2024届物理一轮复习讲义专题强化二十四 几何光学与物理光学的综合含答案

2024届物理一轮复习讲义专题强化二十四几何光学与物理光学的综合学习目标1.会分析光的折射、全反射与物理光学相结合问题。2.会分析物理光学与光电效应等物理知识的综合问题。考点一光的折射现象与物理光学的综合例1(2023·天津南开区一模)如图1所示，有一束平行于等边三棱镜截面ABC的复色光从空气射向AB边的中点D，入射方向与边AB的夹角为θ＝30°，经三棱镜折射后分为a、b两束单色光，单色光a偏折到BC边的中点E，单色光b偏折到F点，则下列说法正确的是()图1A.a光的频率小于b光的频率B.棱镜对单色光b的折射率小于eq\r(3)C.在棱镜中a光的传播速度大于b光的传播速度D.分别通过同一双缝干涉装置，a光的相邻亮条纹间距大答案B解析由光路图可知，三棱镜对a光的折射率较大，则a光的频率大于b光的频率，A错误；如图所示，a光在AB边的入射角为i＝60°，折射角为r＝30°，则三棱镜对a光的折射率为na＝eq\f(sin60°,sin30°)＝eq\r(3)，由于三棱镜对b光的折射率较小，故棱镜对单色光b的折射率小于eq\r(3)，B正确；根据v＝eq\f(c,n)，由于三棱镜对a光的折射率较大，故在棱镜中a光的传播速度小于b光的传播速度，C错误；三棱镜对a光的折射率较大，则a光的频率较大，a光的波长较小，根据Δx＝eq\f(l,d)λ，可知分别通过同一双缝干涉装置，a光的相邻亮条纹间距小，D错误。跟踪训练1.(2021·湖北卷，5)如图2所示，由波长为λ1和λ2的单色光组成的一束复色光，经半反半透镜后分成透射光和反射光。透射光经扩束器后垂直照射到双缝上并在屏上形成干涉条纹。O是两单色光中央亮条纹的中心位置，P1和P2分别是波长为λ1和λ2的光形成的距离O点最近的亮条纹中心位置。反射光入射到三棱镜一侧面上，从另一侧面M和N位置出射，则()图2A.λ1<λ2，M是波长为λ1的光出射位置B.λ1<λ2，N是波长为λ1的光出射位置C.λ1＞λ2，M是波长为λ1的光出射位置D.λ1＞λ2，N是波长为λ1的光出射位置答案D解析由双缝干涉条纹间距的公式Δx＝eq\f(l,d)λ可知，当两种色光通过同一双缝干涉装置时，波长越长条纹间距越宽，由屏上亮条纹的位置可知λ1>λ2；反射光经过三棱镜后分成两束色光，由图可知M光的折射率大，又由折射定律可知，入射角相同时，折射率越大的色光折射角越小，由于λ1>λ2，则n1＜n2，所以N是波长为λ1的光出射位置，D正确，A、B、C错误。

考点二全反射现象与物理光学的综合例2(2023·山东日照一模)如图3所示，由黄光和紫光组成的一束复色光沿着半圆形玻璃砖的半径入射，在界面上分成ab、b两束光，下列说法正确的是()图3A.ab束光是黄光和紫光，b束光是紫光B.a、b两束光分别通过相同的单缝，可能只观察到a明显的衍射现象C.a在玻璃砖中的传播速度大于b在玻璃砖中的传播速度D.用同一装置做双缝干涉实验，屏幕上相邻亮条纹间距Δxa<Δxb答案D解析由光路图可知，a、b两束光入射角相同，但是a束光只有反射光线没有折射光线，发生了全反射，故a束光全反射临界角小于b束光。由sinC＝eq\f(1,n)可知na>nb，故a束光是紫光，b束光是黄光，ab束光是黄光和紫光，A错误；a、b两束光分别通过相同的单缝，a、b光均能发生衍射现象，由于na＞nb，所以λa＜λb，可能只观察到b光明显的衍射现象，B错误；由折射率与波速的关系n＝eq\f(c,v)可知，va<vb，C错误；双缝干涉时有Δx＝eq\f(l,d)λ，又因为紫光的波长小于黄光，即λa<λb，故用同一装置做双缝干涉实验，屏幕上相邻亮条纹间距关系为Δxa<Δxb，D正确。