新高考物理二輪復(fù)習(xí) 第18講 光學(xué) 學(xué)案

第18講光學(xué)

核心考點(diǎn)1光的折射和全反射

【高考真題?引領(lǐng)】

1.(2021?全國乙卷)用插針法測量上、下表面平行的玻璃磚的折射率。實(shí)驗(yàn)中用A、B

兩個(gè)大頭針確定入射光路、C、。兩個(gè)大頭針確定出射光路，。和0,分別是入射點(diǎn)和出射點(diǎn)，

如圖(a)所示。測得玻璃磚厚度為/?=15.0mm,A到過O點(diǎn)的法線0M的距離AM=10.0mm,

M到玻璃磚的距離M0=20.0mm,O'到OM的距離為5=5.0mm。

(1)求玻璃磚的折射率；

(2)用另一塊材料相同，但上下兩表面不平行的玻璃磚繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，玻璃磚的截面如圖(b)

所示。光從上表面入射，入射角從0逐漸增大，達(dá)到45°時(shí)，玻璃磚下表面的出射光線恰

好消失。求此玻璃磚上下表面的夾角。

［思維分析］

考查

光的折射和全反射

角度

解題根據(jù)折射率計(jì)算折射角；根據(jù)全反射和幾何關(guān)系求得玻璃磚上下表面的

關(guān)鍵夾角

解析：(1)從。點(diǎn)射入時(shí)，設(shè)入射角為a,折射角為尸。根據(jù)題中所給數(shù)據(jù)可得:

sina=錯(cuò)誤！=錯(cuò)誤！

sin￡=錯(cuò)誤！=錯(cuò)誤！

再由折射定律可得玻璃磚的折射率：

sinQ廠

片sinB72

(2)當(dāng)入射角為45°時(shí)，設(shè)折射角為人由折射定律：

sin45°

n=：

smy

可求得：y=30°

再設(shè)此玻璃磚上下表面的夾角為e,光路圖如下：

3O\3O0+0

而此時(shí)出射光線恰好消失，則說明發(fā)生全反射，有:

sinC—~n

解得：C=45。

由幾何關(guān)系可知：。+30°=C

即玻璃磚上下表面的夾角：（9=15°

答案：（1班⑵15。

【知識方法?深化】

解決光的折射和全反射的方法

__、__該光線一般是人射光線，還有可能是反射

癡病\光線或折射光線

、四光變/若研究的光線不明確，根據(jù)題意分析、尋

L?找，如臨界光線、邊界光線等

「找人射點(diǎn)，確認(rèn)界而，并畫出法線

畫光路硝-

、根據(jù)反射定律、折射定律做出光路圖，結(jié)

合幾何關(guān)系，具體求解

「從光疏一?光密：定有反射、折射光線

^恵兩夕-從光密~光疏：如果入射角大于或等于臨

界角，一定發(fā)生全反射

【精選典題?練透】

考向I光的折射及折射率的計(jì)算

2.（2021?山東濟(jì)南二模）如圖所示，一半徑為R的透明玻璃球放

置在水平面上，一束復(fù)合光（由兩種單色光組成）從玻璃球的最高點(diǎn)A

沿與豎直方向成60°角射入玻璃球，單色光。經(jīng)過兩次反射回到A

點(diǎn)，單色光6經(jīng)過三次反射回到A點(diǎn)，已知真空中光速為c,求：

（1）該玻璃對單色光a的折射率和單色光?第一次射出玻璃球相

對于入射方向的偏向角；

（2）兩種單色光從A點(diǎn)進(jìn)入到第一次從A點(diǎn)射出的過程中在透明

玻璃球中傳播的時(shí)間差。（計(jì)算結(jié)果可用根式表示）

解析：（1）由幾何知識可得a=￡=30°,由折射定律得該玻隔對

單色光a的折射率

sin6()廣厶，sinyr-

&=sina=小f由折射疋律二〃，產(chǎn)sin￡=小9Y=60n,

單色光〃第一次折射到玻璃中偏向角為60°-Q=30°,

第二次從玻璃到空氣中折射偏向角也為y一夕=30°,

所以，單色光〃第一次射出玻璃球相對于入射方向的偏向角為60°

(2)該玻璃對單色光b的折射率口==坐，由〃得，

"sin豊q)乙。

單色光。在玻嬌中速度Va=

小，

2c

單色光6在玻璃中速度v=

b巫

由幾何知識，單色光a在玻璃球中的光程以=3小R,

單色光人在玻璃球中的光程si,=4帀R,

在玻璃球中第一次回到A點(diǎn)時(shí)間差△/=況啓―4.丁=(9—4小)?

