2026届高三物理二轮专题复习讲义：第16讲 光学、电磁波

第16讲 光学、电磁波 讲义 知识体系： 考点一　光的折射与全反射 1.常用的三个公式及使用场景 (1)=n，发生折射时； (2)sin C=，恰好发生全反射时；判断是否发生全反射时； (3)n=，求光在介质中传播的时间。 2.对折射率的理解 (1)折射率与介质和光的频率有关，与入射角的大小无关。 (2)光密介质指折射率较大的介质，而不是指密度大的介质。 (3)同一种介质中，频率越高的光折射率越大，传播速度越小。 3.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的可逆性。 典例1:(2025·江苏南通市模拟)某城市喷泉灯光秀场中的水下固定一环形彩灯(如图所示)，彩灯表面与水面平行，当彩灯发出黄光时，调节灯面距水面的深度为h0= m时，恰能使从水面透出光的区域呈一半径为R=0.405 m的圆形区域。水对黄光的折射率为n=，光在真空中的传播速度为c。下列说法正确的是(　　) A.环状彩灯的宽度d为3 cm B.彩灯发出的黄光射出水面的最长时间为t= C.若彩灯发出红光，则水面透光区域将变小 D.水面观察者观察到彩灯的深度比实际深度深，且与观察者的位置有关 答案　A解析　根据题意作出刚好发生全反射的光路图，如图甲所示，根据几何关系可得R=d+2h0tan C，又sin C=，联立解得环状彩灯的宽度为d=0.03 m=3 cm，故A正确； 彩灯发出的黄光射出水面的最长距离为s=，黄光在水中的传播速度为v=，则彩灯发出的黄光射出水面的最长时间为t=，联立解得t=，故B错误； 若彩灯发出红光，由于水对红光的折射率小于对黄光的折射率，所以红光发生全反射的临界角较大，根据几何关系可知，水面透光区域的半径变大，故C错误； 由于光线从水中射到空气时的折射角大于入射角，如图乙所示，可知水面观察者沿折射光线看到彩灯的深度比实际深度浅，且与观察者的位置有关，故D错误。 典例2:(2025·湖北卷,13)如图所示,三角形ABC是三棱镜的横截面,AC=BC,∠C=30°,三棱镜放在平面镜上,AC边紧贴镜面。在纸面内,一光线入射到镜面O点,入射角为α,O点离A点足够近,已知三棱镜的折射率为。 (1)若α=45°,求光线从AB边射入棱镜时折射角的正弦值; (2)若光线从AB边折射后直接到达BC边,并在BC边刚好发生全反射,求此时的α值。 答案　(1)　(2)60° 解析　(1)当α=45°时,光路如图甲所示 光线在镜面发生反射,由反射定律得θ=α=45° 因为∠C=30°,AC=BC 所以∠A=75° 由几何关系可得∠OO'A=30° 所以光在AB边的入射角i=60° 由折射定律得n= 解得折射角的正弦值sin β=。 (2)因为光经AB边折射后,到达BC边时恰好发生全反射,如图乙所示,则有 sin δ== 解得δ=45°,故∠BDO'=45° 又因为∠B=75° 所以∠BO'D=60° 则β=30°,由折射定律得n= 解得sin γ=,则γ=45° 由几何关系可得θ=60° 由反射定律得α=θ=60°。 考点二　光的干涉、衍射和偏振　电磁波 1.光的干涉现象:双缝干涉、薄膜干涉(油膜、空气膜、增透膜、牛顿环)。 2.光的衍射现象:单缝衍射、圆孔衍射、光栅衍射、泊松亮斑。 3.光的双缝干涉和单缝衍射的比较 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相当或相差不大(明显衍射现象) 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 4.电磁振荡和电磁波 (1)电磁振荡:周期T=2π,电流为0时电场能最大,电流最大时磁场能最大。 (2)关于电磁波的产生的两点说明 ①能否产生电磁波,要看变化的电场和磁场是否能持续地再产生变化的磁场和电场,也就是说,所产生的磁场或电场必须是变化的,而不能是稳定的。 ②明确是怎样变化的电场(磁场)产生怎样变化的磁场(电场)。振荡电场产生同频率的振荡磁场;振荡磁场产生同频率的振荡电场;LC振荡电路产生的振荡电场和振荡磁场都能产生电磁波。 (3)电磁波传播不需要介质,在介质中传播时其速度与介质材料和电磁波频率有关。 (4)电磁波谱：按照电磁波的频率高低或波长大小的顺序把它们排列成的谱叫作电磁波谱。按波长由长到短排列的电磁波谱为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。 5.几种常见的干涉图样 干涉装置 图样 ① ② ③ ④ ⑤ 典例3:(2025·重庆卷·4)杨氏双缝干涉实验中，双缝与光屏距离为l，波长为λ的激光垂直入射到双缝上，在屏上出现如图所示的干涉图样。某同学在光屏上标记两条亮纹中心位置并测其间距为a，则(　　) A.相邻两亮条纹间距为 B.相邻两暗条纹间距为 C.