专题16 光学-【上好课】2025年高考物理一轮复习知识清单

专题16 光学 常考考点 真题举例 折射和全反射的综合问题 2024·广东·高考真题 光的折射定律、折射率 2024·贵州·高考真题 光的折射定律、折射率 2024·重庆·高考真题 干涉条纹间距与波长的关系 2024·浙江·高考真题 掌握光的折射定律和折射率，并会计算相应的习题； 掌握光的全反射现象及其产生的条件，并会用进行相关计算，了解光纤的工作原理； 掌握光的干涉、衍射和偏振现象和对应的产生条件； 会根据干涉条纹进行简单的计算。 核心考点01光的反射和折射 一、光的反射 3 二、光的折射 3 三、折射率 3 核心考点02 全反射 5 一、光密介质和光疏介质 5 二、全反射 5 三、三种光学模型的光路特点 6 四、光的折射和全反射问题的解题要点 7 五、光的色散 8 核心考点03光的干涉、衍射和偏振 8 一、光的干涉 9 二、光的衍射 11 三、光的偏振 13 核心考点01 光的反射和折射 一、光的反射 1、定义 光从第1种介质射到它与第2种介质的 时，一部分光会 到第1种介质的现象。 分子的质量：数量级为10-26 kg。 2、反射定律 反射光线与 光线、 处在同一平面内，反射光线与入射光线分别位于法线的 。 反射角 入射角。 【注意】对于每一条入射光线，反射光线是唯一的，在反射现象中光路是可逆的。 3、图像 二、光的折射 1、定义 光由一种介质射入另一种介质时，在两种介质的界面上将发生光的传播方向 的现象叫光的折射。 2、折射定律 折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比。 表达式：＝n12，式中n12是比例常数。 3、光路可逆性 在光的反射和折射现象中，光路都是可逆的。如果让光线逆着出射光线射到界面上，光线就会 原来的入射光线出射。 4、图像 三、折射率 1、定义 光从真空射入某种介质发生折射时，入射角的 与折射角的 之比，叫这种介质的折射率。 2、定义式 n＝。折射率 ，光从真空射入到该介质时偏折 。 3、意义 反映介质的光学性质的物理量。 4、折射率的理解 某种介质的折射率，等于光在真空中的传播速度c跟光在这种介质中的传播速度v之比，即，因，所以任何介质的折射率n都大于1。两种介质相比较，n较大的介质称为光密介质，n较小的介质称为光疏介质。在光密介质中，光的折射率相对较大，光速相对较小。 折射率的大小不仅反映了介质对光的折射本领，也反映了光在介质中传播速度的大小。 折射率的大小不仅与介质本身有关，还与光的频率有关：同一种介质中，频率越大的光折射率越大，传播速度越小；同一种光，在不同介质中虽然波速、波长不同，但频率相同。 折射率由介质本身性质决定，与入射角的大小无关。 折射率与介质的密度没有关系，光密介质不是指密度大的介质。 同一种介质中，频率越大的色光折射率越大，传播速度越小。 5、解题思路 根据入射角、折射角及反射角之间的关系，做出比较完整的光路图。 充分利用光路图中的几何关系，确定各角之间的联系，根据折射定律求解相关的物理量：折射角、折射率等。 注意在折射现象中，光路是可逆的。 如图所示为一斜边镀银的等腰直角棱镜的截面图．一细黄光束从直角边AB以角度θ入射，依次经AC和BC两次反射，从直角边AC出射．出射光线相对于入射光线偏转了α角，则α(　　) A．等于90° B．大于90° C．小于90° D．与棱镜的折射率有关 核心考点02 全反射 一、光密介质和光疏介质 1、介质 光密介质：折射率 的介质。 光疏介质：折射率 的介质。 2、传播速度 光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中的传播速度小。 3、折射特点 光从光疏介质射入光密介质时，折射角小于入射角，光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角。 二、全反射 1、定义 光从光密介质射入光疏介质时，若入射角增大到 ，折射光线就会 ，只剩下反射光线的现象。 2、条件 光从光密介质射入光疏介质。 入射角大于或等于临界角。 3、临界角 定义：折射角等于90°时的入射角。用字母C表示。 临界角与折射率的关系：光由介质射入空气(或真空)时，sin C＝。 4、应用 全反射棱镜：横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。 作用：用来改变光的方向，几种全反射方式如下表所示。 入射方式 项目 方式一 方式二 方式三 光路图 入射面 AB AC AB 全反射面 AC AB、BC AC 光线方向改变角度 90° 180° 0°(发生侧移) 光导纤维的传播原理：光由一端进入，在两层的界面上经过多次全反射，从另一端射出，如下图所示。光导纤维可以远距离传播光，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像。如果把许多(上万根)光导纤维合成一束，并使两端的纤维按严格相同的次序排列，就可以传播图像。 光导纤维折射率的计算：设光导纤维的折射率为n，当入射角为θ1时，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图所示，则有sin C＝，n＝，C＋θ2＝90°，由以上各式可得sin θ1＝。