2025屆高考物理二輪復(fù)習(xí)講義：第13講　光學(xué) 【含答案】

2025屆高考物理二輪復(fù)習(xí)講義：第13講光學(xué)【網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建】【關(guān)鍵能力】了解光本質(zhì)的認(rèn)知過程,高中物理光學(xué)內(nèi)容主要包括三部分:第一部分是幾何光學(xué),把光的傳播抽象成光線模型并遵循直線傳播原理、反射定律、折射定律;第二部分是波動光學(xué),是在光的干涉、光的衍射、光的偏振等現(xiàn)象分析基礎(chǔ)上把光傳播本質(zhì)理解為電磁波模型;第三部分是在光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等現(xiàn)象基礎(chǔ)上理解光的波粒二象性.題型1光的折射和全反射平行玻璃磚三棱鏡圓柱體(球)結(jié)構(gòu)玻璃磚上下表面是平行的橫截面為三角形的棱鏡橫截面是圓對光線的作用通過平行玻璃磚的光線不改變傳播方向,但要發(fā)生側(cè)移通過三棱鏡的光線經(jīng)兩次折射后,出射光線向棱鏡底面偏折圓界面的法線是過圓心的直線,經(jīng)過兩次折射后向圓心偏折應(yīng)用測定玻璃的折射率全反射棱鏡,改變光的傳播方向改變光的傳播方向例1[2023·浙江6月選考]在水池底部水平放置三條細(xì)燈帶構(gòu)成的等腰直角三角形發(fā)光體,直角邊的長度為0.9m,水的折射率n=43,細(xì)燈帶到水面的距離h=710m,則有光射出的水面形狀(用陰影表示)為 (【技法點撥】本題先考慮點光源發(fā)出的光在水面上有光射出的水面形狀,再考慮線光源發(fā)出的光在水面上有光射出的水面形狀,最后分析三條細(xì)燈帶構(gòu)成的等腰直角三角形發(fā)光體發(fā)出的光在水面上有光射出的水面形狀.根據(jù)全反射臨界角滿足的條件,畫出示意圖,根據(jù)幾何關(guān)系解答.【遷移拓展】1.[2024·寧波模擬]某主題公園的湖里安裝了一批圓形線狀光源的彩燈,半徑為R,如圖甲所示.該光源水平放置到湖水下方,光源圓面與液面平行.當(dāng)彩燈發(fā)出紅光時,可在水面正上方觀察到如圖乙所示的紅色亮環(huán),亮環(huán)與中間暗圓的面積之比為3∶1,已知水對紅光的折射率為43.下列說法正確的是(A.此彩燈離水面的垂直距離為79B.彩燈變換發(fā)光顏色時,中間暗圓面積保持不變C.若將彩燈上移,則亮環(huán)面積與中間暗圓面積之比增大D.將彩燈再向湖底豎直向下移動76R,2.一個光學(xué)圓柱體的橫截面如圖所示,中心部分是空的正方形,外邊界是半徑為R的圓,圓心O也是正方形的中心,C是正方形其中一個邊上的中點,B是圓周上的一點,已知OC=BC,∠BCO=120°,真空中光速為c,一束單色光AB從B點射入介質(zhì),入射角為60°,折射光線為BC,下列說法正確的是()A.光在B點的折射角為45°B.正方形的邊長為2C.介質(zhì)對此單色光的折射率為2D.光從B到C的傳播時間為3題型2光的干涉與衍射現(xiàn)象單縫衍射雙縫干涉不同點條紋寬度條紋寬度不等,中央最寬條紋寬度相等條紋間距各相鄰條紋間距不等各相鄰條紋等間距亮度情況中央條紋最亮,兩邊變暗條紋清晰,亮度基本相等相同點干涉、衍射都是波特有的現(xiàn)象,屬于波的疊加;干涉、衍射都有明暗相間的條紋例2[2024·臺州模擬]某研究性學(xué)習(xí)小組用激光束照射圓孔和不透明圓板后,分別得到如圖甲、乙所示的圖樣,則下列說法錯誤的是 ()A.甲圖屬于圓孔衍射B.乙圖的亮斑是“泊松亮斑”,最早由泊松先推算出這個亮斑,后來泊松發(fā)現(xiàn)影的中心的確有這個亮斑C.不管是圓孔衍射還是圓盤衍射,影像的邊緣輪廓都是模糊不清的D.