双缝之间的距离为λ D.双缝之间的距离为λ 答案　C解析　根据题意，由题图可知，相邻两亮条纹(暗条纹)间距为Δx=，故A、B错误；由公式Δx=λ可得，双缝之间的距离为d==，故C正确，D错误。 典例4:(2025·江苏苏锡常镇四市模拟)某兴趣小组利用如图甲所示装置研究光的波动性,A处为狭缝片,B处为光强传感器,光从A的正上方向下射向B。仅改变一个量,先后在电脑上获得的光强关于位置分布的图像如图中乙、丙所示,下列判断中可能正确的是(　　) A.A处为单缝,乙图对应的缝宽小 B.A处为单缝,乙图对应的光源频率高 C.A处为双缝,乙图对应的双缝间距大 D.A处为双缝,乙图对应的A、B距离大 答案　D解析　从图乙和图丙的光强分布看,都出现了一系列间距几乎均匀的明暗相间条纹,这更符合“双缝干涉”而非“单缝衍射”特征(单缝衍射往往中央亮纹最宽、最亮,两旁亮纹迅速减弱),因此A处为双缝,A、B错误;双缝干涉的相邻亮纹间距Δx = λ,其中d为双缝中心间距、l为屏(或传感器)到双缝的距离、λ 为光的波长。由于乙图相邻亮纹间距大于丙图的,光的频率不变的情况下,若双缝间距不变,乙图对应的A、B距离大;若A、B距离不变,则乙图对应的双缝间距小,故D正确,C错误。 典例5:(2025·山东烟台一模)某图书馆的书籍防盗系统利用LC振荡电路原理,在出口处的地毯下埋有线圈L与电容器C构成的振荡电路,如图甲所示。当未消磁的书籍标签(内含金属材料)靠近时,线圈的自感系数增大,导致振荡频率变化,从而触发警报。若该振荡电路中电容器上极板的电荷量q随时间t变化的关系图像如图乙所示,下列说法正确的是(　　) A.t1时刻,电容器C的电场能为零 B.t2时刻,线圈L的自感电动势最大 C.t2~t3时间内,线圈L中电流逐渐减小 D.0~t3时间内,未消磁的书籍标签正在远离线圈L 答案　C解析　t1时刻,电容器C上极板带电荷量最大,可知电场能最大,故A错误;t2时刻,电容器放电完毕,此时线圈L的电流最大,电流变化率最小,则自感电动势最小,故B错误;t2~t3时间内,电容器带电荷量增大,则线圈L中电流逐渐减小,故C正确;由图乙可知0~t3时间内,振荡电路的振动周期逐渐变大,根据T=2π,可知线圈自感系数L变大,因此未消磁的书籍标签正在靠近线圈L,故D错误。 考点三　几何光学与物理光学的综合应用 各种色光的物理特征分析 颜色 红橙黄绿青蓝紫 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 光子能量 小→大 光子动量 小→大 典例6:(2025·江苏南京市二模)宝石切工决定价值，优秀的切割工艺可以让宝石璀璨夺目。某宝石的剖面简化如图，一束复合光斜射到宝石的AB面上，经折射后分成a、b两束单色光照射在CO面上，下列说法正确的是(　　) A.宝石对a光的折射率比b光的大 B.宝石中a光的传播速度比b光的大 C.b光从空气进入宝石，频率变低 D.逐渐减小光斜射到AB面上的入射角，从CO面射出的光线中a光先消失 答案　B解析　由题图知宝石对单色光a的偏折程度比对单色光b的偏折程度小，因此宝石对单色光a的折射率小，A错误；由n=得v=，可知单色光a在宝石中的传播速度比单色光b在宝石中的传播速度大，B正确；单色光b从空气进入宝石，频率不变，C错误；由sin C=，可知单色光a的临界角大于单色光b的临界角，逐渐减小斜射到AB面上的入射光束的入射角，从CO面射出的光线中单色光b最先消失，D错误。 典例7:(2025·河南商丘模拟)如图所示,ABCD是平行玻璃砖,从侧面AB的中点M斜射入一束由a、b两种单色光组成的复色光,两单色光在玻璃砖内仅发生一次全反射后,a单色光照射在CD边的中点N,b单色光照射在CN的中点,增大光在AB面的入射角,有一种单色光可以从BC边出射,不考虑光在CD面的反射,BC>CD,则下列判断正确的是(　　) A.玻璃砖对单色光a的折射率比对单色光b的折射率大 B.单色光a在玻璃砖中传播时间比单色光b传播时间长 C.用同一装置对单色光a和b分别做单缝衍射实验,b光的中央亮纹更宽 D.若用单色光a照射某金属恰好能发生光电效应,用单色光b照射该金属也一定能发生光电效应 答案　D解析　根据题意,光路如图所示,可知单色光a折射后偏折程度较小,可知玻璃砖对单色光a的折射率比对单色光b的折射率小,A错误;设入射角为i,折射角为r,则n=,设玻璃砖长度为L,则光在玻璃砖中传播的距离s=,传播的时间t====,由于BC>CD,因此折射角越小,传播时间越长,则单色光b传播时间长,B错误;由于a光波长长,用同一装置对单色光a和b分别做单缝衍射实验,a光的中央亮纹更宽,C错误;由于a光频率低,因此用单色光a照射某金属恰好能发生光电效应,用单色光b照射该金属也一定能发生光电效应,D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $