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(共44张PPT)
专题11　光学
考向一 光的折射、全反射
考向二 光的波动性
考向三 几何光学和物理光学的综合应用
考向一 光的折射、全反射
【核心知识】
内容 重要规律、公式和二级结论
光的 折射
内容 重要规律、公式和二级结论
全反 射
角度1　折射定律的应用
【典题透视】
[例1](2025·甘肃高考)如图,ABCD为某容器横截面,O、O'为上下底面中心,O'处有一发光点。人眼在E点沿EB方向观察,容器空置时看不到发光点。现向容器中缓慢注入某种透明液体,当液面升高到12 cm时,人眼恰好能看到发光点。已知OO'=15 cm,OB=13 cm,EB=5 cm, EB与AB延长线的夹角为α(sinα =)。不考虑器壁对光的反射,真空中光速c=3.0×108 m/s。求:
(1)该液体的折射率。
答案:(1)　
【解析】(1)根据题意,画出光路图,如图所示
由几何关系可得sini=,C'B'=15 cm 12 cm=3 cm
则有BC'=4 cm,BB'=5 cm
则sinr===
由折射定律可得该液体的折射率为n==
(2)光从O'点到达人眼的时间。
答案:(2)1×10 9 s
【解析】(2)根据题意,由图可知,光在空气中传播的距离为s1=10 cm
光在液体中的传播距离为s2=O'B'==15 cm
光在液体中的传播速度为v==
则光从底部O'点反射至人眼全过程的时间t=+= s
+ s=1×10 9 s
【加固训练】
[固体介质](2025·河南高考)折射率为的玻璃圆柱水平放置,平行于其横截面的一束光线从顶点入射,光线与竖直方向的夹角为45°,如图所示。该光线从圆柱内射出时,与竖直方向的夹角为(不考虑光线在圆柱内的反射)(　　)
A.0° B.15°
C.30° D.45°
√
【解析】选B。设光线射入圆柱时的折射角为θ,
根据光的折射定律可知n=,解得θ=30°,
如图所示,
根据几何关系可知光线射出圆柱时的入射角i=θ=30°,则法线与竖直方向的夹角α=θ+i=60°,根据光的折射定律可知n=,解得光线射出圆柱时的折射角r=45°,光线从圆柱内射出时,与竖直方向的夹角为β=α r =15°,故选B。
【类题建模】
分类 模型图示 模型解读
液体
三棱镜
圆柱体 (球)
角度2　全反射现象的理解和应用
【典题透视】
[例2](2025·湖南高考)如图,ABC为半圆柱体透明介质的横截面,AC为直径,B为ABC的中点。真空中一束单色光从AC边射入介质,入射点为A点,折射光直接由B点出射。不考虑光的多次反射,下列说法正确的是(　　)
A.入射角θ小于45°
B.该介质折射率大于
C.增大入射角,该单色光在BC上可能发生全反射
D.减小入射角,该单色光在AB上可能发生全反射
√
【解析】选D。根据题意,画出光路图,如图所示
由几何关系可知,折射角为45°,
则由折射定律有n==sinθ>1
则有sinθ>,n<
解得θ>45°,故A、B错误;根据题意,由sinC=
可知sinC>即C>45°
增大入射角,光路图如图所示
由几何关系可知,光在BC上的入射角小于45°,则该单色光在BC上不可能发生全反射,故C错误;减小入射角,光路图如图所示

由几何关系可知,光在AB上的入射角大于45°,可能大于临界角,则该单色光在AB上可能发生全反射,故D正确。
[靶向预测]如图所示,在折射率为n=的液体内部有一个可移动的点光源S,点光源S初始位置的深度h=0.3 m,图中B点为液面上观察到的光斑的最右侧点。

(1)求点光源S在初始位置时,液面上观察到的光斑的面积(保留两位有效数字);
答案:(1)0.50 m2　
【解析】(1)在B处发生全反射,由对称性可知,液面上光斑为圆面。如图临界角C满足sinC=,由几何关系得tanC=,解得R=0.4 m,光斑的面积为S=πR2≈0.50 m2
(2)让点光源S向某个方向做匀速直线运动,发现光斑最右侧边缘一点B位置未动,而最左侧边缘一点D在向左移动,光源运动2 s时,D点向左移动了x=0.8 m,求:
①此时点光源S的深度;
②点光源S运动的速度大小和方向。
答案:(2)①0.6 m　②0.25 m/s,与竖直方向成53°角沿左下方
【解析】(2)①因为光斑最右侧B点位置未动,则光源只能沿BC斜向下运动,光路如图,由tanC=
可知,h与R为正比关系,则=