当θ1增大时，θ2增大，而从纤维射向真空中光线的入射角θ减小，当θ1＝90°时，若θ＝C，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即解得n＝，以上是光从纤维射向真空时得到的折射率，由于光导纤维包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此光导纤维折射率要比大些。 三、三种光学模型的光路特点 1、平行玻璃砖 结构：玻璃砖上下表面是平行的。 光路图的特点为通过平行玻璃砖的光线不改变传播方向，但要发生侧移，如下图所示。 应用：测定玻璃的折射率。 2、三棱镜 结构：横截面为三角形的三棱镜。 光路图的特点为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，如下图所示。 应用：全反射棱镜，改变光的传播方向。 3、圆柱体(球) 结构：横截面是圆。 光路图的特点为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，如下图所示。 应用：改变光的传播方向。 柱状光学器件横截面如图所示，OP右侧是以O为圆心、半径为R的圆，左侧是直角梯形，AP长为R，AC与CO夹角45°，AC中点为B.a、b两种频率的细激光束，垂直AB面入射，器件介质对a、b光的折射率分别为1.42、1.40.保持光的入射方向不变，入射点从A向B移动过程中，能在PM面全反射后，从OM面出射的光是(不考虑三次反射以后的光)(　　) A．仅有a光 B．仅有b光 C．a、b光都可以 D．a、b光都不可以 四、光的折射和全反射问题的解题要点 1、两个技巧 解答全反射类问题时，要抓住发生全反射的两个条件：①光必须从光密介质射入光疏介质；②入射角大于或等于临界角。 利用好光路图中的临界光线，准确地判断出恰好发生全反射的光路图是解题的关键，且在作光路图时尽量与实际相符。 2、4个注意点 光的反射、折射和全反射现象，光路均是可逆的。 如果光线从光疏介质进入光密介质，则无论入射角多大，都不会发生全反射现象。 明确哪种是光密介质、哪种是光疏介质。同一种介质，相对于其他不同的介质，可能是光密介质，也可能是光疏介质。 明确哪种是光密介质、哪种是光疏介质。同一种介质，相对于其他不同的介质，可能是光密介质，也可能是光疏介质。 近日，工信部披露的最新数据显示，2023年我国光缆线路建设取得显著成果，新建光缆线路长度达473.8万公里，使得全国光缆线路总长度一举突破6432万公里。光缆线路主要用于光信息传输，在铺设的过程中，尽量不要弯曲。如图所示，一段折射率为n、横截面是圆面的光导纤维，截面半径为r，在铺设的过程中弯曲成了一段圆弧，圆弧的圆心到光导纤维的中心轴线的距离为R，光导纤维外部可认为是真空区域。现有一束光垂直于光导纤维左端截面射入，为了保证这束光经反射后均能从右端面射出，则光导纤维的折射率n至少为（    ） A． B． C． D． 五、光的色散 1、定义 白光通过三棱镜后，出射光束变为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种色光的光束，这种现象叫做光的色散。 2、成因 棱镜材料对不同色光的折射率不同，对红光的折射率最小，红光通过棱镜后的偏折程度最小，对紫光的折射率最大，紫光通过棱镜后的偏折程度最大，从而产生色散现象。 3、七色光的比较 颜色 红橙黄绿青蓝紫 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 同一介质中的临界角 大→小 同一装置的双缝干涉条纹间距 大→小 核心考点03 光的干涉、衍射和偏振 一、光的干涉 1、定义 在两列光波叠加的区域，某些区域相互加强，出现 条纹，某些区域相互减弱，出现 条纹，且加强区域和减弱区域相互 的现象。 2、杨氏双缝干涉实验 装置示意图如下图所示，有光源、单缝、双缝和光屏。 单缝的作用：获得一个线光源，使光源有唯一的频率和振动情况，也可用激光直接照射双缝。 双缝的作用：将一束光分成两束频率相同且振动情况完全一致的相干光。 3、条件 两束光的频率 、相位差 、振动方向 。 4、图样特点 若用单色光作光源，干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹；若用白光作光源，干涉条纹是彩色条纹，且中央条纹是白色的。 5、获得相干光源的方法 利用激光（因为激光发出的是单色性极好的光）。 设法将同一束光分为两束（这样两束光都来源于同一个光源，因此频率必然相等）。 获得相干光源分别有双缝、楔形薄膜、空气膜、平面镜等，示意图如下所示。 S S’ S 6、亮暗纹的计算 如下图所示，设屏上的一点P到双缝的距离分别为r1和r2，路程差Δr＝r2－r1。 条纹间距：为Δr=，若满足路程差为波长的整数倍，即Δr＝kλ (其中k＝0,1,2,3，…)，则出现亮条纹；若满足路程差为半波长的奇数倍，即Δr＝λ(其中k＝0,1,2,3，…)，则出现暗条纹。 亮条纹的产生条件：屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍，即|PS1－PS2|＝kλ＝2k·(k＝0,1,2,3，…)。 