發(fā)生圓孔衍射時,圓形光環(huán)的圖樣半徑遠(yuǎn)大于圓孔的半徑,即光繞到障礙物的影子里【技法點撥】小孔衍射圖樣與圓板衍射圖樣是不一樣的,要掌握它們的特點來記憶.圓孔形成明暗相間的、不等亮、不等間距的圓環(huán);不透明圓板背后陰影中心有一個亮斑.例3[2024·湖州模擬]某同學(xué)根據(jù)光的干涉原理設(shè)計了探究不同材料熱膨脹程度的實驗裝置,如圖所示.材料甲置于玻璃平板之間,材料乙的上表面3與上層玻璃下表面2間形成空氣劈尖.單色光垂直照射到玻璃平板上,就可以觀察到干涉條紋.下列說法正確的是 ()A.表面3可以與表面2平行B.該條紋是由上層玻璃上表面1與下層玻璃上表面4的反射光發(fā)生干涉形成的C.僅溫度升高,若干涉條紋向左移動,則材料甲膨脹程度大D.僅換用頻率更小的單色光,干涉條紋將向左移動

【技法點撥】干涉類問題最容易進(jìn)行拓展變形【遷移拓展】1.[2024·山東濰坊模擬]制造半導(dǎo)體元件需要精確測定硅片上涂有的二氧化硅(SiO2)薄膜的厚度,把左側(cè)二氧化硅薄膜腐蝕成如圖甲所示的劈尖,用波長λ=630nm的激光從上方照射劈尖,觀察到在腐蝕區(qū)域內(nèi)有8條暗紋,且二氧化硅斜面轉(zhuǎn)為平面的棱MN處是亮紋,二氧化硅的折射率為1.5,則二氧化硅薄膜的厚度為 ()A.1680nm B.1890nmC.2520nm D.3780nm2.[2024·金華一中模擬]雙縫干涉的實驗裝置的截面圖如圖所示,光源到雙縫S1、S2的距離相等,O是S1、S2連線中垂線與光屏的交點.若現(xiàn)在將該裝置中垂線以下的部分沒入水中,則原本處在O點的亮條紋將會 ()A.向上移動 B.向下移動C.不動 D.無法確定題型3光的波粒二象性、物質(zhì)波1.對光電效應(yīng)的特別提醒(1)能否發(fā)生光電效應(yīng),不取決于光的強(qiáng)度而取決于光的頻率.(2)光電效應(yīng)中的“光”不是特指可見光,也包括不可見光.(3)逸出功的大小由金屬本身決定,與入射光無關(guān).(4)光電子不是光子,而是電子.2.對波粒二象性的理解(1)光的波動性是光子本身的一種屬性,不是光子之間相互作用產(chǎn)生的,光的波動性不同于宏觀概念的波.(2)德布羅意提出物質(zhì)波的觀點被實驗證實,表明電子、質(zhì)子、原子等粒子不但具有粒子的性質(zhì),而且具有波的性質(zhì).例4(不定項)[2024·嘉興模擬]波粒二象性是微觀世界的基本特征.下列對波粒二象性的實驗及說法正確的是 ()A.光的衍射(圖甲)揭示了光具有粒子性B.光電效應(yīng)(圖乙)揭示了光的波動性,同時表明光子具有能量C.康普頓效應(yīng)(圖丙)揭示了光的粒子性,同時表明光子除了有能量還有動量D.電子束穿過鋁箔后的衍射圖樣(圖丁),證實了電子的波動性,質(zhì)子、中子及原子、分子均具有波動性

例5[2024·麗水模擬]如圖甲所示是一款光電煙霧探測器的原理圖.當(dāng)有煙霧進(jìn)入時,來自光源S的光被煙霧散射后進(jìn)入光電管C,光射到光電管中的鈉表面時會產(chǎn)生光電流.如果產(chǎn)生的光電流大于10-8A,便會觸發(fā)報警系統(tǒng).金屬鈉的遏止電壓Uc隨入射光頻率ν的變化規(guī)律如圖乙所示,光速c=3×108m/s,e=1.6×10-19C,則 ()A.要使該探測器正常工作,光源S發(fā)出的光波長不能小于5.0×10-7mB.圖乙中圖像斜率的物理意義為普朗克常量hC.觸發(fā)報警系統(tǒng)時鈉表面每秒釋放出的光電子數(shù)最少是N=6.25×1010個D.通過調(diào)節(jié)光源發(fā)光的強(qiáng)度來調(diào)整光電煙霧探測器的靈敏度是不可行的

