2026届高三物理一轮复习讲义：光

第十四章　光 1、 光的折射定律　折射率(选必一第四章第1节) 1. 折射现象:光线到达两种介质的分界面时,一部分会返回原来的介质,这种现象叫光的反射,另一部分会进入第2种介质,这种现象叫光的折射。 2. 折射定律: 3. 折射率: 2、 全反射(选必一第四章第2节) 1. 全反射: 2. 全反射的应用: (1) 全反射棱镜 截面是等腰直角三角形的棱镜(通常是玻璃做成的)叫全反射棱镜。 (2) 光导纤维 光导纤维简称“光纤”,它是非常细的特制玻璃丝(直径在几微米到一百微米之间),由内芯和外套两层组成,内芯的折射率比外套的大。 3、 光的色散(选必一第四章第1节) 1. 不同色光在同种介质中: 频率越大的色光折射率越大,由n=知,n越大,传播速度越小。 2. 同种色光进入不同介质: 如某单色光由空气进入介质时,频率不变,由v=λf知,当f不变时,波速变小,则波长变小。 3. 光的频率、折射率、波速、波长、偏折角、临界角还有干涉条纹间距的对应关系: 颜色 红橙黄绿蓝靛紫 频率ν 低→高 同一介质中的折射率 小→大 通过同一棱镜的偏折角 小→大 同一介质中的速度 大→小 同一介质中的波长 大→小 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 【质疑辨析】 (1) 入射角越大,折射率越大。(　×　) 提示:(1)折射率是介质自身属性,与入射角大小无关。 (2) 由n=可知任何介质的折射率都大于1。(　√　) (3) 不同色光以相同入射角从空气进入某种介质,折射率越大的色光,折射角越大。(　×　) 提示: (3)由n=可知,入射角θ1相同时,折射率大的,折射角θ2越小。 (4) 玻璃的折射率通常是1.5~1.8,因此玻璃一定是光密介质。(　×　) 提示: (4)光密介质与光疏介质是相对的。 (5) 密度大的介质一定是光密介质。(　×　) 提示: (5)光密介质是折射率大的介质,介质的折射率与密度没有直接联系。 (6) 只要入射角足够大,就一定可以发生全反射。(　×　) 提示: (6)还需从光密介质进入光疏介质才可能发生全反射。 (7) 无论是光的折射,还是反射,光路都是可逆的。(　√　) 精研考点　提升关键能力 考点一　折射定律　折射率 【核心要点】 1. 三种计算方法 2. 两点说明 (1) 折射率只由介质本身的光学性质和光的频率决定,与入射角θ1、折射角θ2无关。 (2) 折射率与光的频率的关系: 1 同一种介质中,光的频率越高,折射率越大。 2 同一种光从真空进入介质,频率不变,光速和波长可由n==判断。 3. 三个步骤 【典例剖析】 角度1　折射率与其他量的关系 【典例1】(2024·江苏选择考)现有一光线以相同的入射角θ,打在不同浓度NaCl的两杯溶液中,折射光线如图所示(β1<β2),已知折射率随溶液浓度增大而变大。则(　　) A. 甲折射率大　 B.甲浓度小 B. 甲速度大 D.甲临界角大 【解析】选A。入射角相同,由于β1<β2,根据折射定律n=可知 n甲>n乙,故甲浓度大;根据v=,可知光线在甲中的传播速度较小,由sinC=可知折射率越大临界角越小,故甲临界角小。 角度2　折射定律的应用 【典例2】(2025·红桥区模拟)高压汞灯是UV光刻机的紫外光源,它可以产生365 nm、404 nm、436 nm、546 nm和579 nm五条尖锐的光谱线,但这些光中只有h线(404 nm)是光刻机所需要的。高压汞灯辐射的光通过图中的三棱镜分离后形成a、b、c、d、e五束,其中适合UV光刻机的是(　　) A.a　　　B.b　　　C.d　　　D.e 【解析】选C。根据折射率的定义式有n=,由题图可知,五束光在空气中的入射角相等,a、b、c、d、e五束光在介质中的折射角依次减小,可知na<nb<nc<nd<ne,折射率越大,波长越小,则有λa>λb>λc>λd>λe,由于只有h线(404 nm)是光刻机所需要的,根据题中给出的五条尖锐的光谱线的波长大小关系可知,只有d光束适合UV光刻机。故选C。 考点二　全反射 【核心要点】 1. 