跟踪训练2.(多选)如图4所示，两束单色光a、b从水下面射向A点，光线经折射后合成一束光c。则下列说法正确的是()图4A.用同一双缝干涉实验装置分别以a、b光做实验，a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距B.用a、b光分别做双缝干涉时它们的干涉条纹宽度都是不均匀的C.在水中a光的临界角大于b光的临界角D.若a光与b光以相同入射角从水射向空气，在不断增大入射角时水面上首先消失的是b光答案ACD解析由图可知，单色光a偏折程度小于单色光b的偏折程度，根据折射定律n＝eq\f(sini,sinr)知，a光的折射率小于b光的折射率，则知a光的波长大，根据双缝干涉条纹的间距公式Δx＝eq\f(l,d)λ可知，在d、l相同的条件下，干涉条纹间距与波长成正比，所以a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距，A正确；a光的波长长，则干涉条纹间距较大，但它们条纹宽度都是均匀的，B错误；由全反射临界角公式sinC＝eq\f(1,n)知折射率n越大，临界角C越小，则知在水中a光的临界角大于b光的临界角，C正确；若a光与b光以相同入射角从水射向空气时，由于在水中a光的临界角大于b光的临界角，所以b光的入射角先达到临界角，则b光先发生全反射，首先消失的是b光，D正确。考点三物理光学与其他知识的综合例3(多选)如图5所示，一束复色光射到平行玻璃砖的上表面，经玻璃砖下表面射出后分为a、b两束光，下列说法正确的是()图5A.在玻璃砖中a光的传播速度小于b光的传播速度B.若从同一介质射入真空，发生全反射时a光的临界角比b光的大C.通过同一双缝干涉装置产生的干涉条纹间距Δxa＞ΔxbD.a、b两束光分别照射到同种金属上，相应的遏止电压分别为Ua和Ub，则Ua＞Ub答案AD解析由公式n＝eq\f(sini,sinr)可知，a光的折射率大于b光的折射率，由公式v＝eq\f(c,n)可知，在玻璃砖中a光的传播速度小于b光的传播速度，故A正确；由公式sinC＝eq\f(1,n)可知，折射率越大，临界角越小，则从同一介质射入真空，发生全反射时a光的临界角比b光的小，故B错误；由于a光的折射率大于b光的折射率，则a光的频率大于b光的频率，由公式c＝λν可知，a光的波长小于b光的波长，由公式Δx＝eq\f(l,d)λ可知，通过同一双缝干涉装置产生的干涉条纹间距Δxa＜Δxb，故C错误；由爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0和eUc＝Ek可得eUc＝hν－W0，则Ua＞Ub，故D正确。跟踪训练3.由a和b两种频率的光组成的光束，经玻璃三棱镜折射后的光路如图6所示。a光是氢原子由n＝4的能级向n＝2的能级跃迁时发出的。下列说法中正确的是()图6A.该三棱镜对a光的折射率较大B.在该三棱镜中，a光的传播速度小于b光的传播速度C.用同一双缝干涉装置进行实验，a光干涉条纹的间距大于b光干涉条纹的间距D.b光可能是氢原子从n＝3的能级向n＝2的能级跃迁时发出的答案C解析由题图可知，三棱镜对b光的折射程度较大，则该三棱镜对b光的折射率较大，选项A错误；根据v＝eq\f(c,n)可知，在该三棱镜中，a光的传播速度大于b光的传播速度，选项B错误；a光折射率小，则频率小，波长大，根据Δx＝eq\f(l,d)λ可知，用同一双缝干涉装置进行实验，a光干涉条纹的间距大于b光干涉条纹的间距，选项C正确；b光频率大，则所对应的跃迁的能级差较大，因为a光是氢原子由n＝4的能级向n＝2的能级跃迁时发出的，则b光不可能是氢原子从n＝3的能级向n＝2的能级跃迁时发出的，选项D错误。