高中物理光學(xué)六類經(jīng)典題型

1、光學(xué)六類經(jīng)典題型光學(xué)包括幾何光學(xué)和光的本性兩部分。幾何光學(xué)歷來是高考的重點(diǎn)，但近幾年考試要求有所調(diào)整，對該部分的考查，以定性和半定量為主，更注重對物理規(guī)律的理解和對物理現(xiàn)象、物理情景分析能力的考查。有兩點(diǎn)應(yīng)引起重視：一是對實(shí)際生活中常見的光反射和折射現(xiàn)象的認(rèn)識，二是作光路圖問題。光的本性是高考的必考內(nèi)容，一般難度不大，以識記、理解為主，常見的題型是選擇題?！翱颊n本”、“不回避陳題”是本部分高考試題的特點(diǎn)。根據(jù)多年對高考命題規(guī)律的研究，筆者總結(jié)了6類經(jīng)典題型，以供讀者參考。1 光的直線傳播例1(2004年廣西卷) 如圖l所示，一路燈距地面的高度為h，身高為l的人以速度v勻速行走(1)試證明人頭頂

2、的影子做勻速運(yùn)動(dòng)；(2)求人影長度隨時(shí)間的變化率。          解析(1)設(shè)t0時(shí)刻，人位于路燈的正下方O處，在時(shí)刻t，人走到S處，根據(jù)題意有OSvt 過路燈P和人頭頂?shù)闹本€與地面的交點(diǎn)M 為t時(shí)刻人頭頂影子的位置，如圖l所示，OM 為頭頂影子到0點(diǎn)的距離由幾何關(guān)系，有解式、得。因OM 與時(shí)間t成正比，故人頭頂?shù)挠白幼鰟蛩龠\(yùn)動(dòng)。(2)由圖l可知，在時(shí)刻t，人影的長度為SM，由幾何關(guān)系，有SM=OMOS 由式得 因此影長SM與時(shí)間t成正比，影長隨時(shí)間的變化率。點(diǎn)評 有關(guān)物影運(yùn)動(dòng)問題的分析方法：(1)根

3、據(jù)光的直線傳播規(guī)律和題設(shè)條件分別畫出物和影在零時(shí)刻和任一時(shí)刻的情景圖光路圖；(2)從運(yùn)動(dòng)物體(光源或障礙物)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)入手，根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，寫出物體的運(yùn)動(dòng)方程，即位移的表達(dá)式；(3)根據(jù)幾何關(guān)系(如相似三角形)求出影子的位移表達(dá)式；(4)通過分析影子的位移表達(dá)式，確定影子的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，求出影子運(yùn)動(dòng)的速度等物理量。2 光的反射與平面鏡成像作圖例2 如圖2所示，MN為厚度不計(jì)的平面鏡，放在水平地面上，距離平面鏡M端4m處有一根標(biāo)桿OP，標(biāo)桿的零刻度O恰在地面，距平面鏡N端2m處直立著一個(gè)人SD，人眼離地面的高度SD=1.8 m，平面鏡的長度MN= lm，標(biāo)桿足夠長。(1)人眼看到平面鏡中的標(biāo)桿，但不能

4、看到標(biāo)桿的全部，畫出能被人眼看到像的標(biāo)桿部分的光路圖，寫出作圖步驟。(2)人眼看到平面鏡中標(biāo)桿的最小刻度和最大刻度是多少?解析 (1)光路圖如圖3所示，作圖步驟：把S看做發(fā)光點(diǎn)，利用對稱法找出S成的像S，畫出S發(fā)出的光入射到平面鏡上的邊界光線SM、SN，畫出其對應(yīng)的反射光線MB和NA，則發(fā)光點(diǎn)S可以通過平行鏡反射照亮PO標(biāo)桿的AB部分。根據(jù)光路的可逆性，從AB發(fā)出的光通過平面鏡能進(jìn)人人眼S中。(2)根據(jù)光路圖3中的幾何關(guān)系可知所以,人從平面鏡看到標(biāo)桿最小刻度是2.4 m，最大刻度是4.5 m。點(diǎn)評 眼睛在確定的位置能看到物體或像的哪一部分問題的處理，常常應(yīng)用光路的可逆性，即把眼睛看作“發(fā)光體”

5、，眼睛所“發(fā)出的光”通過平面鏡能“照亮”的區(qū)域，也就是眼睛能看到的區(qū)域。3 光的折射與折射率例3 水底同一深度并列著紅、黃、綠、紫4個(gè)彩色球，從水面正上方垂直俯視，感覺上它們在同一深度嗎?                  解析 設(shè)S為水池底部的點(diǎn)光源，在由S發(fā)出的光線中選取一條垂直于水面MN 的光線，由O點(diǎn)射出；另一條與S0成極小角度從S射到水面的A點(diǎn)，由A點(diǎn)折射到空氣中，因入射角極小，故折射角也極小(由發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的能進(jìn)入眼

