几何光学和物理光学-2021年高考物理专练（新高考版）（解析版）

2021年高考物理【热点•重点•难点】专练(新高考专用)重难点13几何光学和物理光学【知识梳理】一折射定律的应用1.对折射率的理解(1)公式〃=翳中，不论是光从真空射入介质，还是从介质射入真空，仇总是真空中的光线与sin(72法线间的夹角，仇总是介质中的光线与法线间的夹角.(2)折射率由介质本身性质决定，与入射角的大小无关.(3)折射率与介质的密度没有关系，光密介质不是指密度大的介质,光疏介质不是指密度小的介质.(4)折射率的大小不仅与介质本身有关,还与光的频率有关.同一种介质中,频率越大的色光折射率越大，传播速度越小.(5)同一种色光，在不同介质中虽然波速、波长不同，但频率相同.(6)折射率大小不仅反映了介质对光的折射本领，也反映了光在介质中传播速度的大小v=J.2.平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制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三棱镜横截面是圆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，出射光线向棱镜底边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二对全反射现象的理解和应用.求解光的折射、全反射问题的四点提醒(1)光密介质和光疏介质是相对而营的.同一种介质，相对于其他不同的介质，可能是光密介质,也可能是光疏介质.(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)在光的反射和全反射现象中，均遵循光的反射定律，光路均是可逆的.(4)当光射到两种介质的界面上时，往往同时发生光的折射和反射现象，但在全反射现象中，只发生反射，不发生折射..解决全反射问题的一般方法(1)确定光是光密介质进入光疏介质.(2)应用sinC=:确定临界角.(3)根据题设条件，判定光在传播时是否发生全反射.(4)如发生全反射，画出入射角等于临界角时的临界光路图.(5)运用几何关系或三角函数关系以及反射定律等进行分析、判断、运算，解决问题..求解全反射现象中光的传播时间的一般思路(1)全反射现象中，光在同种均匀介质中的传播速度不发生变化，即丫=今(2)全反射现象中，光的传播路程应结合光路图与几何关系进行确定.(3)利用求解光的传播时间.三光的色散现象.光的色散(1)现象：一束白光通过三棱镜后在屏上会形成彩色光带.(2)成因：棱镜材料对不同色光的折射率不同，对红光的折射率最小，红光通过棱镜后的偏折程度最小，对紫光的折射率最大，紫光通过棱镜后的偏折程度最大，从而产生色散现象..各种色光的比较颜色红橙黄绿青蓝紫频率V低 ►iWj同一介质中的折射率小——次同一介质中速度大 ►小波长大——••小临界角大——•■小通过棱镜的偏折角小——次四、光的双缝干涉现象.产生条件两列光的频率相同，振动方向相同，且具有恒定的相位差，才能产生稳定的干涉图样.2.杨氏双缝干涉(1)原理图如图1所示图1(2)亮、暗条纹的条件.①单色光：形成明暗相间的条纹，中央为亮条纹.a.光的路程差八厂=废一"=以(％=0,12..),光屏上出现亮条纹.b.光的路程差八-八=(24+1如=0,12..),光屏上出现暗条纹.②白光：光屏上出现彩色条纹，且中央亮条纹是白色(填写颜色).③条纹间距公式：—=)五、薄膜干涉现象.薄膜干涉现象如图3所示，竖直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形.图3.薄膜干涉原理分析(1)相干光：光照射到透明薄膜上，从薄膜的两个表面反射的两列光波.(2)图样特点：同双缝干涉，同一条亮(或暗)条纹对应的薄膜的厚度相等.单色光照射薄膜时形成明暗相间的条纹，白光照射薄膜时形成彩色条纹..薄膜干涉的应用干涉法检查平面的平整程度如图4所示,两板之间形成一楔形空气膜，用单色光从上向下照射,如果被检查平面是平整光滑的,我们会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹;若被检查平面不平整，则干涉条纹发生弯曲.