抓住全反射条件 (1) 光线必须从光疏介质进入光密介质。 (2) 入射角必须大于或等于临界角(sinθ≥sinC=)。 2. 找临界光线 找到恰好发生全反射时的临界光线,准确作出临界光路图是解题关键。 【典例剖析】 角度1　全反射的理解和计算 【典例3】(多选)(2025·和平区模拟)如图为一半圆柱形均匀透明材料的横截面,一束红光a从空气沿半径方向入射到圆心O,当θ=30°时,反射光b和折射光c刚好垂直。下列说法正确的是(　　) A. 该材料对红光的折射率为1.414 B. 若θ=45°,光线c消失 C. 若入射光a变为白光,光线b为白光 D. 若入射光a变为紫光,光线b和c仍然垂直 【解析】选B、C。根据几何关系可知红光从材料内发生折射时,光线的折射角为60°,故折射率为n==≈1.732,故A错误;设临界角为C,则sinC==<,故C<45°,故若θ=45°,会发生全反射,光线c消失,故B正确;由于光在反射过程中频率不发生改变,故a,b光颜色相同,故C正确;对同种介质,紫光的折射率比红光大,故若入射光a变为紫光,折射角将变大,光线b和c不会垂直,故D错误。 角度2　全反射的应用 【典例4】(2025·黑吉辽内蒙古高考)如图,利用液导激光技术加工器件时,激光在液束流与气体界面发生全反射。若分别用甲、乙两种液体形成液束流,甲的折射率比乙的大,则(　　) A. 激光在甲中的频率大 B. 激光在乙中的频率大 C. 用甲时全反射临界角大 D. 用乙时全反射临界角大 【解析】选D。激光在不同介质中传播时,其频率不变,故A、B错误;根据sinC=,甲的折射率比乙的大,则用乙时全反射临界角大,故C错误,D正确。 考点三　光的折射和全反射的综合应用 【核心要点】 1. 三种常见光学元件对光路的控制特点 项目 平行玻璃砖 三棱镜 圆柱体(球) 对光路的控制特点 通过平行玻璃砖后光线不改变传播方向,但要发生侧移 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 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 2. 一般思路 (1) 确定研究光线:一般为入射光线,若不明确,可根据题意寻找边界光线、临界光线等。 (2) 画光路图 1 确定入射点、界面、画出法线。 2 有时要根据折射定律,边计算边画图;画图时要充分考虑图中几何关系,尽量与实际相符。 3 光线从光密介质到达光疏介质的分界面时,一定要注意判断能否发生全反射。 【提醒】 1 寻找角度关系:互余或互补、同位角相等、内错角相等。 2 寻找数学方法:若为特殊三角形,由三角函数、勾股定理等知识求解;若为一般三角形,通常需要用到正弦定理,余弦定理等。 【典例剖析】 【典例5】(2025·河东区模拟)某同学买了一个透明“水晶球”,其内部材料折射率相同,如图甲所示。他测出球的直径为10 cm。现有一束单色光从球上P点射向球内,折射光线与水平直径PQ的夹角θ=30°,出射光线恰好与PQ的平行,如图乙所示。已知光在真空中的传播速度为3×108 m/s,下列说法正确的是(　　) A. “水晶球”的折射率为 B. 根据已知条件无法计算光在“水晶球”中的传播时间 C. 仅换用波长更长的单色光,光在“水晶球”中传播的时间变长 D. 增大光线在P点的入射角,可以使光线从水晶球射向空气时发生全反射 【解析】选A。如图所示 由几何关系可知,光线射出时的折射角r为2θ,折射率n==,故A正确;设水晶球的直径为d,光在“水晶球”中传播的距离l=dcosθ,时间t===5×10−10 s,故B错误;当入射光的波长变长时,频率变小,光的折射率也变小,折射角变大,光在“水晶球”中的光程变短,由v=可知光在“水晶球”中的传播速度变大,可得时间变短,故C错误;根据几何关系可知,光线在经过折射后,在“水晶球”内到“水晶球”外的入射角始终等于从“水晶球”外到“水晶球”内的折射角(均为θ),因为β< 90°,由折射定律可知θ <C(C为临界角),所以增大过P点光线的入射角,光线出射时一定不会在球内发生全反射,故D错误。 1、 光的干涉(选必一第四章第3节) 1. 