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《大高考》2016届高考物理(全国通用)配套课件+配套练习:专题十五 光学


知识点一 光的折射

1.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
法线 两侧;入射角的正弦与折射角的正弦成 线、入射光线分居______ 法线 _____. 2.在折射现象中,光路是可逆的.
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知识点二 折射率 sin θ 1 sin θ 2 θ1表示真空中光线与法线的夹角,θ2表示 1.定义式:n=_________(
介质中光线与法线的夹角,如图所示).

c v (c表示光在真空中的速度,v表示光在介质中 2.实验证明:n=____

的速度). 注意:任何介质的折射率均大于1. 3.折射率由介质本身性质决定,与入射角的大小无关.
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知识点三 全反射 光密 介质射入_____ 光疏 介质. 1.条件:(1)光从______ 大于等于 临界角. (2)入射角_________

2.现象:折射光完全消失,只剩下反射光.
1 n ,C为折射角等于90°时的入射角. 3.临界角:sin C=____

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知识点四 光的色散

1.光的色散现象说明:
复色 光. (1)白光为_____ (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 越大 _____. 不同 (3)不同色光在同一介质中传播速度______.

2.光线照射到棱镜的一个侧面上时,经两个侧面折射后,出射光
底边 偏折.物体经棱镜所成虚像的位置向顶角偏移. 线向棱镜的_____

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【易错防范】 (1)无论是折射光路,还是全反射光路都是可逆的.( √ ) (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)若光从空气中射入水中,它的传播速度一定增大.( √ ) (4) 已知介质对某单色光的临界角为 C ,则该介质的折射率等于 1 .( ) sin C √

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知识点五 光的干涉
1.条件 频率 相同,且具有恒定的相位差,才能产生稳定的 (1)两列光的_____ 干涉现象. (2)将同一列光波分解为两列光波,可以获得相干光源.双缝干涉和

薄膜干涉都是用此种方法获得相干光源.
2.杨氏双缝干涉 (1)原理如图所示.

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(2)明、暗条纹的条件.
①单色光: kλ(k=0,1,2,…) ,光屏上出现明条纹. Ⅰ.光的路程差r2-r1=__________________

λ (2k+1) (k=0,1,2,?) ,光屏上出现暗 Ⅱ.光的路程差r2-r1=________________________ 2

条纹.
彩色 条纹. ②白光:光屏上出现______

l (3)条纹间距公式:Δx=_____. dλ
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3.薄膜干涉 (1)原理:薄膜厚度上薄下厚,入射光照在薄膜的同一位置,来自前、 后两个面的反射光路程差不同,叠加后出现明条纹或暗条纹.

(2)应用:①增透膜.②利用光的干涉检查平整度.

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知识点六 光的衍射 1.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.

2.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.

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知识点七 光的偏振 某一特定方向振动,称为波的偏振现象. 1.偏振现象:横波只沿_____________ 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 相同 , 切方向振动的光,而且沿各个方向振动的光波的强度都_____ 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.

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横波 ,只有_____ 横波 才有偏振现象. 4.光的偏振充分说明光是______
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. 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、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.

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【易错防范】

(1)各种波均会发生偏振现象.( × )
(2)用白光做单缝衍射与双缝干涉实验,均可看到彩色条纹.( √ ) (3)光的衍射是光在传播过程中绕过障碍物的现象.( √ )

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要点一 [突破指南] 解决光的折射问题的思路

光的折射

折射率

1.根据题意画出正确的光路图.

2.利用几何关系确定光路中的边、角关系,要注意入射角、折射
角均以法线为标准. 3.利用折射定律、折射率公式求解. 4.注意:在折射现象中光路是可逆的.
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【典例1】 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.

(1)求三棱镜的折射率;

(2)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)
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解析

(1)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

sin i=nsin r②
nsin r′=sin i③ 由②③式得r=r′④ OO′为过M点的法线,∠C为直角,OO′∥AC.由几何关系有 ∠MNC=r′⑤
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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 (2)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 nsin θC=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.

答案

(1) 3

(2)没有

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【借题发挥】 求解光的折射问题应注意以下两点 (1)根据折射定律和入射光线画出折射光线, 找到入射角和折射角, 要注意入射角、折射角是入射光线、折射光线与法线的夹角. sin θ1 (2)应用公式 n= 时,一定要确定准哪个角在分子上,哪个 sin θ2 角在分母上.

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要点二 [突破指南] 解决全反射问题的基本思路

全反射

1.明确光是由光疏介质射入光密介质还是由光密介质射入光疏介质 . 1 2.根据 sin C=n确定临界角,判断是否发生全反射. 3.根据题设条件,画出入射角等于临界角的“临界光路”. 4.运用几何关系、三角函数关系、反射定律等进行动态分析或定量 计算.

