内容正文:
第二讲 光 电磁波
考点一 光的折射 全反射
1.解决光的折射和全反射的思路
2.平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体对光路的控制特点
项目
平行玻璃砖
三棱镜
圆柱体(球)
光路图
对光线的
作用
通过平行玻璃砖的光线不改变传播方向,但会发生侧移
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,经过两次折射后向圆心偏折
学生用书⬇第78页
(2025·广东广州三模)我国研制的某型号光刻机中光投影简化如图所示,ABOC为某种透明介质的截面图,OCA为半径为R的四分之一圆,三角形ABO为等腰直角三角形,BO与水平面MBN垂直并接触于B点。一束单色光射向圆心O,与OA的夹角为α,当α=30°时,光线从O点射出,在水平面BM上B点左侧处形成亮斑D(图中未画出)。已知光在真空中的传播速度为c。(计算结果可以保留根号)
(1)求介质对这种光的折射率n及光在该介质中的传播速度v;
(2)当α=45°时,求光线在MBN面形成的亮斑F与D间的距离x。
审题指导:
题眼点拨
(1)α=30°时,光线从O点射出→画出光路图,计算折射率和传播速度
(2)α=45°时,判断是否发生全反射→画出光路图,计算F点的位置
答案:(1) (2)R
解析:(1)当α=30°时,光路图如图所示,出射光线与OB夹角为θ,由几何关系得OB=R,tan θ=
解得θ=30°
由折射定律得n=
解得n=
传播速度v==。
(2)设临界角为θC,光路图如图中虚线所示,有
sin θC==
当α=45°时,α>θC
故在BC面发生全反射,并垂直AB出射打在F点
由几何关系得x=OBtan 45°+DB=R。
(2025·山西临汾二模)光屏P竖直放置,直线OO1与光屏垂直,用激光笔沿与OO1方向成45°角的AB方向照射光屏,光屏上C处有激光亮点。此时在光屏前竖直放置厚度为d的平板玻璃,激光亮点从光屏上的C点移动到D点(未画出),CD间距为。已知光在真空中传播的速度为c。
(1)求该玻璃的折射率;
(2)由于放入平板玻璃,光到达光屏的时间改变了多少?
审题指导:
题眼点拨
(1)放入平板玻璃后→出射光线与入射光线平行,只是发生侧移
(2)画出两种情况的光路图→利用几何知识计算光传播的距离和时间
答案:(1) (2)
解析:(1)光通过平板玻璃折射后出射光线与入射光线平行,过D点作DM∥CN,完成光路图如图所示
由几何关系可得NE=BE=d,ME=NE-MN=NE-CD=,BM==d
所以sin ∠MBE==
根据折射定律可得n==。
(2)没有平板玻璃时,从左界面到右界面所需时间为t1==
放上平板玻璃时,从左界面到右界面所需时间为t2=,v==c
解得t2=
所以Δt=t2-t1=。
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预测.(2025·广东深圳二调) 2025年第九届亚洲冬季运动会在哈尔滨举行,开幕式上的“冰灯启梦”表演蔚为壮观,如图甲。现设计了一款用某种材料制作的正方体“冰灯”,俯视如图乙所示,是一个边长为L=20 cm的正方形,中心O处有一点光源。对该正方形所在平面内的光线进行研究,发现每条边上只有长度d=15 cm范围内有光线射出。sin 37°=0.6,sin 8°=,不计二次反射、折射。求:
(1)该材料的折射率是多少?
(2)如图丙所示,将点光源换成球形线光源,置于正方形几何中心,线光源上每一点都可以看作点光源。要让四条边上各处均有光线射出,线光源的最小半径r是多少?
