高中物理光学六类经典题型

高中物理光学六类经典题型光学包括几何光学和光的本性两部分。几何光学历来是高考的重点，但近几年考试要求有所调整，对该部分的考查，以定性和半定量为主，更注重对物理规律的理解和对物理现象、物理情景分析能力的考查。有两点应引起重视：一是对实际生活中常见的光反射和折射现象的认识，二是作光路图问题。光的本性是高考的必考内容，一般难度不大，以

识记、理解为主，常

见的题型是选择题。“考课本”、“不回避陈题”是本部分高考试题的特点。根据多年对高考命题规律的研究，笔者总结了

6

类经典题型，以供读者参考。1

光的直线传播例

1(2004

年广西卷)

如图

l

所示，一路灯距地面的高度为

h

，身高为

l的人以速度

v

匀速行走．(1)试证明人头顶的影子做匀速运动；(2)求人影长度随时间的变化率。

/

高中物理光学六类经典题型解析(1)设

t

＝0

时刻，人位于路灯的正下方

O

处，在时刻

t

，人走到

S处，根据题意有OS＝vt ①过路灯

P

和人头顶的直线与地面的交点

M

为

t

时刻人头顶影子的位置，如图

l

所示，OM

为头顶影子到

0

点的距离．由几何关系，有解式①、②

得

。因

OM

与时间

t

成正比，故

人头顶的影子做匀速运动。(2)由图

l

可知，在时刻

t

，人影的长度为

SM，由几何关系，有SM=OM

－OS ③由式①～③得因此影长

SM

与时间

t

成正比，影长随时间的变化率 。点评

有关物影运动问题的分析方法：(1)根据光的直线传播规律和题设条件分别画出物和影在零时刻和任一时刻的情景图—光路图从运动物体(光源或障碍物)的运动状态入手，根据运动规律，写出物体的运动方程，即位移的表达式根据几何关系(

如相似三角形)

求出影子的位移表达式通过分析影子的位移表达式，确定影子的运动性质，求出影子运动的速度等物理量。

/

高中物理光学六类经典题型2

光的反射与平面镜成像作图例

2

如图

2

所示，MN

为厚度不计的平面镜，放在水平地面上，距离平面镜

M

端

4m

处有一根标杆

OP，标

杆的零刻度

O

恰在地面，距

平面镜

N

端

2m

处直立着一个人

SD，人眼离地面的高度

SD=1.8 m

，平面镜的长度

MN=

lm，标杆足够长。(1)人眼看到平面镜中的标杆，但

不能看到标杆的全部，画

出能被人眼看到像的标杆部分的光路图，写出作图步骤。(2)人眼看到平面镜中标杆的最小刻度和最大刻度是多少?解析

(1)光路图如图

3

所示，作图步骤：把

S

看做发光点，利用对称法找出

S

成的像S

′，画

出

S

发出的光入射到平面镜上的边界光线

SM，画

出其对应的反射光线

MB

和

NA，则

发光点

S

可以通过平行镜反射照亮

PO

标杆的

AB

部分。根据光路的可逆性，从

AB

发出的光通过平面镜能进人人眼

S

中。(2)根据光路图

3

中的几何关系可知

/

高中物理光学六类经典题型所以,

人从平面镜看到标杆最小刻度是

2.4

m

，最大刻度是

4.5

m

。点评

眼睛在确定的位置能看到物体或像的哪一部分问题的处理常应用光路的可逆性，即把眼睛看作“发光体”，眼睛所“发出的光”通过平面镜能“照亮”的区域，也就是眼睛能看到的区域。3

