2022年高考物理题型讲义（新高考）专题5 第19课时　光学　电磁波

第19课时光学电磁波命题规律1.命题角度：(1)光的折射与全反射；(2)光的干涉和衍射；(3)电磁波；(4)几何光学与物理光学的综合分析.2.常考题型：选择题、计算题．高考题型1光的折射与全反射1．常用的三个公式eq\f(sinθ1,sinθ2)＝n，n＝eq\f(c,v)，sinC＝eq\f(1,n).2．折射率的理解(1)折射率与介质和光的频率有关，与入射角的大小无关．(2)光密介质指折射率大的介质，而不是指密度大的介质．(3)同一种介质中，频率越大的色光折射率越大，传播速度越小．3．求解光的折射和全反射问题的思路(1)根据题意画出正确的光路图，特别注意全反射的临界光线．(2)利用几何关系确定光路中的边、角关系．(3)利用折射定律等公式求解．(4)注意折射现象中光路的可逆性．例1(多选)(2020·山东卷·9)截面为等腰直角三角形的三棱镜如图1甲所示．DE为嵌在三棱镜内部紧贴BB′C′C面的线状单色可见光光源，DE与三棱镜的ABC面垂直，D位于线段BC的中点．图乙为图甲中ABC面的正视图．三棱镜对该单色光的折射率为eq\r(2)，只考虑由DE直接射向侧面AA′C′C的光线．下列说法正确的是()图1A．光从AA′C′C面出射的区域占该侧面总面积的eq\f(1,2)B．光从AA′C′C面出射的区域占该侧面总面积的eq\f(2,3)C．若DE发出的单色光频率变小，AA′C′C面有光出射的区域面积将增大D．若DE发出的单色光频率变小，AA′C′C面有光出射的区域面积将减小答案AC解析根据sinC＝eq\f(1,n)，得光线在AC面上发生全反射的临界角C＝45°，如图所示．从AC面上射出的光线为射到FC区域的光线，由几何关系得FC＝eq\f(1,2)AC，即有光线射出的区域占该侧面总面积的一半，故A正确，B错误；当单色光的频率变小时，折射率n变小，根据sinC＝eq\f(1,n)，知临界角C变大，图中的F点向A点移动，故有光射出的区域的面积将增大，故C正确，D错误．例2(2020·全国卷Ⅱ·34(2))直角棱镜的折射率n＝1.5，其横截面如图2所示，图中∠C＝90°，∠A＝30°.截面内一细束与BC边平行的光线，从棱镜AB边上的D点射入，经折射后射到BC边上．图2(1)光线在BC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的正弦值．答案见解析解析(1)如图，设光线在D点的入射角为i，折射角为r.折射光线射到BC边上的E点．设光线在E点的入射角为θ，由几何关系，有i＝30°①θ＝90°－(30°－r)>60°②根据题给数据得sinθ>sin60°>eq\f(1,n)③即θ大于全反射临界角，因此光线在E点发生全反射．(2)设光线在AC边上的F点射出棱镜，入射角为i′，折射角为r′，由几何关系、反射定律及折射定律，有i′＝90°－θ④sini＝nsinr⑤nsini′＝sinr′⑥联立①②④⑤⑥式并代入题给数据，得sinr′＝eq\f(2\r(2)－\r(3),4)由几何关系可知，r′即AC边射出的光线与最初的入射光线的夹角．高考题型2光的干涉与衍射光的双缝干涉和单缝衍射的比较双缝干涉单缝衍射产生条件两束光频率相同、相位差恒定障碍物或狭缝的尺寸足够小(明显衍射)图样不同点条纹宽度条纹宽度相等条纹宽度不等，中央最宽条纹间距各相邻条纹间距相等各相邻条纹间距不等亮度情况清晰条纹，亮度基本相等中央条纹最亮，两边变暗与光的偏振的区别干涉、衍射都是波特有的现象；光的偏振现象说明光是横波例3(2020·北京卷·1)以下现象不属于干涉的是()A．