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(共68张PPT)
第13讲 光学
题型1 光的折射和全反射
题型2 光的干涉与衍射
题型3 光的波粒二象性、物质波
题型4 光学模块的组合问题
网络构建
备用习题
网络构建
【关键能力】
了解光本质的认知过程,高中物理光学内容主要包括三部分:第一部分是几
何光学,把光的传播抽象成光线模型并遵循直线传播原理、反射定律、折
射定律;第二部分是波动光学,是在光的干涉、光的衍射、光的偏振等现象
分析基础上把光传播本质理解为电磁波模型;第三部分是在光电效应、康
普顿效应等现象基础上理解光的波粒二象性.
题型1 光的折射和全反射
平行玻璃砖 三棱镜 圆柱体(球)
结构 玻璃砖上下表面是 平行的 横截面为三角形的棱镜 横截面是圆
平行玻璃砖 三棱镜 圆柱体(球)
对光 线的 作用 通过平行玻璃砖的 光线不改变传播方 向,但要发生侧移 ___________________________________________________ 通过三棱镜的光线经两 次折射后,出射光线向棱 镜底面偏折 _________________________________________________________ 圆界面的法线是过圆
心的直线,经过两次折
射后向圆心偏折
_________________________________________________________
（续表）
平行玻璃砖 三棱镜 圆柱体(球)
应用 测定玻璃的折射率 全反射棱镜,改变光的传 播方向 ___________________________________________________________ 改变光的传播方向
（续表）
例1 [2023·浙江6月选考] 在水池底部水平放置三条细灯带构成的等腰直角
三角形发光体，直角边的长度为，水的折射率 ，细灯带到水面
的距离 ，则有光射出的水面形状(用阴影表示)为( )
A. B. C. D.
√
[解析] 水面下的发光体可以看成是许多点光源，每个点光源射向水面时
有光射出的区域是一个圆，发生全反射的临界角的正弦值 ，
则，圆半径 ，如图甲所示，所以整个发光体
在水面处有光射出的区域看作是以边界上的点为圆心、半径为 的包
络面，如图乙所示，设三角形发光体的内切圆半径为 ，如图丙所示，有
，得 ，可知，有光射出
的水面形状为选项C.
技法点拨
本题先考虑点光源发出的光在水面上有光射出的水面形状，再考虑线光源
发出的光在水面上有光射出的水面形状，最后分析三条细灯带构成的等腰
直角三角形发光体发出的光在水面上有光射出的水面形状.根据全反射临
界角满足的条件，画出示意图，根据几何关系解答.
【迁移拓展】
1.[2024·宁波模拟] 某主题公园的湖里安装了一批圆形线状光源的彩灯，
半径为 ，如图甲所示.该光源水平放置到湖水下方，光源圆面与液面平行.
当彩灯发出红光时，可在水面正上方观察到如图乙所示的红色亮环，亮环
与中间暗圆的面积之比为，已知水对红光的折射率为 .下列说法正确
的是( )
A.此彩灯离水面的垂直距离为79R
B.彩灯变换发光颜色时，中间暗圆面积保持不变
C.若将彩灯上移，则亮环面积与中间暗圆面积之比增大
D.将彩灯再向湖底竖直向下移动 ，会使中间暗圆消失
√
[解析] 设亮环最外圈的半径为 ，暗圆的半径为
，由题意有 ，其光路图如图所示，
圆环边缘的光线发生全反射，有 ，由几
何关系有， ，
解得 ，故A正确；当彩灯变换发光颜色
时，则水对该光的折射率发生变化，由上述分析可知，当折射率发生改变
时，则暗圆的半径发生变化，所以中间暗圆的面积发生变化，故B错误；
由几何关系可知， ，整理有
，若将彩灯上移，即彩灯
到水面的高度减小，即 变小，由上述分析可
知，增大，又因为，所以 减
小，则亮环面积与中间暗圆面积之比变小，故C
错误；若使中间暗圆消失，有 ，
解得 ，所以将彩灯向下平移的距离为
，故D错误.