【遷移拓展】1.[2024·溫州模擬]如圖所示,某激光器的一端固定于虛線圓的圓心O點,以角速度ω繞O點轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動過程中從激光器的另一端連續(xù)發(fā)出波長為λ的細(xì)激光束(不計光束截面積),在半徑為R的虛線圓某處固定一弧形接收屏,接收屏沿虛線圓的長度為l.激光器轉(zhuǎn)動一周的過程中,接收屏接收到的光子數(shù)為n,已知普朗克常量為h,激光傳播的速度為c,則激光器的發(fā)射功率為 ()A.n?λRωB.n?cRωC.n?RωD.nlλc2.[2024·臺州模擬]我國科學(xué)家吳有訓(xùn)在上世紀(jì)20年代進(jìn)行X射線散射研究,為康普頓效應(yīng)的確立做出了重要貢獻(xiàn).研究X射線被較輕物質(zhì)散射后光的成分發(fā)現(xiàn),散射譜線中除了有波長與原波長相同的成分外,還有其他波長的成分,這種現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng).如圖所示,在真空中,入射波長為λ0的光子與靜止的電子發(fā)生彈性碰撞,碰后光子傳播方向與入射方向夾角為37°,碰后電子運動方向與光子入射方向夾角為53°(cos37°=0.8,cos53°=0.6),下列說法正確的是 ()A.該效應(yīng)說明光具有波動性B.碰撞后光子的波長為1.25λ0C.碰撞后電子的德布羅意波長為0.6λ0D.碰撞后光子相對于電子的速度大于3×108m/s題型4光學(xué)模塊的組合問題例7(不定項)[2024·浙江1月選考]在如圖所示的直角坐標(biāo)系中,xOz平面為介質(zhì)Ⅰ和Ⅱ的分界面(z軸垂直紙面向外).在介質(zhì)Ⅰ中的P(0,4λ)處有一點波源,產(chǎn)生波長為λ、速度為v的波.波傳到介質(zhì)Ⅱ中,其速度為2v.圖示時刻介質(zhì)Ⅱ中僅有一個波峰,與x軸和y軸分別交于R和S點,此時波源也恰好位于波峰.M為O、R連線的中點,入射波與反射波在O點相干加強(qiáng),則 ()A.介質(zhì)Ⅱ中波的頻率為2B.S點的坐標(biāo)為(0,-2λ)C.入射波與反射波在M點相干減弱D.折射角α的正弦值sinα=3

【技法點撥】在介質(zhì)Ⅱ中的波長為λ2=2λ,此刻波源P處于波峰,則4個波長處O點也處于波峰處,而又根據(jù)題意,入射波、反射波在O點相干加強(qiáng),說明反射波在O點恰好也處于波峰.根據(jù)題意在介質(zhì)Ⅱ中,僅有一個波峰,所以O(shè)、S之間恰好是相鄰的兩個波峰.由于沒有半波損失,界面上每處的入射波與反射波始終同相,都是加強(qiáng)點.例8(不定項)[2023·浙江6月選考]有一種新型光電效應(yīng)量子材料,其逸出功為W0.當(dāng)紫外光照射該材料時,只產(chǎn)生動能和動量單一的相干光電子束.用該電子束照射間距為d的雙縫,在與縫相距為L的觀測屏上形成干涉條紋,測得條紋間距為Δx.已知電子質(zhì)量為m,普朗克常量為h,光速為c,則 ()A.電子的動量pe=?LB.電子的動能Ek=?C.光子的能量E=W0+c?LD.光子的動量p=W0c【技法點撥】根據(jù)電子的動量公式結(jié)合雙縫干涉實驗的條紋間距公式聯(lián)立得出電子的動量表達(dá)式;根據(jù)動能和動量的關(guān)系得出電子的動能;結(jié)合光電效應(yīng)方程列式得出光子的能量,熟悉公式間的推導(dǎo)即可完成解答.【遷移拓展】1.[2024·寧波模擬]某學(xué)生用圖甲裝置進(jìn)行趣味實驗,其原理如圖乙所示,在一塊平板玻璃上放置一平薄凸透鏡,在兩者之間形成厚度不均勻的空氣膜,讓一束單一波長的光垂直入射到該裝置上,結(jié)果在上方觀察到如圖丙所示的同心、內(nèi)疏外密的圓環(huán)狀干涉條紋,稱為牛頓環(huán),現(xiàn)將a、b兩束單色光分別進(jìn)行實驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)同等條件下a光的圓環(huán)狀干涉條紋平均間距大于b光的間距.