1、光学光学 专题六专题六 2021 内 容 索 引 02 03 体系构建体系构建 真题感悟真题感悟 高频考点高频考点 能力突破能力突破 01 价值引领价值引领 备考定向备考定向 价值引领价值引领 备考定向备考定向 核 心 要 求 核心 价值 本专题的知识是物理学的重要分支,光的折射、全反射、光的干 涉和光的偏振在生产生活中有重要应用。通过本专题的学习,能 使我们明白光学对科学技术和社会发展的重要意义 学科 素养 强化物质观念、相互作用观念、能量观念,提升科学思维素养中 的模型建构、科学推理、科学论证等方面的素养 关键 能力 模型建构能力、逻辑推理能力、分析综合能力、信息加工能力 等 必备 知识
2、折射定律、折射率、全反射、临界角、光的干涉、光的衍射、 光的色散、薄膜干涉、光的偏振、电磁振荡、电磁波谱等 试题情境 本专题高考中常考的情境有:结合“猫眼”“彩虹”“海市蜃楼”考查 光的折射,结合“增透膜”“全息照片”考查光的干涉,结合“光导纤 维”考查光的全反射,结合“立体电影”考查光的偏振等 考查方式 该专题的考查通常出现在选择题、实验题和简单的计算题中,突 出考查学生对基本概念的理解以及运用基本物理规律解决问题 的能力 考向预测 光的折射、折射率的计算是高考热点,预计新高考将以新情境考 查光的折射定律,同时兼顾光的干涉、衍射、电磁波谱、电磁波 等知识点 体系构建体系构建 真题感悟真题感悟
3、 【网络构建网络构建】 【高考真题高考真题】 1.(2020全国卷)如图所示,一折射率为 的材料制作的三棱镜,其横截面 为直角三角形ABC ,A=90,B=30。一束平行光平行于BC边从AB 边射入棱镜,不计光线在棱镜内的多次反射,求AC边与BC边上有光出射区 域的长度的比值。 3 答案 2 解析 本题以三棱镜为背景,意在考查光的折射定律、全反射等知识。 如图甲所示,设从D点入射的光线经折射后恰好射向C点,光在AB边上的入 射角为1,折射角为2,由折射定律有 sin 1=nsin 2 设从DB范围入射的光折射后在BC边上的入射角 为,由几何关系 =30+2 由式并代入题给数据得2=30 nsi
4、n 1 甲 所以,从DB范围入射的光折射后在BC边上发生全反射,反射光线垂直射到 AC边,AC边上全部有光射出。设从AD范围入射的光折射后在AC边上的入 射角为,如图乙所示。由几何关系 =90-2 由式和已知条件可知nsin 1 即从AD范围入射的光折射后在AC边上发生全反射,反射光线垂直射到BC 边上。设BC边上有光线射出的部分为CF,由几何关系得 lCF=lACsin 30 乙 AC 边与 BC 边上有光出射区域的长度的比值为 =2。 情境剖析 本题以三棱镜为素材创设学习探索类问题情境。 素养能力 本题考查光的折射和全反射知识,尤其注重利用数学知识处理 物理问题的能力,体现了核心素养中科学
5、论证能力,有利于培养考生的应用 与创新价值观。 2.(2019全国卷)如图,一艘帆船静止在湖面上,帆船的竖直桅杆顶端高出 水面3 m。距水面4 m的湖底P点发出的激光束,从水面出射后恰好照射到 桅杆顶端,该出射光束与竖直方向的夹角为53(取sin 53=0.8)。已知水 的折射率为 。 4 3 (1)求桅杆到P点的水平距离; (2)船向左行驶一段距离后停止,调整由P点发出的激光束方向,当其与竖直 方向夹角为45时,从水面射出后仍照射在桅杆顶端,求船行驶的距离。 答案 (1)7 m (2)5.5 m 解析 (1)设光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为x1,到P点的水平距离 为x2;桅杆高度为h1