小乖

答案：(1)于60°(2)(9-473§

考向2全反射現(xiàn)象的理解和應(yīng)用

3.(2021?山東淄博二模)如圖所示,折射率為的液面上有一光源S,發(fā)出一條光線,

垂直射到水平放置于液體中且距液面高度為h=\m的平面鏡M的。點(diǎn)上，當(dāng)平面鏡繞垂

直于紙面的軸。以角速度ft>=55rad/s逆時(shí)針方向勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，液面上的觀察者跟蹤觀察,

發(fā)現(xiàn)液面上有一光斑掠過，且光斑到P點(diǎn)后立即消失，求：

(1)光斑在這一過程中平均速度的大?。?/p>

(2)光斑在P點(diǎn)即將消失時(shí)瞬時(shí)速度的大小。

解析：當(dāng)平面鏡繞軸。逆時(shí)針方向勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光線經(jīng)平面鏡反射，到達(dá)液面的光斑

從S點(diǎn)開始水平向左運(yùn)動(dòng)，反射光線到P點(diǎn)恰好發(fā)生全反射，臨界角滿足sinC=(,解得

C=45°,光路如圖所示

由幾何關(guān)系可知NO?4=NPO4=45°,即附=04=厶,

n

法線轉(zhuǎn)過￡,即鏡面轉(zhuǎn)過裝,需要的時(shí)間為，=?~-,

oo3X3

—PA8coh

光斑在這一過程中平均速度的大小為。=—=----=0.4m/s

In

（2）光斑在液面上移動(dòng)的速度v是光線的伸長速度也與光線轉(zhuǎn)動(dòng)速度v\的合速度，其中

OP=yf2h,注意到光線的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度是平面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的2倍，即光斑在P點(diǎn)的線速度

（轉(zhuǎn)動(dòng)速度）為Vi=2-yf2h,3=專產(chǎn)m/s,

所以在尸點(diǎn)光斑沿液面向左移動(dòng)的速度為片記卜m/s

,,冗

答案：(1)0.4m/s(2)5m/s

考向3光在三棱鏡中的傳播

4.（2021?山東卷）超強(qiáng)超短光脈沖產(chǎn)生方法曾獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，其中用到的一種脈沖激

光展寬器截面如圖所示。

在空氣中對稱放置四個(gè)相同的直角三棱鏡，頂角為仇一細(xì)束脈沖激光垂直第一個(gè)棱鏡

左側(cè)面入射，經(jīng)過前兩個(gè)棱鏡后分為平行的光束，再經(jīng)過后兩個(gè)棱鏡重新合成為一束，此時(shí)

不同頻率的光前后分開，完成脈沖展寬。已知相鄰兩棱鏡斜面間的距離d=100。mm,脈沖

激光中包含兩種頻率的光，它們在棱鏡中的折射率分別為川=小和物=卑。取sin37°

金=1.890。

（1）為使兩種頻率的光都能從左側(cè)第一個(gè)棱鏡斜面射出，求。的取值范圍；

（2）若9=37°,求兩種頻率的光通過整個(gè)展寬器的過程中，在空氣中的路程差厶厶保留

3位有效數(shù)字）。

解析：（1）設(shè)C是全反射的臨界角，光線在第一個(gè)三棱鏡右側(cè)斜面上恰好發(fā)生全反射時(shí),

根據(jù)折射定律得sinC=~①

代入較大的折射率得C=45°

所以頂角。的范圍為0<6?<45°（或。<45°）

（2）脈沖激光從第一個(gè)三棱鏡右側(cè)斜面射出時(shí)發(fā)生折射，設(shè)折射角分別為內(nèi)和az,由折

射定律得

sinai為

n'-sine②

sina?

ni=—(3)

sin0

設(shè)兩束光在前兩個(gè)三棱鏡斜面之間的路程分別為厶和厶，則厶二器片,厶二焉;

