回歸教材重難點14 光學(xué)-2022年高考物理三輪沖刺過關(guān)(解析版)_第1頁
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回歸教材重難點14光學(xué)

光學(xué)是高中物理重要的組成部分之一,也是高考必考內(nèi)容;本知識點包括幾何光學(xué)和物理光學(xué)的相關(guān)知識,題型相對比較單一,多以基礎(chǔ)性和綜合性考查為主。幾何光學(xué)主要考查光的折射定律和全反射的知識,因涉及光路圖,需要應(yīng)用數(shù)學(xué)知識解答;物理光學(xué)主要考查光的干涉、衍射相關(guān)知識,重點放在對光的干涉產(chǎn)生實質(zhì)的理解上。題目的情境從“直接給出光路的特點、邊角關(guān)系”,向“將已知條件放在實際情境中”進行過渡,更深層次地考查學(xué)生的閱讀能力、理解能力,從“解題”向“解決問題”進行轉(zhuǎn)變。

在備考策略上:⑴重點理解光的折射定律和全反射的內(nèi)涵;⑵平時多注重數(shù)學(xué)能力的訓(xùn)練和培養(yǎng),重點突出與數(shù)學(xué)知識中三角函數(shù)部分知識相關(guān)聯(lián)的訓(xùn)練,這往往是解決問題的關(guān)鍵所在;⑶理解光的干涉、衍射和偏振的概念及相關(guān)現(xiàn)象的解釋;⑷重點掌握用雙縫干涉測量光的波長實驗,理解雙縫干涉實驗中各物理量的含義及其關(guān)系;⑸關(guān)注前沿科技、生活實際情境中與光學(xué)知識相聯(lián)系的部分,加強考生對情境問題的閱讀能力和理解能力。

知識點一光的折射與折射率

1.折射定律

(1)內(nèi)容:如圖所示,折射光線與入射光線、法線處在同一平面內(nèi),折射光線與入射光線分別位于法線的兩側(cè);入射角的正弦與折射角的正弦成正比.

(2)表達式:

eq\f(sinθ1,sinθ2)

=n.

(3)在光的折射現(xiàn)象中,光路是可逆的.

2.折射率

(1)折射率是一個反映介質(zhì)的光學(xué)特性的物理量.

(2)定義式:n=

eq\f(sinθ1,sinθ2)

.

(3)計算公式:n=

eq\f(c,v)

,因為v<c,所以任何介質(zhì)的折射率都大于1.

(4)當(dāng)光從真空(或空氣)射入某種介質(zhì)時,入射角大于折射角;當(dāng)光由介質(zhì)射入真空(或空氣)時,入射角小于折射角.

知識點二、全反射

1.條件:(1)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì).

(2)入射角≥臨界角.

2.臨界角:折射角等于90°時的入射角,用C表示,sinC=

eq\f(1,n)

.

知識點三、光的色散、棱鏡

1.光的色散

(1)色散現(xiàn)象

白光通過三棱鏡會形成由紅到紫七種色光組成的彩色光譜,如圖.

(2)成因

由于n紅<n紫,所以以相同的入射角射到棱鏡界面時,紅光和紫光的折射角不同,就是說紫光偏折得更明顯些,當(dāng)它們射到另一個界面時,紫光的偏折角最大,紅光偏折角最?。?/p>

2.棱鏡

三棱鏡對光線的作用:改變光的傳播方向,使復(fù)色光發(fā)生色散.

知識點四、光的干涉

1.定義:在兩列光波的疊加區(qū)域,某些區(qū)域的光被加強,出現(xiàn)亮紋,某些區(qū)域的光被減弱,出現(xiàn)暗紋,且加強和減弱互相間隔的現(xiàn)象叫做光的干涉現(xiàn)象.

2.條件:兩列光的頻率相等,且具有恒定的相位差,才能產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉現(xiàn)象.

3.雙縫干涉:由同一光源發(fā)出的光經(jīng)雙縫后形成兩束振動情況總是頻率相等的相干光波,屏上某點到雙縫的路程差是波長的整數(shù)倍處出現(xiàn)亮條紋;路程差是半波長的奇數(shù)倍處出現(xiàn)暗條紋.相鄰的明條紋(或暗條紋)之間距離Δx與波長λ、雙縫間距d及屏到雙縫距離l的關(guān)系為Δx=

eq\f(l,d)

λ.

4.薄膜干涉:利用薄膜(如肥皂液薄膜)前后表面反射的光相遇而形成的.圖樣中同一條亮(或暗)條紋上所對應(yīng)薄膜厚度相同.