下列說法錯誤的是()A.分別用a、b兩束光照射同一光電管陰極時,如果都能發(fā)生光電效應(yīng),則a光的遏止電壓更大B.如果a、b兩束光以相同的入射角照射到玻璃磚表面,則b光的折射角更小C.將a、b兩束光射入同一單縫衍射裝置上,a光對應(yīng)的中央亮紋的寬度更大D.a光光子動量小于b光光子動量2.(不定項)[2024·麗水模擬]如圖乙所示,一束復(fù)色光從空氣射向一個球狀水滴后被分成了a、b兩束單色光,分別將這兩束單色光射向圖甲所示的裝置,僅有一束光能發(fā)生光電效應(yīng).調(diào)節(jié)滑片P的位置,當(dāng)電流表示數(shù)恰為零時,電壓表示數(shù)為Uc.已知該種金屬的極限頻率為ν0,電子電荷量的絕對值為e,普朗克常量為h,下列說法正確的是 ()A.a光在玻璃中的傳播速度比b光小B.b光的光子能量為hν0+eUcC.保持光強(qiáng)不變,滑片P由圖示位置向左移,電流表示數(shù)變大D.用同一雙縫做光的干涉實驗,a光產(chǎn)生的干涉條紋間距比b光的大參考答案與詳細(xì)解析題型1例1C[解析]水面下的發(fā)光體可以看成是許多點光源,每個點光源射向水面時有光射出的區(qū)域是一個圓,發(fā)生全反射的臨界角的正弦值sinC=1n=34,則tanC=37,圓半徑R=htanC=0.3m,如圖甲所示,所以整個發(fā)光體在水面處有光射出的區(qū)域看作是以邊界上的點為圓心、半徑為0.3m的包絡(luò)面,如圖乙所示,設(shè)三角形發(fā)光體的內(nèi)切圓半徑為r,如圖丙所示,有2r+r=22×0.9m,得r=1?22×0.9m<0.3【遷移拓展】1.A[解析]設(shè)亮環(huán)最外圈的半徑為r1,暗圓的半徑為r2,由題意有πr12-πr22πr22=31,其光路圖如圖所示,圓環(huán)邊緣的光線發(fā)生全反射,有sinC=1n,由幾何關(guān)系有sinC=R-r2?2+R-r22,R-r2=r1-R,解得h=79R,故A正確;當(dāng)彩燈變換發(fā)光顏色時,則水對該光的折射率發(fā)生變化,由上述分析可知,當(dāng)折射率發(fā)生改變時,則暗圓的半徑發(fā)生變化,所以中間暗圓的面積發(fā)生變化,故B錯誤;由幾何關(guān)系可知,sinC=R-r2?2+R-r22,整理有R-r2=sinC?1?sin2C,若將彩燈上移,即彩燈到水面的高度減小,即h變小,由上述分析可知,r2增大,又因為R-r2=r1-R,所以2.B[解析]由幾何關(guān)系可得,光在B點的折射角為30°,則介質(zhì)對此單色光的折射率為n=sin60°sin30°=3,故A、C錯誤;設(shè)正方形的邊長為a,由余弦定理有cos120°=a22+a22-R22×a2×a2,解得a=233R,故B正確;光在介質(zhì)中的傳播速度為v=c題型2例2B[解析]根據(jù)衍射條紋的特點可知甲圖屬于圓孔衍射,乙圖是光線照射到圓板后的衍射圖樣,即乙圖為著名的“泊松亮斑”,故A正確;乙圖的亮斑是“泊松亮斑”,最早由泊松先推算出這個亮斑,但泊松認(rèn)為這是非?；闹嚨?后來阿拉果發(fā)現(xiàn)影的中心有這個亮斑,故B錯誤;不管是圓孔衍射還是圓盤衍射,影像的邊緣輪廓都是模糊不清的,故C正確;發(fā)生圓孔衍射時,圓形光環(huán)的圖樣半徑遠(yuǎn)大于圓孔的半徑,即光繞到障礙物的影子里,故D正確.