白光经过杨氏双缝得到彩色图样B．白光照射肥皂膜呈现彩色图样C．白光经过三棱镜得到彩色图样D．白光照射水面油膜呈现彩色图样答案C解析选项A是双缝干涉，选项B是薄膜干涉，选项C是光的色散，选项D是薄膜干涉．故选C.例4如图3所示，a、b、c、d四个图是不同的单色光形成的双缝干涉或单缝衍射图样，分析各图样的特点可以得出的正确结论是()图3A．a、b是光的干涉图样B．c、d是光的干涉图样C．形成a图样的光的波长比形成b图样的光的波长短D．形成c图样的光的波长比形成d图样的光的波长短答案A解析干涉条纹是等间距的条纹，因此，a、b图是干涉图样，c、d图是衍射图样，故A项正确，B项错误；由公式Δx＝eq\f(l,d)λ可知，条纹宽的入射光的波长长，所以形成a图样的光的波长比形成b图样的光的波长长，故C项错误；形成c图样的光的波长比形成d图样的光的波长长，故D项错误．例5(2021·山东卷·7)用平行单色光垂直照射一层透明薄膜，观察到如图4所示明暗相间的干涉条纹．下列关于该区域薄膜厚度d随坐标x的变化图像，可能正确的是()图4答案D解析从薄膜的上下表面分别反射的两列光是相干光，其光程差为Δx＝2d，即光程差为薄膜厚度的2倍，当光程差Δx＝nλ时此处表现为亮条纹，故相邻亮条纹之间的薄膜的厚度差为eq\f(1,2)λ，在题图中相邻亮条纹(或暗条纹)之间的距离变大，则薄膜的厚度逐渐变小，因条纹宽度逐渐变宽，则厚度不是均匀变小，故选D.高考题型3电磁波1．电磁波谱：按照电磁波的频率或波长的大小顺序把它们排列成谱叫作电磁波谱．按波长由长到短排列的电磁波谱为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线．2．电磁波传播不需要介质，在介质中传播时速度与介质材料和电磁波频率有关．例6(多选)(2020·江苏卷·13B(1))电磁波广泛应用在现代医疗中．下列属于电磁波应用的医用器械有()A．杀菌用的紫外灯B．拍胸片的X光机C．治疗咽喉炎的超声波雾化器D．检查血流情况的“彩超”机答案AB解析杀菌用的紫外灯是利用紫外线进行灭菌消毒；X光机是利用X射线的穿透作用；超声波雾化器和“彩超”机是利用超声波工作的．例7如图5所示，我国成功研发的反隐身先进米波雷达堪称隐身飞机的克星，它标志着我国雷达研究又创新的里程碑，米波雷达发射无线电波的波长在1～10m范围内，则对该无线电波的判断正确的是()图5A．米波的频率比厘米波的频率高B．和机械波一样需靠介质传播C．同光波一样会发生反射现象D．不可能产生干涉和衍射现象答案C解析根据f＝eq\f(v,λ)可知，电磁波的波长越大，频率越低，故米波的频率比厘米波的频率低，选项A错误；无线电波的传播不需要介质，选项B错误；无线电波同光波一样会发生反射，选项C正确；干涉和衍射是波特有的现象，故无线电波也能发生干涉和衍射现象，选项D错误．高考题型4几何光学与物理光学的综合应用各种色光特征比较项目红→紫频率越来越高波长越来越短折射率越来越大介质中传播速度越来越小发生全反射时的临界角越来越小光子能量越来越大例8(2021·山东烟台市高三期末)夏日雨后，我们经常会看到天空中出现美丽的彩虹．从物理学角度看，彩虹是太阳光以一定的角度照射在雨滴上经过两次折射和一次反射形成的．如图6是彩虹成因的简化示意图，其中a、b代表两种不同频率的单色光，则()图6A．a光的频率大于b光的频率B．在同种介质中，a光的传播速度小于b光的传播速度C．