回歸教材重難點14 光學-2022年高考物理三輪沖刺過關（解析版）

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回歸教材重難點14光學

光學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和物理光學的相關知識，題型相對比較單一，多以基礎性和綜合性考查為主。幾何光學主要考查光的折射定律和全反射的知識，因涉及光路圖，需要應用數(shù)學知識解答；物理光學主要考查光的干涉、衍射相關知識，重點放在對光的干涉產(chǎn)生實質的理解上。題目的情境從“直接給出光路的特點、邊角關系”，向“將已知條件放在實際情境中”進行過渡，更深層次地考查學生的閱讀能力、理解能力，從“解題”向“解決問題”進行轉變。

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)學能力的訓練和培養(yǎng)，重點突出與數(shù)學知識中三角函數(shù)部分知識相關聯(lián)的訓練，這往往是解決問題的關鍵所在；⑶理解光的干涉、衍射和偏振的概念及相關現(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系；⑸關注前沿科技、生活實際情境中與光學知識相聯(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；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的光學特性的物理量．

(2)定義式：n＝

eq\f(sinθ1,sinθ2)

.

(3)計算公式：n＝

eq\f(c,v)

，因為v<c，所以任何介質的折射率都大于1.

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

知識點二、全反射

1．條件：(1)光從光密介質射入光疏介質．

(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，當它們射到另一個界面時，紫光的偏折角最大，紅光偏折角最小．

2．棱鏡

三棱鏡對光線的作用：改變光的傳播方向，使復色光發(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．設邊長，則，作出光路圖如圖所示。

由幾何關系可知光在邊的入射角為，故B錯誤；

C．設光在玻璃磚與空氣界面發(fā)生全反射的臨界角設為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)左側的把柄向上轉動，條紋也會跟著轉動

【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)左側的把柄向上轉動，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面上，從另一側面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

則

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，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右側亦無b光射出，此時

，由幾何關系可知，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，故B正確；

C．若

k光經(jīng)M點斜向下入射，當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)光在介質中的傳播速度為，折射率越大的光在介質中的傳播速度越小，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色光射向圓心O，在AB分界面上的入射角i=45°，結果在水平屏幕MN上出現(xiàn)兩個亮斑。已知該介質對紅光和紫光的折射率分別為，。

（1）請畫出光路示意圖，標出兩