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文档介绍
2012高考物理声光热原应考复习历年试题分析精华几何光学和物理光学
标题：几何光学和物理光学 一、高考大纲要求 几何光学的命题，重在对基本概念、基本规律的考查。热点之一：与生活密切联系的问题，如：光纤通信、猫眼、海市蜃楼等，重点是光的直线传播、光的反射、光的折射；热点之二：平面镜成像，可能与动态成像、几何知识相结合进行考查；热点之三：全反射的判断、折射率的计算，物理单科可能以选择题的计算的形式考查。 物理光学的命题，重在基本实验、基本规律的考查。热点之一：与现代科技密切联系的问题，如：精密测量、增透膜等；热点之二：基本实验图样的特点，如：干涉图样、泊松亮斑、偏振现象等；热点之三：基本规律的考查，如：干涉、衍射、偏振的条件，光电效应的规律等。 二、章节知识框架 三、考点详解 几何光学 （一）．光的直线传播 1、光源:能发光的物体叫做光源．光源发光是将其它形式的能转化为光能． 2、光的直线传播 媒质:光能够在其中传播的物质叫做媒质，也称介质。光的传播可以在真空中进行，依靠电磁场这种特殊物质来传播。 ①光在同一种均匀介质中是沿直线传播的。 ②证据:影、日食和月食的形成，小孔成像。 解光的直线传播方面的计算题（包括日食、月食、本影、半影问题）关键是画好示意图，利用数学中的相似形等几何知识计算。 ③光的传播过程也是能量传递的过程。 （二）．光速 1、光速:光的传播速度。 (1)真空中的光速:各种不同频率的光在真空中的传播速度都相同，均为:C=3.0×108m/s。 (2)光在其他媒质中的速度都小于C，其大小除了与媒质性质有关外，还与光的频率有关(这一点与机械波不同，机械波的波速仅由媒质的性质即密度、弹性和温度等决定) 2、光年: 光在真空中一年时间内传播的距离叫做光年长度单位。1光年=C·t= 3.0×108m/s×365×24×3600s=9.46×1015m （三）．光的反射 1、光的反射的应用：反射现象中光路是可逆的。 2、平面镜成像 (1)平面镜的光学特点:只改变光束的传播方向，不改变光束的性质。 (2)平面镜成像特点:像在平面镜的后面是正立等大的虚像，物像关于镜面对称。即:像与物方位关系:上下不颠倒，左右要交换。 【例题1】如图所示， 平面镜与x轴平行放置，其两端的坐标分别为(-2，2)，(0，2)。人眼位于x轴上+2处，当发光点P从坐标原点O沿x轴负方向运动到________区间，人眼可以从平面镜中看到P点的像。 （四）．光的折射 (1)光的折射现象 光从一种介质进入另一种介质时，传播方向发生改变的现象称为光的折射现象。 (2)光的折射定律 ①折射光线跟入射光线和法线在同一平面内 ②折射光线和入射光线分别位于法线的两侧 ③入射角的正弦跟折射角的正弦成正比。 (3)折射率(绝对折射率n) 光从真空射入某种介质发生折射时，入射角θ1的正弦与折射角θ2的正弦之比，叫做这种介质的折射率，即。 (4)折射率与光速、波长的关系 ，式中c、λ0是光在真空中的光速和波长，υ、λ是光在介质中的光速和波长。 如图所示，介质Ⅰ和介质Ⅱ的折射率分别为n1、n2，光速分别为υ1、υ2，波长分别为λ1、λ2，入射角为θ1，折射角为θ2，这些物理量的关系为: ，，。 (5) 各种色光性质比较 可见光中，红光的折射率最小，频率最小，在同种介质中（除真空外）传播速度最大，波长最大，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）。 (6)在折射现象中光路也是可逆的 (7)光密介质和光疏介质 任何介质的折射率都大于1，折射率越大，光在其中传播的速度就越小，两种介质相比较，折射率较大的介质叫光密介质，折射率较小的介质叫光疏介质。 ①光密介质和光疏介质是相对的，如酒精相对于水来说是光密介质，酒精相对于玻璃来说是光疏介质。 ②光从光疏介质射入光密介质时，折射角小于入射角;光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角。 (8)平行玻璃砖的光控规律 ①不改变入射光的性质和方向，只使光线向偏折方向平行侧移，且入射角(i)、玻璃砖厚度(d)和折射率(n)越大，侧移(h)越大。 ②平行光照射到平行玻璃砖上，入射光的宽度等于出射光的宽度，而玻璃砖中折射光的宽度随入射角增加而增大。 （五）．全反射、棱镜、光的色散 1．全反射 (1)全反射现象 光从光密介质射入光疏介质时，当入射角超过某一角度C (临界角)时，折射光消失，只剩下反射光的现象叫全反射。 (2)临界角C 折射角等900时的入射角叫做临界角。 当光从某种介质射向真空(或空气)时，临界角C满足: ；当光从一种介质n1射向另一种介质n2时n1＞n2， (3)全反射的条件 ①光从光密介质射入光疏介质;②入射角大于临界角。 (4)常见的全反射现象：①光纤通讯，光学纤维内窥镜; 2、棱镜、光的色散 (1)棱镜 横截面为三角形的三棱镜简称为三棱镜。棱镜可以改变光的传播方向，还可以使光发生色散。 (2)棱镜对光的偏折作用 一般所说的棱镜都是用光密介质制作的。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小则结论相反。）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，偏折角度θ随棱镜材料的折射率增大而增大。 作图时尽量利用对称性（把棱镜中的光线画成与底边平行）。 (3)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。由于光从玻璃射向空气时的临界角大约为420，故当光从全反射棱镜的任一边垂直射入时，都发生全反射，如图乙所示。 (4)光的色散 白光经过三棱镜后，透射光线在屏上形成按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的顺序排列的彩色光谱，这种现象叫做光的色散。 光的色散表明白光是复色光，同时，棱镜材料对不同单色光的折射率不同，其中，对紫光的折射率最大，对红光的折射率小。 （六）．测玻璃的折射率 本实验是利用“插针法”来确定光路。具体的讲是，用“插针法”来确定两个界面的入射光线和出射光线，如图中和，由入射光线与界面交于图中O点即入射点，出射光线与界面交于图中点即为出射点，连接即是光在玻璃砖内的折射线，过O点作出法线，用量角器量出入射角i和折射角r，如图所示，利用，求出n (一)实验目的 测定玻璃的折射率。 (二)实验原理 如图丙所示， 当光线AO以一定入射角穿过两面平行的玻璃砖时，通过插针法找出跟入射光线AO对应的出射光线，从而求出折射光线和折射角r，再根据算出玻璃的折射率。 (三)实验器材 玻璃砖，白纸，木板，大头针，图钉，量角器，三角板，铅笔。 (四)实验步骤 1．用图钉把白纸固定在木板上。 2．在白纸上画一直线作为界面，过上的一点O画出界面的法线，并画一条线段AO作为入射光线。 3．把长方形玻璃砖入在白线上，并使其长边与重合再画出玻璃的另一边。 4．在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2。 5．从玻璃砖一侧透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线的方向直到P1的像被P2的像挡住;再在一侧插上两枚大头针P3、P4，使P3能挡住P1、P2的像，P4能挡住P1、P2的像及P3本身。 6．移去玻璃砖，在拔掉P1、P2、P3、P4的同时分别记下它们的位置。过P3、P4作直线交于，连接O、，就是玻璃砖内折射光线的方向。∠AON为入射角， 为折射角。 7．用量角器量出入射角和折射角的度数，查出它们的正弦值，并把这些数据填入记录表格里。 8．用上述方法分别求出入射角是150、300、450、600和750时的折射角，查出入射角和折射角的正弦值，记入表格里。 9．算出不同入射角时， 的值，比较一下，看它们是否接近一个常数，求出几次实验中的平均值，这就是这块玻璃的折射率。 ※重要注意事项:①玻璃砖要厚;②入射角应在300到600之间;③大头针的间距应较大些;④玻璃砖的折射面要画准;⑤大头针要插得竖直。 误差来源及分析:主要是①入射光线、出射光线确定的准确性，故要求入射侧、出射侧所插两枚大头针间距宜大点;②测量入射角与折射角时的相对误差，故入射角不宜过小。入射角也宜过大，过大则反射光较强，出射光较弱。 本实验中应注意: A．实验中应多次测量取平均值 入射角的取值范围在200～700之间为宜。因为入射角太小，用量角器测量角度时容易造成较大误差。若入射角太大，实验时是利用日光，是复合光，光通过玻璃砖时传播路程长些，容易产生较严重色散，不易确定插针的位置。 B．大头针要竖直插在白纸上，观察时看针脚，且玻璃砖两侧的两个大头针的距离应大些，以减小确定光路方向时造成的误差。 C．实验中不要用手触摸光洁的光表面，只能接触毛面或棱，避免损坏。 D．严禁用玻璃砖当尺子画玻璃砖的界面，这样会损坏光表面的平整。 