知識點五、光的衍射

1.光的衍射現(xiàn)象

光在遇到障礙物時,偏離直線傳播方向而照射到陰影區(qū)域的現(xiàn)象叫做光的衍射.

2.光發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件

當(dāng)孔或障礙物的尺寸比光波波長小,或者跟光波波長相差不多時,光才能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象.

3.衍射圖樣

(1)單縫衍射:中央為亮條紋,向兩側(cè)有明暗相間的條紋,但間距和亮度不同.白光衍射時,中央仍為白光,最靠近中央的是紫光,最遠離中央的是紅光.

(2)圓孔衍射:明暗相間的不等距圓環(huán).

(3)泊松亮斑:光照射到一個半徑很小的圓板后,在圓板的陰影中心出現(xiàn)的亮斑,這是光能發(fā)生衍射的有力證據(jù)之一.

知識點六、光的偏振

1.偏振光:在跟光傳播方向垂直的平面內(nèi),光在某一方向振動較強而在另一些方向振動較弱的光即為偏振光.

光的偏振現(xiàn)象證明光是橫波(填“橫波”或“縱波”).

2.自然光:太陽、電燈等普通光源發(fā)出的光,包括在垂直于傳播方向上沿各個方向振動的光,而且沿各個方向振動的光波的強度都相同,這種光叫做自然光.

3.偏振光的產(chǎn)生

自然光通過起偏器:通過兩個共軸的偏振片觀察自然光,第一個偏振片的作用是把自然光變成偏振光,叫做起偏器.第二個偏振片的作用是檢驗光是否是偏振光,叫做檢偏器.

1.(2021·浙江卷)用激光筆照射透明塑料制成的光盤邊緣時觀察到的現(xiàn)象如圖所示。入射點O和兩出射點P、Q恰好位于光盤邊緣等間隔的三點處,空氣中的四條細光束分別為入射光束a、反射光束b、出射光束c和d、已知光束a和b間的夾角為,則()

A.光盤材料的折射率

B.光在光盤內(nèi)的速度為真空中光速的三分之二

C.光束b、c和d的強度之和等于光束a的強度

D.光束c的強度小于O點處折射光束的強度

【答案】D

【解析】

A.如圖所示由幾何關(guān)系可得入射角為

折射角為

根據(jù)折射定律有

所以A錯誤;

B.根據(jù)

所以B錯誤;

C.光束在b、c和d的強度之和小于光束a的強度,因為在Q處光還有反射光線,所以C錯誤;

D.光束c的強度與反射光線PQ強度之和等于折身光線OP的強度,所以D正確;

故選D。

2(2021海南卷).如圖,長方體玻璃磚的橫截面為矩形,,其折射率為。一束單色光在紙面內(nèi)以的入射角從空氣射向邊的中點O,則該束單色光()

A.在邊的折射角為

B.在邊的入射角為

C.不能從邊射出

D.不能從邊射出

【答案】C

【解析】

A.光線從O點入射,設(shè)折射角為,由折射定律有

解得

即該束單色光在邊的折射角為,故A錯誤;

B.設(shè)邊長,則,作出光路圖如圖所示。

由幾何關(guān)系可知光在邊的入射角為,故B錯誤;

C.設(shè)光在玻璃磚與空氣界面發(fā)生全反射的臨界角設(shè)為C,有

即,而光在MN邊的入射角大于,所以光在MN邊發(fā)生全反射,不能從邊射出,故C正確;

D.根據(jù)幾何關(guān)系可知光在A點發(fā)生全反射后到達NP邊的B點時的入射角為30°,小于全反射臨界角,所以光在B點折射出玻璃磚,故D錯誤。

故選C

3.(2021·浙江卷)肥皂膜的干涉條紋如圖所示,條紋間距上面寬、下面窄。下列說法正確的是()

A.過肥皂膜最高和最低點的截面一定不是梯形

B.肥皂膜上的條紋是前后表面反射光形成的干涉條紋

C.肥皂膜從形成到破裂,條紋的寬度和間距不會發(fā)生變化

D.將肥皂膜外金屬環(huán)左側(cè)的把柄向上轉(zhuǎn)動,條紋也會跟著轉(zhuǎn)動

【答案】AB

【解析】

A.肥皂膜因為自重會上面薄而下面厚,因表面張力的原因其截面應(yīng)是一個圓滑的曲面而不是梯形,A正確;

B.薄膜干涉是等厚干涉,其原因為肥皂膜上的條紋是前后表面反射光形成的干涉條紋,B正確;