2.一个光学圆柱体的横截面如图所示，中心部分
是空的正方形，外边界是半径为的圆，圆心
也是正方形的中心， 是正方形其中一个边上的
中点，是圆周上的一点，已知 ，
，真空中光速为 ，一束单色光
从点射入介质，入射角为 ，折射光线
为 ，下列说法正确的是( )
A.光在点的折射角为 B.正方形的边长为
C.介质对此单色光的折射率为 D.光从到的传播时间为
√
[解析] 由几何关系可得，光在B点的折射角为 ，则介质对此单色光的折射率为 ，故A、C错误；设正方形的边长为 ，由余弦定理有，解得 ，故B正确；光在介质中的传播速度为 ，光从B到C的传播时间为 ，
故D错误.
题型2 光的干涉与衍射
现象 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
亮度情况 中央条纹最亮,两边变暗 条纹清晰,亮度基本相等
相同点 干涉、衍射都是波特有的现象,属于波的叠加;干涉、 衍射都有明暗相间的条纹
例2 [2024·台州模拟] 某研究性学习小组用激光束照射圆孔和不透明圆板
后，分别得到如图甲、乙所示的图样，则下列说法错误的是( )
A.甲图属于圆孔衍射
B.乙图的亮斑是“泊松亮斑”，最早由泊松先推算出这个亮斑，后来泊松发
现影的中心的确有这个亮斑
C.不管是圆孔衍射还是圆盘衍射，影像的边缘轮廓都是模糊不清的
D.发生圆孔衍射时，圆形光环的图样半径远大于圆孔的半径，即光绕到障
碍物的影子里
√
[解析] 根据衍射条纹的特点可知甲图属于圆孔衍射，乙图是光线照射到
圆板后的衍射图样，即乙图为著名的“泊松亮斑”，故A正确；乙图的亮斑
是“泊松亮斑”，最早由泊松先推算出这个亮斑，但泊松认为这是非常荒谬
的，后来阿拉果发现影的中心有这个亮斑，故B错误；不管是圆孔衍射还
是圆盘衍射，影像的边缘轮廓都是模糊不清的，故C正确；发生圆孔衍射
时，圆形光环的图样半径远大于圆孔的半径，即光绕到障碍物的影子里，
故D正确.
技法点拨
小孔衍射图样与圆板衍射图样是不一样的，要掌握它们的特点来记忆.圆
孔形成明暗相间的、不等亮、不等间距的圆环；不透明圆板背后阴影中心
有一个亮斑.
例3 [2024·湖州模拟] 某同学根据光的干涉原理设计了探究不同材料热膨
胀程度的实验装置，如图所示.材料甲置于玻璃平板之间，材料乙的上表
面3与上层玻璃下表面2间形成空气劈尖.单色光垂直照射到玻璃平板上，
就可以观察到干涉条纹.下列说法正确的是( )
A.表面3可以与表面2平行
B.该条纹是由上层玻璃上表面1与下层玻璃上
表面4的反射光发生干涉形成的
C.仅温度升高，若干涉条纹向左移动，则材料
甲膨胀程度大
D.仅换用频率更小的单色光，干涉条纹将向
左移动
√
[解析] 该条纹是由上层玻璃下表面2与材料乙
上表面3的反射光发生干涉形成的，由空气劈
尖原理可知，若表面3与表面2平行，则两表
面的反射光之间的路程差始终恒定，则不会
形成明暗相间的条纹，故A、B错误；若温度
升高，干涉条纹向左移动，则上层玻璃下表
面2与材料乙上表面3之间的空气膜厚度增加，
即材料甲膨胀程度大，故C正确；
若换用频率更小的单色光，则波长变长，根
据条纹间距公式 可知，干涉条纹间
距增大，对应空气膜厚度符合条件的位置向
右移动，故D错误.