E．在没有量角器时只有直尺， 可利用作辅助线的方法，测出辅助线的长度大小。如图乙所示，作辅助线且垂直于，量出，，作辅助线且垂直于，量出，。 则则 即可求出:。 物理光学 （一） 光的干涉 条件：频率相同, 振动方向相同，相位差恒定。 现象：两个相干光源发出的光在相遇的空间相互叠加时，形成明暗相间的条纹。 1．双缝干涉相干光源的获取：采用“分光”的透射法。 ）双缝干涉实验规律 实验原理：如图所示， 电灯发出的光，经过滤光片后变成单色光，再经过单缝S时发生衍射，这时单缝S相当于一单色光源，衍射光波同时到达双缝和之后，再次发生衍射，、双缝相当于二个步调完全一致的单色相干光源，透过、双缝的单色光波在屏上相遇并叠加，、到屏上P点的路程分别是、，设光波波长为λ。 ①双缝干涉实验中，光屏上某点到相干光源、的路程之差为光程差，记为。 若光程差是波长的整倍数，即（n=0，1，2，3…）P点将出现亮条纹；若光程差是半波长的奇数倍（n=0，1，2，3…），P点将出现暗条纹。 ②屏上和双缝、距离相等的点，若用单色光实验该点是亮条纹（中央条纹），若用白光实验该点是白色的亮条纹。 ③若用单色光实验，在屏上得到明暗相间的条纹；若用白光实验，中央是白色条纹，两侧是彩色条纹。 ④屏上明暗条纹之间的距离总是相等的，其距离大小与双缝之间距离d、双缝到屏的距离及光的波长λ有关，即。在和d不变的情况下，和波长λ成正比，应用该式可测光波的波长λ。 ⑤用同一实验装置做干涉实验，红光干涉条纹的间距最大，紫光干涉条纹间距最小，故可知大于小于。 【总结】当这两列光源到达某点的路程差： Δγ＝kλ (k=0,1,2……)出现亮条纹 Δγ＝（2k＋１）λ／2 (k=0,1,2……)暗条纹 条纹间距 Δx=(L/d) λ（明纹和暗纹间距） ·用单色光作光源，产生的干涉条纹是等间距； ·用白光作光源，产生彩色干涉条纹，中央为白色条纹； 2．薄膜干涉：相干光源的获取，采用“分光”的反射法 由薄膜的前后两个表面反射后产生的两列相干光波叠加形成的干涉现象： ·入射光为单色光，可形成明暗相间的干涉条纹 ·入射光是白光，可形成彩色干涉条纹。 3．光的干涉在技术上的应用 （1） 用干涉法检查平面（等间距的平行线）：待检平面和标准平面之间的楔形空气薄膜，用单色光进行照射，入射光从空气膜的上、下表面反射出两列光波，形成干涉条纹，待检平面若是平的，空气膜厚度相同的各点就位于一条直线上，干涉条纹是平行的；反之，干涉条纹有弯曲现象。 （2） 透镜和棱镜表面的增透膜，增透膜的厚度等于入射光在薄膜中波长的1/4 （一） 光的衍射 衍射也是波的特性。如果光是一种波，就应该能观察到光的衍射现象。但由于可见光的波长在数量级，而一般物体的大小比这个尺度大得多，因此很难看到明显的光的衍射现象。 （2）光发生明显衍射现象的条件 ①各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射。 ②发生明显衍射的条件是：障碍物（或孔）的尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还小。 ③在发生明显衍射的条件下，当窄缝变窄时，亮斑的范围变大，条纹间距离变大，而亮度变暗。 （3）衍射图样 ①单缝衍射：中央为亮条纹，向两侧有明暗相间的条纹，但间距和亮度不同。白光衍射时，中央仍为白光，最靠近中央的是紫光，最远离中央的是红光。 ②圆孔衍射：明暗相间的不等距圆环。 ③泊松亮斑：光照射到一个半径很小的圆板后，在圆板的阴影中心出现的亮斑，这是光能发生衍射的有力证据之一。 ·单色光通过单缝时，形成中间宽且亮的条纹，两侧是明暗相间的条纹，且条纹宽度比中间窄； ·白光通过单缝时，形成中间宽的白色条纹，两侧是窄且暗的彩色条纹。 （三）光的偏振 ⑴偏振现象 在沿同一个方向传播的横波中，介质质点的振动方向和波的传播方向是垂直的，而跟波的传播方向垂直的方向有无穷多种可能，沿同一方向传播的横波，质点的振动方向可能是不同的，因此会发生偏振现象。能否发生偏振，是纵波和横波的区别。 （2）偏振光：在跟光传播方向垂直的平面内，光振动在某一方向较强而在另一些方向振动较弱的光即为偏振光。自然光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，叫偏振光。自然光射到两种介质的界面上，如果光的入射方向合适，使反射和折射光之间的夹角恰好是90°，这时，反射光和折射光就都是偏振光，且它们的偏振方向互相垂直。我们通常看到的绝大多数光都是偏振光。 （3）光的偏振现象证明光是横波 （4）偏振光的应用 偏振光可用于摄影。在拍摄照片时为消除水面或玻璃表面多余的反光，可以在照相机镜头前装偏振滤光片，让其透振方向与反射光的偏振方向垂直，就可以减弱反射光的干扰，使拍出的相片影象清晰。 偏振光还可用于拍摄和观看立体电影。 3．激光 （1）光是从物质的原子中发射出来的。原子获得能量后处于不稳定状态，会以光子的形式把能量发射出来。 （2）激光是一种人工相干光，激光的特点有 ⑴激光是人工产生的相干光。 ⑵激光的平行度好。（可以用来测距、测速；可以用来刻录、读取光盘） ⑶激光的亮度高。（切割、焊接、打孔、手术用光刀、治疗视网膜剥落；用于人工控制聚变） 重要应用有：通信、测距、光盘读取、切割等 （一） 光的电磁说 １． 电磁波谱 a．将无线电波，红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线按频率由小到大（或波长从长到短）的顺序排列起来，组成电磁波谱。除可见光以外，相邻两个波段间都有重叠。 b．·无线电波是LC振荡电路中自由电子周期性运动产生 ·红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受激发后产生； ·伦琴射线是原子的内层电子受到激发后产生； ·γ射线是原子核受到激发后产生。 可见光频率范围是，波长范围是 １． 光谱与光谱分析 （1）线状光谱 由一些不连续的亮线组成，是稀薄气体发光产生的光谱，每种元素的原子只有发出某些特定的谱线（特征谱线），不同元素的明线光谱不同，所以线状谱又叫原子光谱。 （2）吸收光谱 连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，它是由分布在连续光谱背景上的某些暗线组成的，通常在吸收光谱中看到的特性谱线（暗线）比相应的明线光谱中的明线光谱要少一些。 （3）光谱分析 由于每种元素都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成，做光谱分析时，可以利用线状光谱，也可以利用吸收光谱。 光 谱 发射光谱： 物体发光直接产生的光谱 连续光谱：连续分布，一切波长的光都有，由炽热的固体，液体和高压气体产生。 Ex.电灯丝，炽热的钢水，物质燃烧发出的光。 明线光谱：有一些不连续波长的亮线组成的光谱，由稀薄气体或金属的蒸汽发光产生。 Ex.光谱管、霓虹灯、在煤气灯火焰中燃钠、钾的盐类物质发出的光。 吸收光谱： 连续光谱中某些波长的光被物质吸收后出现一些不连续的暗线所组成，由高温物体发出的白光通过温度较低的气体后产生，如太阳光谱，就是太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的吸收光谱。 （一） 光电效应，光子 （1）在光的照射下物体发射电子的现象叫光电效应。发射出来的电子叫光电子。 （2）爱因斯坦的光子说。光是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量E跟光的频率成正比：（h是普朗克恒量，是光子的频率。） （3）光电效应的规律。 ①任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能产生光电效应；若入射光的频率低于这个频率，不论入射光多么强，也不论光照射时间有多么长，都不能发生光电效应。 ②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光频率的增大而增大。 ③瞬时性：入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过秒。 ④当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比。 （4）光电效应的理解 （5）爱因斯坦光电效应方程： （是光电子的最大初动能；是逸出功，它和极限频率的关系为，即从金属表面直接飞出的光电子克服正电荷引力所做的功。显然，该方程符合能量守恒定律。） 光子是能量为的粒子，表现出粒子性，而光子的能量与频率有关，体现了波动性，所以光子是统一了波粒二象性的微粒。但是，在不同的条件下的表现不同，大量光子表现出波动性，个别光子的表现出粒子性；光在传播时表现出波动性，光和其他物质相互作用时表现出粒子性；频率低的光波动性更强，频率高的光粒子性更强。 ③光电子的最大初动能、光电流强度及入射光强度的关系： ④记住和理解说明光具有波粒二象性的典型实验： “光电效应现象”说明了光具有粒子性， “光的干涉、衍射” 实验证明了光是一种波，具有波动性，是概率波。