高中物理易错题分析集锦光学.doc

第13单元：光学内容和方法本单元内容包括光直线传播、棱镜、光色散、光反射、光折射、法线、折射率、全反射、临界角、透镜凸、凹焦点及焦距、光干预、光衍射、光谱、红外线、紫外线、X射线、射线、电磁波谱、光电子、光子、光电效应、等根本概念，以及反射定律、折射定律、透镜成像公式、放大率计算式，光波粒二象性等根本规律，还有光本性学说开展简史。本单元涉及到方法有：运用光路作图法理解平面镜、凸透镜、凹透镜等成像原理，并能运用作图法解题；根据透镜成像规律，运用逻辑推理方法判断物象变化情况。例题分析在本单元知识应用过程中，初学者常犯错误主要表现在：解题操作过程不标准导致计算错误；将几何光学与物理光学综合时概念不准确；不善于用光路图对动态过程作分析。例1 光从玻璃射入空气里时传播方向如图13l所示，请在图中标出入射角和折射角。【错解分析】错解：如图132所示，为入射角，为折射角。错解原因一是受思维定势影响，不加分析地认定玻璃与空气总是上下接触；二是对光折射及其规律未吃透，将题设文字条件与图形条件结合起来分析能力差。根据光折射规律，光从水或玻璃等透明物质射入空气里时，折射角大于入射角，题设文字条件是“从玻璃射入空气，因此折射角大于入射角，再结合题设所给图形，可知CD为界面，AB为法线。【正确解答】如图 133所示， 为入射角， 折射角CD左面为玻璃，右面为空气。【小结】解光折射现象题目，首先应对光线是从光疏媒质进入光密媒质呢？还是光线是从光密媒质进入光疏媒质作出判断。为了保证你每次做题时，能够不忘判断，建议同学们做光折射题时，先画出光路图，标出入射光线和出射光线方向，在界面处标出哪一个是光密媒质，哪一个是光疏媒质。然后再解题。例2 一束白光从玻璃里射入稀薄空气中，玻璃折射率为1.53，求入射角为以下两种情况时，光线折射角各为多少？1入射角为50°2入射角为30°【错解分析】错解：r=30°3r=19°4此解法中没有先分析判断光线是从光疏媒质进入光密媒质，还是从光密媒质进入光疏媒质，会不会发生全反射。而是死套公式，引起错误。【正确解答】光线由玻璃里射入空气中，是由光密媒质射入光疏媒质，其临界角为由条件知，当i=50°时，iA，所以光线将发生全反射，不能进入空气中。当i=30°时，iA，光进入空气中发生折射现象。r= 49°54【小结】解光折射现象题目时，首先应做出判断：光线是从光疏媒质进入光密媒质，还是光线是从光密媒质进入光疏媒质。如是前者那么ir，如是后者那么ir。其次，如果是从光密媒质进入光疏媒质中，还有可能发生全反射现象，应再判断入射角是否大于临界角，明确有无折射现象。例3 如图134所示，放在空气中折射率为n平行玻璃砖，外表M和N平行，P，Q两个面相互平行且与M，N垂直。一束光射到外表M上光束不与M平行，那么： A如果入射角大于临界角，光在外表M发生全反射。B无论入射角多大，光在外表M都不会发生全反射。C光可能在外表N发生全反射。D.由于M与N平行，光只要通过M就不可能在外表N发生全反射。【错解分析】错解：光束从空气中射到玻璃砖外表M上，是由光疏媒质到光密媒质，不可能发生全反射，而从外表N射出空气，是由光密媒质到光疏媒质，光可能发生全反射，应选B，C。机械地记住光从光密媒质到光疏媒质，可能发生全反射，而不具体分析光通过外表M后射到N外表光线入射角大小是否大于临界角，而错选C。【正确解答】如图13-5所示，光射到外表M入射角为i(i90°)折射角为r，面N，因MN，故其入射角i=rC。即光只要通过M即不可能在外表N发生全反射。假设光通过M先射到MN面再射到P面如图136，同样可以证明经P面发生反射，反射光线射至N面时，由几何关系可以证明入射角i=r，根据折射定律折射角r=i，同样不可能发生全反射。