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光学在实际生活中的应用

王忠安

郾城县第二高级中学 河南漯河 462300

从近年高考及各地调研考试的来看，对光学一章的考查已有纯知识型向实际应用型转向，主要表现在光的反射、光的折射、光的干涉的应用上，本文列举几例近年高考中光学在实际应用中的试题进行分析，以供同学们参考。

一、光的反射知识在实际中应用

例１．（2000年全国高考）一辆实验小车可沿水平

地面（图中纸面）上的长直轨道匀速向右运动。有一台

发出细光束的激光器装在小转台M 上，到轨道的距离

MN 为10=d m ，如图1所示，转台匀速转动，使激光

束在水平面内扫描，扫描一周的时间为T =60s ，光束转

动方向如图１中箭头所示，当光束与MN 的夹角为45°

时，光束正好射到小车上，如果再经过5.2=∆t s 光束

又射到小车上，则小车的速度为多少？（结果保留二位

有效数字）

解析：在t ∆内光束转过角度为

︒⨯∆=∆360T

t ϕ︒=15 ① 如图２所示，有两种可能

（1）光束照射小车时，小车正在接近N 点，t ∆内

光束与MN 的夹角从45°变为︒30，小车走过1l ，速度应为t

l v ∆=11 ② 由图可知)30tan 45(tan 1︒-︒=d l ③

由②③两式并代入数值，得7.11=v m/s ④ （2）光束照射小车时，小车正在远离N 点，t ∆内光束与MN 的夹角从45°变为︒60，小车走过2l ，速度应为t

l v ∆=22 ⑤ 由图可知)45tan 60(tan 2︒-︒=d l ⑥

由⑤⑥两式并代入数值，得9.22=v m/s 。

所以（1）当光束照射小车时，小车正在接近N 点，这时小车的速度应为1.7m/s 。

（2）当光束照射小车时，小车正远离N 点，这时小车的速度应为2.9m/s 。

二、光学的折射知识在实际中的应用

例2．（2002全国高考）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，如图３所示，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做视场角，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. arcsin nl r l 22+

B. arcsin nr r l 22

+ C. arcsin r r l 22+ D. arcsin l n r l

22+ 解析：光路如图4：根据题干中的说明，该玻璃圆柱体是嵌在

门上的，圆柱体的轴垂直门面，门内的人通过玻璃圆柱底面中心

点观察门外的景物，显然人眼能观察到的是一个圆形区域，视场

角就是从圆形区域的边缘发出的且能通过玻璃圆柱由底面中心O

点射出进入人眼的入射光线sb ，与玻璃圆柱的轴线，亦即圆柱底

面的法线的夹角θ，如图４与入射光线sb 对应的折射光线是bo ，

折射角θ就等于∠abO 。

由折射定律得：sin i =nsin θ。

由于圆柱长ab =l ，半径oa =r ，由三角公式得：22sin l r r

+=θ， 联立解得视场角为：22arcsin l r nr

+。所以选项Ｂ正确。

点评：本题利用常规问题设置新的分析点，是高中物理测量平行玻璃砖的折射率实验的翻版。考察考生对折射定律和光路可逆思想的理解。考查考生应用光的折射的有关知识来分析和解决实际问题的能力．同时还考查了运用数学知识解决物理问题的能力．

三、光的薄膜干涉在实际中的应用

例3．（2003年上海高考试题）劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图5甲所示，将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜。当光垂直入射后，从上往下看到的干涉条纹如图乙所示。干涉条纹有如下特点：（1）任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；（2）任意相邻明条纹和暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定。现若在图甲装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹（ ）

A. 变疏

B. 变密

C. 不变

D. 消失

解析：因为相邻两个明纹的位置的高度差和夹角的关

系为：

△h ＝l tan α（α为劈的倾角，△h 为相邻明纹的高

度差，l 为相邻明纹的距离）, ∴变疏，选项A 正确。

点评：抓住本题所给的条件是任意相邻明纹对应的薄

膜高度差不变。弄清条纹间距的决定因素。

四、光电效应在实际中的应用

例4．光电效应把光信号转变为电信号，动作非常迅

速灵敏，因此，在科学中得到了广泛的应用，光电管就是

适应这种需要而制成的。如图6是一个用光电管自动控制

路灯的电路图。

（１）请在光电管的控制电路中标出电源的正负

极。

（２）已知铯、钠、锌、银、铂等金属的极限频率分别为4.545×1014 Hz 、6.000×1014 Hz 、8.065×1014 Hz 、1.153×1015 Hz 、1.529×1015 Hz ，而可见光的频

率范围是：3.9×1014 Hz ～7.5×1014 Hz ，则选用上述

哪种金属作光电管阴极材料最好？ 解析：（１）电源的a 端应为＋极，b 端应为－极．

（２）可见光的频率范围是：3.9×1014 Hz ～7.5

×1014 Hz ，作为用光电管自动控制路灯，目的是只要

有可见光照射就应该使电路中有电流，从而MN 产生磁性吸引A 端离开B 达到断开电路的目的，可见光的最小频率为14109.3⨯HZ ，所以做

光电管阴极材料的金属的极限频率至少要大于14

109.3⨯HZ ，而且越接近这个值，可以有更多的可见光使之发生光电效应，效果越好．可见应选金属铯最好．

点评：本题作为光电管在实际生活中的应用题目，让人耳目一新．对于此题一要熟悉教材中光电效应电路图的连接方法，与光电管阴极相联的应为电源负极．二要熟练掌握极限频率的概念．做题时应注意根据可见光的频率范围如何确定要选用的金属材料的极限频率．只有可见光大于金属极限频率才可以发生光电效应，产生电流．这样只有选铯、钠．而要使其效果显著，尽可能让较多的可见光产生光电效应．即要选极限频率小一些的．三要熟悉自动控制路灯的结构图，MN 中有电流时路灯才处于熄灭状态．