光的干涉、衍射现象中亮条纹处，是光子到达可能性较大的区域，暗条纹处是光子到达可能性较小的区域。 1． 光的波粒二象性 *大量的光子运动规律表现出波动性，个别光子运动表现出粒子性; *光的波长越长，波动性越明显，越容易观察到光的干涉和衍射，光频率越高，粒子性越明显，贯穿本领越强; *光速v，频率υ，波长λ的关系v=λυ 光子能量 E=hυ=hc/λ0=hv/λ *光从真空射入介质中，频率不变，故光的颜色和光子能量不变，但波长和光速发生变化。 四、真题解析 l S A h x vt 类型题： 光学与运动相结合的问题 【例题1】 如图所示，在A点有一个小球，紧靠小球的左方有一个点光源S。现将小球从A点正对着竖直墙平抛出去，打到竖直墙之前，小球在点光源照射下的影子在墙上的运动是 （ ） A．匀速直线运动 B．自由落体运动 C．变加速直线运动 D．匀减速直线运动 类型题： 平面镜有关的问题 【例题2】.某物体左右两侧各有一竖直放置的平面镜，两平面镜相互平行，物体距离左镜4m，右镜8m，如图所示，物体在左镜所成的像中从右向左数的第三个像与物体的距离是（ ） A．24m B．32m C．40m D．48m 类型题： 光的折射问题 【例题3】ΔOMN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2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 a b 【例题4】 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，最终都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 【例题5】.一玻璃砖横截面如图所示，其中ABC为直角三角形（AC边末画出），AB为直角边ABC=45°；ADC为一圆弧，其圆心在BC边的中点。此玻璃的折射率为1.5。P为一贴近玻璃砖放置的、与AB垂直的光屏。若一束宽度与AB边长度相等的平行光从AB边垂直射入玻璃砖，则 （ ） A. 从BC边折射出束宽度与BC边长度相等的平行光 B. 屏上有一亮区，其宽度小于AB边的长度 C. 屏上有一亮区，其宽度等于AC边的长度 D. 当屏向远离玻璃砖的方向平行移动时，屏上亮区先逐渐变小然后逐渐变大 【例题.6】频率不同的两束单色光1和2 以相同的入射角从同一点射入一厚玻璃板后，其光路如右图所示，下列说法正确的是 A.单色光1的波长小于单色光2的波长 B.在玻璃中单色光1的传播速度大于单色光2 的传播速度 C.单色光1通过玻璃板所需的时间小于单色光2通过玻璃板所需的时间 D.单色光1从玻璃到空气的全反射临界角小于单色光2从玻璃到空气的全反射临界角 【例题7】两种单色光由水中射向空气时发生全反射的临界角分别为θ1、θ2。用n1、n 2分别表 示水对两单色光的折射率，v1、v2分别表示两单色光在水中的传播速度 （ ） A. nl＜n2、v1＜v2 B. nl＜n2、v1>v2 C. nl>n2、v1＜v2 D. nl>n2、v1>v2 【例题8】.如图所示，空气中有一横截面为半圆环的均匀透明柱体，其内圆半径为r，外圆半径为R，R＝r。现有一束单色光垂直于水平端面A射入透明柱体，只经过两次全反射就垂直于水平端面B射出。设透明柱体的折射率为n，光在透明柱体内传播的时间为t，若真空中的光速为c，则 （ ） A. n可能为 B. n可能为2 C. t可能为 D. t可能为 类型题： 全反射 【例题9】如图所示，自行车的尾灯采用了全反射棱镜的原理。它虽然本身不发光，但在夜间骑行时，从后面开来的汽车发出的强光照到尾灯后，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车。尾灯的原理如图所示，下面说法中正确的是( ) A．汽车灯光应从左面射过来在尾灯的左表面发生全反射 B．汽车灯光应从左面射过来在尾灯的右表面发生全反射 C．汽车灯光应从右面射过来在尾灯的左表面发生全反射 D．汽车灯光应从右面射过来在尾灯的右表面发生全反射 类型题： 光的色散 【例题10】 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n1和n2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（B） a b M A．n1查看更多