△L=2（A|—72）④

聯(lián)立②③④式，代入數(shù)據(jù)得△厶=14.4mm

答案：(l)0<6X45°(或。<45°)(2)A1=14.4mm

核心考點(diǎn)2光的波動(dòng)性和電磁波

【高考真題?引領(lǐng)】

1.（2020.山東卷）雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置的截面圖如圖所示。光源S

,,玻璃片

到S、S2的距離相等，。點(diǎn)為Si、S2連線中垂線與光屏的交點(diǎn)。光sN

。

光

源S發(fā)出的波長為，的光，經(jīng)S出射后垂直穿過玻璃片傳播到。點(diǎn)，Si廃

經(jīng)52出射后直接傳播到O點(diǎn)，由5.到O點(diǎn)與由S2到。點(diǎn)，光傳播

的時(shí)間差為玻璃片厚度為10九，空氣中光速為c,不計(jì)光在玻璃片內(nèi)的反射。以下判

斷正確的是（）

5久154

A.△z=B.~2^

［思維分析I

考查

雙縫干涉中光的傳播

角度

解題光在該玻璃中傳播速度0=（;光源S到&、S2的距離相等，則光從S

關(guān)鍵

到S和到S2的時(shí)間相等，光傳播的時(shí)間差即為兩縫到光屏的時(shí)間差。

［嘗試解答］

解析：由于玻璃對該波長光的折射率為"，則光在該玻璃中傳播速度為：=與，

光從S到S|和到S2的時(shí)間相等，設(shè)光從S1到。點(diǎn)的時(shí)間為九，從融到。點(diǎn)的時(shí)間為30

點(diǎn)到$2的距離為L,則有：厶='一二"：+~~,。2=￡,光傳播的時(shí)間差為：Z="-t2=

+~~一9代入丫=當(dāng)可得：,故A正確，BCD錯(cuò)誤。

答案：A

【精選典題?練透】

2.（2021.江蘇蘇州二模）某一質(zhì)檢部門為檢測一批礦泉水的質(zhì)

量，利用干涉原理測定礦泉水的折射率。方法是將待測礦泉水填

充到特制容器中，放置在雙縫與熒光屏之間（之前為空氣），如圖所

示，特制容器未畫出，通過比對填充后的干涉條紋間距X2和填充

前的干涉條紋間距占就可以計(jì)算出該礦泉水的折射率。單縫So、雙縫中點(diǎn)0、屏上的Po點(diǎn)

均位于雙縫$和S2的中垂線上，屏上P點(diǎn)處是Po上方的第3條亮條紋（不包括Po點(diǎn)處的亮

條紋）的中心。已知入射光在真空中的波長為九真空中的光速為c,雙縫Si與S2之間距離

為止雙縫到屏的距離為3則下列說法正確的是（）

34

A.來自雙縫Si和S2的光傳播到P點(diǎn)處的時(shí)間差為工一

B.X2>Xl

C.該礦泉水的折射率為平

X2

D.僅將單縫So向左（保持So在雙縫的中垂線上）移動(dòng)的過程中，P點(diǎn)處能觀察到暗條紋

解析：由第三條亮條紋對應(yīng)路程差s=3晨但光在介質(zhì)中的傳播速度小于c,故A錯(cuò)誤；

由公式x=/4,"=弓=當(dāng)可知，光在水中的波長小于空氣中的波長，所以在水中的干

ClVA

涉條紋間距X2小于填充前的干涉條紋間距X1,故B錯(cuò)誤；由公式4,〃=三=當(dāng)可

aVA

知，x\=^j/o,X2=W,得〃=&,故C正確；由公式△工=）人可知，移動(dòng)

uacinX2a

So對觀察結(jié)果沒有影響，故D錯(cuò)誤。

答案：C

3.（2021?山東日照二模）隨著社會(huì)生活節(jié)奏的日益加快，通信網(wǎng)絡(luò)的速度也在不斷提升，

第五代移動(dòng)通信技術(shù)（簡稱“5G”）將開啟數(shù)字經(jīng)濟(jì)的新篇章，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全方位變革。第

四代移動(dòng)通信技術(shù)4G,采用1880—2635MHz頻段的無線電波;“5G”采用3300—5000MHz

頻段的無線電波?！?G”意味著更快的網(wǎng)速和更大的網(wǎng)絡(luò)容載能力，與4G相比，5G使用的

電磁波（）

A.光子能量更大B.衍射現(xiàn)象更明顯

C.傳播速度更快D.波長更長

解析：因?yàn)?G使用的電磁波頻率比4