物理学案专题8-光学

第第页物理学案专题8光学B一、基本概念（一）、光的反射和折射（几何光学）1.反射定律α＝i｛α;反射角，i:入射角｝2.绝对折射率(光从真空中到介质)n＝c/v＝sinα/sini｛光的色散，可见光中红光折射率小，n:折射率，c:真空中的光速，v:介质中的光速，α:入射角，i:折射角｝3.全反射：1)光从介质中进入真空或空气中时发生全反射的临界角C：sinC＝1/n2)全反射的条件：光密介质射入光疏介质；入射角等于或大于临界角注:(1)平面镜反射成像规律:成等大、正立的虚像,像与物沿平面镜对称；(2)三棱镜折射成像规律:成虚像,出射光线向底边偏折,像的位置向顶角偏移；(3)光导纤维是光的全反射的实际应用,放大镜是凸透镜,近视眼镜是凹透镜；(4)熟记各种光学仪器的成像规律,利用反射(折射)规律、光路的可逆等作出光路图是解题关键；(5)白光通过三棱镜发色散规律：紫光靠近底边出射。（二）、光的本性（光既有粒子性,又有波动性,称为光的波粒二象性）1.两种学说:微粒说(牛顿)、波动说(惠更斯)2．双缝干涉:中间为亮条纹；亮条纹位置:＝nλ；暗条纹位置:＝(2n+1)λ/2（n＝0,1,2,3,、、、）；条纹间距：△X=L*λ/d｛:路程差(光程差)；λ:光的波长；λ/2:光的半波长；d两条狭缝间的距离；l：挡板与屏间的距离｝3.光的颜色由光的频率决定,光的频率由光源决定,与介质无关,光的传播速度与介质有关，光的颜色按频率从低到高的排列顺序是：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫(助记：紫光的频率大，波长小)4.薄膜干涉:增透膜的厚度是绿光在薄膜中波长的1/4,即增透膜厚度d＝λ/45.光的衍射：光在没有障碍物的均匀介质中是沿直线传播的，在障碍物的尺寸比光的波长大得多的情况下，光的衍射现象不明显可认为沿直线传播，反之，就不能认为光沿直线传播6.光的偏振：光的偏振现象说明光是横波7.光的电磁说：光的本质是一种电磁波。电磁波谱(按波长从大到小排列):无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线。红外线、紫外、线伦琴射线的发现和特性、产生机理、实际应用8.光子说,一个光子的能量E＝hν｛h:普朗克常量＝6.63×10-34J.s，ν:光的频率｝9.爱因斯坦光电效应方程：由于逸出功W指从原子键结中移出一个电子所需的最小能量，所以如果用Ek表示动能最大的光电子所具有的动能，那么就有下面的关系式Ek=hν-W（其中，h表示普朗克常量，ν表示入射光的频率）二、常规题型例1.下列说法中正确的是（）