故应选B，D。【小结】同一个初始条件可能有假设干个不同结果。这是对考生思维能力考察。此题中，当光线射到M上，发生折射。以A为分界点，入射点在AC之间，光线先要到达P界面，所以一定先要讨论光线在P界面上行为。光线在P界面一定会发生反射现象，是否发生折射要看入射角是否大于临界角。由于此问题与此题无关所以可以不讨论它。如果试题提出光线在P界面行为时，就要认真讨论。结论是：入射到M面光线入例4 如图13-7，P为发光点，MN为平面镜，那么在MN与P之间放上不透明挡板Q后，像亮度变化情况是_(填“变亮或“变暗或“不变)。【错解分析】错解：在MN与P之间放上不透明挡板Q后，必然会使从P点发出光被挡板挡住局部，所以像亮度会变暗。选错同学是将此类问题与在发光点S与透镜之间放一挡板情况混为一谈了。假设是凸透镜，如图138，发光点S发出并且到达凸透镜上那局部光线，经折射后必然全部相交于实像点S1，而当如图13-9所示凸透镜下半局部(或其上任何一局部)放上挡板B后，S发出并且到达挡板B光线就会被反射和吸收不能透过凸透镜经折射到达实像点S2，使得相交于S2像点光线大大减少了，显然由于放上了B，S2点变暗了，而平面镜那么不同了。【正确解答】所不同是，图13-10中发光点P在平面镜中所成是虚像点P。眼睛之所以能看到P，是因为P发出光线，在平面镜MN上发生反射并且进入人眼睛。人按照平时形成观察习惯，逆着进入眼睛这些反射光线看到镜后虚像点P，P就是进入人眼睛光线反向延长线相交点，显然P像点亮度取决于眼睛某一位置观察时进入其中光线多少与强弱。如图(13-10)所示，无放挡板时，眼睛在M1N1与M1N1所包围空间区域内均可看到P点。放上挡板后，在图中阴影局部A或B区域内(即在M1Nl和M2N2与M1N1和M2N2所包围区域)，进入眼睛光线多少强弱与未放入挡板时相比保持不变。因为在没有放上挡板时，通过挡板所在位置那局部光线经平面镜后，同样不能进入处于A，B区域内眼睛，这样对进入A，B区域内光线多少与强弱并不能做出奉献。也就是说，挡板放上后，对在A，B区域内眼睛，能否看到像及看像亮度都不会产生任何影响。当然此时A，B区域外再也看不到P像点P了。因此，在发光点与平面镜之间放上不透明挡板后，观察到像亮度是不变，变化是像观察范围，而且是明显变小了。【小结】几何光学把光理想化为光线，用几何方法研究光在介质中行为。总结出光直进、反射和折射三大规律。所以用几何光学规律解决实际问题，应先画光路图再做具体分析。这不仅是按照规律办事起码要求，也是保证做题正确手段。例5 如图1311所示，有一长方形玻璃砖，内有一个凸型空气泡，某学生用这个玻璃砖来做光学实验。当一平行光束通过玻璃砖时，光在空气泡中发生现象是： A这一平行光束在空气泡中将不改变原来方向。B这一平行光束在空气泡中将发生会聚。C这一平行光束在空气泡中将发生发散。D无法确定。【错解分析】错解：不少学生看里面是一个凸型气泡，认为光线经过是凸透镜，故最终成为一束会聚光线，应选B。对透镜作用不清楚，而是简单地由镜子形状来判断它对光线作用种类，认为凸型空气泡与平时用玻璃凸透镜形状一样便认为空气泡透镜对光线作用与玻璃透镜作用效果一样。【正确解答】设想在图1312中，沿AB方向把玻璃砖等分为二，即成为图1312中情形，显然该束光经过是一凹透镜。由光学知识可知，凹透镜对光线有发散作用，那么平行光束在空气泡中将发生发散，故应选C。【小结】更根本方法是画一条入射光线到空气透镜前外表，用作图法来判断光线经过透镜之后行为。光线从玻璃进入空气，由光密媒质进入光疏媒质，折射角大于入射角，折射光线远离法线，出射光线是发散。