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【典例2】 图示为一光导纤维(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.

(1)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;
(2)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.

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解析

(1)设光线在端面AB上C点(如图)的入射角为i,折射角为r,

由折射定律有sin i=nsin r①

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 sin i≤ n2-1⑤
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c (2)光在玻璃丝中传播速度的大小为 v=n⑥ 光速在玻璃丝轴线方向的分量为 vz=vsin α⑦ 光线从玻璃丝端面 AB 传播到其另一端面所需时间为 L T= ⑧ vz 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 到另一端面所需的时间最长,由②③⑥⑦⑧式得 Ln2 Tmax= c
答案 (1)sin i≤ n2-1

Ln2 (2) c
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【借题发挥】 解答全反射类问题的技巧 解答全反射类问题时,要抓住发生全反射的两个条件:

一是光必须从光密介质射入光疏介质,
二是入射角大于或等于临界角.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,这样更有利于问题的分析.

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要点三 [突破指南]

光的干涉

衍射及偏振

1.单缝衍射与双缝干涉的比较
两种现象 比较项目 不 同 点 亮度情况 中央条纹最亮,两边变暗 相同点 条纹间距 各相邻条纹间距不等 各相邻条纹等间距 条纹清晰,亮度基本 相等 单缝衍射 双缝干涉

条纹宽度 条纹宽度不等,中央最宽 条纹宽度相等

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
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2.自然光和偏振光的比较

自然光(非偏振光) 光的来源 直接从光源发出的光
在垂直于光的传播方向的

偏振光 自然光通过起偏器 后的光 在垂直于光的传播 方向的平面内,光 振动沿特定方向

光的振
动方向

平面内,光振动沿任意方
向,且沿各个方向振动的 光的强度相同

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【典例3】 下列现象中,属于光的衍射的是( B )

A.雨后天空出现彩虹
B.通过一个狭缝观察日光灯可看到彩色条纹 C.海市蜃楼现象 D.日光照射在肥皂膜上出现彩色条纹 解析 彩虹是光的色散现象,海市蜃楼是光的折射、全反射现象,

肥皂膜上出现彩色条纹是薄膜干涉现象,A、C、D错误;通过
狭缝观察日光灯看到彩色条纹是单缝衍射现象,B正确.

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要点四 [突破指南] 求折射率的四种方法

测定玻璃的折射率

(1)计算法:用量角器测量入射角 θ1 和折射角 θ2,算出不同入射角 sin θ 1 时的 ,并取平均值. sin θ 2 (2)图象法:改变不同的入射角 θ1,测出不同的折射角 θ2,作 sinθ -sinθ
2

sin θ 1 图象,由 n= 可知图象应为直线,如图所示,其斜率 sin θ 2

就是玻璃的折射率.

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(3)辅助线段法:利用直尺作辅助线,测出辅助线的长度大小,
求玻璃的折射率.
如图所示,作辅助线 AB ,且垂直于 OB ,量出 AB 、 OA ,作辅 助线 CD ,且垂 直于 OD ,量出 CD 、 OC ,则 sin θ 1= OC sin θ 1 AB · = ,即可求出:n= = . sin θ 2 OA · OC CD CD AB OA ,sin θ
2

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(4)“单位圆法”: 以入射点 O 为圆心, 以适当长度 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′ EH 的垂线 EH,过 E′作 NN′ 的垂线 E′H′.如图所示,sinθ 1=OE , E′H′ sin θ 1 EH sinθ 2= ,OE=OE′=R,则 n = = .只要用 OE′ sin θ 2 E′H′ 刻度尺量出 EH、E′H′的长度就可以求出 n.

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【典例4】 某同学做“测定玻璃折射率”实验时,完成光路图后, 由于没有量角器,借助圆规以O为圆心画圆,分别交入射光线于A

点,交OO′连线延长线于C点.分别过A点、C点作法线NN′的垂线AB、

CD交NN′于B点、D点,用刻度尺量得AB=10 cm,CD=6 cm,求:

(1)玻璃的折射率n;

(2)光从这种玻璃进入空气时的临界角多大.
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解析

(1)设∠AON=i,∠CON′=r,由折射定律可得

sin i sin i AB 5 n= .由于 AO=CO,所以 n= = = sin r sin r CD 3 1 (2)由 sin C=n可得, 光从这种玻璃进入空气时的临界角 C=37° 5 答案 (1) (2)37° 3

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