【物理】2019届一轮复习人教版光学学案
年 级
高三
物理
版 本
鲁教版
内容标题
高三第一轮复习：光学
【本讲教育信息】
一. 教学内容：
光学
二. 本章的知识点
1、光的折射，折射定律，折射率
（1）光的折射：光由一种媒质进入另一种媒质或在同一种不均匀媒质中传播时，方向发生偏折的现象叫做光的折射。
（2）折射定律：
①内容：折射光线位于入射光线与法线所决定的平面内，折射光线和入射光线分别位于法线两侧。
②数学表达式：入射角的正弦与折射角的正弦成正比，即。
（3）折射率
相对折射率：光从一种媒质斜射入第二种媒质发生折射时，入射角i的正弦与折射角r的正弦之比，对于给定的两种媒质来说是一个常数，用表示，。常数称为第二种媒质对第一种媒质的相对折射率。
绝对折射率：任意一种媒质对真空的相对折射率称为这种媒质的绝对折射率，简称这种媒质的折射率，用表示.通常说某种媒质的折射率即是指它的绝对折射率，也就是它对真空的相对折射率。
相对折射率与绝对折射率的关系：
实验表明：第二种媒质对第一种媒质的相对折射率等于光在第一种媒质中的传播速度V1与光在第二种媒质中的传播速度V2之比，即.
由此可得某种媒质的折射率，C为真空中的光速。进而可得：，即第二种媒质对第一种媒质的相对折射率等于第二种媒质的绝对折率与第一种媒质的绝对折射率之比。光在任何媒质中的速度都小于光在真空中的速度，即V＜C，所以任何媒质的折射率n=都大于1。光在空气中的速度与光在真空中的速度相差很小，故空气的折射率n=。若把真空也看作一种媒质，则真空的折射率为。
2、全反射和临界角
（1）全反射：当光从光密媒质进入光疏媒质时，折射角大于入射角.当入射角增大到某一角度时，折射角等于90°，此时，折射光完全消失，入射光全部返回原来的媒质中，这种现象叫做全反射。
（2）临界角：
①定义：光从光密媒质射向光疏媒质时，折射角等于90°时的入射角，叫做临界角.用字母C表示.临界角是指光由光密媒质射向光疏媒质时，发生全反射形象时的最小入射角，是发生全反射的临界状态.当光由光密媒质射入光疏媒质时：
若入射角i
> d时：
δ= r2 – r1 = dx/l = nλ，
即 x = nlλ/d处出现明条纹。
δ= r2 – r1 = dx/l = （2n + 1）λ/2，
即 x = （2n + 1）lλ/2d处处出现暗条纹。（n = 0、1、2……）
条纹宽度或条纹间距：△x = lλ/d。
注意：l越大、d越小、λ越大，△x越大；可用于测量λ。λ红 = 770—620nm；λ紫 = 450—400nm。
图象特点：中央为明条纹，两边等间距对称分布明暗相间条纹。红光（λ最大）明、暗条纹最宽，紫光明、暗条纹最窄。白光干涉图象中央明条纹外侧为红色。
7、薄膜干涉
薄膜干涉（等厚干涉）：相干光源的由来：利用薄膜（如肥皂液膜）前后两表面的反射光束相遇而形成干涉现象。
图象特点：同一条亮（或暗）条纹上所对应薄膜厚度完全相等。不同λ的光做实验，条纹间距不同；单色光在肥皂膜上（上薄下厚）形成水平状明暗相间条纹，白光入射形成彩色条纹。
应用：检查工件平整度：检查精度非常高。乙图表示表面不平。
增透膜：镜头呈淡紫色，因为入射光为白光，增透膜只能使一定波长的光反射时相互抵消，不可能使白光中所有波长的光反射时抵消．在选增透膜时，一般是使对人眼灵敏的绿光在垂直入射时相互抵消，这时光谱边缘部分的红光和紫光并没有相互抵消，因此涂有增透膜的光学器件呈淡紫色。增透膜厚度d 等于光在氟化镁中波长的1/4。水面上的油膜，捏紧的玻璃在太阳光照射下呈彩色是薄膜干涉现象。
8、光的衍射
光的衍射：是波动特有的现象，指光绕过障碍物偏离直线传播的现象。本质是光的干涉现象。
产生条件：障碍物或孔的尺寸与波长可比（相差不多）。由于可见光波长较小，所以光的衍射需在特定的条件下才能被观察到。
单缝衍射图象特点：中央最宽最亮；两侧条纹不等间隔且较暗；条纹数较少。（白光入射为彩色条纹）。泊松亮斑是光的衍射现象，证明光具有波动性。
9、光的偏振
（1）光的偏振也证明了光的波动性，而且是横波。各种电磁波中电场E的方向、磁场B的方向和电磁波的传播方向之间，两两互相垂直。
（2）自然光。太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫自然光。
（3）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。
【典型例题】
例1、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可能从右侧面射出，那么所选的材料的折射率应满足（ ）
A、折射率必须大于 B、折射率必须小于
C、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
解析：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θ145°，n=1/sinC<，选B答案。
例2、直角三棱镜的顶角α=15°，棱镜材料的折射率n=1.5，一细束单色光如图所示垂直于左侧面射入，试用作图法求出该入射光第一次从棱镜中射出的光线。