【注意】k＝0时，PS1＝PS2，此时P点位于屏上的O处，为亮条纹，此处的条纹叫中央亮条纹或零级亮条纹。 暗条纹的产生条件：屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是半波长的奇数倍，即|PS1－PS2|＝(2k－1)·(k＝1,2,3，…)。k为暗条纹的级次，从第1级暗条纹开始向两侧展开。 【注意】双缝干涉实验中，屏幕上相邻亮条纹和相邻暗条纹是等间距的，这个间距与光的波长、屏幕到双缝的距离和双缝的间距有关。波长越长，屏幕到双缝的距离越大，双缝的间距越小，干涉条纹的间距越宽。 7、亮暗纹的时间关系 亮条纹：Δt＝nT(n＝0,1,2,3，…)；暗条纹：Δt＝(2n＋1)·(n＝0,1,2,3，…)．式中Δt表示两列光波到同一点的时间差。T＝为光波的周期。 8、对双缝干涉的理解 在单色光的干涉条纹中，两相邻明纹或暗纹间的距离是相等的，不同色光的条纹间距不相等。 双缝干涉的条件是必须有相干光源，且双缝间的间距必须很小。 光源不同部位发出的光不一定具有相同的频率和恒定的相位差，所以一般情况很难观察到光的干涉现象，杨氏双缝干涉实验采用将一束光“一分为二”的方法获得相干光源。 9、薄膜干涉 形成原理：竖直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形。光照射到薄膜上时，在膜的前表面AA′和后表面BB′分别反射回来，形成两列频率相同的光波，并且叠加，如下图所示。 条纹的判断：在P1、P2处，两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr等于波长的整数倍，即Δr＝nλ(n＝1,2,3，…)，薄膜上出现亮条纹；在Q处，两列反射回来的光波的路程差Δr等于半波长的奇数倍，即Δr＝(2n＋1)(n＝0,1,2,3，…)，薄膜上出现暗条纹。 10、平面平整度的检查方法 如下图所示，两板之间形成一层空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等间距的。 如果被测表面某处凹下，则对应亮条纹(或暗条纹)往左凸出，如下图中P条纹所示；如果某处凸起来，则对应条纹往右凹下，如下图中Q所示。 11、增透膜 原理：如下图所示，在增透膜的前后表面反射的两列光波形成相干波，相互叠加，当路程差为半波长的奇数倍时，在两个表面反射的光反向，相互抵消，从而使反射的两列光波产生相消干涉，反射光的能量几乎等于零。一般取最小厚度d满足2d＝(此波长为光在该种介质中的波长)，由于白光中含有多种波长的光，所以增透膜只能使其中一定波长的光相互抵消。 如图用频率为f的单色光，垂直照射双缝，在光屏上O是中央亮条纹，P点是O上方第二条亮条纹中心，已知双缝间距为d，双缝到光屏的距离为L，光速为c，下列说法正确的是（　　）    A．该单色光的波长 B． C．OP之间的距离为 D．若换用频率更大的单色光照射双缝，O点上方第二条亮条纹中心在P点上方 二、光的衍射 1、定义 光通过很小的狭缝(或圆孔)时，明显地偏离了直线传播的方向，在屏上应该出现阴影的区域出现 条纹或亮斑，应该属于亮区的地方也会出现 条纹或暗斑的现象。 2、条件 只有当障碍物的尺寸与光的波长相差不多，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象才会明显。 3、图样特点 衍射时产生的明暗条纹或光环。 4、分类 单缝衍射：单色光通过狭缝时，在屏幕上出现明暗相间的条纹，中央为亮条纹，中央条纹最宽最亮，其余条纹变窄变暗；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白条纹。 特点：①中央条纹最亮、越向两边越暗，条纹间距不等。越靠外，条纹间距越小；②缝变窄通过的光变少，而光分布的范围更宽，所以亮纹的亮度降低；③中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单缝宽度有关。入射光波长越大，单缝越窄，中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大；④用白光做单缝衍射时，中央亮条纹是白色的，两边是彩色条纹，中央亮条纹仍然最宽最亮。 圆孔衍射：光通过小孔时(孔很小)在屏幕上会出现明暗相间的圆环。 特点：①中央是大且亮的圆形亮斑，周围分布着明暗相间的同心圆环，且越靠外，圆形亮条纹的亮度越弱，宽度越小；②圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱。用不同色光照射圆孔时，得到的衍射图样的大小和位置不同，波长越大，中央圆形亮斑的直径越大；③白光的圆孔衍射图样中，中央是大且亮的白色光斑，周围是彩色同心圆环；④只有圆孔足够小时才能得到明显的衍射图样，在圆孔由较大直径逐渐减小的过程中，光屏依次得到几种不同的现象——圆形亮斑(光的直线传播)、光源的像(小孔成像)、明暗相间的圆环(衍射图样)、完全黑暗。 泊松亮斑：障碍物的衍射现象。在单色光传播途中，放一个较小的圆形障碍物，会发现在阴影中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑。 