答案:(1)1.67 (2)2 cm
解析:(1)沿OA方向传播的光线在A点恰好发生全反射,如图1所示
根据几何关系可得sin C==0.6
根据临界角与折射率的关系可得
n==≈1.67。
(2)光线沿DE方向传播时恰好发生全反射,则正方形各边所有地方将均有光射出,如图2所示
由于α=45°,β=C=37°
所以α-β=8°
在直角三角形ODE中,有sin (α-β)=
解得r=2 cm。
考点二 光的波动性 电磁波
1.光的波动性
2.理解光的衍射和干涉问题的几个要点
(1)光发生明显的衍射现象是有条件的。
(2)两列光波发生稳定干涉的条件:光的频率相等,相位差恒定。
(3)双缝干涉条纹间的距离公式:Δx=λ。
(4)双缝干涉产生明、暗条纹的条件
对于两个振动情况相同的光源,在空间某点:
①产生明条纹的条件为Δx=nλ (n=0,1,2,…);
②产生暗条纹的条件为Δx=nλ+ (n=0,1,2,…)。
注意:对于两个振动情况相反的光源,上述条件正好相反。
(2024·黑吉辽高考)某同学自制双缝干涉实验装置,在纸板上割出一条窄缝,于窄缝中央沿缝方向固定一根拉直的头发丝形成双缝,将该纸板与墙面平行放置,如图所示,用绿色激光照双缝,能在墙面上观察到干涉条纹,下列做法可以使相邻两条亮纹中央间距变小的是
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A. 换用更粗的头发丝
B. 换用红色激光照双缝
C. 增大纸板与墙面的距离
D. 减小光源与纸板的距离
答案:A
解析:由Δx=λ,可知换用更粗的头发丝,双缝间距d 变大,则相邻两条亮纹中央间距Δx 变小,故A正确;换用红色激光照双缝,波长变长,则相邻两条亮纹中央间距Δx 变大,故B错误;增大纸板与墙面的距离l,则相邻两条亮纹中央间距Δx 变大,故C错误;减小光源与纸板的距离,不会影响相邻两条亮纹中央间距Δx,故D错误。故选A。
母题变式1.附有肥皂膜的铁丝圈竖直放置于单色线性光源一侧,肥皂膜的纵截面形状如图所示,则从光源一侧顺着入射光线看到的图样可能是
答案:D
解析:薄膜干涉是光照射到薄膜上时,薄膜前后表面反射的两列光相叠加,发生干涉现象,同一条亮条纹或暗条纹对应的薄膜厚度相等,所以条纹是水平的,A、B错误;从上往下,肥皂膜厚度随高度的变化率越来越大,条纹间距越来越窄,C错误,D正确。故选D。
母题变式2.用立体影院的特殊眼镜去观看手机液晶屏幕,左镜片明亮,右镜片暗,现在将手机屏幕旋转90°,会观察到
A.两镜片都变亮
B.两镜片都变暗
C.两镜片没有任何变化
D.左镜片变暗,右镜片变亮
答案:D
解析:用立体影院的特殊眼镜去观看手机液晶屏幕,左镜片明亮,右镜片暗,说明左镜片偏振片的透振方向和光的偏振方向近似相同,右镜片偏振片的透振方向和光的偏振方向近似垂直,当手机屏幕旋转90°后,左镜片偏振片的透振方向与光的偏振方向近似垂直,则左镜片变暗,右镜片偏振片的透振方向与光的偏振方向近似相同,则右镜片变亮。故选D。
(多选)下列说法正确的是
A.根据爱因斯坦的相对论可判断物体的质量与运动快慢无关
B.在电磁波接收过程中,使声音信号或图像信号从高频电流中还原出来的过程叫作调制
C.偏振光的振动方向与偏振片的透振方向的夹角从0°增大到90°的过程中,透过的光的强度越来越弱
D.赫兹在实验中发现,当电磁波到达导线环时,它在导线环中激发出感应电动势,使得导线环的空隙中产生火花,由此证实了电磁波的存在
答案:CD
