第一篇 大单元设计五 专题13 光学-2025版高考物理二轮复习

12专题13光学考向一光的折射、全反射【角度1】折射定律的应用两个公式n12=sinθ1sinθ三个注意点折射率与介质和光的频率有关,与入射角的大小无关。同一种介质中,频率越大的色光折射率越大,传播速度越小一般指光从光疏介质折射到光密介质。在光的折射中,光路可逆【典题例析】[典例1](2024·福建选择考)一束光以入射角i(i>0)射入透镜,遇反射膜反射,垂直射到反射膜则原路返回成为激光。已知透镜对蓝光折射率大于绿光[1],则透镜中蓝光折射角(选填“大于”“等于”或“小于”)绿光,若此时激光为蓝光,要变为绿光,则应(选填“顺时针”或“逆时针”)改变入射角[2]。

【题眼破译】[1]折射定律的公式n=sini[2]绿光的折射率小,应减小入射角。【解析】根据折射定律可得n=sinisinr,由于透镜对蓝光折射率大于绿光,则透镜中蓝光折射角小于绿光折射角;若此时激光为蓝光,要变为绿光,根据n=sin答案:小于顺时针[预测1](2024·潍坊三模)“水晶球”是用天然水晶加工而成的一种透明的球形物品。如图甲所示为一个质量分布均匀的透明“水晶球”,半径为a,过球心的截面如图乙所示,PQ为直径,一单色细光束从P点射入球内,折射光线与PQ夹角为37℃,出射光线与PQ平行。已知光在真空中的传播速度为c,sin37°=0.6,cos37°=0.8,则()A.光束在P点的入射角为53°B.“水晶球”的折射率为1.6C.光在“水晶球”中的传播速度为34D.光在“水晶球”中的传播时间为8【解析】选B。根据题意作出光路图如图由几何关系可知,光线射出时的折射角r为2θ,折射率n=sin2θsinθ=2cosθ=1.6,故B正确;由图可知β=r=2θ=74°,故A错误;光在“水晶球”中的传播速度为v=cn=58c,故C错误;光在“水晶球”中传播的距离l=2acosθ,时间t=lv=nlc【加固训练】(2024·石家庄三模)如图所示,长方形水池内存有清水(水池底面水平),一束单色光以α=53°的入射角照射到水面上的O点,单色光进入水池后照到水池底部的A点,在其他条件不变的情况下,取走一些水,使得水面下降,当水面平静后发现光束照射到了A点右侧的B点,经测量A、B两点间距离是水面下降距离的712,已知sin53°=0.8,cos53°=0.6,则清水对这种单色光的折射率为(A.127 B.8 7 C.43 【解析】选C。水的折射率不变,两次光线以相同的入射角进入,可得折射角相同,故两次的折射光线平行,光路图如图所示,设折射角为β,水面下降的高度为Δh,根据几何知识得AB=CD,Δhtan53°-Δhtanβ=CD=712Δh,解得tanβ=34,β=37°,故折射率为n=sin53°【模型图解】分类情境图示情境解读液体进入液体内部的光线,经折射后靠近法线,n=sin三棱镜通过三棱镜的光线经过两次折射后,出射光线向棱镜底面偏折,n=sin圆柱体(球)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,n=sin【角度2】全反射现象的理解和应用主要问题n=sinθ1sinθ2,sinC=1核心关键画出光路图方法步骤【典题例析】[典例2](2024·全国甲卷,10分)一玻璃柱的折射率n=3,其横截面为四分之一圆,圆的半径为R,如图所示。截面所在平面内,一束与AB边平行的光线从圆弧入射。入射光线与AB边的距离由小变大,距离为h时,光线进入柱体后射到BC边恰好发生全反射。求此时h与R的比值。【思路导引】【规范解答】画出光路图,如图所示根据α=β+C可得sin(β+解得tanβ=13故可得sinβ=112ℎR=sinα答案:2+【模型图解】情境图示情境解读若光束与竖直方向成45°角时,恰好观察不到从液体表面射向空气的折射光束(1)光束刚好发生全反射,临界角C=45°液体的折射率为n=1(2)激光在液体中的传播速度为v=c玻璃的折射率n=2,一束平行光垂直于ac入射,只有一部分光从ab穿出sinC=1n=12,C=45°,在α≥45°时,均发生全反射,只有bd部分有光射出,对应弧长为s=R·π考向二光的波动性项目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与波长差不多或小于波长(明显衍射现象)图样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,亮度基本相同中央条纹最亮,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【典题例析】[典例3](2024·山东等级考)检测球形滚珠直径是否合格的装置如图甲所示,将标准滚珠a与待测滚珠b、c放置在两块平板玻璃之间,用单色平行光垂直照射平板玻璃,形成如图乙所示的干涉条纹。