A可见光是由原子外层电子受到激发后产生的

B海市蜃楼、沙漠蜃景都是由于光的衍射而产生的

C光的色散是光的折射现象

D爱因斯坦的光子说认为光是高速粒子流答案：AC即时练习：1．(2010·江苏苏北四市调研)香港中文大学第三任校长高锟荣获了2009年诺贝尔物理学奖．诺贝尔奖委员会高度评价了高锟的贡献，评委会指出：高锟1966年发现如何通过光学玻璃纤维远距离传输光信号的工作，成为今日电话和高速互联网等现代通信网络运行的基石．下列关于”光纤”及原理的说法中，正确的是A．光纤通信具有传输容量大、衰减小、抗干扰性强等优点B．光纤通信、全息照相、数码相机及医用纤维式内窥镜都是利用了光的全反射原理C．实用光导纤维是由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套的小，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射D．当今，在信号的传输领域中，光纤电缆(”光缆”)已经几乎完全取代了传统的铜质”电缆”，成为传播信息的主要工具，是互联网的骨架，并已联接到普通社区解析全息照相是利用了光的干涉的原理，数码相机是一种利用电子传感器把光学影像转换成电子数据的照相机，它们都不是利用了光的全反射原理，B错误；实用光导纤维是由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套的大，C错误．答案AD2、(1)肥皂泡在太阳光照射下呈现的彩色是________现象；露珠在太阳光照射下呈现的彩色是________现象；通过狭缝看太阳光时呈现的彩色是________现象．(2)凡是波都具有衍射现象，而把光看做直线传播的条件是________．要使光产生明显的衍射，条件是________．(3)如图2－18所示，让太阳光或白炽灯光通过偏振片P和Q，以光的传播方向为轴旋转偏振片P或Q，可以看到透射光的强度会发生变化，这是光的偏振现象，这个实验表明________________________________________________________________________.图2－18解析(1)肥皂泡呈现的彩色是光的干涉现象，露珠呈现的彩色是光的色散，通过狭缝看太阳光呈现的彩色是光的衍射现象．(2)障碍物或孔的尺寸比波长大得多时，可把光看做沿直线传播；障碍物或孔的尺寸跟波长相差不多或比波长更小时，可产生明显的衍射现象．(3)这个实验说明了光是一种横波．答案(1)干涉色散衍射(2)障碍物或孔的尺寸比波长大得多障碍物或孔的尺寸跟波长相差不多或比波长还小(3)光是一种横波小结：光的色散是光的折射，各色光的频率不同，折射率不同，出现光的色散。蜃楼、蜃景形成的原因是光的全反射，光纤的折射率较大，临界角度小，容易形成全反射。例2、（2011全国卷1）雨后太阳光入射到水滴中发生色散而形成彩虹。设水滴是球形的，图中的圆代表水滴过球心的截面，入射光线在过此截面的平面内，a、b、c、d代表四条不同颜色的出射光线，则它们可能依次是A.紫光、黄光、蓝光和红光B.紫光、蓝光、黄光和红光C.红光、蓝光、黄光和紫光D.红光、黄光、蓝光和紫光解析：按照偏折程度从小到大的排序为d、c、b、a、故：折射率为:频率为：选B即时练习：1、（2011安徽）．实验表明，可见光通过三棱镜时各色光的折射率n随着波长的变化符合科西经验公式：，其中A、B、C是正的常量。太阳光进入三棱镜后发生色散的情形如下图所示。则A．屏上c处是紫光B．屏上d处是红光C．屏上b处是紫光D．屏上a处是红光答案：D解析：白色光经过三棱镜后产生色散现象，在光屏由上至下（a、b、c、d）依次为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫．由于紫光的折射率最大，所以偏折最大；红光的折射率最小，则偏折程度最小．故屏上a处为红光，屏上d处是紫光，D正确．