特点：①中央是亮斑；②泊松亮斑图样的亮环或暗环的距离随着圆板半径的增大而减小，而且背景是明亮的。 衍射光栅（结构由许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学仪器）：衍射图样特点与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加。 特点：与单缝衍射相比，条纹的宽度变窄，亮度增加。 5、单缝衍射与双缝干涉的比较 类型 单缝衍射 双缝干涉 不同点 产生条件 只要狭缝足够窄，任何光都能发生 频率相同的两列光波相遇叠加 条纹宽度 条纹宽度不等，中央最宽 条纹宽度相等 条纹间距 各相邻条纹间距不等 各相邻条纹等间距 亮度 中央条纹最亮，两边最暗 条纹清晰，亮度基本相等 相同点 成因 都有明暗相间的条纹，条纹都是光波叠加时加强或削弱的结果 意义 都是波特有的现象，表明光是一种波 【注意】光波的波长变大，衍射条纹、干涉条纹的宽度都变大；单缝衍射可以理解为若干个光源的干涉，从而理解条纹相间排列；复色光的衍射或干涉图样，可认为是各单色光单独衍射或干涉所成图样的叠加。 某同学用红光做实验，拍摄到屏上亮条纹的照片如图甲、乙所示，则该同学做的是（    ）    A．单缝衍射实验，甲图中单缝的宽度小 B．单缝衍射实验，乙图中单缝的宽度小 C．用和甲图相同装置做实验，仅将红光改为绿光，中央亮纹宽度更大 D．用和甲图相同装置做实验，仅将红光改为白光，屏上出现黑白相间条纹 三、光的偏振 1、偏振 光波只沿某一特定的 振动。 2、自然光 由太阳、电灯等普通光源发出的光，它包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这样的光叫做自然光。 3、偏振光 在 于光的传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向 的光。 光的偏振证明光是横波。 4、偏振光的获得 ①自然光垂直透过偏振片后就得到了偏振光。 ②自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面的反射光和折射光（入射角变化时偏振的程度也有所变化）就是偏振光。 5、自然光与偏振光的比较 光 自然光 偏振光 振动方向 自然光在垂直于光的传播方向的平面内，沿所有方向振动 偏振光在垂直于光的传播方向的平面内，沿某一特定的方向振动 经过偏振片的现象 自然光通过偏振片后变成偏振光，后面的屏是明亮的，转动偏振片时，偏振光的振动方向随之变化，但屏上亮度不变。如下图所示。 偏振光经过偏振片时，若光的振动方向与偏振片的透振方向平行，屏是亮的；若光的振动方向与偏振片的透振方向垂直，屏是暗的；若既不平行也不垂直，屏的亮度介于两者之间，随着振动方向与透振方向的夹角变大，亮度逐渐变暗。如下图所示。 产生方式 太阳、电灯等直接发出的光是自然光。 自然光经偏振片后都是偏振光，自然光射到两种介质的交界面上，使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直。 6、激光 产生：激光是原子受激发辐射产生的光，发光的方向、频率、偏振方向均相同，两列相同激光相遇可以发生干涉。 特点：①单色性好，频率单一，相干性好；②具有极好的平行性，几乎是一束方向不变、发散角很小的平行光；③亮度高，激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。 应用：光纤通信；激光测距；激光武器等。 如图所示，电灯 S发出的光先后经过偏振片 A和 B，人眼在 P处迎着入射光方向，看不到光亮，则（　　）    A．图中 a光为自然光 B．图中 b光为偏振光 C．以 SP为轴将 B转过 90°后，在 P处将看不到光亮 D．以 SP为轴将 B转过 180°后，在 P处将看到光亮 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$ 专题16 光学 常考考点 真题举例 折射和全反射的综合问题 2024·广东·高考真题 光的折射定律、折射率 2024·贵州·高考真题 光的折射定律、折射率 2024·重庆·高考真题 干涉条纹间距与波长的关系 2024·浙江·高考真题 掌握光的折射定律和折射率，并会计算相应的习题； 掌握光的全反射现象及其产生的条件，并会用进行相关计算，了解光纤的工作原理； 掌握光的干涉、衍射和偏振现象和对应的产生条件； 会根据干涉条纹进行简单的计算。 核心考点01光的反射和折射 一、光的反射 3 二、光的折射 3 三、折射率 3 核心考点02 全反射 5 一、光密介质和光疏介质 5 二、全反射 5 三、三种光学模型的光路特点 6 四、光的折射和全反射问题的解题要点 8 五、光的色散 9 核心考点03光的干涉、衍射和偏振 10 一、光的干涉 10 二、光的衍射 13 三、光的偏振 15 核心考点01 光的反射和折射 一、光的反射 1、定义 光从第1种介质射到它与第2种介质的分界面时，一部分光会返回到第1种介质的现象。 分子的质量：数量级为10-26 kg。 2、反射定律 反射光线与入射光线、法线处在同一平面内，反射光线与入射光线分别位于法线的两侧。 反射角等于入射角。 【注意】对于每一条入射光线，反射光线是唯一的，在反射现象中光路是可逆的。 