A级基础对点练1.(多选)(2023·山东泰安一模)如图1所示，从水中S点沿SO射出a、b两种单色光，只有a单色光射出水面。则下列说法正确的是()图1A.a光在水中的速度大B.b光在水中的速度大C.用同一双缝干涉装置进行实验，可看到a光干涉条纹间距比b光的宽D.用同一双缝干涉装置进行实验，可看到b光干涉条纹间距比a光的宽答案AC解析由题意可知，b光在水中发生了全反射，所以a光的临界角大于b光，由sinC＝eq\f(1,n)可知，a光的折射率小于b光，由v＝eq\f(c,n)可知，a光在水中的速度大于b光，A正确，B错误；a光的折射率小于b光，a光的波长大于b光，由Δx＝eq\f(l,d)λ可知，a光双缝干涉条纹间距比b光的宽，C正确，D错误。2.如图2所示，a、b两束相互平行的单色光，以一定的入射角照射到平行玻璃砖上表面，经平行玻璃砖折射后汇聚成一束复色光c，从平行玻璃砖下表面射出。下列说法中正确的是()图2A.在真空中，a光的传播速度小于b光的传播速度B.增大入射角，a光在玻璃砖下表面可发生全反射C.用同一装置在相同条件下分别做双缝干涉实验，a光条纹间距小D.用a光、b光照射某金属表面，若a光能发生光电效应，则b光一定也能发生光电效应答案C解析在真空中，a光的传播速度等于b光的传播速度，故A错误；因为光线是从玻璃砖上表面经过一次折射到下表面的，所以增大入射角，a光在玻璃砖下表面不可能达到临界角，因此不可能发生全反射，故B错误；两束光的入射角相同，a光的折射角较小，所以a光的折射率较大，则频率较大，波长短，根据Δx＝eq\f(l,d)λ可知，a光条纹间距小，故C正确；a光频率大，可以发生光电效应，b光频率小，可能小于极限频率，所以可能不发生光电效应，故D错误。3.(多选)《梦溪笔谈》是中国科学技术史上的重要文献，书中对彩虹作了如下描述：“虹乃雨中日影也，日照雨则有之”。如图3是彩虹成因的简化示意图，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是两种不同频率的单色光。下列说法正确的是()图3A.水滴对a光的临界角小于对b光的临界角B.在水滴中，a光的波长大于b光的波长C.在水滴中，a光的传播速度大于b光的传播速度D.a、b光分别通过同一双缝干涉装置，a光的相邻亮条纹间距较小答案AD解析第一次折射时，入射角相同，a光的折射角较小，根据n＝eq\f(sini,sinr)可知，a光的折射率较大，根据sinC＝eq\f(1,n)可知，水滴对a光的临界角小于对b光的临界角，故A正确；因为a光的折射率较大，所以a光频率较大，波长较短，故B错误；a光的折射率较大，根据v＝eq\f(c,n)可知，在水滴中a光的传播速度小于b光的传播速度，故C错误；双缝干涉条纹间距与波长成正比，a光波长较短，条纹间距较小，故D正确。4.如图4所示，一束光由半圆形玻璃砖的右侧面沿半径射入，经AB界面折射后分为a、b两束光，则下列说法正确的是()图4A.b光的光子能量小于a光的光子能量B.现将入射光绕O点逆时针转动，则a光先消失C.分别用a、b光在同一个双缝干涉实验装置上做实验，a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距D.