例3C[解析]該條紋是由上層玻璃下表面2與材料乙上表面3的反射光發(fā)生干涉形成的,由空氣劈尖原理可知,若表面3與表面2平行,則兩表面的反射光之間的路程差始終恒定,則不會形成明暗相間的條紋,故A、B錯誤;若溫度升高,干涉條紋向左移動,則上層玻璃下表面2與材料乙上表面3之間的空氣膜厚度增加,即材料甲膨脹程度大,故C正確;若換用頻率更小的單色光,則波長變長,根據(jù)條紋間距公式Δx=Ld·λ可知,干涉條紋間距增大,對應(yīng)空氣膜厚度符合條件的位置向右移動,故D錯誤【遷移拓展】1.A[解析]根據(jù)題意,由于二氧化硅的折射率為1.5,則激光在二氧化硅中的波長為λ1=λn,觀察到在腐蝕區(qū)域內(nèi)有8條暗紋,則二氧化硅斜面轉(zhuǎn)為平面的棱MN處是第9條亮紋,設(shè)二氧化硅薄膜的厚度為d,則有2d=8λ1,聯(lián)立解得d=1680nm,故選A2.B[解析]由于水的折射,光在水中傳播時,波長變短.光源發(fā)出的光通過狹縫S2到達(dá)O點的光程比通過S1到達(dá)O點的光程大,由于中央亮條紋到兩個光源的光程相等,因此中央亮紋向下移動.故選B.題型3例4CD[解析]光的衍射(圖甲)揭示了光具有波動性,選項A錯誤;光電效應(yīng)(圖乙)揭示了光的粒子性,同時表明光子具有能量,選項B錯誤;康普頓效應(yīng)(圖丙)揭示了光的粒子性,同時表明光子除了有能量還有動量,選項C正確;電子束穿過鋁箔后的衍射圖樣(圖丁),證實了電子的波動性,質(zhì)子、中子及原子、分子均具有波動性,選項D正確.例5C[解析]由圖乙可知金屬的截止頻率為νc=6×1014Hz,則有λ=cνc=3.0×1086.0×1014m=5.0×10-7m,則可知光源S發(fā)出的光波長小于5.0×10-7m,故A錯誤;由遏止電壓與光電子的最大初動能之間的關(guān)系,以及愛因斯坦的光電效應(yīng)方程可得eUc=Ek=hν-hνc,變式可得Uc=?eν-?eνc,可知該圖像的斜率為?e,故B錯誤;當(dāng)光電流等于10-8A時,每秒產(chǎn)生的光電子的個數(shù)為N=Ite=10-8×11.6×10-19個=6.25×1010個,故C正確【遷移拓展】1.B[解析]激光器轉(zhuǎn)動的周期為T=2πω,轉(zhuǎn)一周的過程中虛線圓單位長度接收到的光能量為E0=PT2πR,接收屏接收到的光能量為E=E0l,每個光子能量為E1=hν=hcλ,則在激光器轉(zhuǎn)動一周的過程中,接收屏接收到的光子數(shù)為n=EE1,聯(lián)立解得P2.B[解析]該效應(yīng)說明光具有粒子性,故A錯誤;根據(jù)題意,設(shè)碰撞之前光子的動量為p0,碰撞之后光子的動量為p1,電子的動量為p2,由動量守恒定律有p0=p1cos37°+p2cos53°,p1sin37°=p2sin53°,解得p1=0.8p0,p2=0.6p0,又有p=?λ,則碰撞后光子的波長為λ1=?p1=1.25λ0,碰撞后電子的德布羅意波長為λ2=?p2=53λ0,故C錯誤,B正確;光子的速度等于光速,按照愛因斯坦的光速不變原理即在任何參考系中光速都不變,可知光子相對于電子的速度等于3×108題型4例7BD[解析]波發(fā)生折射時,波的頻率不變,所以波在介質(zhì)Ⅰ、Ⅱ中的頻率相等,即f=vλ,選項A錯誤;波在介質(zhì)Ⅰ中的波長為λ,根據(jù)v=λf可知,波在介質(zhì)Ⅱ中的波長為λ2=2vf=2vvλ=2λ,該時刻波源P處于波峰,O點到P點距離為4λ,則入射波在O說明反射波在O點恰好也處于波峰,又知介質(zhì)Ⅱ中僅有一個波峰,所以O(shè)、S之間距離恰好等于一個波長,即OS=2λ,故S點的坐標(biāo)為(0,-2λ),選項B正確;已知入射波與反射波在O點相干加強(qiáng),說明波傳到兩種介質(zhì)的分界面時沒有半波損失,則入射波和反射波在分界面上同一點的相位相同,分界面上各點都是相干加強(qiáng),選項C錯誤;已知圖示時刻介質(zhì)Ⅱ中僅有一個波峰與x軸和y軸分別交于R和S點,說明波傳播到R和S點的時間相同,即POv+OS2v=P