解得h'=0.6 m
②光源移动的位移s满足Δh=scosC,由公式v=,解得v=0.25 m/s
方向满足tanθ=,速度方向为与竖直方向成53°角沿左下方。
【类题建模】
情境图示 情境解读
若光束与竖直方向成45°角时,恰好观察不到从液体表面射向空气的折射光束
情境图示 情境解读
情境图示 情境解读
单色点光源S发出的光线经多次全反射后回到S点的最短时间
考向二 光的波动性
【核心知识】
内容 重要规律、公式和二级结论
光的 干涉、 衍射
内容 重要规律、公式和二级结论
电磁波
【典题透视】
[例3](2025·山东高考)用如图所示的装置观察光的干涉和偏振现象。狭缝S1、S2关于OO'轴对称,光屏垂直于OO'轴放置。将偏振片P1垂直于OO'轴置于双缝左侧,单色平行光沿OO'轴方向入射,在屏上观察到干涉条纹,再将偏振片P2置于双缝右侧,P1、P2透振方向平行。保持P1不动,将P2绕OO'轴转动90°的过程中,关于光屏上的干涉条纹,下列说法正确的是(　　)
A.条纹间距不变,亮度减小
B.条纹间距增大,亮度不变
C.条纹间距减小,亮度减小
D.条纹间距不变,亮度增大
√
【解析】选A。由干涉条纹间距公式Δx=λ可知,在P2旋转过程中,l、d、λ均不变,故条纹间距Δx不变;当P1、P2透振方向平行时透过的光强最大,在P2绕OO'轴转动90°的过程中,P1、P2透振方向逐渐垂直,根据偏振片的特性可知,透过P2的光强在减小,故光屏上干涉条纹的亮度将减小。故选A。
[靶向预测]教材习题改编(选必一练习与应用P100T4)如图甲所示是利
用干涉技术检测材料表面缺陷的原理示意图,图乙为某种单色光下观测
到的图样,下列说法正确的是(　　)
A.图甲中上板是待检查的光学元件,
下板是标准样板
B.若换用波长更长的单色光,其他条件不变,则图乙中的干涉条纹变密
C.若出现图丙中弯曲的干涉条纹,说明被检查的光学元件表面上有凹陷
D.稍微减小薄片的厚度,则图乙中的干涉条纹变密
√
【解析】选C。图甲中上板是标准样板,下板是待检查的光学元件,选项A错误;根据Δx=λ,其他条件不变,λ变大,则Δx变大,相邻亮条纹间距变大,则图乙中的干涉条纹变疏,选项B错误;若出现图丙中弯曲的干涉条纹,由于向左弯曲,说明弯曲部分的空气膜的厚度与右侧相同,即被检查的光学元件表面上有凹陷,选项C正确;稍微减小薄片的厚度,则θ减小,相邻亮条纹间距变大,则图乙中的干涉条纹变疏,选项D错误。
【类题建模】
分类 模型图示 模型解读
双缝 干涉
分类 模型图示 模型解读
薄膜 干涉 如果被检测平面是光滑的,得到的干涉图样必是等间距的。如果某处凹陷,则对应亮条纹(或暗条纹)提前出现,如图中P所示;如果某处凸起来,则对应条纹延后出现,如图中Q所示。(注:“提前”与“延后”不是指在时间上,而是指由左向右的顺序位置上)
分类 模型图示 模型解读
光的 衍射 泊松亮斑:圆形阴影中心有一亮斑,圆形阴影的边缘是模糊的,在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环
圆孔衍射:
(1)单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮度大,外面是明暗相间的不等距的圆环。越向外,圆环亮度越低。
(2)白光的圆孔衍射图样中央亮圆为白色,周围是彩色圆环
考向三 几何光学和物理光学的综合应用
【核心知识】
内容 重要规律、公式和二级结论
几何 光学 和 物理 光学
角度1　光的折射现象和物理光学
【典题透视】
[例4](2025·南京二模)宝石切割工艺决定宝石的价值,优秀的切割工艺可以让宝石璀璨夺目。某宝石的剖面简化如图,一束复合光斜射到宝石的AB面上,经折射后分成a、b两束单色光照射在CO面上,下列说法正确的是(　　)
A.宝石对a光的折射率比b光的大
B.宝石中a光的传播速度比b光的大
C.b光从空气进入宝石,频率变低
D.逐渐减小光斜射到AB面上的入射角,从CO面射出的光线中a光先消失
√
【解析】选B。由题意知宝石对单色光a的偏折程度比对单色光b的偏折程度小,因此宝石对单色光a的折射率小(点拨:光的色散结论),选项A错误;由n=得v=,可知单色光a在宝石中的传播速度比单色光b在宝石中的传播速度大,选项B正确;单色光b从空气进入宝石,频率不变(易错;频率由光源决定,与介质无关),选项C错误;由sinC=可知,单色光a的临界角大于单色光b的临界角,逐渐减小斜射到AB面上的入射光束的入射角,从CO面射出的光束中单色光b最先消失,选项D错误。