3、图像 二、光的折射 1、定义 光由一种介质射入另一种介质时，在两种介质的界面上将发生光的传播方向改变的现象叫光的折射。 2、折射定律 折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比。 表达式：＝n12，式中n12是比例常数。 3、光路可逆性 在光的反射和折射现象中，光路都是可逆的。如果让光线逆着出射光线射到界面上，光线就会逆着原来的入射光线出射。 4、图像 三、折射率 1、定义 光从真空射入某种介质发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，叫这种介质的折射率。 2、定义式 n＝。折射率越大，光从真空射入到该介质时偏折越大。 3、意义 反映介质的光学性质的物理量。 4、折射率的理解 某种介质的折射率，等于光在真空中的传播速度c跟光在这种介质中的传播速度v之比，即，因，所以任何介质的折射率n都大于1。两种介质相比较，n较大的介质称为光密介质，n较小的介质称为光疏介质。在光密介质中，光的折射率相对较大，光速相对较小。 折射率的大小不仅反映了介质对光的折射本领，也反映了光在介质中传播速度的大小。 折射率的大小不仅与介质本身有关，还与光的频率有关：同一种介质中，频率越大的光折射率越大，传播速度越小；同一种光，在不同介质中虽然波速、波长不同，但频率相同。 折射率由介质本身性质决定，与入射角的大小无关。 折射率与介质的密度没有关系，光密介质不是指密度大的介质。 同一种介质中，频率越大的色光折射率越大，传播速度越小。 5、解题思路 根据入射角、折射角及反射角之间的关系，做出比较完整的光路图。 充分利用光路图中的几何关系，确定各角之间的联系，根据折射定律求解相关的物理量：折射角、折射率等。 注意在折射现象中，光路是可逆的。 如图所示为一斜边镀银的等腰直角棱镜的截面图．一细黄光束从直角边AB以角度θ入射，依次经AC和BC两次反射，从直角边AC出射．出射光线相对于入射光线偏转了α角，则α(　　) A．等于90° B．大于90° C．小于90° D．与棱镜的折射率有关 【答案】A 【解析】如图所示 设光线在边的折射角为，根据折射定律可得，设光线在边的入射角为，光线在边的入射角为，折射角为；由反射定律和几何知识可知，，联立解得，根据折射定律可得，可得，过点做出射光的平行线，则该平行线与的夹角为，由几何知识可知，入射光与出射光的夹角为。故选A。 核心考点02 全反射 一、光密介质和光疏介质 1、介质 光密介质：折射率较大的介质。 光疏介质：折射率较小的介质。 2、传播速度 光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中的传播速度小。 3、折射特点 光从光疏介质射入光密介质时，折射角小于入射角，光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角。 二、全反射 1、定义 光从光密介质射入光疏介质时，若入射角增大到某一角度，折射光线就会消失，只剩下反射光线的现象。 2、条件 光从光密介质射入光疏介质。 入射角大于或等于临界角。 3、临界角 定义：折射角等于90°时的入射角。用字母C表示。 临界角与折射率的关系：光由介质射入空气(或真空)时，sin C＝。 4、应用 全反射棱镜：横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。 作用：用来改变光的方向，几种全反射方式如下表所示。 入射方式 项目 方式一 方式二 方式三 光路图 入射面 AB AC AB 全反射面 AC AB、BC AC 光线方向改变角度 90° 180° 0°(发生侧移) 光导纤维的传播原理：光由一端进入，在两层的界面上经过多次全反射，从另一端射出，如下图所示。光导纤维可以远距离传播光，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像。如果把许多(上万根)光导纤维合成一束，并使两端的纤维按严格相同的次序排列，就可以传播图像。 光导纤维折射率的计算：设光导纤维的折射率为n，当入射角为θ1时，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图所示，则有sin C＝，n＝，C＋θ2＝90°，由以上各式可得sin θ1＝。当θ1增大时，θ2增大，而从纤维射向真空中光线的入射角θ减小，当θ1＝90°时，若θ＝C，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即解得n＝，以上是光从纤维射向真空时得到的折射率，由于光导纤维包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此光导纤维折射率要比大些。 三、三种光学模型的光路特点 1、平行玻璃砖 结构：玻璃砖上下表面是平行的。 光路图的特点为通过平行玻璃砖的光线不改变传播方向，但要发生侧移，如下图所示。 应用：测定玻璃的折射率。 2、三棱镜 结构：横截面为三角形的三棱镜。 光路图的特点为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，如下图所示。 