第一零九中学2013年高考物理二轮专题复习 光学教案

黑龙江省哈尔滨市第一零九中学2013年高考物理二轮专题复习 光学教案一、光的传播1．折射和全反射 折射定律的各种表达形式：021sin 1sin sin C v c n ===θθ (θ1为入、折射角中的较大者。

)当光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于临界角C 时，发生全反射。

2．各种色光性质比较可见光中，红光的折射率n 最小，在同种介质中（除真空外）传播速度v 最大，从同种介质射向真空时发生全反射的临界角C 最大，以相同入射角在介质间发生折射时的偏折角最小（注意区分偏折角和折射角）。

3．棱镜对光的偏折作用一般所说的棱镜与其周围的介质相比，都是光密介质。

入射光线经三棱镜两次折射后，射出方向与入射方向相比，向底边偏折。

（若棱镜的折射率比棱镜外介质的折射率小，则向顶角偏折。

）这里所说的底边是指入射光线和射出光线都没有经过的那一边；顶角则是指底边所对的角。

由于各种色光的折射率不同，一细束复色光经三棱镜折射后将发生色散现象（红光偏折最小，紫光偏折最大。

入射光在第一次发生折射时发生色散，第二次折射时不再发生色散。

）本实验证明同种介质对红光的折射率最小，对紫光折射率最大。

例1．如图所示，一细束红光和一细束蓝光平行射到同一个三棱镜上，经折射后交于光屏上的同一个点M ，若用n 1和n 2分别表示三棱镜对红光和蓝光的折射率，下列说法中正确的是 A ．n 1<n 2，a 为红光，b 为蓝光 B ．n 1<n 2，a 为蓝光，b 为红光C ．n 1>n 2，a 为红光，b 为蓝光D ．n 1>n 2，a 为蓝光，b 为红光解：由图可知，b 光线经过三棱镜后的偏折角较小，因此折射率较小，是红光。

选B4．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。

选择适当的入射点和入射角，可以使入射光线经过全反射棱镜的作用在射出后偏转90º或180º。

要特别注意两种用法中光线在哪个表面发生全反射。

5．玻璃砖所谓玻璃砖一般指横截面为矩形的棱柱。

当光线从上表面入射，从下表面射出时，其特点是：⑴射出光线和入射光线平行；⑵各种色光在第一次入射时发生色散（第二次折射不再色散）；⑶射出光线的侧移y （入射线和射出线间的距离）与折射率、入射角、玻璃砖的厚度有关；⑷可利用玻璃砖测定玻璃的折射率。

例2．如图所示，两细束平行的单色光a 、b 射向同一块玻璃砖的上表面，然后从玻璃砖的下表面射出。

已知玻璃对单色光a 的折射率较小，那么下列说法中正确的有A ．进入玻璃砖后两束光仍然是平行的B ．从玻璃砖下表面射出后，两束光不再平行C ．从玻璃砖下表面射出后，两束光之间的距离一定减小了D ．从玻璃砖下表面射出后，两束光之间的距离可能和射入前相同解：进入时入射角相同，折射率不同，因此折射角不同，两束光在玻璃内不再平行，但从下表面射出时仍是平行的。

射出时两束光之间的距离根据玻璃砖的厚度不同而不同，在厚度从小到大变化时，该距离先减小后增大，有可能和入射前相同（但这时左右关系发生改变）。

选D例3． 如图所示，用透明材料做成一长方体形的光学器材，要求从上表面射入的光线能从右侧面射出，那么所选的材料的折射率应满足的条件是A ．折射率必须大于2B ．折射率必须小于2C ．折射率可取大于1的任意值D ．无论折射率是多大都不可能解：从图中可以看出，为使上表面射入的光线经两次折射后从右侧面射出，θ1和θ2都必须小于临界角C ，即θ1<C ，θ2<C ，而θ1+θ2=90°，故C >45°，2sin 1<=Cn ，选B 6．圆柱形玻璃体光线射到圆柱形界面，法线是过入射点的半径。