6、睛的發(fā)散光束極小)，那么進(jìn)入眼中的2條折射光線的反向延長線交于S點(diǎn)，該點(diǎn)即為我們所看到的水池底部點(diǎn)光源S的像點(diǎn)，S 點(diǎn)到水面的距離h即為視深度，由圖4可見視深度小于實(shí)際深度。，視深度為實(shí)際深度的1n。水對紅、黃、綠、紫4種色光的折射率不同，n紅<n黃<n綠<n紫，因此4個(gè)彩色球的視深度不同，h 紅>h黃>h 綠>h 紫，可見人的感覺是紫色球最淺，紅色球最深。點(diǎn)評 當(dāng)角很小時(shí)，tansin(以弧度為單位)，是數(shù)學(xué)上的近似關(guān)系式，在光學(xué)部分經(jīng)常應(yīng)用這個(gè)關(guān)系式處理問題，能否應(yīng)用該關(guān)系式是解答該題的關(guān)鍵。例4 (2001年高考理綜卷) 如圖5所示，兩塊同樣的玻璃直角

7、三棱鏡ABC，兩者的AC面是平行放置的，在它們之間是均勻的未知透明介質(zhì)。一單色細(xì)光束0垂直于AB面入射，在圖示的出射光線中( )。A 1、2、3(彼此平行)中的任一條都有可能；B 4、5、6(彼此平行)中的任一條都有可能；C 7、8、9(彼此平行)中的任一條都有可能；D 只能是4、6中的某一條.             解析 光線由左邊三棱鏡AB面射人棱鏡，不改變方向；接著將穿過兩三棱鏡間的未知透明介質(zhì)進(jìn)入右邊的三棱鏡。透明介質(zhì)的兩表面是平行的，所以它的光學(xué)特性相當(dāng)于一塊兩面

8、平行的玻璃磚，使光線發(fā)生平行側(cè)移透明介質(zhì)兩邊的介質(zhì)不是真空，而是折射率未知的玻璃，因此是否發(fā)生側(cè)移以及側(cè)移的方向無法確定，但至少可以確定光線仍然與棱鏡的AB面垂直。這樣光線由右邊三棱鏡AB面射出棱鏡時(shí)，不改變方向，應(yīng)為4、5、6中的任意一條。故選項(xiàng)B正確。點(diǎn)評 若未知介質(zhì)的折射率n與玻璃折射率n玻相等，不側(cè)移；若n>n玻時(shí)，向上側(cè)移；若n<n玻時(shí)，向下側(cè)移。4 全反射與臨界角例5 (2005年全國高考理綜試題) 圖6l為直角棱鏡的橫截面，bac=90°， abc=60°。 一平行細(xì)光束從()點(diǎn)沿垂直于bc面的方向射人棱鏡。已知棱鏡材料的折射率,若不考慮原入射光在

9、bc面上的反射光，則有光線( )。A 從ab面射出；B 從ac面射出；C 從bc面射出，且與bc面斜交；D 從bc面射出，且與bc面垂直     解析 由sinC1/n ，得光從棱鏡射向空氣發(fā)生全反射的臨界角C45°。作出光路圖(圖62)。在ab面上，入射角為6O°，60°>45°所以，在該面上會(huì)發(fā)生全反射，故不會(huì)有光線從ab面上射出，所以選項(xiàng)A錯(cuò)誤。在ac面上，入射光線為ab面上的反射光線，由幾何知識可知，其入射角為3O°，3O°<45°，在該面上不發(fā)生全反射，所以，有光

10、線從ac面上射出，所以選項(xiàng)B是正確的。在ac面上的反射光線會(huì)射到bc面上，由幾何知識可知，光線是垂直入射到bc面上的，所以，垂直射出。所以，選項(xiàng)D是正確的。點(diǎn)評 在解決光的折射、全反射問題時(shí)，應(yīng)根據(jù)題意分析光路，利用幾何知識分析線、角關(guān)系，比較入射角和臨界角的大小關(guān)系，看是否滿足全反射條件。有時(shí)還要靈活運(yùn)用光路的可逆性來進(jìn)行分析。例6 有一折射率為n的長方體玻璃磚ABCD，其周圍是空氣，如圖7l所示。當(dāng)入射光線從它的AB面以入射角射人時(shí)，試求：(1)要使光線在BC面發(fā)生全反射，證明入射角應(yīng)滿足的條件是(BC面足夠長)。(2)如果對于任意入射角的光線都能產(chǎn)生全反射，則玻璃磚的折射率應(yīng)取何值?解析

11、(1)要使光線在BC面發(fā)生全反射，如圖72，首先應(yīng)滿足式中為光線射到BC面的入射角，由折射定律有將式、聯(lián)立得  (2)如果對任意入射角的光線都能產(chǎn)生全反射，即都能產(chǎn)生全反射，則只有當(dāng)才能滿足上述條件，故。點(diǎn)評 這是一道涉及玻璃磚全反射的光學(xué)題，折射定律和全反射條件的應(yīng)用是解答這類問題的關(guān)鍵。由于不能正確應(yīng)用任意入射角的光線都能產(chǎn)生全反射的條件，導(dǎo)致無從下手解題。不等式知識的欠缺，也是不能圓滿解答本題的原因。5 薄膜干涉例7(2003年上海卷) 劈尖干涉是一種薄膜干涉，其裝置如圖81所示，將一塊平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，從而在兩玻璃表面之間形成一個(gè)劈形空氣薄膜。當(dāng)光垂直入射后，從