解析:根据爱因斯坦的相对论可判断物体的质量与运动快慢有关,A错误;在电磁波接收过程中,使声音信号或图像信号从高频电流中还原出来的过程叫作解调,B错误;偏振光的振动方向与偏振片的透振方向的夹角从0°增大到90°的过程中,透过的光的强度越来越弱,C正确;麦克斯韦预言了电磁波的存在,赫兹用实验证实了电磁波的存在,赫兹在实验中发现,当电磁波到达导线环时,它在导线环中激发出感应电动势,使得导线环的空隙中产生火花,由此证实了电磁波的存在,D正确。故选CD。
考点三 光的折射、全反射与波动性的综合
1.各种色光的比较
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
同一介质中的速度
大→小
同一介质中的波长
大→小
同一介质中临界角
大→小
通过同一棱镜的偏折角
小→大
2.对光的色散的理解
(1)在同一介质中,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=(λ0为光在真空中的波长)可知,光的频率越高,在介质中的波长越短,波速越小,但光的频率不变。
(多选)(2025·福建宁德三模)如图,在研究Low-e玻璃(低辐射玻璃)光学性能实验中,一束复色光以45°角入射玻璃表面,经Low-e玻璃折射后射出两条平行光a、b,下列说法中正确的是
A.a光的折射率大于b光
B.a光在玻璃中的传播速度大于b光
C.a、b两束单色光通过同一单缝,a光的衍射现象更明显
D.a、b两束单色光通过同一装置发生双缝干涉时,b光产生的干涉条纹间距较大
答案:AD
解析:根据折射定律,入射角相同时,a光的折射角较小,可知a光的折射率大于b光,A正确;根据v=可知,a光在玻璃中的传播速度小于b光,B错误;b光折射率较小,则频率较小,波长较长,则a、b两束单色光通过同一单缝,b光的衍射现象更明显,C错误;根据Δx=λ,因b光的波长较长,可知a、b两束单色光通过同一装置发生双缝干涉时,b光产生的干涉条纹间距较大,D正确。故选AD。
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预测.如图,半圆是一宝石的横截面,MN 是其直径,P 是圆弧上的一点。在横截面所在的平面,一束光自P点射入宝石,折射为 a、b两束单色光。 下列说法正确的是
A.宝石对a光的折射率比对b光的折射率大
B.在宝石中a光的传播速度比b光的传播速度大
C.若仅增大光在P点的入射角,a光先在MN上发生全反射
D.用同一双缝干涉装置做实验,a光的干涉条纹间距比b光的干涉条纹间距小
答案:B
解析:由题图可知,光线b的偏折程度大于光线a的偏折程度,可知宝石对a光的折射率比对b光的折射率小,故A错误;根据v=,由于宝石对a光的折射率比对b光的折射率小,则在宝石中a光的传播速度比b光的传播速度大,故B正确;若仅增大光在P点的入射角,因光线a射到MN时的入射角总小于在P点的折射角,光线a射到MN上的入射角不可能达到临界角,则a光不可能在MN上发生全反射,故C错误;a光的折射率较小,则频率较小,波长较长,根据Δx=λ,可知用同一双缝干涉装置做实验,a光的干涉条纹间距比b光的干涉条纹间距大,故D错误。故选B。
1.生活情境类
(2025·北京高考)下列现象属于光的衍射的是
A.雨后天空出现彩虹
B.通过一条狭缝看日光灯观察到彩色条纹
C.肥皂膜在日光照射下呈现彩色
D.水中的气泡看上去特别明亮
答案:B
解析:雨后彩虹是阳光在雨滴中发生折射、反射形成的,属于光的色散现象,故A不符合题意;通过一条狭缝观察日光灯出现彩色条纹,是光绕过狭缝边缘产生的衍射现象,故B符合题意;肥皂膜彩色条纹是光在薄膜前后表面反射后发生干涉形成的,属于薄膜干涉,故C不符合题意;水中气泡明亮是由于光从水进入气泡时发生全反射,使得更多光线进入人眼,故D不符合题意。故选B。