a光和b光以相同的入射角从水中射入空气，在空气中只能看到一种光时，一定是a光D．分别用同一双缝干涉装置进行实验，在干涉图样中a光相邻两个亮条纹中心的距离小于b光相邻两个亮条纹中心的距离答案C解析由光路图可知，水对b光的偏折程度较大，则b光的折射率较大，则b光的频率比a光的频率高，A错误；根据v＝eq\f(c,n)，可知在同种介质中，b光的传播速度小于a光的传播速度，B错误；因为sinC＝eq\f(1,n)，可知a光的临界角大于b光的临界角，则a光和b光以相同的入射角从水中射入空气，在空气中只能看到一种光时，则一定是b光发生了全反射，射出的一定是a光，C正确；因b光的折射率大，则a光的波长大于b光的波长，根据Δx＝eq\f(l,d)λ可知，分别用同一双缝干涉装置进行实验，在干涉图样中a光相邻两个亮条纹中心的距离大于b光相邻两个亮条纹中心的距离，D错误．1．(2021·天津市南开区高三期末)下列说法正确的是()A．单色光在介质中传播时，介质的折射率越大，光的传播速度越小B．当光从空气射入玻璃时，蓝光比红光更容易发生全反射C．同一个双缝干涉实验中，蓝光产生的干涉条纹间距比红光的大D．两束频率不同的光，可以产生干涉现象答案A解析根据v＝eq\f(c,n)可知，单色光在介质中传播时，介质的折射率越大，光的传播速度越小，故A正确；光从空气射入玻璃时不可能发生全反射现象，故B错误；根据双缝干涉条纹间距公式Δx＝eq\f(l,d)λ可知，蓝光的波长小于红光的波长，同一个双缝干涉实验中，蓝光产生的干涉条纹间距比红光的小，故C错误；根据光的干涉的条件可知，两束频率不同的光不能产生干涉现象，故D错误．2.(2021·辽宁沈阳市高三下质量监测)如图7所示，有三块等腰直角三角形的透明材料(图中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)恰好拼成一个长方形．从A点垂直于底边射入的单色光在B处发生全反射，在C、D处连续发生两次折射后射出．若该单色光在三块材料中的传播速度依次为v1、v2、v3，下列关系式中正确的是()图7A．v2>v1>v3 B．v3>v1>v2C．v3>v2>v1 D．v1>v2>v3答案A解析设Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种材料对光的折射率分别为n1、n2、n3.根据全反射条件，光从Ⅰ射向Ⅱ时发生了全反射，则有n1>n2，光从Ⅰ射向Ⅲ时发生了折射，由题图知入射角大于折射角，则有n1<n3，所以n2<n1<n3，根据光在介质中的传播速度公式v＝eq\f(c,n)，可得v3<v1<v2，故选A.3.(2021·山东德州市一模)如图8所示光导纤维的长度为L，某种频率的光在其中的折射率为n，若有各种入射方向的该频率的光照射到此光导纤维一端的横截面上，认为自另一端射出的光在此光导纤维传播的过程中都发生全反射，已知光在真空中的传播速度为c，自另一端射出的光在此光导纤维中的最长传播时间为()图8A.eq\f(n2L,c)B.eq\f(nL,c)C.eq\f(L,nc)D.eq\f(L,n2c)答案A解析当光在介质的界面处恰好发生全反射时，光在介质中的传播路程最长，由几何关系可知，最长路程为x＝eq\f(L,sinC)＝nL，传播速度为v＝eq\f(c,n)，故最长时间t＝eq\f(x,v)＝eq\f(n2L,c)，故选A.4．(2021·河北邯郸市高三期末)由某种新型材料做成的某个光学元件，其中一个截面是半径为R的半圆形，PQ为半圆的直径，O为该柱形截面的圆心，如图9所示．