高三物理几何光学与物理光学通用版知识精讲

高三物理几何光学与物理光学通用版
【本讲主要内容】
几何光学与物理光学
本讲核心是研究光的传播规律和光的本质，即几何光学和物理光学。

【知识掌握】 【知识点精析】
1. 在同一种均匀介质中，光是沿直线传播的，光在真空中的速度s /m 103c 8⨯=。

小孔成像、影的形成都是光的直线传播的例证。

如果介质分布不均匀，光在传播过程中就会发生弯折，海市蜃楼现象就是例证。

2. 光的反射定律。

光传播到两种媒质的交界面上时，改变原来的传播方向又返回到原介质中传播，是反射现象。

光的反射遵守光的反射定律。

要正确熟练地掌握反射定律，能进行相关的计算，熟练地画出光路图。

平面镜成像是光的反射定律应用的生动实例，漫反射现象也严格遵守光的反射定律。

在反射现象中，光路是可逆的。

在有些问题中利用光路可逆，巧妙地把物点看成像点，或者把像点看成物点，对这些问题的解决是很有帮助的。

3. 平面镜成像。

要熟练掌握平面镜成像的特点，正确熟练地作出光路图。

能够确定成像的范围，并会应用平面镜来改变光束的传播方向。

4. 光的折射。

光传播到两种介质的界面上，有一部分光线改变原来的传播方向进入另一种介质中传播，这就是光的折射现象。

光的折射遵守折射定律。

入射角的正弦与折射角的正
弦之比是一个恒量，当光由真空射入介质中时，这个恒量就是介质的折射率，即v
c
r sin i sin n ==。

折射率n 反映出介质的光学性质，利用折射定律进行相关计算是几何光学中考核的重要内容。

在折射现象中光路也是可逆的，利用光路可逆的特性，可使一些问题的解决快捷、方便。

5. 全反射。

当光由光密介质射向光疏介质且入射角大于临界角时，就会发生全反射。

当光由介质射向真空时，临界角的计算公式是n
1
C sin =
，n 是介质的折射率。

自1999年开始，已经不要求利用这个公式进行有关临界角的计算，应着重于对全反射现象的认识和分析。

6. 三棱镜。

光线通过三棱镜后向底面偏折。

由于介质对不同色光的折射率不同，因而发生色散。

三棱镜是控制光路的光学器件，通过三棱镜看到的是物体的虚像。

7. 光导纤维。

利用全反射原理，传播光信号的媒介，了解一些简单应用，如通信、光缆、医学内窥镜等。

8. 了解光本性学说的发展简史，对光的本性有一个历史的、完整的认识。

关于光的本性，17世纪是牛顿支持的微粒说和惠更斯提出的波动说；光的干涉实验推动了光的波动说的发展；麦克斯韦的光的电磁说，把光的波动说发展到一个新的高峰；光电效应实验、爱因斯坦光量子假说又使人们在新的层次上认识到了光的粒子性，现在人们公认光具有波粒二象性。

9. 光的波动性。

光的干涉现象和衍射现象是光具有波动性的实验证明。

要通过观察实验现象，掌握干涉、衍射现象的一些特点和发生干涉、衍射现象的条件，及干涉、衍射现象的一些应用。

（1）光的干涉。

要掌握以下几个要点：
①产生光的干涉的条件：两束频率相同的光才可能是相干光。

托马斯·杨巧妙地用双缝把一束光分解成两束相干光，成功地完成了光的干涉实验。

②光的干涉图样。

用白光进行干涉实验，屏中央是白光亮纹，两侧是彩色干涉条纹；用单色光进行干涉实验，屏上是等间距、明暗相间的条纹；条纹间距与色光的波长有关，波长越长间距越大，条纹越宽。

③明纹暗纹的解释。

双缝到屏上某点的距离之差是光的波长的整数倍时，则该点出现亮纹。

若双缝到屏上某点距离之差是光的半波长的奇数倍时，则该点出现暗纹。

④薄膜干涉。

一束光经薄膜的两个表面反射后形成两束反射光，这两束反射光形成干涉现象。

会解释肥皂泡和水面上油膜出现彩色的现象，知道照相机镜头上应用增透膜的道理。

（2）光的衍射。

光在传播过程中遇到障碍物时，偏离原来的直线传播路径，绕到障碍物后面继续传播的现象叫光的衍射。

要掌握以下要点：
①发生明显衍射的条件：光遇到任何障碍物都要发生衍射，但要产生明显衍射，障碍物或小孔的尺寸应与光波波长差不多。

②单缝衍射的图样。

白光单缝衍射形成的图样，屏中间是亮且宽的白色条纹，两侧是暗且窄的彩色条纹；单色光的单缝衍射图样，屏中间是亮且宽的条纹，两侧是明暗相间的条纹，且亮度与宽度逐渐衰减。