技法点拨
干涉类问题最容易进行拓展变形
【迁移拓展】
1.[2024·山东潍坊模拟] 制造半导体元件需要精确测定硅片上涂有的二氧
化硅 薄膜的厚度，把左侧二氧化硅薄膜腐蚀成如图甲所示的劈尖，
用波长 的激光从上方照射劈尖，观察到在腐蚀区域内有8条暗
纹，且二氧化硅斜面转为平面的棱处是亮纹，二氧化硅的折射率为 ，
则二氧化硅薄膜的厚度为( )
A. B. C. D.
√
[解析] 根据题意，由于二氧化硅的折射率为 ，则激光在二氧化硅中的
波长为 ,观察到在腐蚀区域内有8条暗纹，则二氧化硅斜面转为平面
的棱处是第9条亮纹，设二氧化硅薄膜的厚度为，则有 ,联立
解得 ,故选A.
2.[2024·金华一中模拟] 双缝干涉的
实验装置的截面图如图所示，光源到
双缝、的距离相等，是、
连线中垂线与光屏的交点.若现在将
该装置中垂线以下的部分没入水中，
则原本处在 点的亮条纹将会( )
A.向上移动 B.向下移动 C.不动 D.无法确定
√
[解析] 由于水的折射，光在水中传
播时，波长变短.光源发出的光通过
狭缝到达点的光程比通过 到达
点的光程大，由于中央亮条纹到两
个光源的光程相等，因此中央亮纹向
下移动.故选B.
题型3 光的波粒二象性、物质波
1.对光电效应的特别提醒
(1)能否发生光电效应,不取决于光的强度而取决于光的频率.
(2)光电效应中的“光”不是特指可见光,也包括不可见光.
(3)逸出功的大小由金属本身决定,与入射光无关.
(4)光电子不是光子,而是电子.
2.对波粒二象性的理解
(1)光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间相互作用产生的,光的
波动性不同于宏观概念的波.
(2)德布罗意提出物质波的观点被实验证实,表明电子、质子、原子等粒子
不但具有粒子的性质,而且具有波的性质.
例4 (不定项)[2024·嘉兴模拟] 波粒二象性是微观世界的基本特征.下列对
波粒二象性的实验及说法正确的是( )
A.光的衍射(图甲)揭示了光具有粒子性
B.光电效应(图乙)揭示了光的波动性，同时表明光子具有能量
C.康普顿效应(图丙)揭示了光的粒子性，同时表明光子除了有能量还有动量
D.电子束穿过铝箔后的衍射图样(图丁)，证实了电子的波动性，质子、中
子及原子、分子均具有波动性
√
√
[解析] 光的衍射(图甲)揭示了光具有波动性，选项A错误；光电效应(图乙)
揭示了光的粒子性，同时表明光子具有能量，选项B错误；康普顿效应
(图丙)揭示了光的粒子性，同时表明光子除了有能量还有动量，选项C正
确；电子束穿过铝箔后的衍射图样(图丁)，证实了电子的波动性，质子、
中子及原子、分子均具有波动性，选项D正确.
例5 [2024·丽水模拟] 如图甲所示是一款光电烟雾探测器的原理图.当有烟
雾进入时，来自光源的光被烟雾散射后进入光电管 ，光射到光电管中
的钠表面时会产生光电流.如果产生的光电流大于 ，便会触发报警
系统.金属钠的遏止电压随入射光频率 的变化规律如图乙所示，光速
， ，则( )
A.要使该探测器正常工作，光源S发出的光波长不能小于
B.图乙中图像斜率的物理意义为普朗克常量
C.触发报警系统时钠表面每秒释放出的光电子数最少是 个
D.通过调节光源发光的强度来调整光电烟雾探测器的灵敏度是不可行的
√
[解析] 由图乙可知金属的截止频率为 ，则有
，则可知光源 发出的光波长小于
，故A错误；由遏止电压与光电子的最大初动能之间的关系，
以及爱因斯坦的光电效应方程可得 ，变式可得
，可知该图像的斜率为，故B错误；当光电流等于
时，每秒产生的光电子的个数为个 个，故
C正确；当光源 发出的光能使光电管发生光电效应时，光越强，被烟雾
散射进入光电管的光就越多，越容易探测到烟雾，即光电烟雾探测器灵敏
度越高，故D错误.