这点在作图中必须特别注意，一定要先将法线准确地画出来，然后再进行分析。

例4．如图所示，平行单色光以45º的入射角，射到横截面为半圆形玻璃砖的上表面AB 上。

横截面的半径为R ，折射率为2。

试判断半圆弧AB 上有光线射出的区域的长度。

解：光线从AB 入射后的折射角是30º，但到达半圆弧AB 上各点时的入射角θ是各不相同的。

过圆心O 的入射光线到达圆弧时的入射角为0º，入射点越远离O ，到圆弧时的入射角越大，当θ大于临界角45º时，将发生全反射而不能射出。

对应的α=15º，β=75º，因此有光线射出的区域长πR /2。

7．光导纤维利用光的全反射，可制成光导纤维。

光从光导纤维一端射入后，在传播过程中经过多次全反射，最终从另一端射出。

由于发生的是全反射，因此传播过程中的能量损耗非常小。

用光导纤维传输信息，既经济又快捷。

例5．如图所示，一条长L =500m 的光导纤维用折射率为n =2的材料制成。

一细束激光由其左端的中心点以i =45º的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出。

求：⑴该激光在光导纤维中的速度v 是多大？⑵该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少？ 解：⑴由v c n =得v =2.1×108m/s ；⑵由ri n sin sin =得 A B O θ θ α β C D θ1 θ2 i a b折射角r =30º，因此光在光导纤维中传输通过的总路程为577cos ==r L s m ，经历的时间==v s t 2.7×10-6s 。

二、光的干涉和衍射关于光的本质，17世纪形成了两种学说：牛顿主张的微粒说和惠更斯主张的波动说。

两种学说都能解释一些光现象，但都不能解释所有光现象（波动说不能解释光的直进，微粒说不能解释光射到两种介质界面同时发生折射和反射）。

19世纪初，在实验中观察到了光的干涉和衍射现象，证明了波动说的正确性；19世纪60年代，麦克斯韦提出了光的电磁说，并被赫兹实验所证明，使波动说取得重大成功；19世纪末发现光电效应现象用波动说无法解释，20世纪初爱因斯坦提出光子说，认为光具有粒子性，解释了光电效应；现在人们认识到：光既具有波动性又具有粒子性，即光具有波粒二象性。

1．光的干涉发生光的干涉的条件是有两个振动情况总是相同的波源，即相干波源。

形成相干波源的方法有两种：⑴利用激光（因为激光发出的是单色性、平行度极好的光）。

⑵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）。

下面分别是利用双缝、利用肥皂膜、利用平面镜形成相干光源的示意图。

2．干涉区域内的亮、暗纹 在两列波都能到达的区域，叠加后加强（亮纹）和减弱（暗纹）的充分必要条件分别是： ⑴亮纹：屏上某点到双缝的光程差δ等于波长的整数倍，即δ= n λ（n=0，1，2，……） ⑵暗纹：屏上某点到双缝的光程差δ等于半波长的奇数倍，即δ=)12(2+n λ（n=0，1，2，……）在空间，以上亮纹和暗纹的集合都是若干组双曲线。

设双缝间距离为d ，屏到双缝距离为l ，屏上某点到中心点距离为x ，在l >>d 和l >>x 的条件下，相邻亮纹或相邻暗纹间的距离Δx 可以认为是相等的。

理论推导和实验检测都证明：相邻亮纹（暗纹）间的距离λdl x =∆3．公式λd l x =∆的应用 ⑴利用此公式可以测定单色光的波长。

⑵用同一双缝干涉装置做实验，红光Δx 最大，紫光Δx 最小。

由此可知红光的波长最大。

由于各种色光在真空中的传播速度是相同的，本实验证明可见光中红光的频率最低。

⑶用白光作双缝干涉实验时，由于白光中各种色光的波长不同，干涉条纹间距不同，所以屏的中央是白色亮纹，两边出现彩色条纹，其中最靠近中央白色亮纹的是紫色亮纹。

S 2S 1 d l x S 1 S 2 S b S S ´例6．用绿光做双缝干涉实验，在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹，相邻两条绿条纹间的距离为Δx 。