应用：全反射棱镜，改变光的传播方向。 3、圆柱体(球) 结构：横截面是圆。 光路图的特点为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，如下图所示。 应用：改变光的传播方向。 柱状光学器件横截面如图所示，OP右侧是以O为圆心、半径为R的圆，左侧是直角梯形，AP长为R，AC与CO夹角45°，AC中点为B.a、b两种频率的细激光束，垂直AB面入射，器件介质对a、b光的折射率分别为1.42、1.40.保持光的入射方向不变，入射点从A向B移动过程中，能在PM面全反射后，从OM面出射的光是(不考虑三次反射以后的光)(　　) A．仅有a光 B．仅有b光 C．a、b光都可以 D．a、b光都不可以 【答案】A 【解析】当两种频率的细激光束从A点垂直于AB面入射时，由几何知识可知，激光沿直线传播到O点，经第一次反射沿半径方向直线传播出去，如图甲， 保持光的入射方向不变，入射点从A向B移动过程中，如图乙，可知激光沿直线传播到CO面经反射，射向PM面，入射点从A向B移动过程中，光线传播到PM面的入射角逐渐增大。 当入射点为B点时，如图丙所示，根据光的反射定律及几何关系可知，光线传播到PM面的P点，此时光线在PM面上的入射角最大，设为α，由几何关系得α＝45°， 根据全反射临界角公式得sin Ca＝＝<，sin Cb＝＝>，两种频率的细激光束的全反射的临界角关系为Ca<45°<Cb，故在入射光从A向B移动过程中，a光能在PM面全反射后，从OM面射出，b光不能在PM面发生全反射，故A正确，B、C、D错误。 四、光的折射和全反射问题的解题要点 1、两个技巧 解答全反射类问题时，要抓住发生全反射的两个条件：①光必须从光密介质射入光疏介质；②入射角大于或等于临界角。 利用好光路图中的临界光线，准确地判断出恰好发生全反射的光路图是解题的关键，且在作光路图时尽量与实际相符。 2、4个注意点 光的反射、折射和全反射现象，光路均是可逆的。 如果光线从光疏介质进入光密介质，则无论入射角多大，都不会发生全反射现象。 明确哪种是光密介质、哪种是光疏介质。同一种介质，相对于其他不同的介质，可能是光密介质，也可能是光疏介质。 明确哪种是光密介质、哪种是光疏介质。同一种介质，相对于其他不同的介质，可能是光密介质，也可能是光疏介质。 近日，工信部披露的最新数据显示，2023年我国光缆线路建设取得显著成果，新建光缆线路长度达473.8万公里，使得全国光缆线路总长度一举突破6432万公里。光缆线路主要用于光信息传输，在铺设的过程中，尽量不要弯曲。如图所示，一段折射率为n、横截面是圆面的光导纤维，截面半径为r，在铺设的过程中弯曲成了一段圆弧，圆弧的圆心到光导纤维的中心轴线的距离为R，光导纤维外部可认为是真空区域。现有一束光垂直于光导纤维左端截面射入，为了保证这束光经反射后均能从右端面射出，则光导纤维的折射率n至少为（    ） A． B． C． D． 【答案】B 【详解】如图所示 最下端入射的光在界面的入射角最小，故临界状态为最下端入射的光恰好不发生全反射，根据全反射的公式，由几何关系，可得，故选B。 五、光的色散 1、定义 白光通过三棱镜后，出射光束变为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种色光的光束，这种现象叫做光的色散。 2、成因 棱镜材料对不同色光的折射率不同，对红光的折射率最小，红光通过棱镜后的偏折程度最小，对紫光的折射率最大，紫光通过棱镜后的偏折程度最大，从而产生色散现象。 3、七色光的比较 颜色 红橙黄绿青蓝紫 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 同一介质中的临界角 大→小 同一装置的双缝干涉条纹间距 大→小 核心考点03 光的干涉、衍射和偏振 一、光的干涉 1、定义 在两列光波叠加的区域，某些区域相互加强，出现亮条纹，某些区域相互减弱，出现暗条纹，且加强区域和减弱区域相互间隔的现象。 2、杨氏双缝干涉实验 装置示意图如下图所示，有光源、单缝、双缝和光屏。 单缝的作用：获得一个线光源，使光源有唯一的频率和振动情况，也可用激光直接照射双缝。 双缝的作用：将一束光分成两束频率相同且振动情况完全一致的相干光。 3、条件 两束光的频率相同、相位差恒定、振动方向相同。 4、图样特点 若用单色光作光源，干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹；若用白光作光源，干涉条纹是彩色条纹，且中央条纹是白色的。 5、获得相干光源的方法 利用激光（因为激光发出的是单色性极好的光）。 设法将同一束光分为两束（这样两束光都来源于同一个光源，因此频率必然相等）。 获得相干光源分别有双缝、楔形薄膜、空气膜、平面镜等，示意图如下所示。 S S’ S 6、亮暗纹的计算 如下图所示，设屏上的一点P到双缝的距离分别为r1和r2，路程差Δr＝r2－r1。 条纹间距：为Δr=，若满足路程差为波长的整数倍，即Δr＝kλ (其中k＝0,1,2,3，…)，则出现亮条纹；若满足路程差为半波长的奇数倍，即Δr＝λ(其中k＝0,1,2,3，…)，则出现暗条纹。 