【迁移拓展】
1.[2024·温州模拟] 如图所示，某激光器的一
端固定于虚线圆的圆心点，以角速度 绕
点转动，转动过程中从激光器的另一端连续
发出波长为 的细激光束(不计光束截面积)，
在半径为 的虚线圆某处固定一弧形接收屏，
A. B. C. D.
接收屏沿虚线圆的长度为 .激光器转动一周的过程中，接收屏接收到的光
子数为，已知普朗克常量为，激光传播的速度为 ，则激光器的发射功
率为( )
√
[解析] 激光器转动的周期为 ，转一周的过
程中虚线圆单位长度接收到的光能量为 ，
接收屏接收到的光能量为 ，每个光子能
量为 ，则在激光器转动一周的过程
中，接收屏接收到的光子数为 ，联立解得
，故选B.
2.[2024·台州模拟] 我国科学家吴有训在上世纪20年代进行 射线散射研究，
为康普顿效应的确立做出了重要贡献.研究 射线被较轻物质散射后光的成
分发现，散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外，还有其他波长的
成分，这种现象称为康普顿效应.如图所示，在真空中，入射波长为 的
光子与静止的电子发生弹性碰撞，碰后光子传播方向与入射方向夹角为
，碰后电子运动方向与光子入射方向夹角为
，下列说法正确的是( )
A.该效应说明光具有波动性
B.碰撞后光子的波长为
C.碰撞后电子的德布罗意波长为
D.碰撞后光子相对于电子的速度大于
√
[解析] 该效应说明光具有粒子性，故A错误；根据题意，设碰撞之前光子
的动量为，碰撞之后光子的动量为，电子的动量为 ，由动量守恒定
律有， ，解得
，，又有 ，则碰撞后光子的波长为
，碰撞后电子的德布罗意波长为 ，故C错误，
B正确；光子的速度等于光速，按照爱因斯坦的光速不变原理即在任何参
考系中光速都不变，可知光子相对于电子的速度等于 ，故D错误.
题型4 光学模块的组合问题
例7 (不定项)[2024·浙江1月选考] 在
如图所示的直角坐标系中， 平面为
介质Ⅰ和Ⅱ的分界面( 轴垂直纸面向外).
在介质Ⅰ中的 处有一点波源，产
生波长为 、速度为 的波.波传到介质
Ⅱ中，其速度为 .图示时刻介质Ⅱ中
仅有一个波峰，与轴和轴分别交于和 点，此时波源也恰好位于波峰.
为、连线的中点，入射波与反射波在 点相干加强，则( )
A.介质Ⅱ中波的频率为
B. 点的坐标为
C.入射波与反射波在 点相干减弱
D.折射角 的正弦值
√
√
[解析] 波发生折射时，波的频率不变，
所以波在介质Ⅰ、Ⅱ中的频率相等，即
，选项A错误；波在介质Ⅰ中的波长
为 ,根据 可知，波在介
质Ⅱ中的波长为 ，
该时刻波源处于波峰，点到
点距离为 ,则入射波在 点也处于波峰，
已知入射波与反射波在 点相干加强，
说明反射波在 点恰好也处于波峰，又知
介质Ⅱ中仅有一个波峰，所以、 之间
距离恰好等于一个波长，即 ，
故点的坐标为 ，选项B正确；
已知入射波与反射波在 点相干加强，说
明波传到两种介质的分界面时没有半波
损失，则入射波和反射波在分界面上同
一点的相位相同，分界面上各点都是相
干加强，选项C错误；已知图示时刻介质
Ⅱ中仅有一个波峰与轴和轴分别交于
和点，说明波传播到和 点的时间相
同，即，解得 ，
根据折射率公式得 ,根据折
射率与传播速度的关系得 ，其中
，联立
解得 ，选项D正确.
