专题突破4 微专题15 光学 电磁波-【步步高】2024年新高考物理考前三个月（津鲁琼辽鄂渝粤冀湘闽黑吉晋皖云）

微专题15　光学　电磁波 1．光的折射与全反射 (1)折射率计算公式n＝中的θ1指的是真空中光线与法线的夹角，θ2指的是介质中光线与法线的夹角。 (2)只有从光密介质进入光疏介质才能发生全反射现象，临界角C满足sin C＝。 (3)在光的反射、光的折射和全反射现象中，光路是可逆的。 (4)光的色散问题 ①同种介质对不同频率的光的折射率不同，频率越高，折射率越大。 ②由n＝，n＝可知，光的频率越高，在介质中的波速越小，波长越短。 (5)分析折射和全反射题目应注意的三个方面： ①依据题目条件，分析判断是否发生全反射。 ②通过分析、计算确定光传播过程中可能发生的折射、反射，把握光的“多过程”现象，作出光路图。 ③充分考虑三角形、圆的特点，运用几何图形中的角关系、三角函数、相似三角形、全等三角形等，仔细分析光传播过程中产生的几何关系。 2．光的干涉、衍射与偏振 (1)光的干涉现象和光的衍射现象证明了光的波动性，光的偏振现象说明光是横波。 (2)单缝衍射与双缝干涉的比较 种类 项目 单缝衍射 双缝干涉 不同点 条纹宽度 条纹宽度不等，中央最宽 条纹宽度相等 条纹间距 各相邻亮条纹间距不等 各相邻亮条纹间距相等 亮度 中央条纹最亮，两边较暗 条纹清晰，亮度基本相同 相同点 干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹 3.电磁振荡与电磁波 (1)麦克斯韦电磁场理论 变化的磁场能够在周围空间产生电场，变化的电场能够在周围空间产生磁场。 (2)电磁振荡中各物理量的变化 ①电容器电荷量最大时，电压最大，电场能最大，电流为零，磁感应强度为零，磁场能为零。 ②电流最大时，磁感应强度最大，磁场能最大，电容器电荷量为零，电压为零，电场能为零。 (3)不同电磁波的特点 ①电磁波波长越长越容易产生干涉、衍射现象，波长越短穿透能力越强。 ②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。 考点一　光的折射与全反射 1．(2023·辽宁省朝阳一中二模)一半圆形玻璃砖的横截面如图所示，半圆的半径为R、圆心为O。一光线DE沿横截面从直径AB上的E点以入射角i＝45°射入，经玻璃砖折射后，射到圆弧AB上的F点(图中未画出)恰好发生全反射。已知玻璃砖对该光线的折射率n＝，则下列说法正确的是(　　) A．光线在玻璃砖中传播的速度大小为c(c为真空中的光速) B．光线从空气射入玻璃砖后，光的频率变大 C．∠EFO＝45° D．O、E两点间的距离为R 答案　C 解析　光线在玻璃砖中传播的速度大小v＝＝c，选项A错误； 光线从空气射入玻璃砖后，光的频率不变，选项B错误； 设光线在玻璃砖中发生全反射的临界角为C，有sin C＝＝，则C＝45°，则∠EFO＝45°，选项C正确； 光线在玻璃砖中的光路(部分)如图所示，根据折射定律有n＝，解得r＝30°，在△EOF中，根据正弦定理有＝，解得EO＝R，选项D错误。 2．(2023·全国乙卷·34(2))如图，一折射率为的棱镜的横截面为等腰直角三角形△ABC，AB＝AC＝l，BC边所在底面上镀有一层反射膜。一细光束沿垂直于BC方向经AB边上的M点射入棱镜，若这束光被BC边反射后恰好射向顶点A，求M点到A点的距离。 答案　l 解析　由题意作出光路图如图所示 光线垂直于BC方向射入，根据几何关系可知入射角为45°；由于棱镜折射率为，根据n＝， 有sin r＝，则折射角为30°；∠BMO＝60°，因为∠B＝45°， 所以光在BC面的入射角为θ＝15° 根据反射定律可知∠MOA＝2θ＝30° 根据几何关系可知∠BAO＝30°，即△MAO为等腰三角形，则＝ 又因为△BOM与△CAO相似，故有＝ 由题知AB＝AC＝l 联立可得BM＝AC＝l 所以M到A点的距离为x＝MA＝l－BM＝l。 