亮条纹的产生条件：屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍，即|PS1－PS2|＝kλ＝2k·(k＝0,1,2,3，…)。 【注意】k＝0时，PS1＝PS2，此时P点位于屏上的O处，为亮条纹，此处的条纹叫中央亮条纹或零级亮条纹。 暗条纹的产生条件：屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是半波长的奇数倍，即|PS1－PS2|＝(2k－1)·(k＝1,2,3，…)。k为暗条纹的级次，从第1级暗条纹开始向两侧展开。 【注意】双缝干涉实验中，屏幕上相邻亮条纹和相邻暗条纹是等间距的，这个间距与光的波长、屏幕到双缝的距离和双缝的间距有关。波长越长，屏幕到双缝的距离越大，双缝的间距越小，干涉条纹的间距越宽。 7、亮暗纹的时间关系 亮条纹：Δt＝nT(n＝0,1,2,3，…)；暗条纹：Δt＝(2n＋1)·(n＝0,1,2,3，…)．式中Δt表示两列光波到同一点的时间差。T＝为光波的周期。 8、对双缝干涉的理解 在单色光的干涉条纹中，两相邻明纹或暗纹间的距离是相等的，不同色光的条纹间距不相等。 双缝干涉的条件是必须有相干光源，且双缝间的间距必须很小。 光源不同部位发出的光不一定具有相同的频率和恒定的相位差，所以一般情况很难观察到光的干涉现象，杨氏双缝干涉实验采用将一束光“一分为二”的方法获得相干光源。 9、薄膜干涉 形成原理：竖直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形。光照射到薄膜上时，在膜的前表面AA′和后表面BB′分别反射回来，形成两列频率相同的光波，并且叠加，如下图所示。 条纹的判断：在P1、P2处，两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr等于波长的整数倍，即Δr＝nλ(n＝1,2,3，…)，薄膜上出现亮条纹；在Q处，两列反射回来的光波的路程差Δr等于半波长的奇数倍，即Δr＝(2n＋1)(n＝0,1,2,3，…)，薄膜上出现暗条纹。 10、平面平整度的检查方法 如下图所示，两板之间形成一层空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等间距的。 如果被测表面某处凹下，则对应亮条纹(或暗条纹)往左凸出，如下图中P条纹所示；如果某处凸起来，则对应条纹往右凹下，如下图中Q所示。 11、增透膜 原理：如下图所示，在增透膜的前后表面反射的两列光波形成相干波，相互叠加，当路程差为半波长的奇数倍时，在两个表面反射的光反向，相互抵消，从而使反射的两列光波产生相消干涉，反射光的能量几乎等于零。一般取最小厚度d满足2d＝(此波长为光在该种介质中的波长)，由于白光中含有多种波长的光，所以增透膜只能使其中一定波长的光相互抵消。 如图用频率为f的单色光，垂直照射双缝，在光屏上O是中央亮条纹，P点是O上方第二条亮条纹中心，已知双缝间距为d，双缝到光屏的距离为L，光速为c，下列说法正确的是（　　）    A．该单色光的波长 B． C．OP之间的距离为 D．若换用频率更大的单色光照射双缝，O点上方第二条亮条纹中心在P点上方 【答案】C 【详解】A．根据波速、波长关系；故A错误； B．P点是O点上方第二条亮条纹中心故B错误； C．双缝干涉两条相邻亮条纹中心间距，OP之间的距离为故C正确； D．若换用频率更大（波长更短）的单色光照射双缝，O点上方第二条亮条纹中心在P点下方，故D错误。 故选C。 二、光的衍射 1、定义 光通过很小的狭缝(或圆孔)时，明显地偏离了直线传播的方向，在屏上应该出现阴影的区域出现明条纹或亮斑，应该属于亮区的地方也会出现暗条纹或暗斑的现象。 2、条件 只有当障碍物的尺寸与光的波长相差不多，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象才会明显。 3、图样特点 衍射时产生的明暗条纹或光环。 4、分类 单缝衍射：单色光通过狭缝时，在屏幕上出现明暗相间的条纹，中央为亮条纹，中央条纹最宽最亮，其余条纹变窄变暗；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白条纹。 特点：①中央条纹最亮、越向两边越暗，条纹间距不等。越靠外，条纹间距越小；②缝变窄通过的光变少，而光分布的范围更宽，所以亮纹的亮度降低；③中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单缝宽度有关。入射光波长越大，单缝越窄，中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大；④用白光做单缝衍射时，中央亮条纹是白色的，两边是彩色条纹，中央亮条纹仍然最宽最亮。 圆孔衍射：光通过小孔时(孔很小)在屏幕上会出现明暗相间的圆环。 特点：①中央是大且亮的圆形亮斑，周围分布着明暗相间的同心圆环，且越靠外，圆形亮条纹的亮度越弱，宽度越小；②圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱。用不同色光照射圆孔时，得到的衍射图样的大小和位置不同，波长越大，中央圆形亮斑的直径越大；③白光的圆孔衍射图样中，中央是大且亮的白色光斑，周围是彩色同心圆环；④只有圆孔足够小时才能得到明显的衍射图样，在圆孔由较大直径逐渐减小的过程中，光屏依次得到几种不同的现象——圆形亮斑(光的直线传播)、光源的像(小孔成像)、明暗相间的圆环(衍射图样)、完全黑暗。 