光的折射与折射率例

3

水底同一深度并列着红、黄

、绿

、紫

4

个彩色球，从

水面正上方垂直俯视，感觉上它们在同一深度吗?解析

设

S

为水池底部的点光源由

S

发出的光线中选取一条垂直于水面

MN

的光线，由

O

点射出；另一条与

S0

成极小角度从

S

射到水面的

A

点，由

A

点折射到空气中，因

入射角极小，故

折射角也极小(

由发光点发出的能进入眼睛的发散光束极小)，那么进入眼中的

2

条折射光线的反向延长线交于

/

高中物理光学六类经典题型S

′点，该

点即为我们所看到的水池底部点光源

S

的像点

点到水面的距离h′即为视深度，由图

4

可见视深度小于实际深度。，视深度为实际深度的

1／n。水对红、黄、绿、紫

4

种色光的折射率不同，n

<n

<n

<n

，因此

4个彩色球的视深度不同，h

′>h

′>h

′>h

′，可见人的感觉是紫色球最浅，红色球最深。点评

当θ角很小时θ≈sinθ≈θ(

θ以弧度为单位)

，是

数学上的近似关系式，在光学部分经常应用这个关系式处理问题，能否应用该关系式是解答该题的关键。例

4

(2001

年高考理综卷)

如图

5

所示，两块同样的玻璃直角三棱镜

ABC

，两者的

AC

面是平行放置的，在它们之间是均匀的未知透明介质。一单色细光束

0

垂直于

AB

面入射，在图示的出射光线中( )。A

1

、2

、3(彼此平行)

中的任一条都有可能；B

4

、5

、6(彼此平行)

中的任一条都有可能；

/

高中物理光学六类经典题型C

7

、8

、9(彼此平行)

中的任一条都有可能；D

只能是

4、6

中的某一条.解析

光线由左边三棱镜

AB

面射人棱镜，不改变方向；接着将穿过两三棱镜间的未知透明介质进入右边的三棱镜。透明介质的两表面是平行的，所以它的光学特性相当于一块两面平行的玻璃砖，使光线发生平行侧移．透明介质两边的介质不是真空，而是折射率未知的玻璃，因此是否发生侧移以及侧移的方向无法确定，但至少可以确定光线仍然与棱镜的

AB

面垂直。这

样光线由右边三棱镜

AB

面射出棱镜时，不改变方向，应为

4

中的任意一条。故选项

B

正确。点评

若未知介质的折射率

n

与玻璃折射率

n

相等，不侧移；若

n>n

时，向上侧移；若

n<n

时，向下侧移。4

全反射与临界角例

5

(2005

年全国高考理综试题)

图

6

—l

为直角棱镜的横截面，bac=90°，

abc=60

°。

一平行细光束从()点沿垂直于

bc

面的方向射人棱镜。已知棱镜材料的折射率线( )。A

从

ab

面射出；

,

若不考虑原入射光在

bc

面上的反射光，则

有光

/

高中物理光学六类经典题型B

从

ac

面射出；C

从

bc

面射出，且与

bc

面斜交；D

从

bc

面射出，且与

bc

面垂直解析

由

sinC

＝1/n

， 得光从棱镜射向空气发生全反射的临界角C

＝45°。作出光路图(

图

6

—2)。在

ab

面上，入射角为

6O°，60°>45°所以该面上会发生全反射不会有光线从

ab

面上射出以选项

A

错误。在

ac

面上，入射光线为

ab

面上的反射光线，由几何知识可知，其入射角为3O°，3O°<45°，在该面上不发生全反射，所以，有光线从

ac

面上射出，所以选项

B

是正确的。在

ac

面上的反射光线会射到

bc

面上，由几何知识可知，光

线是垂直入射到

bc

面上的，所

以，垂

直射出。所

以，选

项

D

是正确的。点评

在解决光的折射、全反射问题时，应根据题意分析光路，利用几何知识分析线、角关系，比较入射角和临界角的大小关系，看是否满足全反射条件。有时还要灵活运用光路的可逆性来进行分析。例

6

有一折射率为

n

的长方体玻璃砖

ABCD

，其周围是空气，如图

7

—l所示。当入射光线从它的

AB

面以入射角α射人时，试求：(1)要使光线在

BC

面发生全反射，证明入射角应满足的条件是(BC

面足够长)