在半圆形玻璃砖中，b光的传播时间小于a光的传播时间答案C解析因为玻璃对b光的偏折程度大于a光，所以玻璃对b光的折射率大于对a光的折射率，所以b光频率高，光子能量大，故A错误；根据sinC＝eq\f(1,n)可知，b光临界角小，现将入射光绕O点逆时针转动，则b光先消失，故B错误；b光频率高，波长短，根据Δx＝eq\f(l,d)λ可知，分别用a、b光在同一个双缝干涉实验装置上做实验，a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距，故C正确；根据v＝eq\f(c,n)，可知在半圆形玻璃砖中，b光的速度小，路程相同，则b光传播时间长，故D错误。5.(2022·天津河东区模拟)如图5所示，将某种透明材质的三棱镜置于水中，△ABC为其截面，一束由a、b单色光组成的复色光从水中以角度i射入三棱镜再从三棱镜射出，光路如图所示，则()图5A.a光在该材质中传播速度小于在水中传播速度B.增大入射角i，则a光先发生全反射C.用a光照射某金属能发生光电效应，则用b光也一定能发生D.使用同种装置，用a光做双缝干涉实验得到的条纹间距比用b光得到的条纹间距宽答案B解析因该材质相对水是光疏介质，则单色光a在该材质中传播速度大于在水中传播速度，故A错误；因a光在材质中的折射角较大，则增大入射角，a光的折射角先到达90°，则a光先在AB面上发生全反射，故B正确；因a光在材质中的折射角比b光大，所以a光的折射率高，对应频率也高，当a光能发生光电效应现象时，说明a光频率够高，但b光频率略小，不一定能发生，故C错误；因a光在材质中的折射角比b光大，所以a光比b光波长短，双缝干涉时a光得到的条纹间距窄，故D错误。6.(多选)△OMN为等腰三棱镜的横截面。a、b两束可见单色光从空气垂直射入玻璃棱镜底面MN(两束光关于O′O对称)，在棱镜侧面OM、ON上反射和折射的情况如图6所示，下列说法正确的是()图6A.在玻璃棱镜中，a光由MN面射向MO面的传播时间小于b光由MN面射向NO面的传播时间B.在玻璃棱镜中，a光的传播速度小于b光的传播速度C.若光束从玻璃棱镜中射向空气，则光束b的临界角比光束a的临界角小D.用同样的装置做双缝干涉实验，a光的条纹间距小答案AC解析由题图可知，a、b两束单色光以相同的入射角分别射向OM、ON两界面，b光发生全反射，而a光发生折射，所以在玻璃棱镜中，a光的折射率小于b光的折射率，根据n＝eq\f(c,v)，知a光的传播速度大于b光的传播速度，则a光射到侧面的时间较短，故A正确，B错误；光束从玻璃棱镜中射向空气，由临界角公式sinC＝eq\f(1,n)知，折射率大的光临界角小，则光束b的临界角比光束a的临界角小，故C正确；a光的折射率小，则a光频率小，波长大，用同样的装置做双缝干涉实验，根据公式Δx＝eq\f(l,d)λ，知a光的条纹间距大，故D错误。B级综合提升练7.(多选)如图7所示为某种透明介质做成的等腰直角三棱镜的截面示意图。由a、b两种单色光组成的细光束从空气垂直于BC边射入棱镜，经两次反射后光束垂直于BC边射出，且在AB、AC边只有b光射出，光路图如图所示，下列说法正确的是()图7A.该三棱镜对a光的折射率应大于等于eq\r(2)B.a光的频率比b光的频率小C.b光在三棱镜中的传播速度大于a光在三棱镜中的传播速度D.a、b两种单色光通过同一单缝，b光的衍射现象更明显答案ACD解析因a光在AB、AC边外侧均无出射光线，故发生了全反射，则临界角C≤45°，由折射定律得n＝eq\f(1,sinC)，可得n≥eq\r(2)，A正确；b光在AB、AC边有光线出射，说明b光的临界角大于45°，b光的折射率小于a光的折射率，a光的频率大于b光的频率，B错误；由n＝eq\f(c,v)可知b光在三棱镜中的传播速度大于a光在三棱镜中的传播速度，C正确；b光的波长长，通过同一单缝，b光衍射现象更明显，D正确。8.