3．(2023·浙江6月选考·13)在水池底部水平放置三条细灯带构成的等腰直角三角形发光体，直角边的长度为0.9 m，水的折射率n＝，细灯带到水面的距离h＝ m，则有光射出的水面形状(用阴影表示)为(　　) 答案　C 解析　取细灯带上某一点作为点光源，点光源发出的光在水面上有光射出的水面形状为圆形，设此圆形的半径为R，点光源发出的光线在水面恰好全反射的光路图如图甲所示。 由sin C＝＝＝，可得tan C＝ R＝h·tan C＝× m＝0.3 m 三角形发光体的每一条细灯带发出的光在水面上有光射出的水面形状的示意图如图乙所示 三条细灯带构成的等腰直角三角形发光体发出的光在水面上有光射出的水面形状的示意图如图丙所示 设直角边的长度为a＝0.9 m，由几何关系可得此三角形的内切圆的半径r＝a－×a＝a 而R＝0.3 m＝a，可得：R>r，则由图丙可知有光射出的水面形状在三角形中央区域无空缺部分，故C正确，A、B、D错误。 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可逆性特点的应用。 4．(多选)(2023·湖南常德市模拟)光纤通信中信号传播的主要载体是光纤，它的结构如图甲所示，一束激光由光导纤维左端的点O以α＝60°的入射角射入一直线光导纤维内，恰好在内芯和外套的分界面上的A点发生全反射，如图乙所示。下列说法中正确的是(　　) A．光纤内芯的折射率比外套的小 B．光从左端空中进入光纤内芯后，其频率不变 C．频率越大的光在光纤中传播的速度越大 D．内芯对这种激光的折射率n＝ 答案　BD 解析　激光在内芯和外套的界面上发生全反射，所以内芯是光密介质，外套是光疏介质，即光纤内芯的折射率比外套的大，故A错误；光从左端空中进入光纤内芯后，波长和波速会发生变化，但频率不变，故B正确；频率越大的光，介质对它的折射率越大，根据v＝，光在光纤中传播的速度越小，故C错误；根据折射定律有n＝，根据全反射公式n＝，联立解得n＝，故D正确。 光在光纤中传播时在内芯和外套的分界面上发生全反射，内芯的折射率大于外套的折射率。 考点二　光的干涉、衍射与偏振 5．(2023·北京市延庆区一模)下列说法中正确的是(　　) A．用三棱镜观察太阳光谱是利用光的干涉现象 B．肥皂泡在阳光下出现彩色条纹，这是光的衍射现象 C．用光导纤维传送图像信息，这其中应用到了光的全反射现象 D．通过两支夹紧的笔杆间缝隙看发白光的灯丝能观察到彩色条纹，这是光的偏振现象 答案　C 解析　三棱镜观察太阳光谱是利用光的色散现象，故A错误；肥皂泡在阳光下出现彩色条纹，这是光的干涉现象，故B错误；用光导纤维传送图像信息，这其中应用到了光的全反射现象，故C正确；通过两支夹紧的笔杆间缝隙看发白光的灯丝能观察到彩色条纹，这是光的衍射现象，故D错误。 6．(2023·江苏卷·6)用某种单色光进行双缝干涉实验，在屏上观察到的干涉条纹如图甲所示，改变双缝间的距离后，干涉条纹如图乙所示，图中虚线是亮纹中心的位置。则双缝间的距离变为原来的(　　) A.倍 B.倍 C．2倍 D．3倍 答案　B 解析　根据双缝干涉的条纹间距与波长关系有Δx＝λ，由题图知Δx乙＝2Δx甲，则d乙＝d甲，故选B。 7.(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(　　) 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时此处为亮条纹，故相邻亮条纹之间的薄膜的厚度差为λ，在题图中相邻亮条纹(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。 