C.形成條紋的原因是前后表面的反射光疊加出現(xiàn)了振動加強點和振動減弱點,形成到破裂的過程上面越來越薄,下面越來越厚,因此出現(xiàn)加強點和減弱點的位置發(fā)生了變化,條紋寬度和間距發(fā)生變化,C錯誤;

D.將肥皂膜外金屬環(huán)左側(cè)的把柄向上轉(zhuǎn)動,由于重力,表面張力和粘滯力等的作用,肥皂膜的形狀和厚度會重新分布,因此并不會跟著旋轉(zhuǎn)90°;D錯誤。

故選AB。

4.(2021北京卷)如圖所示平面內(nèi),光束a經(jīng)圓心O射入半圓形玻璃磚,出射光為b、c兩束單色光。下列說法正確的是()

A.這是光的干涉現(xiàn)象

B.在真空中光束b的波長大于光束c的波長

C.玻璃磚對光束b的折射率大于對光束c的折射率

D.在玻璃磚中光束b的傳播速度大于光束c的傳播速度

【答案】C

【解析】

A.光束a經(jīng)圓心O射入半圓形玻璃磚,出射光為b、c兩束單色光,這是光的色散現(xiàn)象,A錯誤;

C.由題圖可知光束c的折射角大于光束b的折射角,根據(jù)折射定律可知

nc<nb

C正確;

B.由于光的折射率越大,其頻率越大,波長越短,則b光在真空中的波長較短,B錯誤;

D.根據(jù)v=知,c光束的折射率小,則c光在棱鏡中的傳播速度大,D錯誤。

故選C。

5.(2021湖北卷)如圖所示,由波長為λ1和λ2的單色光組成的一束復(fù)色光,經(jīng)半反半透鏡后分成透射光和反射光。透射光經(jīng)擴束器后垂直照射到雙縫上并在屏上形成干涉條紋。O是兩單色光中央亮條紋的中心位置,P1和P2分別是波長為λ1和λ2的光形成的距離O點最近的亮條紋中心位置。反射光入射到三棱鏡一側(cè)面上,從另一側(cè)面M和N位置出射,則()

A.λ1<λ2,M是波長為λ1的光出射位置 B.λ1<λ2,N是波長為λ1的光出射位置

C.λ1>λ2,M是波長為λ1的光出射位置 D.λ1>λ2,N是波長為λ1的光出射位置

【答案】D

【解析】

由雙縫干涉條紋間距的公式

可知,當(dāng)兩種色光通過同一雙縫干涉裝置時,波長越長條紋間距越寬,由屏上亮條紋的位置可知

反射光經(jīng)過三棱鏡后分成兩束色光,由圖可知M光的折射角大,又由折射定律可知,入射角相同時,折射率越大的色光折射角越大,由于

所以N是波長為λ1的光出射位置,故D正確,ABC錯誤。

故選D。

6.(2021·河北衡水高三模擬)如圖所示,直角三角形ABC為一棱鏡的橫截面,∠B=90°,∠C=53°,M點為AB邊的中點。復(fù)色光k由a、b兩種單色光混合而成,k由M點平行于底邊BC射入棱鏡。僅有a光從AC上的N點射出,在BC下側(cè)P點(圖中未畫出)檢測到b光。sin53°=0.8,cos53°=0.6。則()

A.該棱鏡對b光的折射率等于

B.在BC邊下方射出的b光的右側(cè),可檢測到a光

C.若k光經(jīng)M點斜向下入射,則a光可能在界面AC上發(fā)生全反射

D.在雙縫干涉實驗中,要使相鄰亮條紋間距較大,應(yīng)該使用b光

E.由M點至N點,a光所用的時間小于b光所用的時間

【答案】BCE

【解析】A.由題知b光在AC上發(fā)生了全反射,恰好發(fā)生全反射時AC右側(cè)亦無b光射出,此時

,由幾何關(guān)系可知,得出,故棱鏡對b光的折射率大于等于,故A錯誤;

B.k光在AC上發(fā)生反射,如圖

因a光的折射率小于b光,二光以相同的入射角射到界面BC上同一點,故a光在b光的右側(cè),故B正確;

C.若

k光經(jīng)M點斜向下入射,當(dāng)a光射到AC上入射角大于等于其臨界角時,將發(fā)生全反射,故C正確;D.b光的折射率大于a光,故b光的頻率大于a光,b光的波長小于a光,使用a光做雙縫干涉實驗時,相鄰亮條紋間距較大,故D錯誤;E.由,可知,在棱鏡中a光的速度大于b光,故由M至N的過程中,a光的傳播時間小于b,故E正確。故選BCE。