6、,P点处水深为h2;激光束在水中与竖直方向的夹角为。 几何关系有 1 1=tan 53 2 2=tan 由折射定律有sin 53=nsin 设桅杆到P点的水平距离为x,则x=x1+x2 联立式并代入题给数据得x=7 m (2)设激光束在水中与竖直方向的夹角为45时,从水面出射的方向与竖直 方向夹角为i,由折射定律有sin i=nsin 45 设船向左行驶的距离为x,此时光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为 x1,到P点的水平距离为x2,则 x1+x2=x+x 1 1 =tan i 2 2 =tan 45 联立式并代入题给数据得 x=(6 2-3) m5.5 m 情境剖析 本题以激光束从水面出射
7、后照射到桅杆顶端为素材创设学习实 践类问题情境。 素养能力 本题突出了应用数学知识解决物理问题的能力,体现了核心素 养中模型建构、科学论证要素,有利于培养考生的应用与创新价值观。 3.(2020全国卷)直角棱镜的折射率n=1.5,其横截面如图所示,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。 (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 (1)会发生,理由见解析 (2)2 2- 3 4 解析 (1)如图所示,设光线在D点的入射角为i,折射角为r。
8、折射光线射到 BC边上的E点。设光线在E点的入射角为,由几何关系,有=90-(30- r)60 根据题给数据得 sin sin 60 1 即 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,光线的入射角为i,折射角为r,由几何 关系、反射定律及折射定律,有 i=30 i=90- sin i=nsin r nsin i=sin r 由几何关系,r即AC边射出的光线与最初的入射光线的夹角。 联立式并代入题给数据,得 sin r=2 2- 3 4 情境剖析 本题以光在直角棱镜中的传播为素材创设学习实践类问题情境。 素养能力 本题突出了应用数学知识处理物理问题的
9、能力,体现了核心素 养中模型建构、科学论证要素,有利于培 养考生的科学思维和科学态度与责任。 高频考点高频考点 能力突破能力突破 考点一考点一 光的折射和全反射光的折射和全反射 归纳总结 求解光的折射和全反射的思路 【典例1】(2020湖南联考)如图所示,平静湖面岸边的垂钓者,眼睛恰好位 于岸边P点正上方0.9 m的高度处,水面与P点等高,浮标Q离P点1.2 m远,鱼 饵灯M在浮标正前方1.8 m 处的水下,垂钓者发现鱼饵灯刚好被浮标挡住, 已知水的折射率n= ,求: (1)鱼饵灯离水面的深度; (2)若鱼饵灯缓慢竖直上浮,当它离水面多深时, 鱼饵灯发出的光恰好无法从水面PQ间射出。 4 3
10、答案 (1)2.4 m (2)1.6 m 解析 (1)设入射角、折射角分别为i、r,设鱼饵灯离水面的深度为h2。则有: sin i= 1 1 2+ 1 2 sin r= 2 2 2+ 2 2 根据光的折射定律可知:n= sin sin 联立并代入数据得 h2=2.4 m (2)当鱼饵灯离水面深度为h3时,水面PQ间恰好无光射出,此时鱼饵灯与浮标 的连线和竖直方向夹角恰好为临界角 C,则有:sin C=1 由 sin C= 2 2 2+32 得 h3=3 7 5 m1.60 m 解题指导 审题 读取题干 获取信息 垂钓者发现鱼饵灯刚好被浮标挡住 鱼饵灯射到浮标的入射光线,折射光线 沿人眼和浮标的