2.实验探究类
(2025·广东高考)如图为测量某种玻璃折射率的光路图。某单色光从空气垂直射入顶角为α的玻璃棱镜,出射光相对于入射光的偏转角为β,该折射率为
A. B.
C. D.
答案:A
解析:光路图如图所示,则由折射定律可得n=。故选A。
3.科技情境类
(2024·广东高考)如图所示,红、绿两束单色光,同时从空气中沿同一路径以θ角从MN面射入某长方体透明均匀介质。折射光束在NP面发生全反射,反射光射向PQ面。若θ逐渐增大,两束光在NP面上的全反射现象会先后消失。已知在该介质中红光的折射率小于绿光的折射率。下列说法正确的是
A.在PQ面上,红光比绿光更靠近P点
B.θ逐渐增大时,红光的全反射现象先消失
C.θ逐渐增大时,入射光可能在MN面发生全反射
D.θ逐渐减小时,两束光在MN面折射的折射角逐渐增大
答案:B
解析:红光的频率比绿光的频率小,则红光的折射率小于绿光的折射率,在MN面,入射角相同,根据折射定律n=,可知绿光在MN面的折射角较小,根据几何关系可知在PQ面上绿光比红光更靠近P点,故A错误;根据全反射发生的临界条件sin C=,可知红光发生全反射的临界角较大,θ逐渐增大时,折射光线与NP面的交点左移过程中,在NP面的入射角先小于红光发生全反射的临界角,所以红光的全反射现象先消失,故B正确;在MN面,光是从光疏介质到光密介质,无论θ多大,在MN面都不可能发生全反射,故C错误;根据折射定律n=,可知θ逐渐减小时,两束光在MN面折射的折射角逐渐减小,故D错误。故选B。
4.实验探究类
(2023·福建高考)如图,一教师用侧面开孔的透明塑料瓶和绿光激光器演示“液流导光”实验。瓶内装有适量清水。水从小孔中流出后形成了弯曲的液流。让激光水平射向小孔,使光束与液流保持在同一竖直平面内,观察到光束沿着弯曲的液流传播。下列操作中,有助于光束更好地沿液流传播的是
A.减弱激光强度
B.提升瓶内液面高度
C.改用折射率更小的液体
D.增大激光器与小孔之间的水平距离
答案:B
解析:若想使激光束完全被限制在液流内,则应使激光在液流内发生全反射现象,根据全反射发生的临界条件n=,可知应该增大液体的折射率或增大激光束的入射角。减弱激光的强度,激光的入射角、液体的折射率均不会改变,故A错误;提升瓶内液面的高度,会造成开口处压强增大,则水流的速度增大,水流得更远,进而增大了激光束的入射角,则会有大部分光在界面处发生全反射,有助于光束更好地沿液流传播,故B正确;若改用折射率更小的液体,临界角变大,更不容易发生全反射,故C错误;增大激光器与小孔之间的水平距离,不能改变液体的折射率或激光束的入射角,故D错误。故选B。
专题集训(十九) 光 电磁波
(时间:45分钟 满分:60分)
(本栏目内容,在学生用书中以独立形式分册装订!)
(选择题1-7题,每题5分,共35分)
1.(2025·山东高考)用如图所示的装置观察光的干涉和偏振现象。狭缝S1、S2关于OO'轴对称,光屏垂直于OO'轴放置。将偏振片P1垂直于OO'轴置于双缝左侧,单色平行光沿OO'轴方向入射,在屏上观察到干涉条纹,再将偏振片P2置于双缝右侧,P1、P2透振方向平行。保持P1不动,将P2绕OO'轴转动90°的过程中,关于光屏上的干涉条纹,下列说法正确的是
A.条纹间距不变,亮度减小
B.条纹间距增大,亮度不变
C.条纹间距减小,亮度减小
D.条纹间距不变,亮度增大
答案:A
解析:根据干涉条纹间距公式Δx=λ可知,当P2旋转时,l、d、λ均不变,故条纹间距不变;随着P2的旋转,透过P2的光强在减小,干涉条纹的亮度减小。故选A。
2.(2025·河南高考)折射率为的玻璃圆柱水平放置,平行于其横截面的一束光线从顶点入射,光线与竖直方向的夹角为45°,如图所示。该光线从圆柱内射出时,与竖直方向的夹角为(不考虑光线在圆柱内的反射)
