角画出正确的光路图,结合数学找出其隐含条件,列式进行 计算.

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