技法点拨
在介质Ⅱ中的波长为 ，此刻波源处于波峰，则4个波长处点也
处于波峰处，而又根据题意，入射波、反射波在点相干加强，说明反射
波在点恰好也处于波峰.根据题意在介质Ⅱ中，仅有一个波峰，所以、
之间恰好是相邻的两个波峰.由于没有半波损失，界面上每处的入射波与
反射波始终同相，都是加强点.
例8 (不定项)[2023·浙江6月选考] 有一种新型光电效应量子材料，其逸
出功为 .当紫外光照射该材料时，只产生动能和动量单一的相干光电子
束.用该电子束照射间距为的双缝，在与缝相距为 的观测屏上形成干涉
条纹，测得条纹间距为.已知电子质量为，普朗克常量为 ，光速为
，则( )
A.电子的动量
B.电子的动能
C.光子的能量
D.光子的动量
√
√
[解析] 根据双缝干涉条纹间距公式 可知，该相干光电子束中电子
的动量为，选项A正确；根据 可知，相干光电子束
中电子的动能 ，选项B错误；根据爱因斯坦的光电效应方程
可知，则该紫外光的光子能量 ,而紫
外光的光子动量为，又，联立得 ，选项C
错误，D正确.
技法点拨
根据电子的动量公式结合双缝干涉实验的条纹间距公式联立得出电子的动
量表达式；根据动能和动量的关系得出电子的动能；结合光电效应方程列
式得出光子的能量，熟悉公式间的推导即可完成解答.
【迁移拓展】
1.[2024·宁波模拟] 某学生用图甲装置进行趣味实验，其原理如图乙所示，
在一块平板玻璃上放置一平薄凸透镜，在两者之间形成厚度不均匀的空气
膜，让一束单一波长的光垂直入射到该装置上，结果在上方观察到如图丙
所示的同心、内疏外密的圆环状干涉条纹，称为牛顿环，现将、 两束单
色光分别进行实验，结果发现同等条件下 光的圆环状干涉条纹平均间距
大于 光的间距.下列说法错误的是( )
A.分别用、 两束光照射同一光电管阴极时，如果都能发生光电效应，则
光的遏止电压更大
B.如果、两束光以相同的入射角照射到玻璃砖表面，则 光的折射角更小
C.将、两束光射入同一单缝衍射装置上， 光对应的中央亮纹的宽度更大
D.光光子动量小于 光光子动量
√
[解析] 同等条件下光的圆环状干涉条纹平均间距大于光的间距，则 光
的波长大于光的波长，光的频率小于光的频率.分别用、 两束光照射
同一光电管阴极时，如果都能发生光电效应，根据光电效应方程
，由于光的频率小，所以 光的遏止电压更小，故A错误；
光折射率大于光折射率，入射角相同，光折射角小于 光折射角，故B
正确；将、两束光射入同一单缝衍射装置上，由于光的波长大于 光
的波长，光对应的中央亮纹的宽度更大，故C正确；根据，可知
光光子动量小于 光光子动量，故D正确.
2.(不定项)[2024·丽水模拟] 如图乙所示，一束复色光从空气射向一个球
状水滴后被分成了、 两束单色光，分别将这两束单色光射向图甲所示的
装置，仅有一束光能发生光电效应.调节滑片 的位置，当电流表示数恰为
零时，电压表示数为.已知该种金属的极限频率为 ，电子电荷量的绝
对值为，普朗克常量为 ，下列说法正确的是( )
A.光在玻璃中的传播速度比 光小
B.光的光子能量为
C.保持光强不变，滑片 由图示位置向左移，电流表示数变大
D.用同一双缝做光的干涉实验，光产生的干涉条纹间距比 光的大
√
√
[解析] 由图乙知，由于两束光入射角相同， 光的折射角小，根据
,可知光的折射率大于光的折射率，根据,所以 光在玻璃中
的传播速度比光小，A错误；由折射率和频率的关系可知， 光的频率大
于光的频率，故 光发生光电效应，根据光电效应方程
,又有,所以 光的光子能量为
,B正确；保持光强不变，滑片 由图示位置向左移，则A、
两端的反向电压变大，则电流表示数可能变小，C错误；由于 光的折射
率大，所以光的波长大于光的波长，根据 ,用同一双缝做光的
干涉实验，光产生的干涉条纹间距比 光的大，D正确.