光的干涉: 2. 双缝干涉: 图样特点 单色光照射时,形成明暗相间的等间距条纹;白光照射时,中央为白色亮条纹,其余为彩色条纹 明暗条纹的判断方法 亮条纹 当Δr=nλ(n=0,1,2,…)时,光屏上P'处出现亮条纹。 暗条纹 当Δr=(2n+1)(n=0,1,2,…)时,光屏上P'处出现暗条纹 条纹间距 Δx=λ,对同一双缝干涉装置,光的波长越长,干涉条纹的间距越大 注意:相干光源S1、S2发出的光到屏上P'点的路程差为Δr=r2−r1。 3. 薄膜干涉: (1) 形成原因:如图所示,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,从膜的前表面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。 (2) 明暗条纹的判断方法: 两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr等于薄膜厚度的2倍,设光在薄膜中的波长为λ'。 在P1、P2处,Δr=nλ'(n=1,2,3,…),薄膜上出现亮条纹。 在Q处,Δr=(2n+1)(n=0,1,2,3,…),薄膜上出现暗条纹。 (3) 应用:增透膜、检查工件平整度等。 2、 光的衍射(选必一第四章第5节) 1. 发生明显衍射的条件:在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,衍射现象十分明显。 光发生衍射不需要条件,在任何情况下都可以发生, 只是明显与不明显的差别。 2. 常见衍射图样的特点: (1) 单缝衍射: 若为单色光,中央为亮且宽的条纹,两侧为明暗相间的条纹,条纹间距不等,且离中央条纹越远,亮条纹的亮度越弱,宽度越小(如图甲所示)。 (2) 圆孔衍射: 若为单色光,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,越密集(如图乙所示)。 (3) 圆盘衍射(泊松亮斑):当光照射到不透明的半径很小的圆盘上时,在圆盘的阴影中心出现亮斑,在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。(如图丙所示) 增大光的波长,或减小缝宽、减小孔径都可以使得衍射 现象更加明显,即中央亮纹将变得更亮更宽。 3、 光的偏振(选必一第四章第6节) 1. 自然光与偏振光: (1) 自然光:包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光,而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同。 (2) 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。 2. 偏振光的形成: (1) 让自然光通过偏振片形成偏振光。 (2) 让自然光在两种介质的界面发生反射和折射,反射光和折射光可以成为部分偏振光或完全偏振光。 3. 物理意义: 光的偏振现象说明光是一种横波。 4. 验证光的偏振的装置: P为起偏器,自然光经过P后变为只能沿P的透振方向振动的偏振光。 当Q和P的透振方向一致时,光屏上亮度最高;当Q和P的透振方向垂直时,光屏上亮度最暗。 【质疑辨析】 (1) 频率不同的两列波一定不能发生干涉。(　√　) (2) 在双缝干涉实验中,双缝的作用是用“分光”的方法使两列光的频率相同。(　√　) (3) 太阳光通过三棱镜形成彩色光谱,这是光的干涉的结果。(　　) 提示: (3)属于光的折射,不同色光在玻璃中折射率不同。 (4) 在双缝干涉实验中,若仅将入射光由红光换成绿光,则条纹宽度一定变大。(　　) 提示: (4)绿光波长更短,条纹宽度变小。 (5) 厚度相同的薄膜也可以形成干涉现象。(　　) 提示: (5)厚度相同时,薄膜要么全明,要么全暗,无法形成明暗相间的条纹。 (6) 只有在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,才会出现光的衍射现象。