高中物理光學(xué)六類經(jīng)典題型

高中物理光學(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(duì)該部分的考查，以定性和半定量為主，更注重對(duì)物理規(guī)律的理解和對(duì)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(duì)實(shí)際生活中常見的光反射和折射現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，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(shí)記、理解為主，常

見的題型是選擇題。“考課本”、“不回避陳題”是本部分高考試題的特點(diǎn)。根據(jù)多年對(duì)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?shù)挠白幼鰟蛩龠\(yùn)動(dòng)；(2)求人影長度隨時(shí)間的變化率。

/

高中物理光學(xué)六類經(jīng)典題型解析(1)設(shè)

t

＝0

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OS＝vt ①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①、②

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=OM

－OS ③由式①～③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(píng)

有關(guān)物影運(yùn)動(dòng)問題的分析方法：(1)根據(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。

/

高中物理光學(xué)六類經(jīng)典題型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(duì)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，畫

出其對(duì)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

/

高中物理光學(xué)六類經(jīng)典題型所以,

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(píng)

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應(yīng)用光路的可逆性，即把眼睛看作“發(fā)光體”，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?cè)谕簧疃葐?解析

設(shè)

S

為水池底部的點(diǎn)光源由

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

/

高中物理光學(xué)六類經(jīng)典題型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)

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

1／n。水對(duì)紅、黃、綠、紫

4

種色光的折射率不同，n

<n

<n

<n

，因此

4個(gè)彩色球的視深度不同，h

′>h

′>h

′>h

′，可見人的感覺是紫色球最淺，紅色球最深。點(diǎn)評(píng)

當(dāng)θ角很小時(shí)θ≈sinθ≈θ(

θ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；

/

高中物理光學(xué)六類經(jīng)典題型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

中的任意一條。故選項(xiàng)

B

正確。點(diǎn)評(píng)

若未知介質(zhì)的折射率

n

與玻璃折射率

n

相等，不側(cè)移；若

n>n

時(shí)，向上側(cè)移；若

n<n

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

6

—l

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線( )。A

從

ab

面射出；

,

若不考慮原入射光在

bc

面上的反射光，則

有光

/

高中物理光學(xué)六類經(jīng)典題型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

sinC

＝1/n

， 得光從棱鏡射向空氣發(fā)生全反射的臨界角C

＝45°。作出光路圖(

圖

6

—2)。在

ab

面上，入射角為

6O°，60°>45°所以該面上會(huì)發(fā)生全反射不會(huì)有光線從

ab

面上射出以選項(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(shí)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(shí)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(píng)

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(shí)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

7

—l所示。當(dāng)入射光線從它的

AB

面以入射角α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)

。

/

高中物理光學(xué)六類經(jīng)典題型(2)如果對(duì)于任意入射角的光線都能產(chǎn)生全反射玻璃磚的折射率應(yīng)取何值?解析(1)要使光線在

BC

面發(fā)生全反射，如圖

7

—2

，首先應(yīng)滿足式中β為光線射到

BC

面的入射角，由折射定律有將式①、②聯(lián)立得(2)如果對(duì)任意入射角的光線都能產(chǎn)生全反射

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(píng)

這是一道涉及玻璃磚全反射的光學(xué)題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(shí)的欠缺，也是不能圓滿解答本題的原因。5

薄膜干涉

/

高中物理光學(xué)六類經(jīng)典題型例

7(2003

年上海卷)

劈尖干涉是一種薄膜干涉，其裝置如圖

8

—1

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，從上往下看到的干涉條紋如圖

8—2

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

8

—l

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(shí)可知，要保持兩相鄰條紋所對(duì)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(píng)

該題來源于課本中薄膜干涉的內(nèi)容實(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(duì)應(yīng)的薄膜厚度差恒定，從而推斷結(jié)果。6

光電效應(yīng)與光子說

/

高中物理光學(xué)六類經(jīng)典題型例

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)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；

/

高中物理光學(xué)六類經(jīng)典題型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，所以光電子的數(shù)目也隨之減少，選項(xiàng)

C

正確。例

10

(2004

年天津卷)

人眼對(duì)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

J·s

，光速為

3.O×10

m/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=hν=hc／λ＝3.8×lO

19

J

，可算出

6

個(gè)綠光光子的能量為

2.3×10

J

，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

h

＝6.63

×10

J·s

，光

c

＝3.O×10

m/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／λ=5×lO

J

，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。

/

高中物理光學(xué)六類經(jīng)典題型例

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

0

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)，