(多选)如图8所示，某一复合光线对准一半圆形玻璃砖的圆心O入射，当在O点的入射角为30°时，出射光线分成a、b两束，光束a与下边界的夹角为37°，光束b与下边界的夹角为53°，则下列说法正确的是()图8A.a光的频率比b光的频率大B.a光在玻璃砖中的传播速率比b光的大C.a、b两束光在该玻璃砖中的折射率之比为3∶4D.若用a、b两束光分别照射同一双缝干涉装置时，a光的干涉条纹间距比b光的小答案AD解析由光路图可知，a光的偏折程度比b光大，则玻璃砖对a光的折射率较大，则a光的频率比b光的频率大，选项A正确；根据v＝eq\f(c,n)可知，a光在玻璃砖中的传播速率比b光的小，选项B错误；根据n＝eq\f(sini,sinr)，a、b两束光在该玻璃砖中的折射率分别为na＝eq\f(sin53°,sin30°)＝1.6，nb＝eq\f(sin37°,sin30°)＝1.2，则折射率之比为4∶3，选项C错误；因a光的波长小，根据Δx＝eq\f(l,d)λ可知，用a、b两束光分别照射同一双缝干涉装置时，a光的干涉条纹间距比b光的小，选项D正确。9.(多选)(2023·湖北省部分重点中学联考)真空中a、b两种单色光的波长比λa∶λb＝k∶1，则a、b两种光()A.光子能量之比Ea∶Eb＝1∶kB.若都能使某种金属发生光电效应，则所产生的光电子最大初动能之比为Eka∶Ekb＝1∶kC.入射到同一双缝干涉装置上时，则干涉条纹间距之比为Δxa∶Δxb＝k∶1D.从玻璃入射到空气中，两种光的临界角之比Ca∶Cb＝1∶k答案AC解析根据光子的能量表达式有ε＝heq\f(c,λ)，光子的能量与波长成反比，所以光子能量之比Ea∶Eb＝1∶k，则A正确；根据光电效应方程有Ek＝heq\f(c,λ)－W0，光电子最大初动能与光子的能量是线性关系不是正比关系，所以B错误；由干涉条纹间距的公式有Δx＝eq\f(l,d)λ，干涉条纹间距与波长成正比，所以干涉条纹间距之比为Δxa∶Δxb＝k∶1，则C正确；根据全反射的临界角公式sinC＝eq\f(1,n)，临界角的正弦值与折射率成反比，临界角与波长不是反比关系，则D错误。10.(多选)如图9所示，一束复色光经三棱镜后分开成a、b、c和d四种单色光。用这四种单色光分别照射金属钾板，其中c光恰好可从金属钾板上打出光电子；也可以用这四种单色光分别作为双缝干涉实验的光源。下列说法正确的是()图9A.d光的频率最高B.d光在棱镜中的折射率最小C.a光产生的干涉条纹间距最大D.a光打出的光电子的遏止电压最大答案BD解析由光路图可知，a光通过三棱镜的偏折程度最大，则折射率最大，a光的频率最大，d光的折射率最小，则频率最小，选项A错误，B正确；因a光的频率最大，则波长最短，根据Δx＝eq\f(l,d)λ可知，a光产生的干涉条纹间距最小，选项C错误；因为c光恰好可从金属钾板上打出光电子，则a光一定能发生光电效应，因a光的频率最大，则根据eUc＝Ek＝hν－W0可知，a光打出的光电子的遏止电压最大，选项D正确。光路控制与光的色散1.平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制特点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，出射光线向棱镜底面偏折圆界面的法线是过圆心的直线，光线经过两次折射后向圆心偏折应用测量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2.各种色光的比较与分析颜色红橙黄绿蓝靛紫频率ν低→高同一介质中的折射率小→大同一介质中的速度大→小同一介质中的波长大→小通过同一棱镜的偏折角小→大同一介质中的