图4【辨析】光的干涉和衍射的比较.衍射与干涉的比较现象比较项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【特别提醒】(1)白光发生光的干涉、衍射和光的色散都可出现彩色条纹，但光学本质不同.(2)区分干涉和衍射，关键是理解其本质，实际应用中可从条纹宽度、条纹间距、亮度等方面加以区分..干涉与衍射的本质光的干涉条纹和衍射条纹都是光波登加的结果，从本质上讲，衍射条纹的形成与干涉条纹的形成具有相似的原理.在衍射现象中，可以认为从单缝通过两列或多列频率相同的光波，它们在屏上叠加形成单缝衍射条纹.六、光的偏振现象.偏振：光波只沿某一特定的方向的振动..自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光,而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫做自然光..偏振光:在垂直于传播方向的平面上，只沿某个特定方向振动的光.光的偏振证明光是横波.自然光通过偏振片后，就得到了偏振光..偏振光的理论意义及应用(1)理论意义：光的干涉和衍射现象充分说明了光是波，但不能确定光波是横波还是纵波.光的偏振现象说明了光波是横波.(2)应用：照相机镜头、立体电影、消除车灯眩光等.【命题特点】几何光学主要考查折射定律与全反射的综合应用；物理光学主要考查基本概念的理解析与应用，一般以选择题的形式出现【限时检测】(建议用时：3()分钟)一、单选题.(2021•全国高三专题练习)在双缝干涉实验中，光屏上P点到双缝Si、S2的距离之差AR=0.75国11,光屏上Q点到双缝S、S2的距离之差AS?=1.5pm14Hz的黄光照射双缝，则（A.P点出现明条纹，Q点出现暗条纹B.。点出现明条纹，尸点出现暗条纹C.两点均出现明条纹D.两点均出现暗条纹【答案】B【解析】由c=4知黄光的波长为c3x108f~6xl04到尸点的光程差与黄光的半波长相比为：0.75=0.5=3~2即为半波长的奇数倍，所以P点出现暗条纹.到。点的光程差与黄光的半波长相比为：△S? 1.52=0.5=62F即为半波长的偶数倍，所以Q点出现明条纹.故选B。（2021•江苏高三专题练习）如图所示，OBCZ）为半圆柱体玻璃的横截面，。。为直径，一束由紫光和红光组成的复色光，沿AO方向从真空射入玻璃，分成08、OC两束光。则（ ）A.光束08是红光B.在玻璃中紫光的频率比红光的频率小C.两束光分开后沿08、OC传播所用的时间相等D.若将复色光平移到横截面的圆心O'处射入，则两束光在玻璃中传播时间相等【答案】C【解析】A.由折射定律可知，相同入射角i的情况下，红光的折射率"较小，折射角『较大，故光束OC是红光，A错误；B.紫光在真空中的频率比红光的大，光束射入玻璃后频率不变，故在玻璃中紫光的频率比红光的频率大，B错误；C.设半圆柱体玻璃的半径为R,光束AO的入射角为i,光束08在玻璃中的折射角为r,如图所示,则光束08的长度玻璃对光束的折射率光束在玻璃中的传播速度则光束OB传播时间联M可解得，=—7”，叮光束的折射率无关，故两束光分开后沿OB、OC 传播所用的时间相c等，C正确；D.若将复色光平移到横截面的圆心。'处射入，折射光束长度均为凡则在玻璃中传播时间由于红光的折射率〃较小，故传播时间较短，D错误。故选C。（2021•全国高三专题练习）图1是测定半圆柱形玻璃砖的折射率〃的示意图，。是圆心，MN是法线。一束单色光线以入射角1=30。由玻璃砖内部射向。点，折射角为r,当入射角增大到也为，时,恰好无光线从玻璃砖的上表面射出。让该单色光分别通过宽度不同的单缝。、人后，得到图2所示的衍射图样（光在真空中的传播速度为c）。则下列说法塔送的是（）A.此光在玻璃砖中的全反射临界角为60°B.玻璃砖的折射率〃=0C.此光在玻璃砖中的传播速度片注c2D.单缝6宽度较大【答案】A【解析】AB.根据折射定律有sinrn=——7sinz由题知，玻璃砖的全反射临界角等于心根据1sinr=—n结合i=30。，解得〃=也，r=45。，A错误，符合题意，B正确，不符合题意C.光在玻璃砖中的传播速度c41v=—= cn2C正确，不符合题意；D.