一激光器发出的光以与直径PQ成45°角的方向射入元件内，入射点沿PQ由下向上移动，当移动到B点时，光线恰好从元件的中点E射出，继续上移到位置D(图中未标出)时光线恰好不能从圆弧面射出(不考虑经半圆柱内表面反射后射出的光)．已知该新型材料的折射率n＝eq\r(2)，光在真空中的传播速度为c.求：图9(1)由B点射入的光线在元件内传播的时间；(2)D点与O的距离．答案(1)eq\f(2\r(6)R,3c)(2)eq\f(\r(6),3)R解析(1)由题意知，入射角i＝45°，设对应折射光线BE的折射角为r，如图所示根据折射定律有n＝eq\f(sini,sinr)，解得r＝30°，光线BE在元件内传播的速度为v＝eq\f(c,n)传播的距离为BE＝eq\f(R,cosr)＝eq\f(2,3)eq\r(3)R光线从B点传播到E所用的时间t＝eq\f(BE,v)＝eq\f(2\r(6)R,3c)(2)当光线由D点入射时，到达圆弧面的入射角恰好等于临界角C，则sinC＝eq\f(1,n)由正弦定理得eq\f(R,sin60°)＝eq\f(OD,sinC)，解得OD＝eq\f(\r(6),3)R专题强化练[保分基础练]1．小华通过偏振太阳镜观察平静水面上反射的阳光转动镜片时发现光有强弱变化下列说法能够解释这一现象的是()A．阳光在水面反射时发生了偏振，镜片起起偏器的作用B．阳光在水面反射时发生了偏振，镜片起检偏器的作用C．阳光在水面反射时没有发生偏振，镜片起起偏器的作用D．阳光在水面反射时没有发生偏振，镜片起检偏器的作用答案B解析发现强弱变化说明水面上反射的阳光是偏振光，而阳光本身是自然光，在反射时发生了偏振，当偏振片的方向与光的偏振方向平行时，通过的光最强，而当偏振片的方向与光的偏振方向垂直时，通过的光最弱，因此镜片起到检偏器的作用，故选B.2.明代学者方以智在《阳燧倒影》中记载：“凡宝石面凸，则光成一条，有数棱则必有一面五色”，表明白光通过多棱晶体折射会发生色散现象．如图1所示，一束复色光通过三棱镜后分解成两束单色光a、b，下列说法正确的是()图1A．若增大入射角i，则b光先消失B．在该三棱镜中a光波长小于b光C．a光能发生偏振现象，b光不能发生D．若a、b光分别照射同一光电管都能发生光电效应，则a光的遏止电压低答案D解析如图所示，设左侧面的折射角为α，在右界面的入射角为β，根据几何关系有：α＋β＝∠A，根据折射定律n＝eq\f(sini,sinα)，增大入射角i，折射角α增大，β减小，而β增大才能使b光发生全反射，故A错误；由光路图可知，a光的折射率小于b光的折射率(na<nb)，则a光的波长大于b光的波长(λa>λb)，故B错误；光是一种横波，横波都有偏振现象，而纵波没有，有无偏振现象与光的频率无关，故C错误；根据光电效应方程可知，最大初动能Ek＝hν－W0，再根据动能定理：－eUc＝0－Ek，即遏止电压Uc＝eq\f(h,e)ν－eq\f(W0,e)，由于逸出功W0相同，所以入射光的频率越大，遏止电压就越大，又na<nb，则a光的频率小于b光的频率(νa<νb)，a光的遏止电压小于b光的遏止电压，故D正确．3．(多选)(2021·北京市海淀区高三期末)第五代移动通信技术(简称5G)是最新一代蜂窝移动通信技术，5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、大规模设备连接等．与4G相比，5G使用的电磁波频率更高．下列说法中正确的是()A．