下列说法中正确的有A ．如果增大单缝到双缝间的距离，Δx 将增大B ．如果增大双缝之间的距离，Δx 将增大C ．如果增大双缝到光屏之间的距离，Δx 将增大D ．如果减小双缝的每条缝的宽度，而不改变双缝间的距离，Δx 将增大 解：公式λdl x =∆中，l 表示双缝到屏的距离，d 表示双缝之间的距离。

因此Δx 与单缝到双缝间的距离无关，与单缝、双缝中每条缝本身的宽度也无关。

本题选C 。

例7．用太阳光照射竖直放置的肥皂膜，观察肥皂膜的反射光，将会看到彩色条纹。

关于这些彩色条纹的说法中正确的有A ．所看到的彩色条纹是光的色散形成的B ．所看到的彩色条纹的每一条亮线都是竖直线C ．每一组完整的彩色亮线中，都是紫光在最上方D ．每一组完整的彩色亮线中，都是红光在最上方解：这是光的干涉现象，不是由色散引起的；竖直放置的肥皂膜从上到下厚度逐渐增大，在同一水平高度，膜的厚度是相同的，因此每一条亮线都是水平的；薄膜干涉出现亮纹的条件是同一束入射光在薄膜前后两个表面分别反射后的光程差δ等于波长λ的整数倍。

在入射光接近垂直于薄膜表面入射的情况下，光程差是由薄膜的厚度决定的，竖直放置的肥皂膜从上到下厚度逐渐增大，光程差也逐渐增大。

由于紫光波长最短，因此每一组亮线中总是紫光的光程差先达到波长整数倍，也就是紫光的亮线在最上方。

本题选C 。

例8．如图是用干涉法检查平面的平整程度的示意图。

其中AB 是透明的标准样板，CD 是被检查的平面。

用单色光从上面竖直地照射下来， 从AB 上方观察到有明暗相间的条纹。

这是由两束反射光叠加形成的。

下列说法中正确的是A ．两束反射光分别是从AB 的上表面和AB 的下表面反射的B ．两束反射光分别是从AB 的上表面和CD 的上表面反射的C ．两束反射光分别是从AB 的下表面和CD 的上表面反 D ．如果将右边BD 间垫的薄片再变薄些，观察到相邻亮纹间的距离将减小解：AB 是等厚的透明样板，CD 是不透明的，发生干涉的是两者之间的空气膜。

本题选C 。

薄片变薄后，在同一位置，两束反射光的光程差变小，因此相邻亮纹间的距离应增大。

这里看到的亮纹（暗纹）实际上是下方空气膜的等厚线。

如果亮纹是均匀分布的直线，说明被检测平面是平整的；上图中，如果某些亮纹（暗纹）向左端弯曲，说明该处有凹陷；向右端弯曲，说明该处有突起。

4．增透膜摄影机、照相机的光学镜头、潜水艇的潜望镜等，都是由许多透镜和棱镜组成的，光进入这些装置时，在每个镜面上都有一部分光被反射，使得通过装置的光强度减弱，造成所成像的亮度不够。

为解决这个问题，可以利用光的干涉，在镜面涂上一层厚度适当的透明薄膜，该膜的厚度等于入射光在薄膜中波长的1/4。

这样，从膜的前后两个表面反射的光，光程差恰好等于半个波长，因而叠加后互相抵消，减弱了反射光的强度，使透射光的强度得以增大。

这种膜叫增透膜。

一般情况下入射光是白光，其中各种色光的波长是不同的。

因此在确定薄膜厚度时要使白光中人的视觉最敏感的绿光在垂直入射时完全抵消。