由图2知，单色光通过单缝。后衍射现象比较显著，所以单缝。宽度较小，单缝6宽度较大，D正确，不符合题意。故选A。（202「全国高三专题练习）关于杨氏实验，下列说法中错误的是（ ）A.单色光通过小孔后射向两个靠得很近的狭缝可作为振动情况总是相同的波源B.两波源发出的光波在波谷与波谷叠加的地方，光相互抵消或者削弱，屏上出现暗条纹C.两个波源发出的光波在波峰与波峰叠加的地方，光相互加强，屏上出现亮条纹D.两波源发出的光波在波峰与波谷叠加的地方，光相互抵消或削弱，屏上出现暗条纹【答案】B【解析】在杨氏实验中，两个狭缝的光源来自同一光源，频率、相位和振动方向均相同，具备干涉条件，所以通过两个狭缝的光在屏上叠加，波峰和波峰叠加的地方，波谷和波谷叠加的地方，光相互加强，屏上出现亮条纹，波峰和波谷叠加的地方，光相互抵消或削弱，形成暗条纹，B错误，A、C、D正确。故错误的选B。二、多选题（2021•全国高三专题练习）如图所示，三棱镜的横截面4BC为直角三角形，NB=90°,NA=30。。一束复色光从空气射向BC上的E点，分成两束光a、b后分别偏折到AB上的F、G点，光线EF平行于底边AC。已知入射光与BC的夹角为0=45。，下列说法正确的是（ ）A.三棱镜对a光的折射率为J5B.。光在尸点能发生全反射C.力光发生全反射的临界角比a光的小D.a、匕光用同一种装置做双缝干涉实验时，。光产生的条纹间距更宽【答案】AB【解析】A.。光在5C界面的入射角i=45。,折射角r=30。，根据折射定律得A正确；B.。光在A8界面的入射角为i，=60。，而。光发生全反射的临界角C的正弦值则C=45。，i'>C,所以。光在尸点能发生全反射，B正确；C.由几何关系知，。光在三棱镜中的偏折程度比人光的大，则三棱镜对。光的折射率大于对人光的折射率，则由sinC=-可知b光发生全反射的临界角大于a光发生全反射的临界角，C错误；nD.由三棱镜对a光的折射率大于对方光的折射率知，。光的波长比b光的短，由公式=可知,a。光的干涉条纹间距小于人光的，D错误；故选ABo（2021•全国高三专题练习）如图所示，一束由两种单色光混合的复色光沿P。方向射向一上、下表面平行的厚玻璃平面镜的上表面，得到三束光I、n、ni。下列有关这三束光的判断正确的是（）a.光束I仍为复色光，光束n、in为单色光b.光束n在玻璃中的传播速度比光束m小C.增大a角且a<90。，光束H、HI会远离光束ID.改变a角且a<90。，光束0、HI一定与光束I平行E.减小a角且a>0,光束IH可能会在上表面发生全反射【答案】ABD【解析】A.由题意画出如图所示的光路图可知光束【是反射光线，所以仍是复色光，而光束H、HI由于折射率的不同导致偏折分离，所以光束H、III是单色光，故A正确；b.由于光束n的偏折程度大于光束in,所以玻璃对光束n的折射率大于对光束in的折射率，根据可知，光束H在玻璃中的传播速度比光束HI小，故B正确：C.当增大a角且a<90。，即入射角减小时，光束11、山会靠近光束【，故C错误；D.因为厚玻璃平面镜的上下表面是平行的，根据光的入射角与反射角相等以及光的可逆性，可知改变a角且a<90。，光束II、IH一定与光束1平行，故D正确；E.减小a角且aX）,根据折射定律，光的折射角增大，根据光的可逆性知，光束【II不可能在上表面发生全反射，故E错误：故选ABDo三、解答题(2021•安徽马鞍山市•高三一模)直角棱镜的折射率〃=&,其横截面如图所示，图中NB=90。，ZA=30°„截面内一细光束从棱镜BC边上的。点射入，入射角。=45。，经折射后射到A8边上。①光线在AB边上是否会发生全反射？说明理由；②不考虑多次反射，求从AC边射出的光线与最初的入射光线夹角。【答案】①能发生全反射，理由见解析；②60°【解析】①由折射定律sin0=nsinZ1得Zl=30°所以Z2=60°Z3=Z2=60°而全反射临界角C有能发生全反射②有Z4=Z3-3O°=3O°/isinZ4=sinZ5得N5=45°两光线夹角为(60。-。)+(90°-Z5)=60°(2021•全国高三其他模拟)“跳棋”游戏中的棋子是用玻璃材料做的一种球形器材，有位同学想测定棋子的折射率。如图所示为其过球心的横截面，设玻璃棋子半径为R,直线E/为过球