A.0° B.15°
C.30° D.45°
答案:B
解析:设光线射入圆柱体时的折射角为θ,根据折射定律可知n=,解得θ=30°,作出光路图如图所示,根据几何关系可知光线射出圆柱体时的入射角i=θ=30°,则法线与竖直方向的夹角α=θ+i=60°,根据折射定律可知n=,解得光线射出圆柱体时的折射角r=45°,光线从圆柱体内射出时,与竖直方向的夹角为β=α-r=15°。故选B。
3.(2025·广东佛山二模)如图甲,婚庆公司因装饰,在玻璃砖下安装一个圆形红光灯盘。简化为如图乙,红光灯盘直径为d,灯面到砖顶面的距离均为h。已知红光在玻璃砖中的折射率为,砖面面积远大于灯盘的面积。则有
A.红光灯盘在砖面上的发光区域的半径为d
B.红光灯盘在砖面上的发光区域的半径为(h+d)
C.若改为绿光灯盘,则发光区域的半径小于(h+)
D.若改为绿光灯盘,则发光区域的半径为(h+d)
答案:C
解析:如图所示,设红光的临界角为C,则sin C==,所以C=45°,所以x=h,由此可知,红光灯盘在砖面上的发光区域的半径为(h+),故A、B错误;绿光在玻璃砖中的折射率大于红光,故临界角比红光小,x将小于h,则绿光灯盘在砖面上的发光区域的半径小于(h+),故C正确,D错误。故选C。
4.(2025·山东威海三模)如图所示,将一个玻璃圆台放置在一块平面玻璃上,圆台的纵截面为等腰梯形。让红光垂直圆台的上表面入射,从上向下观察,可以看到明暗相间的同心圆环状条纹。下列说法正确的是
A.环状条纹是圆台上表面和侧面的反射光叠加形成的
B.从圆心向外环状条纹越来越稀疏
C.改用紫光入射,条纹间距变小
D.用同一单色光入射,圆台侧面与玻璃平面的夹角越小,条纹间距越小
答案:C
解析:这些同心圆环状条纹本质上是圆台侧面与下面平面玻璃之间所形成的一种“薄膜干涉”现象,而非由圆台上表面与侧面的反射光叠加所致,故A错误;由于截面为等腰梯形,所以条纹间距为等间距,而不是从圆心向外环状条纹越来越稀疏,故B错误;干涉条纹的间距与光的波长成正比,紫光波长比红光短,改用紫光时条纹间距变小,故C正确;在同一单色光下,若圆台与平面玻璃的夹角变小,则干涉空隙增厚得更缓慢,条纹在水平方向上拉得更开,间距增大,故D错误。故选C。
5.(2025·江苏南京二模)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:a光的偏折程度比b光的偏折程度小,因此宝石对a光的折射率比b光的小,A错误;由v=可知,a光在宝石中的传播速度比b光在宝石中的传播速度大,B正确;b光从空气进入宝石,频率不变,C错误;由sin C=可知,a光的临界角大于b光的临界角,逐渐减小斜射到AB面上的入射光束的入射角,从CO面射出的光束中b光先消失,D错误。故选B。
6.(2025·四川成都三模)如图所示,BCD为一直角三角形棱镜的截面,∠C=60°,棱镜的折射率为,P为垂直于直线BC的光屏,现有一激光器从A点由静止自由下落到桌面O点,整个下落过程中从激光器发出的光束始终平行于BC边,经棱镜折射后在屏P上形成一个移动的光斑,已知A点距离BC桌面高度h,若真空中光速为c,当地重力加速度为g,忽略光到屏的传播时间,则下列说法正确的是
A.激光束在棱镜上的CD边上会发生全反射
B.激光束在棱镜中传播的速度等于c
C.光斑在屏P上移动的距离为h
D.光斑在屏P上移动的平均速度
答案:D
解析:设全反射临界角为θ,则sin θ==,激光束从棱镜上CD边射向空气时的入射角为r=30°,sin r=,全反射临界角θ大于入射角r,不会发生全反射,故A错误;由n=得v==c,故B错误;设高度h对应的棱镜斜边长度为l,光斑在屏P上移动的距离为d,则由数学知识可得sin 60°=,l=2dcos 30°,联立可得d=h,故C错误;设激光器下落时间为t,则由自由落体运动知识可得h=gt2,光斑在屏P上移动的平均速度=,联立解得=,故D正确。故选D。