7.(2021·天津高三一模)汽車的自適應(yīng)巡航功能能夠幫助駕駛員減輕疲勞,毫米波雷達是其中一個重要部件。毫米波的波長比短波波長短,比紅外線波長長,則()

A.這三種電磁波,紅外線最容易發(fā)生明顯的衍射繞過粉塵

B.這三種電磁波在真空中傳播,短波的傳播速度最小

C.這三種電磁波中毫米波比紅外線更容易發(fā)生明顯衍射繞過粉塵

D.這三種電磁波,短波頻率最高

【答案】C

【解析】A.這三種電磁波中,短波的波長最長,最容易發(fā)生明顯的衍射繞過粉塵,故A錯誤;B.這三種電磁波在真空中傳播時速度相同,都為光速,故B錯誤;C.毫米波波長比紅外線波長長,則毫米波比紅外線更容易發(fā)生明顯衍射繞過粉塵,故C正確;D.由公式可知,波長越小,頻率越高,則紅外線波的頻率最高,故D錯誤。故選C。

8.(2021·遼寧葫蘆島市高三一模)水中點光源S沿SO方向射岀a、b兩種單色光,其中a單色光射出水面,光路如圖所示。則下列說法正確的是()

A.水中的反射光是b單色光

B.a(chǎn)光的頻率大于b光的頻率

C.a(chǎn)、b在水中的傳播速度關(guān)系為va<vb

D.用同一雙縫干涉裝置進行實驗可看到a光干涉條紋間距比b光的寬

【答案】D

【解析】A.水中的反射光是ab兩種單色光的復(fù)合光,選項A錯誤;B.因b光發(fā)生了全反射,則b光的臨界角小于a光,根據(jù),可得,b光的折射率較大,則b光的頻率大于a光的頻率,選項B錯誤;

根據(jù)可知,因na<nb,a、b在水中的傳播速度關(guān)系為va>vb,選項C錯誤;D.因a的頻率小,波長較大,則根據(jù)可知,用同一雙縫干涉裝置進行實驗可看到a光干涉條紋間距比b光的寬,選項D正確。故選D。

9.(2021·山東高三一模)2021年央視春晚首次采用5G信號“云”傳播方式,使“云”觀眾、“云”演員和春晚互動起來,與4G信號相比,5G信號使用頻率更高的電磁波,每秒傳送的數(shù)據(jù)量是4G的50~100倍,5G信號網(wǎng)絡(luò)的高性能很好的實現(xiàn)了觀眾的良好體驗。相比4G信號()

A.5G信號的光子能量更大 B.5G信號的衍射更明顯

C.5G信號的傳播速度更大 D.5G信號的波長更長

【答案】A

【解析】A.因為5G使用的電磁波頻率比4G高,根據(jù)可知,5G使用的電磁波比4G光子能量更大,選項A正確;B.發(fā)生明顯衍射的條件是障礙物(或孔)的尺寸可以跟波長相比,甚至比波長還?。灰?G使用的電磁波頻率更高,即波長更短,故5G越不容易發(fā)生明顯衍射,選項B錯誤;C.光在真空中的傳播速度都是相同的;5G的頻率比4G高,即5G的折射率比4G大,根據(jù)光在介質(zhì)中的傳播速度為,折射率越大的光在介質(zhì)中的傳播速度越小,選項C錯誤;D.頻率越高的電磁波波長越短,因5G使用的電磁波頻率更高,所以5G信號的波長更短,選項D錯誤。故選A。

10.(2021·江蘇高三一模)利用微距相機可以拍攝到形狀各異的雪花圖像(圖甲),其中有一種“彩虹”雪花,中間部分有一個夾有空氣的薄冰層,呈彩色花紋(圖乙),這是由于()

A.光的干涉 B.光的衍射 C.光的偏振 D.小孔成像

【答案】A

【解析】薄冰中間所夾的空氣薄層相當(dāng)與一層薄膜,光在此空氣薄層上形成薄膜干涉,呈現(xiàn)彩色花紋。

故選A。

11.(2021·河南高三二模)如圖所示,AOBC為某種透明介質(zhì)的截面圖,△AOC為等腰直角三角形,BC為半徑R=10cm的四分之一圓弧,AB與水平屏幕MN垂直并接觸于A點。由紅光和紫光兩種單色光組成的復(fù)色光射向圓心O,在AB分界面上的入射角i=45°,結(jié)果在水平屏幕MN上出現(xiàn)兩個亮斑。已知該介質(zhì)對紅光和紫光的折射率分別為,。

(1)請畫出光路示意圖,標(biāo)出兩

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