考点三　几何光学与物理光学的综合应用 8.(多选)(2023·湖南衡阳市二模)如图所示，OBCD为半圆柱体玻璃的横截面，OD为直径，一束由蓝光和黄光组成的复色光沿AO方向从真空射入玻璃，分两束分别射到圆柱面的B、C两点。只考虑第一次射向圆弧的光线，下列说法正确的是(　　) A．从B、C两点射出的光分别是黄光、蓝光 B．光从O传到B与光从O传到C的时间相等 C．若从B、C两点只有一处有光线射出，则一定是从B点射出 D．若仅将复色光的入射点从O平移到D的过程中，可能出现从圆弧射出的两束光线平行 答案　BD 解析　同一介质对不同频率的光具有不同的折射率，折射率随频率的增大而增大，即玻璃对蓝光的折射率大。由于光束OB的偏折程度大于OC，可知光束OB为蓝光，光束OC为黄光，从B、C两点射出的光分别是蓝光、黄光，A错误；设OD长度为d，折射角分别为θB、θC，连接BD、CD，如图甲所示，根据nB＝＝，nC＝＝，解得＝，光在玻璃中传播时间为tB＝，tC＝，可解得tB＝tC，故B正确； 由sin C＝，又n黄<n蓝，黄光的临界角大于蓝光的临界角，若B、C两点只有一处光线射出，则一定是从C点射出，C错误；设将复色光的入射点从O平移到D的过程中，从圆弧射出的两束光线入射角和折射角分别为i1、i2、r1、r2，如图乙所示，由数学关系可知，存在从圆弧射出的两束光线平行且满足n蓝＝，n黄＝，D正确。 9.(多选)(2023·全国甲卷·34(1)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，如图所示。不考虑多次反射。下列说法正确的是(　　) A．甲光的频率比乙光的高 B．在棱镜中的传播速度，甲光比乙光的大 C．该棱镜对甲光的折射率大于对乙光的折射率 D．在棱镜内bc边反射时的入射角，甲光比乙光的大 答案　BD 解析　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，A、C错误；根据v＝可知在棱镜中的传播速度，甲光比乙光的大，B正确；根据几何关系可知光在棱镜内bc边反射时的入射角，甲光比乙光的大，D正确。 几何光学与物理光学综合问题的分析方法 (1)由光的偏折程度或能否发生全反射，确定折射率大小，进而确定光的干涉或衍射情况。 (2)由干涉条纹间距或衍射情况确定光的波长大小，然后确定频率高低和折射率大小，再根据光路图确定折射情况和全反射情况。 1．(2023·江苏卷·5)地球表面附近空气的折射率随高度降低而增大，太阳光斜射向地面的过程中会发生弯曲。下列光路图中能描述该现象的是(　　) 答案　A 解析　画出光路图如图所示，根据折射定律有n＝，由于地球表面附近空气的折射率随高度降低而增大，则θ下逐渐减小，则光线应逐渐趋于竖直方向，故选A。 2．(2023·辽宁省部分高中二模)如图所示是某款手机防窥屏的原理图，在透明介质中有相互平行排列的吸光屏障，屏障垂直于屏幕，可实现对像素单元可视角度θ的控制(可视角度θ定义为某像素单元发出的光在图示平面内折射到空气后最大折射角的2倍)。发光像素单元紧贴防窥屏的下表面，可视为点光源，位于相邻两屏障的正中间。不考虑光的衍射。下列说法正确的是(　　) A．屏障的高度d越大，可视角度θ越大 B．透明介质的折射率越大，可视角度θ越大 C．防窥屏实现防窥效果主要是因为光发生了全反射 D．防窥屏实现防窥效果主要是因为防窥屏使光的波长发生了变化 答案　B 解析　如果屏障变高，则入射角变小，折射角变小，θ角变小，故A错误；由题图可知，可视角度θ是光线进入空气中时折射角的2倍，透明介质的折射率越大，折射角越大，θ角越大，故B正确；防窥屏实现防窥效果主要是因为某些角度范围内的光被屏障吸收，能射出到空气中的光其入射角都小于临界角，没有发生全反射，且与光的波长无关，故C、D错误。 