7.(2025·浙江温州三模)如图1所示,将一圆形线状光源水平放置在足够大的平静水面下,线状光源可以发出红光。通过支架(图中未画出)可以调节光源到水面的距离h,随着h变化,在水面上会看到不同形状的发光区域。已知圆形线状光源的半径为R=0.9 m,水对红光的折射率为n=,下列说法正确的是
A.h越大,水面上的发光区域面积越小
B.h=1 m时,水面上的发光区域会呈现类似图2所示的圆环形状
C.当h= m时,水面上的发光区域面积为4.41π m2
D.当h= m时,水面上亮环与暗圆的面积之比为4∶1
答案:C
解析:设亮环最外圈的半径为r1,暗圆的半径为r2,其光路图如图所示,
设临界角为C,则有sin C==,根据几何关系可知r2=R-htan C,r1=R+htan C,所以发光面积为S=π-π=4πRhtan C,所以h越大,水面上的发光区域面积越大,故A错误;当h=1 m时,r2=R-htan C=(0.9-) m<0,即此时中心区域全部被照亮,不存在暗圆,故B错误;当h= m时,r2=R-htan C=-0.3 m<0,所以中心不存在暗圆,其中r1=R+htan C=2.1 m,水面上的发光区域面积为S'=π=4.41π m2,故C正确;当h= m时,r2=R-htan C=0.6 m,r1=R+htan C=1.2 m,暗圆面积S2=π,亮环面积S1=π-π,水面上亮环与暗圆的面积之比为==,故D错误。故选C。
8.(12分)(2025·广东湛江二模)某同学做了如下实验:让水槽底部一光源S发出一条与水面夹角为60°的光线,在紧靠水槽的光屏上的A点出现光斑。该过程的光路如图(a)所示,O点为光线与水面的交点,B点为水面与水槽壁的交点,已知AB=OB。现将一薄壁空玻璃杯倒扣住光源并静置于水中,由于气压原因导致玻璃杯中的水面低于水槽中的水面,如图(b)所示,发现光屏上的斑点消失,玻璃杯厚度忽略不计。
(1)求水的折射率;
(2)请在图(b)中作出光路图并论证斑点为何会消失。
答案:(1) (2)见解析
解析:(1)由几何知识可知,未倒扣玻璃杯时光线从水进入空气时的入射角θ=30°,折射角i=45°
由折射定律可得n=
解得n=。
(2)如图所示,倒扣玻璃杯后光线在杯中水面发生折射,折射角i=45°
折射光线在玻璃杯壁处发生第二次折射,有=n
解得θ1=30°
再次进入水中的光线到达水槽液面时,入射角为60°
由于光在水中的临界角满足sin C=
解得C=45°
故光线在水槽液面处发生全反射,光线无法射出水面,故光屏上无光斑。
9.(13分)(2025·广东广州二模)将装有透明液体的长方体容器(器壁厚度不计)平放在水平桌面上,液体的水平截面ABCD如图所示。激光笔发出的激光从AB边O点水平入射,调整入射角,当反射光线与折射光线垂直时,折射光线交BC边于E点。已知O到BC的距离x1=0.27 m,E到AB的距离x2=0.36 m,光在空气中传播速度c=3.0×108 m/s。求:
(1)该液体的折射率;
(2)该激光从O到E的传播时间。
答案:(1) (2)2×10-9 s
解析:(1)由几何关系得入射角的正弦
sin i=sin ∠BOE=,
折射角的正弦sin r=sin ∠BEO=
该液体折射率n===。
(2)激光在该液体中的传播速度为v==
由几何关系可知激光在液体中的传播距离为
OE=
则激光在液体中传播时间t=
联立解得激光在液体中传播时间为t=2×10-9 s。
学生用书⬇第82页
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