（3）光的偏振。

光在某一方向上振动最强。

光的偏振现象证明光具有横波特性。

10. 光的电磁说。

麦克斯韦提出了光的电磁说，赫兹用实验验证了电磁说的正确性。

光的电磁说应主要掌握以下要点：
（1）频率由小到大排列的电磁波谱：无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线。

（2）频率不同的电磁波有不同的作用效果，如红外线主要是热作用，γ射线穿透本领最强等。

（3）波长长的电磁波波动性显著，如无线电波易于发生干涉、衍射等现象；波长短的电磁波粒子性突出，如紫外线易于使金属发生光电效应。

（4）不同频率的电磁波产生的机理不同。

（5）光谱和光谱分析。

光谱分发射光谱和吸收光谱两类。

发射光谱又分连续光谱和明线光谱。

要知道原子光谱、特征谱线的意义，以及利用特征谱线进行物质鉴定，即光谱分析。

11. 光的粒子性。

（1）光电效应：这是光的粒子性——光量子说的实验基础。

要明确光电效应的四条规律：存在着极限频率；光电子的最大初动能只与入射频率有关；瞬时性；逸出的光电子数与入射光的强度成正比。

并能用这四条规律判断有关的现象。

（2）爱因斯坦光量子说：光是一份一份地传播的，每一份的能量是hv
E=；用光量子说解释光电效应。

（3）爱因斯坦的光电方程：
ν
=
h
E k-
W
E——光电子的最大初动能νh——入射光子的能量W——逸出功k
（4）光电管的工作原理，这是光电效应的实际应用。

在注重应用型、能力型高考命题趋向中，要引起重视。

12. 光的波粒二象性。

光既具有波动性，又具有粒子性。

大量光子产生的效果往往显示出波动性，少数光子产生的效果往往显示出粒子性。

光的波粒二象性，既不能理解成宏观概念中的波，也不能把光子看作宏观概念中的粒子。

13. 激光。

人工相干光，平行度好、亮度高。

应用有：光纤通信，测距离，刻录信息，激光刀等。

【解题方法指导】
例1. （2003年春季全国，19）如图所示，一玻璃棱镜的横截面是等腰三角形abc ，其中ac 面是镀银的。

现有一光线垂直于ab 面入射，在棱镜内经过两次反射后垂直于bc 面射出。

则（ ）
A. ∠a=30°，∠b=75°
B. ∠a=32°，∠b=74°
C. ∠a=34°，∠b=73°
D. ∠a=36°，∠b=72°
答案：D
解析：设∠a=θ，∠b=α，依几何关系可得：︒=α+θ1802 ①
及α=θ2 ②
解①②式得︒=α︒=θ7236，，正确选项为D 。

注意，例1中的光路图没有法线，还要自己把法线补上，画好完整的光路图，然后再找角度关系，进行计算。

例2. （浙江）一束只含红光和紫光的复色光沿PO 方向射入玻璃三棱镜后分成两束并沿OM 和ON 方向射出，如图所示。

则（ ）
A. OM 为红光，ON 为紫色
B. OM 为紫色，ON 为红光
C. OM 为紫光，ON 为红、紫复色光
D. OM 为红光，ON 为红、紫复色光
答案：C
解析：因为黄紫n n >，故临界角黄紫C C <。

由图分析知，光线PO 的入射角恰好为黄光的临界角，经过界面时，部分黄光从OA 折射出，部分黄光和全部的紫光从OB 反射出，故C 正确。

方法指导：光从一种介质到另一种介质界面时，反射一定有，所以ON 是复色光。

从光密介质进入光疏介质时折射可能有，在比较两种光中哪种光可能折射，哪种光全反射时，用好推导关系，从红光→紫光，n 变大，这是实验结果，由n
1
C sin =知，n 大的，C 小，C 小的容易发生全反射。

可见光谱的一些物理量变化规律如下：
红、黄、橙、绿、蓝、靛、紫
n ：小−−
−−−−−−−−−→−大 ν（介质中）大−−
−−−−−−−−−→−小 C ：大−−−−−−−−−−−→−小 λ：大−−−−−−−−−−−→−小
ν：小−−−−−−−−−−−→−大
νh ：小−−−−−−−−−−−→−大
记住此规律，解题比较方便。