。

/

高中物理光学六类经典题型(2)如果对于任意入射角的光线都能产生全反射玻璃砖的折射率应取何值?解析(1)要使光线在

BC

面发生全反射，如图

7

—2

，首先应满足式中β为光线射到

BC

面的入射角，由折射定律有将式①、②联立得(2)如果对任意入射角的光线都能产生全反射

都能产生全反射，则只有当 才能满足上述条件，故 。点评

这是一道涉及玻璃砖全反射的光学题射定律和全反射条件的应用是解答这类问题的关键。由于不能正确应用任意入射角的光线都能产生全反射的条件，导致无从下手解题。不等式知识的欠缺，也是不能圆满解答本题的原因。5

薄膜干涉

/

高中物理光学六类经典题型例

7(2003

年上海卷)

劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图

8

—1

所示，将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，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

8—2

所示。干涉条纹有如下特点：任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度差恒定。现

若在图

8

—l

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

该题主要考查获取和处理信息的能力。当

抽去一张纸片后，两

玻璃表面之问的夹角减小，由数学知识可知，要保持两相邻条纹所对应的薄膜厚度差恒定，则两相邻条纹间距一定增大，即观察到的干涉条纹变疏，选项

A正确。点评

该题来源于课本中薄膜干涉的内容实际上是一道信息材料阅读题，关键是可以直接从题中获取的信息：任意相邻明条纹(或暗条纹)所在位置下面对应的薄膜厚度差恒定，从而推断结果。6

光电效应与光子说

/

高中物理光学六类经典题型例

8(2003

年上海卷)

在图

9

所示的光电管的实验中，发现用一定频率的a

单色光照射光电管时，电流表指针会发生偏转，而用另一频率的

b

单色光照射时，不发生光电效应，那么( )。A

a

光的频率大于

b

光的频率；B

b

光的频率大于

a

光的频率；C

用

a

光照射光电管时流过电流表

G

的电流方向是

e

流向

f；D

用

a

光照射光电管时流过电流表

G

的电流方向是

f

流向

e解析

当入射光的频率大于金属的极限频率时才能发生电效应此可知a

单色光的频率大于金属的极限频率，而

b

单色光的频率小于金属的极限频率，故选项

A

正确。光电效应产生的光电子在光电管内由右向左定向移动，所以电流的方向由

e

经

G

流向

f，故选项

C

正确。例

9

(2003

年江苏卷)

用某种单色光照射某种金属表面，发生光电效应。现将该单色光的光强减弱，则( )。A

光电子的最大初动能不变；B

光电子的最大初动能减少；C

单位时间内产生的光电子数减少；

/

高中物理光学六类经典题型D

可能不发生光电效应解析

由于光电子的最大初动能只与光的频率有关，可知

A

正确，B

和

D错误。光的强弱包含两方面的内容：光子的能量大小和光子的数目，减小光强并没有改变光的频率，故光子的能量不变而光子数目减少，所以光电子的数目也随之减少，选项

C

正确。例

10

(2004

年天津卷)

人眼对绿光最为敏感。正常人的眼睛接收到波长为

530nm

的绿光时，只要每秒有

6

个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。普朗克常量为

6.63

×10

J·s

，光速为

3.O×10

m/s，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是( )。解析

依题意人眼能觉察到绿光时所接收到的最小功率是至少每秒有

6个绿光的光子射入瞳孔。先计算一个绿光光子的能量

E=hν=hc／λ＝3.8×lO

19

J

，可算出

6

个绿光光子的能量为

2.3×10

J

，故选项

A

正确。例

11

(2004

年全国卷)

下表给出了一些金属材料的逸出功现用波长为

400nm

的单色光照射上述材料，能产生光电效应的材料最多有( )

。(

普朗克常量

h

＝6.63

×10

J·s

，光

c

＝3.O×10

m/s)A

2

种；

B

3

种；

C

4

种；

D

5

种解析

题中所给单色光的光子能量

E=h／λ=5×lO

J

，金属的逸出功小于该值才能发生光电效应，故选项

A

正确。

/

高中物理光学六类经典题型例

12

(2003

年全国卷)

如图

1O，当电键

S

断开时，用光子能量为

2.5

eV的一束光照射阴极

P

，发现电流表读数不为零。合

上电键，调节滑线变阻器，发现当电压表读数小于

0

V

时，电

流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于

0.60

V

时，