12、上往下看到的干涉條紋如圖82所示。干涉條紋有如下特點(diǎn)：任意一條明條紋或暗條紋所在位置下面的薄膜厚度差恒定?，F(xiàn)若在圖8l裝置中抽去一張紙片，則當(dāng)光垂直入射到新的劈形空氣薄膜后，從上往下觀察到的干涉條紋( )。A 變疏； B 變密； C 不變； D 消失解析 該題主要考查獲取和處理信息的能力。當(dāng)抽去一張紙片后，兩玻璃表面之問的夾角減小，由數(shù)學(xué)知識可知，要保持兩相鄰條紋所對應(yīng)的薄膜厚度差恒定，則兩相鄰條紋間距一定增大，即觀察到的干涉條紋變疏，選項(xiàng)A正確。點(diǎn)評 該題來源于課本中薄膜干涉的內(nèi)容，但實(shí)際上是一道信息材料閱讀題，關(guān)鍵是可以直接從題中獲取的信息：任意相鄰明條紋(或暗條紋)所在位置下面對應(yīng)的薄膜

13、厚度差恒定，從而推斷結(jié)果。6 光電效應(yīng)與光子說例8(2003年上海卷) 在圖9所示的光電管的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)用一定頻率的a單色光照射光電管時(shí)，電流表指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而用另一頻率的b單色光照射時(shí)，不發(fā)生光電效應(yīng)，那么( )。A a光的頻率大于b光的頻率；B b光的頻率大于a光的頻率；C 用a光照射光電管時(shí)流過電流表G的電流方向是e流向f；D 用a光照射光電管時(shí)流過電流表G的電流方向是f流向e              解析 當(dāng)入射光的頻率大于金屬的極限頻率時(shí)才能發(fā)生電效應(yīng)

14、，由此可知a單色光的頻率大于金屬的極限頻率，而b單色光的頻率小于金屬的極限頻率，故選項(xiàng)A正確。光電效應(yīng)產(chǎn)生的光電子在光電管內(nèi)由右向左定向移動(dòng)，所以電流的方向由e經(jīng)G流向f，故選項(xiàng)C正確。例9 (2003年江蘇卷) 用某種單色光照射某種金屬表面，發(fā)生光電效應(yīng)?，F(xiàn)將該單色光的光強(qiáng)減弱，則( )。A 光電子的最大初動(dòng)能不變；B 光電子的最大初動(dòng)能減少；C 單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)減少；D 可能不發(fā)生光電效應(yīng)解析 由于光電子的最大初動(dòng)能只與光的頻率有關(guān)，可知A正確，B和D錯(cuò)誤。光的強(qiáng)弱包含兩方面的內(nèi)容：光子的能量大小和光子的數(shù)目，減小光強(qiáng)并沒有改變光的頻率，故光子的能量不變而光子數(shù)目減少，所以光電子的

15、數(shù)目也隨之減少，選項(xiàng)C正確。例10 (2004年天津卷)人眼對綠光最為敏感。正常人的眼睛接收到波長為530nm的綠光時(shí)，只要每秒有6個(gè)綠光的光子射入瞳孔，眼睛就能察覺。普朗克常量為6.63×10-34J·s，光速為3.O×108m/s，則人眼能察覺到綠光時(shí)所接收到的最小功率是( )。解析 依題意人眼能覺察到綠光時(shí)所接收到的最小功率是至少每秒有6個(gè)綠光的光子射入瞳孔。先計(jì)算一個(gè)綠光光子的能量E=h=hc3.8×lO 19J，可算出6個(gè)綠光光子的能量為2.3×10-18J，故選項(xiàng)A正確。例11 (2004年全國卷)下表給出了一些金屬材料的逸出功現(xiàn)用波長為400nm的單色光照射上述材料，能產(chǎn)生光電效應(yīng)的材料最多有( )。(普朗克常量h6.63×10-34J·s，光c3.O×108m/s)A 2種； B 3種； C 4種； D 5種解析 題中所給單色光的光子能量E=h=5×lO19J，金屬的逸出功小于該值才能發(fā)生光電效應(yīng)，故選項(xiàng)A正確。例12 (2003年全國卷)如圖1O，當(dāng)電鍵S斷開時(shí)，用光子能量為2.5 eV的一束光照射陰極P，發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零。合上電鍵，調(diào)節(jié)滑線變阻器，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表讀數(shù)小于060 V時(shí)，電流表讀數(shù)仍不為零；當(dāng)電壓表讀數(shù)大于或等于0.60 V時(shí)，電流表讀數(shù)為零。由此可知陰極材