例3. 关于波动，下列说法正确的是（ ） A. 多普勒效应是声波特有的现象
B. 光的偏振现象说明光是一种纵波
C. 电子束通过某一晶体窄缝时可能产生衍射图样
D. 相同频率的声波与无线电波相遇，一定产生干涉现象
解析：多普勒效应是波所特有的现象，并不是声波特有的现象，所以A 错。

偏振现象是横波所特有的，所以B 错。

电子具有波动性，电子束通过某一晶体窄缝时可能会产生衍射图样，C 正确。

能够产生干涉现象的条件是两列波必须是同类别的相干波，D 错误。

答案：C
注意：干涉、衍射、偏振多普勒效应是所有波共同具有的特性。

【考点突破】
【考点指要】
1. 几何光学研究的是光线传播的规律，主要包括四条原理： ①光的直线传播规律；
②光的反射定律； ③光的折射定律； ④光路可逆原理。

其中的平面镜问题和不同色光的折射率、全反射、光导纤维等问题时常成为考点。

2. 光的本性考点主要是光的波动性、粒子性等知识的考查，与几何光学的综合也是考查重点内容之一。

另外近代物理光学的初步理论，以及建立这些理论的实验基础和一些重要物理现象。

例如光的干涉、光电效应等一直为高考命题的热点。

3. 2004年《考试大纲》中增加了“光导纤维”，在2004年和2005年的高考试题中均有涉及，此信息反映了近几年物理学科的命题倾向，本章内容紧密联系现代科技，体现新课程概念的知识点将有可能成为较高能级考试的背景知识。

4. 本部分内容高考年年必考，虽然难度不大，着重考查学生的识别、理解及应用能力。

对能力的要求只限于“理解能力”，题型多为选择题、填空题。

【典型例题分析】
例4. （2002年全国，19）如图所示，为了观察门外情况，有人在门上开一小圆孔，将一块圆柱形玻璃嵌入其中，圆柱体轴线与门面垂直。

从圆柱底面中心看出去，可以看到的门外入射光线与轴线间的最大夹角称作视场角。

已知该玻璃的折射率为n ，圆柱长为l ，底面半径为r ，则视场角是（ ）
A. 2
2
r n arcsin
l
l + B. 2
2
r nr arcsin
l
+
C. 2
2
r n r arcsin
l
+ D. 2
2
r n arcsin
l
l +
答案：B
解析：如图所示，2
2
r r sin l
+=
α
据
n sin sin =α
θ
所以2
2
r nr sin l
+=θ
故2
2
r nr arcsin
l
+=θ
即B 项正确。

注意：①画光路图
②利用好题中的信息：什么是视场角。

例5. （2004年北京，18）已知一束可见光a 是由m 、n 、p 三种单色光组成的。

检测发现三种单色光中，n 、p 两种色光的频率都大于m 色光；n 色光能使某金属发生光电效应，而p 色光不能使该金属发生光电效应。

那么，光束a 通过三棱镜的情况是（ ）
答案：A 解析：n 、p 色光的折射率比m 色光大，则n 、p 色光经过三棱镜的偏折程度大，而n 色光可以使某金属发生光电效应，p 色光不能，则n 色光的折射率比p 色光大，n 色光经过三棱镜的偏折程度比p 色光大，所以A 选项正确。

注意：n 是反应的偏折程度的物理量，由例2后的方法指导可知，m n ν>ν，m p ν>ν，
m p m n n n n n >>∴，。

n 光能使某金属发生光电效应，说明0n ν>ν，而0p n ν<。

m p n ν>ν>ν∴
m p n n n n >>∴，所以A 正确。

例6. 如图甲所示，在一块平板玻璃上放置一平凸薄透镜，在两者之间形成厚度不均匀的空气膜，让一束单一波长的光垂直入射到该装置上，结果在上方观察到如图乙所示的同心内疏外密的圆环状干涉条纹，称为牛顿环。

以下说法正确的是（ ）
A. 干涉现象是由于凸透镜下表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的
B. 干涉现象是由于凸透镜上表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的
C. 干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度不是均匀变化的
D. 干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度是均匀变化的
解析：薄膜干涉中的“薄膜”指的是两个玻璃面之间所夹的空气膜，故选项A 是正确的，B 是错误的。