故选：D图2－152．(2010·福建泉州3月质检)如图2－15所示，ABC为等腰棱镜，两束频率不同、宽度均为d的平行光Oa和Ob，分别垂直AB边射向棱镜，棱镜的对称轴OC为两束光的分界线，棱镜对Oa光和Ob光的折射率分别为n1和n2，且n1＜n2，则A．由玻璃射向真空发生全反射时玻璃对Oa光的临界角比对Ob光的小B．在玻璃中Oa光的光速比Ob光的小C．分别从棱镜的BC、AC边射出后，Oa光的宽度比Ob光的大D．用同一装置做双缝干涉实验时，Oa光干涉条纹间距比Ob光的小解析设临界角为C，则sinC＝eq\f(1,n)，由于n1＜n2，故C1＞C2，选项A错误；由v＝eq\f(c,n)得，v1＞v2，选项B错误；分别从BC、AC边射出的光路图如图所示，由于b光的折射率大，射出的光束的宽度da＞db，选项C正确；折射率大的波长短，由条纹间距公式Δx＝eq\f(L,d)λ知，选项D错误．答案C3、(2010·山东理综)如图2－19所示，一段横截面为正方形的玻璃棒，中间部分弯成四分之一圆弧形状，一细束单色光由MN端面的中点垂直射入，恰好能在弧面EF上发生全反射，然后垂直PQ端面射出．图2－19(1)求该玻璃棒的折射率．(2)若将入射光向N端平移，当第一次射到弧面EF上时________(填”能””不能”或”无法确定能否”)发生全反射．解析(1)如图所示，单色光照射到EF弧面上时刚好发生全反射，由全反射的条件是C＝45°由折射定律得n＝eq\f(sin90°,sinC)得n＝eq\r(2).(2)能．答案(1)eq\r(2)(2)能4、(2010·东北三校第一次联考)如图2－21所示为某种透明介质的截面图，△AOC为等腰直角三角形，BC为半径R＝10cm的四分之一圆弧，AB与水平屏幕MN垂直并接触于A点．由红光和紫光两种单色光组成的复色光射向圆心O，在AB分界面上的入射角i＝45°，结果在水平屏幕MN上出现两个亮斑．已知该介质对红光和紫光的折射率分别为n1＝eq\f(2\r(3),3)，n2＝eq\r(2).图2－21(1)判断在AM和AN两处产生亮斑的颜色；(2)求两个亮斑间的距离．解析(1)设红光和紫光的临界角分别为C1、C2，sinC1＝eq\f(1,n1)＝eq\f(\r(3),2)，C1＝60°，同理C2＝45°，i＝45°＝C2，i＝45°＜C1，所以紫光在AB面发生全反射，而红光在AB面一部分折射，一部分反射，且由几何关系可知，反射光线与AC垂直，所以在AM处产生的亮斑P1为红色，在AN处产生的亮斑P2为红色与紫色的混合色．(2)画出如图光路图，设折射角为r，两个光斑分别为P1、P2，根据折射定律n1＝eq\f(sinr,sini)求得sinr＝eq\f(\r(6),3)由几何知识可得：tanr＝eq\f(R,AP1)，解得AP1＝5eq\r(2)cm由几何知识可得△OAP2为等腰直角三角形，解得AP2＝10cm所以P1P2＝(5eq\r(2)＋10)cm.答案(1)见解析(2)(5eq\r(2)＋10)cm图2－165、(2010·浙江二测)DVD光盘由塑料保护层和信息记录层组成．如图2－16所示，激光束以入射角θ从空气入射到厚度为d、折射率为n的塑料保护层后，聚焦到信息记录层的光斑宽度为a，才能有效获取信息．在保证a不变的前提下，减少激光束照到塑料保护层的宽度l(l＝a＋2b)，则A．须满足sinθ＝eq\f(nb,\r(b2＋d2))B．须满足sinθ＝eq\f(b,n\r(b2＋d2))C．在θ和n不变时，须减小dD．在θ和d不变时，须减小n解析设折射角为α，则n＝eq\f(sinθ,sinα)＝eq\f(sinθ,\f(b,\r(b2＋d2)))，则sinθ＝eq\f(nb,\r(b2＋d2))，A正确，B错误；在θ和n不变时，减小d，则b会相应减小，l会减小，C正确；θ和d不变时，减小n，则折射角又会增大，l会增大，D错误．答案AC6、（2011天津）（3）某同学用大头针、三角板、量角器等器材测半圆形玻璃砖的折射率。开始玻璃砖的位置如图中实线所示，使大头针P1、P2与圆心O在同一直线上，该直线垂直于玻璃砖的直径边，然后使玻璃砖绕圆心O缓慢转动，同时在玻璃砖直径边一侧观察P1、P2的像，且P2的像挡住P1的像。如此观察，当玻璃砖转到图中虚线位置时，上述现象恰好消失。此时只需测量出玻璃砖直径边绕O点转过的角度，即可计算出玻璃砖的折射率。请用你的测量量表示出折射率。【解析】：由题意可知，当玻璃砖转过某一角度θ时，刚好发生全反射，在直径边一侧观察不到P1、P2的像，做出如图所示的光路图可知，当转过角度θ时有。θPθP1P2Oθ7、(2010·河北承德月考)如图2－20所示，一个横截面为直角三角形的三棱镜，∠A＝30°，∠C＝90°，三棱镜材料的折射率n＝eq\r(3).一条与BC面夹角为θ＝30°的光线射向BC面，经过AC边一次反射，再从AB边射出，则从AB边出射的光线的折射角是多少？图2－20解析画出光路图如图所示，光线从BC面入射时，由折射定律得：eq\f(sini,sinr)＝n，解得：r＝30°，光线经过AC面反射后入射到AB面时，入射角r′＝30°，由折射定律得：eq\f(1,n)＝eq\f(sinr′,sini′)，解得：i′＝60°，故从AB边出射的光线的折射角为60°.答案60°小结：找出光的反射角，利用偏折率计算折射角，计算全反射临界角，光的频率越大波长越短，同种介质中速度越小。例3.（2011天津）．甲、乙两单色光分别通过同一双缝干涉装置得到各自的干涉图样，设相邻两个亮条纹的中心距离为，若，则下列说法正确的是A．甲光能发生偏振现象，则乙光不能 B．真空中甲光的波长一定大于乙光的波长C．甲光的光子能量一定大于乙光的光子能量 D．在同一种均匀介质中甲光的传播速度大于乙光【解析】：考查光的综合应用。偏振现象是横波特有的现象，甲乙都可以有偏振现象发生，A错；由，可知甲光的波长大于乙光，B正确；光子能量取决于光子的频率，而光子频率与波长成反比，C错；波速与波长之间同步变化，D正确。【答案】：BD即时练习：1.（2011北京）．如图所示的双缝干涉实验，用绿光照射单缝S时，在光屏P上观察到干涉条纹。要得到相邻条纹间距更大的干涉图样，可以A．增大S1与S2的间距B．减小双缝屏到光屏的距离C．将绿光换为红光D．将绿光换为紫光答案：C解析：在波的干涉中，干涉条纹的间距△x=lλ/d，由公式可得，条纹间距与波长、屏之间的距离成正比，与双缝间的距离d成反比，故要增大间距应减小d，增大双缝屏到光屏的距离或增大光的波长，故只有C正确；