(　　) 提示: (6)衍射不需要条件,明显衍射才需要条件。 (7) 除了从光源直接发出的光,我们通常看到的绝大部分光,都是不同程度的偏振光。(　√　) 1. 几种常见干涉现象对比 项目 双缝干涉 薄膜干涉 平行的平面薄膜干涉 牛顿环 装置 形成 原因 通过双缝的分光作用获得两列相干光源 由薄膜上、下表面反射的光线形成相干光源 由球面上和平面上反射的光线形成相干光源 条纹 特征 (单 色光) 形成明暗相间的等间距的干涉条纹 形成明暗相间的等间距的干涉条纹 明暗相间的同心圆环,中间疏、边缘密 条纹 间距 Δx=λ Δx= — 2. 明暗条纹判断方法 相干光源S1、S2发出的光到某点的路程差为Δr=r2−r1。(途经相同的介质时) 【提醒】薄膜干涉问题中,光程差通常为膜厚度的2倍,即Δr=2d,且λ为光在膜中的波长,而不是真空中的波长,两者关系为λ介质=。 【典例剖析】 角度1　双缝干涉 【典例1】双缝干涉实验装置的截面图如图所示,光源S到S1、S2的距离相等,O点为S1、S2连线的中垂线与光屏的交点,光源S发出波长为λ的光,P为光屏上的第1级亮条纹。若在缝S1的后方放一厚度d=3λ的玻璃片,光经S1出射后垂直穿过玻璃片传播到P点,经S2出射后直接传播到P点。玻璃对该波长光的折射率为1.5,空气中光速为c,不计光在玻璃片内的反射。与不放玻璃片时相比,S1、S2的光到P点的时间差变化情况及关于P点干涉条纹的说法正确的是(　　) A. 时间差变大,P点为亮条纹 B. 时间差变小,P点为暗条纹 C. 时间差不变,P点为亮条纹 D. 时间差变大,P点为暗条纹 【解析】选B。开始时S1、S2到P点的光程差Δl=λ,时间差为Δt==,放入玻璃片后,由n=,v=c,可知时间差变为Δt'=|Δt−()|=,因此P点为暗条纹,时间差变小。 角度2　薄膜干涉 【典例2】(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。 考点二　光的衍射和偏振 【核心要点】 1. 单缝衍射与双缝干涉对比 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 各相邻条纹间距不等 各相邻条纹等间距 亮度情况 中央条纹最亮,两边变暗 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 2. 对光的衍射的理解 (1) 波长越长,衍射现象越明显。在任何情况下都可以发生衍射现象,只是明显与不明显的差别。 (2) 衍射现象说明“光沿直线传播”只是一种特殊情况,只有在光的波长比障碍物小得多时,光才可以看作沿直线传播的。 3. 光的偏振 (1) 自然光与偏振光的比较 类别 自然光(非偏振光) 偏振光 光的来源 从普通光源发出的光 自然光通过起偏器后的光 光的振动方向 在垂直于光的传播方向的平面内,光振动沿任意方向,且沿各个方向振动的光的强度相同 在垂直于光的传播方向的平面内,光振动沿特定方向 (2) 偏振光的应用:加偏振滤光片的照相机镜头、液晶显示器、立体电影、消除车灯眩光等。 【典例剖析】 【典例3】一束单色光在不同条件下会形成很多有趣的图样。下列四幅图分别为光通过圆孔、光照射在不透光圆盘上、光通过双缝、光通过单缝后,在光屏上形成的图样。图样中有一幅形成原理与其他不同,该图样是(　　) 【解析】选C。光通过圆孔、光照射在不透光圆盘上、光通过单缝后发生的都是光的衍射现象;而光通过双缝发生的是光的干涉现象。可知图C是光的干涉条纹,形成原理与其他不同。故选C。 【典例4】如图,将手机放在水平桌面上,无论怎样转动偏振片Q都无法观察到屏幕上的字。撤去Q,并将手机在水平面内旋转90°,此过程中观察到屏幕的亮度(　　) A. 变暗　　　 B.变亮 B. 不变 D.先变亮后变暗 【解析】选B。无论怎样转动偏振片Q都无法观察到屏幕上的字,说明偏振片P的透振方向与手机屏幕发出光的偏振方向垂直,则撤去Q后,将手机在水平面内旋转90°,手机发出光的偏振方向与偏振片P的透振方向趋近于平行,则观察到屏幕的亮度变亮。故选B。 - 10 - 学科网（北京）股份有限公司 $