若待测滚珠与标准滚珠的直径相等为合格,下列说法正确的是()A.滚珠b、c均合格B.滚珠b、c均不合格C.滚珠b合格,滚珠c不合格D.滚珠b不合格,滚珠c合格【解析】选C。单色平行光垂直照射平板玻璃,上、下玻璃上表面的反射光在上玻璃上表面发生干涉,形成干涉条纹,光程差为两块玻璃距离的两倍,根据光的干涉知识可知,同一条干涉条纹位置处光的光程差相等,即滚珠a的直径与滚珠b的直径相等,即滚珠b合格,不同的干涉条纹位置处光的光程差不同,则滚珠a的直径与滚珠c的直径不相等,即滚珠c不合格。故选C。[预测2](2024·济南模拟)铁丝圈上附有肥皂膜,竖直放置时,肥皂膜上的彩色条纹上疏下密,由此推测肥皂膜前后两个面的侧视形状应当是()【解析】选C。薄膜干涉为前后两个面反射回来的光发生干涉形成干涉条纹,当入射光为复色光时,出现彩色条纹。由于重力作用,肥皂膜前后表面的厚度从上到下逐渐增大,从而使干涉条纹上疏下密,由于表面张力的作用,使得肥皂膜向内凹陷,故C正确,A、B、D错误。【模型图解】分类情境图示情境解读双缝干涉两列波振动情况相同时:亮条纹,光程差Δx=nλ(n=0,1,2,…)暗条纹,光程差Δx=(2n+1)λ2(n薄膜干涉如果被检测平面是光滑的,得到的干涉图样必是等间距的。如果某处凹下,则对应亮条纹(或暗条纹)提前出现,如图中P所示;如果某处凸起来,则对应条纹延后出现,如图中Q所示。(注:“提前”与“延后”不是指在时间上,而是指由左向右的顺序位置上)光的衍射泊松亮斑:圆形阴影中心有一亮斑,圆形阴影的边缘是模糊的,在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。圆孔衍射:(1)单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮度大,外面是明暗相间的不等距的圆环。越向外,圆环亮度越低。(2)白光的圆孔衍射图样中央亮圆为白色,周围是彩色圆环考向三几何光学和物理光学的综合应用多种光的比较颜色红橙黄绿蓝靛紫频率f低→高同一介质中的折射率小→大同一介质中速度大→小波长大→小临界角大→小通过棱镜的偏折角小→大【典题例析】[典例4](多选)(2023·全国甲卷改编)等腰三角形abc为一棱镜的横截面,ab=ac;一平行于bc边的细光束从ab边射入棱镜,在bc边反射后从ac边射出,出射光分成了不同颜色的两束,甲光的出射点在乙光的下方[1],如图所示。不考虑多次反射,下列说法正确的是()A.甲光的波长比乙光的长B.甲光的频率比乙光的高C.在棱镜中的传播速度[2],甲光比乙光的大D.该棱镜对甲光的折射率大于对乙光的折射率【题眼破译】[1]乙光的折射角小,折射率大,频率高,波长短。[2]n=cv【解析】选A、C。根据折射定律和反射定律作出光路图如图所示,由图可知,乙光的折射角较小,根据折射定律可知乙光的折射率大,则乙光的频率大,根据c=fλ可知,乙光的波长短,A正确,B、D错误;根据v=cn[变式](1)若在真空中让两光通过同一双缝干涉装置,则两光的条纹间距如何?(2)若某单缝能使甲光发生明显衍射现象,则乙光是否也一定能发生明显衍射现象?【解析】(1)乙光波长小于甲光波长,在真空中让两光通过同一双缝干涉装置,根据Δx=ldλ(2)缝能使甲光产生明显衍射,说明缝宽度小于或接近甲光波长,但由于乙光波长小于甲光波长,所以缝宽度不一定小于或接近乙光波长,乙光不一定发生明显衍射。答案:见解析【加固训练】(多选)(2024·天津宁河区一模)“不经历风雨怎么见彩虹”,彩虹的产生原因是光的色散,如图所示为太阳光射到空气中的小水珠发生色散形成彩虹的光路示意图,a、b为两种折射出的单色光。以下说法正确的是()A.在水珠中a光的传播速度大于b光的传播速度B.如果b光能使某金属发生光电效应,则a光也一定能使该金属发生光电效应C.以相同角度斜射到同一玻璃板透过平行表面后,b光侧移量大D.b光比a光更容易发生明显衍射现象【解析】选A、C。根据光路图可知:太阳光进入水珠时b光的折射角小,b光的折射率大,根据v=cn可知折射率大的传播速度小,所以b光在水珠中的传播速度小于a光在水珠中的传播速度,故A正确;b光的折射率大,b光频率大,所以b光能使某金属发生光电效应,b光频率大于截止频率,但a光的频率不一定大于截止频率,故B错误;因为b光的折射率大,b光的折射角小,所以以相同角度斜射到同一玻璃板透过平行表面后,b光侧移量大,故C正确;根据c=fλ结合上述分析可知a光波长大,则a光比b【模型图解】分类情境图示情境解读光的折射现象和物理光学(1)a光的偏折程度较大