泊松亮斑：障碍物的衍射现象．在单色光传播途中，放一个较小的圆形障碍物，会发现在阴影中心有一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑。 特点：①中央是亮斑；②泊松亮斑图样的亮环或暗环的距离随着圆板半径的增大而减小，而且背景是明亮的。 衍射光栅（结构由许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学仪器）：衍射图样特点与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加。 特点：与单缝衍射相比，条纹的宽度变窄，亮度增加。 5、单缝衍射与双缝干涉的比较 类型 单缝衍射 双缝干涉 不同点 产生条件 只要狭缝足够窄，任何光都能发生 频率相同的两列光波相遇叠加 条纹宽度 条纹宽度不等，中央最宽 条纹宽度相等 条纹间距 各相邻条纹间距不等 各相邻条纹等间距 亮度 中央条纹最亮，两边最暗 条纹清晰，亮度基本相等 相同点 成因 都有明暗相间的条纹，条纹都是光波叠加时加强或削弱的结果 意义 都是波特有的现象，表明光是一种波 【注意】光波的波长变大，衍射条纹、干涉条纹的宽度都变大；单缝衍射可以理解为若干个光源的干涉，从而理解条纹相间排列；复色光的衍射或干涉图样，可认为是各单色光单独衍射或干涉所成图样的叠加。 某同学用红光做实验，拍摄到屏上亮条纹的照片如图甲、乙所示，则该同学做的是（    ）    A．单缝衍射实验，甲图中单缝的宽度小 B．单缝衍射实验，乙图中单缝的宽度小 C．用和甲图相同装置做实验，仅将红光改为绿光，中央亮纹宽度更大 D．用和甲图相同装置做实验，仅将红光改为白光，屏上出现黑白相间条纹 【答案】A 【详解】AB．双缝干涉条纹的特征是等宽等亮度，单缝衍射条纹的特征是中央条纹最宽，向两侧越来越窄，中央条纹最亮，向两侧越来越暗，所以该图片是单缝衍射实验的条纹。又因为单缝越窄条纹越宽，所以甲图中单缝的宽度小，A正确，B错误； C．波长越大，中央条纹越宽，所以用和甲图相同装置做实验，仅将红光改为绿光，波长变小，中央亮纹宽度更小，C错误； D．用和甲图相同装置做实验，仅将红光改为白光，屏上出现彩色条纹，D错误。故选A。 三、光的偏振 1、偏振 光波只沿某一特定的方向振动。 2、自然光 由太阳、电灯等普通光源发出的光，它包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这样的光叫做自然光。 3、偏振光 在垂直于光的传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动的光。 光的偏振证明光是横波。 4、偏振光的获得 ①自然光垂直透过偏振片后就得到了偏振光。 ②自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面的反射光和折射光（入射角变化时偏振的程度也有所变化）就是偏振光。 5、自然光与偏振光的比较 光 自然光 偏振光 振动方向 自然光在垂直于光的传播方向的平面内，沿所有方向振动 偏振光在垂直于光的传播方向的平面内，沿某一特定的方向振动 经过偏振片的现象 自然光通过偏振片后变成偏振光，后面的屏是明亮的，转动偏振片时，偏振光的振动方向随之变化，但屏上亮度不变。如下图所示。 偏振光经过偏振片时，若光的振动方向与偏振片的透振方向平行，屏是亮的；若光的振动方向与偏振片的透振方向垂直，屏是暗的；若既不平行也不垂直，屏的亮度介于两者之间，随着振动方向与透振方向的夹角变大，亮度逐渐变暗。如下图所示。 产生方式 太阳、电灯等直接发出的光是自然光。 自然光经偏振片后都是偏振光，自然光射到两种介质的交界面上，使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直。 6、激光 产生：激光是原子受激发辐射产生的光，发光的方向、频率、偏振方向均相同，两列相同激光相遇可以发生干涉。 特点：①单色性好，频率单一，相干性好；②具有极好的平行性，几乎是一束方向不变、发散角很小的平行光；③亮度高，激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。 应用：光纤通信；激光测距；激光武器等。 如图所示，电灯 S发出的光先后经过偏振片 A和 B，人眼在 P处迎着入射光方向，看不到光亮，则（　　）    A．图中 a光为自然光 B．图中 b光为偏振光 C．以 SP为轴将 B转过 90°后，在 P处将看不到光亮 D．以 SP为轴将 B转过 180°后，在 P处将看到光亮 【答案】AB 【详解】AB．电灯直接发出的光是自然光，通过偏振片A后变为偏振光，AB正确； CD．人眼在 P处迎着入射光方向，看不到光亮，说明偏振片A与偏振片B的偏振方向相互垂直，故当以 SP为轴将 B转过 90°后，在 P处将看到光亮；将 B转过 180°后，在 P处将看不到光亮，CD错误。 故选AB。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$