解析：由n=1.5知临界角大于30°小于45°，边画边算可知该光线在射到A、B、C、D各点时的入射角依次是75°、60°、45°、30°，因此在A、B、C均发生全反射，到D点入射角才第一次小于临界角，所以才第一次有光线从棱镜射出。
特别提示：有关光的折射和全反射，在解题时要把计算和作图有机地结合起来，根据数据计算反射角、折射角，算一步画一步，画一步再根据需要算一步。作图要依据计算结果，力求准确。
例3、如图所示，一条长度为L=5.0m的光导纤维用折射率为n=的材料制成。一细束激光由其左端的中心点以α= 45°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？
解析：⑴由n=c/v可得v=2.1×108m/s
⑵由n=sinα/sinr可得光线从左端面射入后的折射角为30°，射到侧面时的入射角为60°，大于临界角45°，因此发生全反射，同理光线每次在侧面都将发生全反射，直到光线达到右端面。光路如上图所示，由三角关系可以求出光线在光纤中通过的总路程为s=2L/，因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间是t=s/v=2.7×10-8s。
特别提示：有关光的折射和全反射，在解题时要把计算和作图有机地结合起来，根据数据计算反射角、折射角，算一步画一步，画一步再根据需要算一步。作图要依据计算结果，力求准确。
例4、如图所示，两块同样的玻璃直角三棱镜ABC，两者的AC面是平行放置的，在它们之间是均匀的未知透明介质。一单色细光束O垂直于AB面入射，在图示的出射光线中（全国高考）
A、1、2、3（彼此平行）中的任一条都有可能
B、4、5、6（彼此平行）中的任一条都有可能
C、7、8、9（彼此平行）中的任一条都有可能
D、只能是4、6中的某一条
解析：光线由左边三棱镜AB面射入棱镜，不改变方向；接着将穿过两三棱镜间的未知透明介质进入右边的三棱镜，由于透明介质的两表面是平行的，因此它的光学特性相当于一块两面平行的玻璃砖，能使光线发生平行侧移，只是因为它两边的介质不是真空，而是折射率未知的玻璃，因此是否侧移以及侧移的方向无法确定（若未知介质的折射率n与玻璃折射率相等，不侧移；若n>时，向上侧移；若n<时，向下侧移），但至少可以确定方向没变，仍然与棱镜的AB面垂直。这样光线由右边三棱镜AB面射出棱镜时，不改变方向，应为4、5、6中的任意一条。选项B正确。
例5、在“测定玻璃的折射率”实验中，已画好玻璃砖界面两直线aa′与bb′后，不小心误将玻璃砖向上稍平移了一点，如下图左所示，若其他操作正确，则测得的折射率将（ ）
A、变大 B、变小 C、不变 D、变大、变小均有可能
解析：要解决本题，一是需要对测折射率的原理有透彻的理解，二是要善于画光路图。设P1、P2、P3、P4是正确操作所得到的四枚大头针的位置，画出光路图后可知，即使玻璃砖向上平移一些，如上图右所示，实际的入射角没有改变。实际的折射光线是O1O′1，而现在误把O2O′2作为折射光线，由于O1O′1平行于O2O′2，所以折射角没有改变，因此折射率不变，选C。
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
解析：公式中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，与缝本身的宽度也无关。本题选C。
例7、登山运动员在登雪山时要注意防止紫外线的过度照射，尤其是眼睛更不能长时间被紫外线照射，否则将会严重地损坏视力。有人想利用薄膜干涉的原理设计一种能大大减小紫外线对眼睛的伤害的眼镜。他选用的薄膜材料的折射率为n=1.5，所要消除的紫外线的频率为8.1×1014H ，那么它设计的这种“增反膜”的厚度至少是多少？
解析：为了减少进入眼睛的紫外线，应该使入射光分别从该膜的前后两个表面反射形成的光叠加后加强，因此光程差应该是波长的整数倍，因此膜的厚度至少是紫外线在膜中波长的1/2。紫外线在真空中的波长是λ=c/ν=3.7×10-7m，在膜中的波长是λ/=λ/n=2.47×10-7m，因此膜的厚度至少是1.2×10-7m。
例9、平行光通过小孔得到的衍射图样和泊松亮斑比较，下列说法中正确的有（ ）
A、在衍射图样的中心都是亮斑
B、泊松亮斑中心亮点周围的暗环较宽
C、小孔衍射的衍射图样的中心是暗斑，泊松亮斑图样的中心是亮斑
D、小孔衍射的衍射图样中亮、暗条纹间的间距是均匀的，泊松亮斑图样中亮、暗条纹间的间距是不均匀的
解析：从课本上的彩色图片可以看出：A、B选项是正确的，C、D选项是错误的。
例10、指出下面哪些图样中的条纹是不等间距（ ）
A、双缝干涉图样 B、圆孔衍射图样
C、由劈形膜形成的干涉图样 D、单缝衍射形成的衍射条纹
解析：根据衍射及干涉图样可得，本题应选BD。要熟练记忆和识别各种图样
例10、有关偏振和偏振光的下列说法中正确的有（ ）
A、只有电磁波才能发生偏振，机械波不能发生偏振
B、只有横波能发生偏振，纵波不能发生偏振
C、自然界不存在偏振光，自然光只有通过偏振片才能变为偏振光
D、除了从光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光都是偏振光
解析：机械能中的横波能发生偏振。自然光不一定非要通过偏振片才能变为偏振光。本题应选BD。