11、连线 鱼饵灯发出的光恰好无法从水面PQ间 射出 鱼饵灯射到Q点的光线恰好发生全反射 破题1.画出光路图是解题的关键,垂钓者发现鱼饵灯刚好被浮标挡住,说明 鱼饵灯射到浮标Q处的入射光经折射后如果没有浮标挡的话正好射入人 眼,因为射到Q点左边的光,入射角变大,折射角变大,射到人眼的下方,射到 Q点右边的光,入射角变小,折射角变小,射到人眼的上方,因此人看不到鱼 饵灯,先根据几何关系求出折射角,再由折射定律求出入射角,解三角形求 出鱼饵灯离水面的深度。 2.分析临界光线是解题的关键,要使鱼饵灯发出的光恰好无法从水面PQ间 射出,说明射到Q点的光线恰好发生全反射,Q点左侧的入射光线,入射角将 大于临界
12、角,故射到PQ间的入射光都发生全反射,根据临界角公式求出临 界角,由几何关系求出离水面的深度。 【类题演练类题演练】 1.(多选)(2020山东潍坊二模)如图所示,两单色光a、b分别沿半径方向由空 气射入半圆形玻璃砖,出射光合成一束复色光P,已知单色光a、b与法线间 的夹角分别为45和30,则a光与b光( ) A.在玻璃砖中的折射率之比为 1 B.在玻璃砖中的传播时间之比为1 C.在玻璃砖中的波长之比为 1 D.由该玻璃砖射向真空时临界角之比为 1 2 2 2 2 答案 BCD 解析 假设两单色光 a、b折射角为 ,则 a光折射率为 na= sin sin45 ,则 b光折射 率为 nb= s
13、in sin30 ,解得 nanb=sin 30 sin 45 =1 2,故 A错误;根据 v= ,t= = 由于路程和光速一样,可得 tatb=nanb=1 2,B正确;根据 v= ,= = 从一种介质进入另一种介质的波,频率不变,光速一样,可得 ab=nb na= 21,故 C正确;临界角公式 sin C=1 ,可得 sin Casin Cb=nbna = 21,故 D正确。 2.(2020山东日照二模)如图所示,一直角玻璃三棱镜置于真空中,已知 A=60,C=90。一束极细的光束于BC边上的D点以入射角i1=45 角入射,BD=a,CD=b,棱镜的折射率n= 2。求:光从进入棱镜到它第一
14、次射 入真空所经历的时间(设光在真空中传播的速度为c)。 答案 2(+ 2) 解析 如图所示设折射角为 r1,由折射定律 n=sin 1 sin 1 = 2 解得 r1=30 根据 sin C=1 可知临界角 C=45 由几何知识可知光线在 AB 边的入射角为 60 ,大于临界角,发生全反射,反射 后的光线与 BC 边平行,最终垂直于 AC 边射出,光在棱镜中的路程 s=b-asin 30 +a 光在棱镜中的速度 v= 光从进入棱镜到它第一次射入真空所经历的时间 t= 联立解得 t= 2(+ 2) 考点二考点二 电磁波和光的几种特有现象电磁波和光的几种特有现象 1.干涉与衍射的比较 (1)光的
15、干涉与衍射现象是光的波动性的表现,也是光具有波动性的证据。 两者的区别是,光的干涉现象只有在符合一定条件下才发生;而光的衍射现 象却总是存在的,只有明显与不明显之分。 (2)光的干涉现象和衍射现象在屏上出现的都是明暗相间的条纹,但双缝干 涉时条纹间隔均匀,从中央到两侧的明纹亮度不变化;而单缝衍射的条纹间 隔不均匀,中央明纹又宽又亮,从中央向两侧,条纹宽度减小,明纹亮度显著 减弱。 (3)光的干涉现象:薄膜干涉(油膜、空气膜、增透膜、牛顿环等);光的衍射 现象:单缝衍射、衍射光栅。 2.光的偏振 横波的振动矢量垂直于波的传播方向振动时,偏于某个特定方向的现象叫 偏振。纵波只能沿着波的传播方向振动
16、,所以不可能有偏振,光的偏振现象 证明光是横波。光的偏振现象在科技、生活中的应用有照相机镜头上的 偏振片、立体电影等。 3.电磁波 (2)麦克斯韦电磁理论的要点 恒定的磁场不产生电场 恒定的电场不产生磁场 均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的 电场 均匀变化的电场在周围空间产生恒定的 磁场 不均匀变化的磁场在周围空间产生变化 的电场 不均匀变化的电场在周围空间产生变化 的磁场 振荡磁场产生同频率的振荡电场 振荡电场产生同频率的振荡磁场 (1)电磁振荡的周期和频率:T=2 ,f= 1 2 。 (3)不同电磁波的频率或波长不同,表现出不同的特性,波长越长越容易产 生干涉、衍射现象,波长越短穿透能力越