两列波的光程差满足一定的条件：如两列波的光程差是半波长的偶数倍，形成明条纹；如两列波的光程差是半波长的奇数倍，形成暗条纹。

明暗条纹间的距离由薄膜
的厚度决定，膜厚度不均匀，则干涉条纹不等距，故选项C是正确的。

答案：AC
注意：理解薄膜干涉的原理。

【达标测试】
1、下列现象中属于光的干涉现象的是：
A、天空中出现的彩虹
B、阳光下肥皂泡呈现的彩色图样
C、阳光下明显变亮的水珠
D、从紧靠的两支铅笔缝中看到的彩色图样
2、在杨氏双缝干涉实验中，用白光照射单缝，而在其后的双缝处，一缝用红色玻璃挡住，另一缝用绿色玻璃挡住，则在屏上：
A、有红色的干涉条纹
B、有绿色的干涉条纹
C、有彩色的干涉条纹
D、没有干涉条纹
3、光产生明显衍射现象的条件是：
A、障碍物的尺寸比光的波长大得多
B、障碍物的尺寸与光的波长相差不多
C、障碍物的尺寸必须远小于光的波长
D、障碍物的尺寸与光的波长无关
4、用单色光做实验时，下列现象中一定不能发生的是：
A、光的干涉现象
B、光的色散现象
C、光的衍射现象
D、光电效应现象
5、太阳光通过三棱镜时，在竖直光屏上出现如图所示的光谱，将灵敏温度计放在屏上AB、BC和CD区域时，温度计升得最高的区域是：
A、AB区域
B、BC区域
C、CD区域
D、三个区域无区别
6、在光谱分析中所应用的光谱是：
A、连续光谱
B、连续光谱和明线光谱
C、连续光谱和吸收光谱
D、明线光谱和吸收光谱
7、下列关于光谱的说法中，错误的是：
A、连续光谱和明线光谱都是发射光谱
B、明线光谱又叫原子光谱，也叫特征光谱
C、各种元素的原子吸收光谱和发射光谱中，每一条谱线都是相对应的
D、对月光进行光谱分析，可知月球的组成
8、下列各种电磁波中，属于由原子内层电子受到激发后产生的是：
A、伦琴射线
B、可见光
C、红外线
D、无线电波
9、如图所示的实验装置中，原来不带电的锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，
验电器的指针就张开一个小角度，则这时：
A 、锌板带正电、指针带负电
B 、锌板带负电、指针带正电
C 、锌板带正电、指针带正电
D 、锌板带负电、指针带负电
10、在白炽灯照射下，可以从紧捏的两块玻璃板的表面看到彩色花纹，也可以通过并在一起的两枝铅笔的狭缝观察日光灯，看到彩色条纹，则：
A 、两者均是光的干涉现象
B 、两者均是光的衍射现象
C 、前者是光的干涉，后者是光的衍射
D 、前者是光的色散，后者是光的衍射 11、某金属在一束黄光照射下产生光电效应，若要使单位时间内逸出光电子的数目和光电子的初动能都增加，可采用的办法是：
A 、仍用黄光照射，增加光束的强度
B 、改用红光照射，且增加光束的强度
C 、改用绿光照射，且增加光束的强度
12、a 、b 两种单色光以相同的入射角从O 点由某种介质射入真空，光路如图所示，则以下叙述中错误的是（ ）
A 、介质对b 光的折射率大于对a 光的折射率
B 、a 光的频率小于b 光的频率
C 、a 光在介质中的传播速度大于b 光在介质中的传播速度
D 、如果b 光能使某种金属发生光电效应，a 光也一定能使该金属发生光电效应
13、水的折射率为n ，距水面深h 处有一个点光源，岸上的人看到水面被该光源照亮的圆形区域的直径为
A 、2 h tan(arc sin
n 1
) B 、2 h tan(arc sin n) C 、2 h tan(arc cos n
1
) D 、2 h cot(arc cos n)
14、光从介质1进入介质2的光路如图所示，由图可知：
A 、光在介质1中的波长小于在介质2中的波长
B 、在介质1中光子的能量等于在介质2中的光子能量
C 、光从介质1射到界面上，只要入射角足够大，就可能发生全反射
D 、光在介质1中的传播速度小于光在介质2中的传播速度
【综合测试】
1、一群处于基态的氢原子吸收了能量为E 0的光子后，释放出多种能量的光子，其中有 一种光子的能量为E 1，则下列说法正确的是
A 、E 1一定不会大于E 0
B 、E 1一定不会小于E 0
C 、E 1一定小于E 0
D 、
E 1一定等于E 0
2、如图所示，一束红光和一束蓝光平行入射到三棱镜上，经三棱镜折射后会聚于光屏M 上的一点N ，这两束单色光分别用a 、b 表示。