1. 用激光笔照射透明塑料制成的光盘边缘时观察到的现象如图所示.入射点O和两出射点P、Q恰好位于光盘边缘等间隔的三点处,空气中的四条细光束分别为入射光束a、反射光束b、出射光束c和d.已知光束a和b间的夹角为90°,则(　　)
A.光盘材料的折射率n=2
B.光在光盘内的速度为真空中光速的三分之二
C.光束b、c和d的强度之和等于光束a的强度
D.光束c的强度小于O点处折射光束OP的强度
√
[解析] 根据题目已知条件,光路如下,由此可知n=,选项A错误;
根据n=可知,光在介质中的速度为v=,选项B错误;
根据能量守恒定律可知,入射光a的强度,大于光束b、c和d的强度之和,选项C错误;
在P处,光束OP的强度应等于光束c和光束PQ的强度之和,选项D正确.
2.　(多选) 肥皂膜的干涉条纹如图所示,条纹间距上面宽、下面窄.下列说法正确的是 (　　)
A.过肥皂膜最高和最低点的截面一定不是梯形
B.肥皂膜上的条纹是前后表面反射光形成的干涉条纹
C.肥皂膜从形成到破裂,条纹的宽度和间距不会发生变化
D.将肥皂膜外金属环左侧的把柄向上转动90°,条纹也会跟着转动90°
√
√
[解析] 肥皂膜因为自重会上面薄而下面厚,因表面张力的作用其截面一定不是梯形,A正确;
薄膜干涉是等厚干涉,肥皂膜上的条纹是前后表面反射光形成的干涉条纹,B正确;
形成条纹的原因是前后表面的反射光叠加出现了振动加强点和振动减弱点,形成到破裂的过程上面越来越薄,下面越来越厚,因此加强点和减弱点的位置会发生变化,条纹宽度和间距发生变化,C错误;
将肥皂膜外金属环左侧的把柄向上转动90°,由于重力,表面张力和黏滞力等的作用,肥皂膜的形状和厚度会重新分布,并不会跟着旋转90°,D错误.
3.　(多选) 我们用如图所示的电路研究光电效应时,当开关闭合后,微安表有一定示数,以下说法正确的是 (　　)
A.如图所示的电路连接可用于测量遏止电压
B.更换电源的正负极,可以使微安表示数减小
C.把滑动变阻器滑片向左滑动,微安表示数一定减小
D.仅增大入射光强度时,微安表示数一定增大
√
√
[解析] 测量遏止电压时,应使光电子逸出后减速运动,图中电路不能测量遏止电压,故A错误;
将电源的正、负极对调,若电压超过遏止电压,则微安表示数为零,若电压小于遏止电压,则微安表示数减小,故B正确;
滑动变阻器滑片左移,正向电压减小,若没有达到饱和电流,则微安表示数减小,若已经达到饱和电流,则微安表示数不变,故C错误;
仅增大入射光强度,则单位时间里产生的光电子数目增多,
所以微安表示数一定增大,故D正确.
4. (多选) 如图所示,波长为λa和λb的两种单色光射入三棱镜,经折射后射出两束单色光a和b,则这两束光 (　　)
A.照射同一种金属均有光电子逸出,光电子最大初动能Eka>Ekb
B.射向同一双缝干涉装置,其干涉条纹间距Δxa>Δxb
C.在水中的传播速度vaD.光子动量pa√
√
[解析] 由光路图可知,三棱镜对b光的折射率大,因此νa<νb,根据光电效应方程Ek=hν-W0可知,Eka频率越大,则波长越小,根据Δx=λ可知,Δxa>Δxb,选项B正确;
根据n=可知,折射率越大,则在介质中的传播速度越小,因此va>vb,选项C错误;
德布罗意波长λ=,且ν=,可得p=,因此pa

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