[靶向预测](多选)(2025·宁德三模)如图,在研究某玻璃(低辐射玻璃)光学性能实验中,一束复色光以45°角入射玻璃表面,经该玻璃折射后射出两条平行光a、b,下列说法中正确的是(　　)
A.a光的折射率大于b光
B.a光在玻璃中的传播速度大于b光
C.a、b两束单色光通过同一单缝,a光的衍射现象更明显
D.a、b两束单色光通过同一双缝干涉时,b光产生的干涉条纹间距较大
√
√
【解析】选A、D。根据n=,入射角相同时,a光折射角较小,可知a光的折射率大于b光,选项A正确;根据v=可知,a光在玻璃中的传播速度小于b光,选项B错误;b光折射率较小,则频率较小,波长较大,则a、b两束单色光通过同一单缝,b光的衍射现象更明显,选项C错误;根据Δx=λ,因b光波长较大,可知a、b两束单色光通过同一双缝干涉时,b光产生的干涉条纹间距较大,选项D正确。
【类题建模】
模型图示 模型解读
(1)a光在水中传播的速度较b光大。
(2)用同一装置做双缝干涉实验,a光的条纹间距比b光的大。
(3)增大水中复色光的入射角,则b光先发生全反射。
(4)从O点到P点,a光经过的时间比b光经过的时间短
模型图示 模型解读
(1)在冰晶中,a光的速度比b光小。
(2)若在同一界面发生全反射,a光的临界角比b光小。
(3)用同一装置做双缝干涉实验,a光的条纹间距比b光小
角度2　全反射现象和物理光学
【典题透视】
[例5](2025·广州三模)彩虹是由太阳光进入水滴,先折射一次,然后在水滴的背面反射,最后离开水滴时再折射一次形成的。如图为彩虹形成的示意图,一束白光L由左侧射入水滴,a、b是白光射入水滴后经过一次反射和两次折射后的两条单色光线。则(　　)
A.a光的频率小于b光的频率
B.a、b光在由空气进入水滴后波长变长
C.从同一介质射向空气,a光比b光容易发生全反射
D.通过同一双缝干涉装置,a光的相邻条纹间距比b光的大
√
【解析】选C。由光路图可知,a光的偏折程度大于b光,可知水滴对a光的折射率大于对b光的折射率,所以a光的频率大于b光的频率,选项A错误;a、b光在由空气进入水滴后波速变小,频率不变,根据λ=可知波长变短,选项B错误;根据sinC=可知,a光的临界角小于b光的临界角,即a光比b光容易发生全反射,选项C正确;由于a光的频率大于b光的频率,所以a光的波长小于b光的波长,根据Δx=λ可知,通过同一双缝干涉装置,a光的相邻条纹间距比b光的小,选项D错误。
[靶向预测](2025·乐山三模)真空中,一半圆形玻璃砖放置在转盘上,一束由单色光a、b组成的光线从左侧沿着玻璃砖半径方向入射,玻璃砖右侧有一足够大的光屏。实验开始,转盘从图示位置开始逆时针匀速转动,此时光屏上无亮点。随着继续转动,光屏上先出现单色光a的亮点,根据实验现象下列推断正确的是(　　)
A.a光的频率大于b光的频率
B.a光在玻璃砖内的传播速度大于b光
C.双缝干涉实验中,要使相邻亮条纹间距较大,应该使用b光
D.若a、b均能使某金属发生光电效应,则a光产生的光电子最大初动能较大
√
【解析】选B。根据题意实验开始,转盘从图示位置开始逆时针匀速转动,此时光屏上无亮点。随着继续转动,光屏上先出现单色光a的亮点,可知a光发生全反射的临界角较大,根据全反射发生的条件sinC=可知单色光a的折射率较小,则a光的频率小于b光的频率,选项A错误;根据v=可知a光在玻璃砖内的传播速度大于b光,选项B正确;a光的频率小于b光的频率,则a光的波长大于b光的波长,根据Δx=·λ可知双缝干涉实验中,要使相邻亮条纹间距较大,应该使用a光,选项C错误;根据Ekmax=hν W0可知若a、b均能使某金属发生光电效应,则b光产生的光电子最大初动能较大,选项D错误。
【类题建模】
模型图示 模型解读
(1)a光的临界角小于b光的临界角。
(2)真空中,b光的波长比a光的长。
(3)a光与b光相遇不会发生光的干涉现象
模型图示 模型解读
(1)B光穿过玻璃砖所用的时间比C光穿过玻璃砖所用的时间短。
(2)入射光的入射角从0°开始增大,C光比B光先消失。
(3)B光比C光更容易发生衍射现象。
(4)用同一装置做双缝干涉实验时,用B光要比用C光条纹间距大

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