对于这两束光的颜色以及在玻璃中的传播速度，下面说法中正确的是
A 、a 为红光，在玻璃中的传播速度小于b 光
B 、a 为蓝光，在玻璃中的传播速度小于b 光
C 、b 为红光，在玻璃中的传播速度小于a 光
D 、b 为蓝光，在玻璃中的传播速度小于a 光
3、水面上的油膜在阳光下会呈现彩色的花纹，那么这种现象在光学中通常被称之为光的 A 、折射现象 B 、反射现象 C 、色散现象 D 、干涉现象
4、能显示光具有波粒二象性的物理现象和物理实验基础是 A 、α粒子的散射实验和光电效应 B 、光的干涉现象和光电效应实验 C 、光的衍射和放射性元素的衰变 D 、光的衍射和α粒子的散射实验
5、在实验条件完全相同的情况下，分别用红光和紫光做实验进行比较，得到四个实验结论。

以下是对四个实验结论的描述，其中正确的是
A 、通过三棱镜后，紫光偏折角大
B 、通过平行玻璃砖后，红光侧移大
C 、在双缝干涉实验中，光屏上紫光的干涉条纹间距较宽
D 、若紫光照射到某金属表面有光电子逸出，则红光照射也一定有光电子逸出
6、法国物理学家德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它对应，波长p
h
=
λ。

人们把这种波称为物质波，也叫德布罗意波。

如
果有两个电子速度分别为v 1和v 2，且v 1＝2v 2。

则这两个电子对应的德布罗意波的波长关系为
A 、
B 、
C 、
D 、无法比较
7、红光和紫光相比，
A 、红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较大
B 、红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较大
C 、红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较小
D 、红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较小
8、△OMN 为玻璃等腰三棱镜的横截面。

a 、b 两束可见单色光从空气垂直射入棱镜底面MN ，在棱镜侧面OM 、ON 上反射和折射的情况如图所示。

由此可知
A 、棱镜内a 光的传播速度比b 光的小
B 、棱镜内a 光的传播速度比b 光的大
C 、a 光的频率比b 光的高
D 、a 光的波长比b 光的长
9、光的偏振现象说明（ ）
A 、光具有波粒二象性
B 、光是概率波
C 、光是纵波
D 、光是横波
10、一条光线以40
的入射角从真空射到平板透明材料上。

光的一部分被反射，一部分被折射。

折射光线与反射光线的夹角可能是（ ）
A 、小于40
B 、在50100
~°之间 C 、在100140
~之间
D 、大于140
11、验钞机发出的“光”能使钞票上的荧光物质发光；家用电器的遥控器发出的“光”用来控制电视机、空调器等电器。

对于它们发出的“光”
①验钞机发出的“光”是红外线 ②有些遥控器发出的“光”是红外线
③红外线是由原子的内层电子受到激发后产生的 ④红外线是由原子的外层电子受到激发后产生的 以上判断中正确的是 A 、①② B 、②④ C 、①④ D 、②③
12、如图，红、蓝、橙三种色光沿同一路径从空气射向棱镜，经折射后形成三束单色光。

从a 到b ，各色光的顺序为
A、蓝、橙、红
B、橙、红、蓝
C、红、橙、蓝
D、红、蓝、橙
13、光束1和2通过玻璃三棱镜发生偏折的情况如图所示，已知光束1照射金属A的表面可以发射出光电子。

下面的论述：①光束1在玻璃中的传播速度大于光束2在玻璃中的传播速度；②光束1在玻璃中的传播速度小于光束2在玻璃中的传播速度；③光束2照射到金属A表面时，一定能发射出光电子；④光束2照射到金属A表面时，不一定能发射出光电子。

其中正确的是（）
A、①③
B、①④
C、②③
D、②④
14、图示为一直角棱镜的横截面，∠bac＝90°，∠abc＝60°。

一平行细光束从O点沿垂直于bc面的方向射入棱镜。

已知棱镜材料的折射率n＝2，若不考虑原入射光在bc面上的反射光，则有光线
A、从ab面射出
B、从ac面射出
C、从bc面射出，且与bc面斜交
D、从bc面射出，且与bc面垂直
[参考答案]
http://
1、B
2、D
3、B
4、B
5、A
6、D
7、D
8、A
9、C 10、C 11、C 12、ABC 13、A 14、B
[参考答案]
1、A
2、B
3、D
4、B
5、A
6、B
7、B
8、BD 9、D 10、C 11、B 12、A 13、D 14、BD。