17、强。 (4)同频率的电磁波,在不同介质中速度不同。不同频率的电磁波,在同一 种介质中传播时,频率越大折射率越大,速度越小。 (5)用途不同:无线电波用于通信和广播,红外线用于加热和遥感技术,紫外 线用于杀菌消毒,X射线应用于医学上的X光照片,射线检查金属部件的缺 陷等。 【典例2】(多选)(2020山东滨州高三模拟) 如图所示,在观察薄膜干涉现象时,把铁丝圈P在肥皂 水中蘸一下,让它挂上一层薄薄的液膜,在酒精灯火焰 上撒食盐,用肥皂液膜观察灯焰S的像,下列说法正确的 是( ) A.在酒精灯上撒一些食盐,目的是为了灯焰能发出的光更亮 B.实验时应观察液膜反射酒精灯的光,使我们看到灯焰的像 C.实
18、验时应在另一侧透过液膜观察火焰,来观察薄膜干涉现象 D.用不同波长的光做这个实验,条纹的间距是不一样的 答案 BD 解析 在酒精灯的灯芯上撒一些食盐,灯焰就能发出黄光,所以目的是为了 灯焰能发出黄光,故A错误;在酒精灯的火焰上撒上一些食盐,用酒精灯的黄 光照射竖直放置的液膜,液膜反射的光使我们看到灯焰的像,故B正确;当黄 色的光线照射到肥皂膜上时,从肥皂膜的前后两个表面分别反射两列光,这 两列光的频率相同,产生干涉现象,所以实验时应在酒精灯一侧来观察薄膜 干涉现象,故C错误;发生薄膜干涉时,相邻两条亮条纹(或暗条纹)的间距与 入射光在膜中的波长有关,所以用不同波长的光做这个实验,条纹的间距是
19、不一样的,故D正确。 【类题演练类题演练】 3.(多选)红外测温枪与传统的热传导测温仪器相比,具有响应时间短、测 温效率高、操作方便、防交叉感染(不用接触被测物体)的特点。下列关 于红外测温枪的说法中正确的是( ) A.红外测温枪工作原理和水银体温计测量原理一样都是利用热胀冷缩原 理 B.红外测温枪能接收到的是身体的热量通过热传导到达红外测温枪进而 显示出体温 C.红外测温枪利用了一切物体都在不停地发射红外线,而且发射红外线强 度与温度有关,温度越高发射红外线强度就越大 D.红外线也属于电磁波,其波长大于紫外线的波长 答案 AC 解析 光纤通信是利用全反射来传递光信号的,A正确;雨后天空中出现
20、的 彩虹,是天空中的小水滴对阳光的色散形成的,B错误;单色光通过双缝后, 在屏上形成等间距的明暗相间条纹是光的干涉现象,C正确;单色光照射不 透明的小圆板,在板后方的屏上出现亮斑,这是光的衍射现象,D错误。 4.(2020北京顺义二模)红外测温枪与传统的热传导测温仪器相比,具有响 应时间短、测温效率高、操作方便、防交叉感染(不用接触被测物体)的 特点。下列关于红外测温枪的说法中正确的是( ) A.红外测温枪工作原理和水银体温计测量原理一样都是利用热胀冷缩原 理 B.红外测温枪能接收到的是身体的热量通过热传导到达红外测温枪进而 显示出体温 C.红外测温枪利用了一切物体都在不停地发射红外线,而且发
21、射红外线强 度与温度有关,温度越高发射红外线强度就越大 D.红外线也属于电磁波,其波长小于紫外线的波长 答案 C 解析 红外测温枪工作原理是一切物体都在不停地发射红外线,而且发射 红外线强度与温度有关,温度越高发射红外线强度就越大,所以测量红外线 的强度就可以知道物体的表面温度;而水银体温计测量原理是利用液体的 热胀冷缩原理,温度升高,液体的体积膨胀,温度降低时,液体的体积减小,A 错误,C正确;红外测温枪能接收到的是身体的热量,通过辐射的方式到达红 外测温枪进而显示出体温的,而不是通过热传导,空气是热的不良导体,B错 误;红外线也属于电磁波,它的波长比红光还要长,而红光的波长比紫光还 长,故红外线的波长要大于紫外线的波长,D错误。