5G和4G使用的电磁波都是横波B．5G和4G使用的电磁波在真空中的传播速度相同C．5G和4G使用的电磁波都可以发生干涉和衍射现象D．在真空中5G使用的电磁波波长比4G的长答案ABC解析5G和4G使用的电磁波都是横波，故A正确；5G和4G使用的电磁波在真空中的传播速度相同，均为光速3×108m/s，故B正确；任何波均能发生干涉和衍射现象，故5G和4G使用的电磁波都可以发生干涉和衍射现象，故C正确；根据公式v＝λf得，当速度一样时，波长与频率成反比，即5G使用的电磁波的波长比4G的短，故D错误．4.(2021·山东青岛市高三期末)如图2，光导纤维由内芯和外套两部分组成，内芯折射率比外套的大，光在光导纤维中传播时，光在内芯和外套的界面上发生全反射．假设外套为空气，一束红光由光导纤维的一端射入内芯，红光在内芯与空气的界面上恰好发生全反射，经时间t1从另一端射出；另让一束绿光也从光导纤维的一端射入，绿光在内芯与空气的界面上也恰好发生全反射，经时间t2从另一端射出．下列说法正确的是()图2A．内芯对红光的折射率n1与对绿光的折射率n2之比为eq\r(\f(t1,t2))B．内芯对红光的折射率n1与对绿光的折射率n2之比为eq\f(t1,t2)C．红光在内芯中的传播速度v1与绿光在内芯中的传播速度v2之比为eq\r(\f(t1,t2))D．红光在内芯中的传播速度v1与绿光在内芯中的传播速度v2之比为eq\f(t2,t1)答案A解析设光导纤维长为l，对红光而言sinC1＝eq\f(1,n1)，红光通过光导纤维的路程l1＝eq\f(l,sinC1)，红光的光速为v1＝eq\f(c,n1)，因此所用时间t1＝eq\f(l1,v1)，整理得t1＝eq\f(l,c)n12，同理，绿光通过光导纤维所用时间t2＝eq\f(l,c)neq\o\al(,22)，因此eq\f(n1,n2)＝eq\r(\f(t1,t2))，A正确，B错误．红光在内芯中的传播速度v1与绿光在内芯中的传播速度v2之比eq\f(v1,v2)＝eq\f(n2,n1)＝eq\r(\f(t2,t1))，C、D错误．5.(2021·福建龙岩市一模)如图3所示，把一矩形均匀薄玻璃板ABCD压在另一个矩形平行玻璃板上，一端用薄片垫起，将红单色光从上方射入，这时可以看到明暗相间的条纹，下列关于这些条纹的说法中正确的是()图3A．条纹方向与AB边平行B．条纹间距不是均匀的，越靠近BC边条纹间距越大C．减小薄片的厚度，条纹间距变小D．将红单色光换为蓝单色光照射，则条纹间距变小答案D解析薄膜干涉的光程差Δs＝2d(d为薄膜厚度)，厚度相同处产生的条纹明暗情况相同，因此条纹应与BC边平行，故A错误；因为两玻璃间形成的空气膜厚度均匀变化，因此条纹是等间距的，故B错误；减小薄片厚度，条纹间距将增大，故C错误；将红单色光换成蓝单色光照射，入射光波长减小，条纹间距将减小，故D正确．6.(2021·江苏泰州市高三期末)如图4所示，一束复色光射向半圆形玻璃砖的圆心O，经折射后分为两束单色光a和b，下列判断正确的是()图4A．a光在玻璃中的速度大于b光在玻璃中的速度B．a、b两束光遇到同样的障碍物时，a光更容易发生明显衍射C．增大复色光的入射角，在玻璃砖的右边最先消失的是a光D．用a、b两束光分别照射到同一金属表面，b光更容易使金属发生光电效应答案C解析根据光路，单色光a在空气中的折射角度较大，所以根据折射定律，a光对玻璃的折射率较大，根据折射率与速度的关系式n＝eq\f(c,v)可知，a光在玻璃中的速度小于b光在玻璃中的速度，A错误；折射率越大的光，其频率越高，用a、b两束光分别照射到同一金属表面，a光更容易使金属发生光电效应，D错误．