3．(2023·黑龙江哈尔滨市第一二二中学二模)复色光在玻璃元件中折射时会产生色散现象，影响照相机和望远镜的成像质量。如图所示，一束复色光经凸透镜后分成A、B两束。下列说法正确的是(　　) A．A光的频率比B光的频率大 B．A光光子的能量比B光光子的能量大 C．若两种光从水中射向空气，A光的临界角较大 D．若两种光经同样的装置做“双缝干涉”实验，A光的条纹间距较小 答案　C 解析　由光路图可知，A光的折射率小于B光的折射率nA<nB，故A光频率小于B光频率νA<νB，A错误；由ε＝hν、νA<νB可知εA<εB，A光光子的能量比B光光子的能量小，B错误；由sin C＝、nA<nB可知CA>CB，A光的临界角较大，C正确；由Δx＝λ、λA>λB可知ΔxA>ΔxB，两种光经同样的装置做“双缝干涉”实验，A光的条纹间距较大，D错误。 4.(多选)(2023·湖南卷·7)一位潜水爱好者在水下活动时，利用激光器向岸上救援人员发射激光信号，设激光光束与水面的夹角为α，如图所示。他发现只有当α大于41°时，岸上救援人员才能收到他发出的激光光束，下列说法正确的是(　　) A．水的折射率为 B．水的折射率为 C．当他以α＝60°向水面发射激光时，岸上救援人员接收激光光束的方向与水面夹角小于60° D．当他以α＝60°向水面发射激光时，岸上救援人员接收激光光束的方向与水面夹角大于60° 答案　BC 解析　他发现只有当α大于41°时，岸上救援人员才能收到他发出的激光光束，则说明α＝41°时激光恰好发生全反射，则sin(90°－41°)＝sin 49°＝，则n＝，A错误，B正确；当他以α＝60°向水面发射激光时，入射角等于30°，则根据折射定律有折射角大于30°，则岸上救援人员接收激光光束的方向与水面夹角小于60°，C正确，D错误。 5．(2023·湖北卷·6)如图所示，楔形玻璃的横截面POQ的顶角为30°，OP边上的点光源S到顶点O的距离为d，垂直于OP边的光线SN在OQ边的折射角为45°。不考虑多次反射，OQ边上有光射出部分的长度为(　　) A.d B.d C．d D.d 答案　C 解析　设光线在OQ界面的入射角为α，折射角为β，由几何关系可知α＝30°，则由折射定律n＝＝，光线射出OQ界面的临界为发生全反射，光路图如图所示，其中CS⊥OB，光线在A、B两点发生全反射，由全反射定律sin C＝＝可得，全反射的临界角为45°，AB之间有光线射出，由几何关系可知AB＝2AC＝2CS＝OS＝d，故选C。 6．(多选)(2022·山东卷·10)某同学采用图甲所示的实验装置研究光的干涉与衍射现象，狭缝S1、S2的宽度可调，狭缝到屏的距离为L。同一单色光垂直照射狭缝，实验中分别在屏上得到了图乙、图丙所示图样。下列描述正确的是(　　) A．图乙是光的双缝干涉图样，当光通过狭缝时，也发生了衍射 B．遮住一条狭缝，另一狭缝宽度增大，其他条件不变，图丙中亮条纹宽度增大 C．照射两条狭缝时，增加L，其他条件不变，图乙中相邻暗条纹的中心间距增大 D．照射两条狭缝时，若光从狭缝S1、S2到屏上P点的路程差为半波长的奇数倍，P点处一定是暗条纹 答案　ACD 解析　题图乙中间部分为等间距条纹，所以题图乙是光的双缝干涉图样，当光通过狭缝时，同时也发生衍射，故A正确；狭缝越小，衍射范围越大，衍射条纹越宽，遮住一条狭缝，另一狭缝宽度增大，则衍射现象减弱，题图丙中亮条纹宽度减小，故B错误；根据条纹间距公式Δx＝λ可知照射两条狭缝时，增加L，其他条件不变，题图乙中相邻暗条纹的中心间距增大，故C正确；照射两条狭缝时，若光从狭缝S1、S2到屏上P点的路程差为半波长的奇数倍，P点处一定是暗条纹，故D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$