故选C．2.(2010·山东潍坊一模)在观察光的干涉现象的实验中，将两片刀片合在一起，在涂有墨汁的玻璃片上划出不同间隙的双缝；按图2－17所示的方法，让激光束通过自制的双缝．图2－17(1)保持缝到光屏的距离不变，换用不同间隙的双缝，双缝的间隙越小，屏上明暗相间的条纹间距________(选填：”越大”或”越小”)；(2)保持双缝的间隙不变，光屏到缝的距离越大，屏上明暗相间的条纹间距________(选填：”越大”或”越小”)；(3)在狭缝间的距离和狭缝与屏的距离都不变的条件下，用不同颜色的光做实验，发现用蓝色光做实验在屏上明暗相间的条纹间距比用红色光做实验时________(选填”大”或”小”)；(4)实验观察到光屏上呈现明暗相间的条纹，试运用波动理论对明纹的形成予以解释．解析由条纹间距公式Δx＝eq\f(L,d)·λ(其中d为双缝间距，L为双缝到光屏的垂直距离，λ为光的波长)可知，d越小，λ、L越大，Δx越大，反之，Δx越小．答案(1)越大(2)越大(3)小(4)同一色光透过双缝的光形成相干光源，在光屏相遇，有的区域光振动加强，有的区域光振动减弱，光振动加强区域呈现明纹．小结：双缝干涉产生的亮斑间距公式：△X=L*λ/d例4．(2010·上海杨浦区质检)劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图2－14甲所示，将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜．当光垂直入射后，从上往下看到的干涉条纹如图乙所示．干涉条纹有如下特点：图2－14(1)任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；(2)任意相邻明条纹和暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定．现若在图甲装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹A．变疏B．变密C．不变D．消失解析若抽去一张纸片，则三角截面空气层的倾角变小，则干涉条纹变疏，选项A正确．答案A小结：薄膜干涉在工业