根据频率与波长的关系式c＝λf知，a光的波长小于b光的波长，而波长越短，越难发生明显衍射，所以a、b两束光遇到同样的障碍物时，a光更难发生明显衍射，B错误；根据sinC＝eq\f(1,n)，a光对玻璃的临界角较小，所以增大复色光的入射角，在玻璃砖的右边最先消失的是a光，C正确．[争分提能练]7．(多选)(2021·山东淄博市一模)如图5甲所示，为了观察一油箱内的储油量，设计师在油箱的一侧竖直安装了一系列厚度相同长度不同的透明塑料板，每块塑料板的形状如图乙所示，下部尖端部分截面为等腰直角三角形．当光由正上方竖直向下射入到塑料板中，从观察窗口中可以清晰看到油量计的上表面有明、暗两片区域．通过观察明暗区域分界线的位置，便可判断出油量的多少，以下说法中正确的是()图5A．从观察窗口观察到的暗区是因为光在塑料板下端发生了全反射B．从观察窗口观察到的明亮区域越大，油量越少C．使用的塑料板折射率应满足n<eq\r(2)D．使用的塑料板折射率应满足n>eq\r(2)答案BD解析左侧塑料板长，尖端部分浸入油中，光线在塑料板下端与油的分界面处不会发生全反射，从观察窗口观察是暗区，右侧塑料板短，尖端部分没有浸入油中，光线在塑料板下端与空气的分界面处发生全反射，从观察窗口观察到的是亮区，A错误；油量越少，浸入油中的塑料板个数越少，发生全反射的塑料板个数越多，从观察窗口观察到的明亮区域越大，B正确；根据临界角公式得sinC＝eq\f(1,n)，C＝45°，解得n＝eq\r(2)，所以使用的塑料板折射率应满足n>eq\r(2)，C错误，D正确．8.(2021·山东青岛市一模)如图6，截面为正三角形的三棱镜放置在坐标纸上，DE是在坐标纸上标记的线段，与三棱镜的ABC面垂直．从棱镜上方某位置观察，恰好在眼睛正下方看到DE的像D′E′，且D′点是DC的中点．该三棱镜的折射率为()图6A.eq\r(2) B.eq\r(3)C.eq\f(3\r(2),2) D.eq\f(4\r(3),3)答案B解析由题意可知，光路图如图所示△ABC是等边三角形，所以∠C＝60°又D′点是DC的中点，可知∠1＝60°，∠2＝30°，则该三棱镜的折射率为n＝eq\f(sin60°,sin30°)＝eq\r(3)，故选B.9.(2021·山西朔州市怀仁市高三期末)如图7所示，空气中一直角棱镜ABC，∠A＝30°，一束单色光从AC边中点D垂直射入棱镜，从AB边射出的光线与AB边夹角为30°，已知BC边长度为eq\r(3)m，光在真空中的传播速度c＝3×108m/s.求：图7(1)该棱镜的折射率；(2)从BC边射出的光在该棱镜中的传播时间．答案(1)eq\r(3)(2)1.5×10－8s解析(1)光路图如图所示：从AB边射出的光入射角i＝30°，折射角r＝60°故折射率为n＝eq\f(sinr,sini)＝eq\r(3)(2)由几何关系可知从BC边射出的光均从C点射出，则光在该棱镜中的路程为s＝DE＋EC＝eq\f(3\r(3),2)m，光在该棱镜中的传播速度为v＝eq\f(c,n)传播时间为t＝eq\f(s,v)＝1.5×10－8s.10.(2021·贵州盘州市一模)半径为R的半球形透明体截面如图8，AB为直径，O为圆心，其折射率为eq\f(\r(6),2).一细束光从圆周上某点射入透明体，经两次折射后沿平行于BA方向从圆周上的P点射出．已知∠AOP＝60°，真空中的光速为c，求：图8(1)出射光线与入射光线延长线间的夹角；(2)光通