可见“凸透镜对光线作用是会聚这个结论是有条件。条件是透镜材料折射率大于周围环境折射率。例6用一个放大镜观察细小物体，假设物体距镜2cm远时，将看到一个放大3倍像，求此放大镜焦距是多少？【错解分析】错解：v= mu=3×26(cm)对题目中给条件分析不够，题目中“通过放大镜看到一个像这句话属于隐蔽条件，暗示了像和物在同侧说明成虚像即像距为负值。而此解法恰好没有注意到这一点，而是不加分析地当作实像处理，简单代入公式求解，出现了问题。【正确解答】由于像与物在放大镜同一侧。因此，是一个虚像，v为负值。【小结】胸有成竹说是没画之前，画家头脑里就有了一幅活生生情境。理解题意也和画画道理一样，看到一个物理问题，先要将文字表达物理情境想象出来，然后再进一步解题。此题如果先依据题意画一幅光路图就对像距虚实一目了然。例7高9cm物体在凸透镜前某一位置时，在屏上得到高3cm像。将此物向透镜移近50cm时，那么得放大率是3正像。求此凸透镜焦距？【错解分析】错解：设此凸透镜焦距为f，第一次成像物距为u1，像距为vl。两次成像放大率各为K1和K2。由成像公式上述解法不加分析地把两次成像都当作实像处理，得出了错误结果。【正确解答】由透镜成像公式第一次成像为实像第二次成像为虚像【小结】应用透镜成像公式时，一定要注意判断像性质，假设像距v0，为实像；假设像距v0，为虚像。要想防止出现此题类似错误。得在审题上狠下功夫。得在理解词语物理意义上动脑筋。此题文中说：“在屏上得到高3cm像那么这个像一定是实像。题文中又说：“将此物向透镜移近50cm时，那么得放大率是3正像这段话中，像前面有定语“正字，其物理意义是“成虚像，像距应取负值。一般常见描述像性质定语、状语有：像定语：实像、虚像、正像、倒像、放大像、缩小像、放大倒立像、放大正立像、缩小正立像、缩小倒立像等。像状语：像与物同侧、像与物异侧，成像在焦点以外、成像在焦点以内等。把这些修饰词物理含义准确地再现出来可以正确地理解题意，防止犯一些“没看清楚题意之类低级错误。例8 (1989年高考题)把一个点光源放在焦距为f凸透镜焦点上，在透镜另一侧2倍焦距处放一个垂直于主轴光屏，在光屏上看到一个半径为R光亮圆。现保持透镜和光屏不动，而在主轴上移位置上？【错解分析】错解：亮斑，如图1313所示。亮斑位置和物距不满足透镜成像公式。【正确解答】因为处在焦点点光源发出光线，经透镜折射后平行于主轴。所像前(图1313)，或者会聚成像后形成(图13-14)，所以，由图13-13几何关系可知v=4f，再由透镜成像公式可求得：【小结】画出光路图，才能正确求解几何光学题。例9 (1993年高考题)某人透过焦距为10cm、直径为4.ocm薄凸透镜观看方格纸，每个方格边长均为0.30cm，它使透镜主轴与方格纸垂直，透镜与纸面相距10cm，眼睛位于透镜主轴上离透镜5.0cm处，问他至多能看到同一行上几个完整方格？【错解分析】错解：不少人认为，和主轴垂直且处在焦点方格纸，经过透镜不能成像，或者说像成在无穷远处，从而得出位于主轴上离透镜5.0cm处人眼看不到方格纸，或者此题无解错误答案。处在焦点方格纸不能成像，或者说成像在无穷远结论是正确。但由此绝不能推出人眼看不到方格纸，或者此题无解结论。人眼也是个光学器件。平行光通过眼睛晶状体在视网膜上成像为一个点。比方人们戴上老花镜(即薄凸透镜)，完全能够清楚地看到处在老花镜焦点上物体。【正确解答】把“人眼通过透镜能看到方格纸这句生活语言，转化成物理语言应为“从方格纸射出光线，经过透镜折射后能进入人眼。根据光路可逆原理，我们再把“从方格纸射出光线，经过透镜折射后，能进入人眼转化成“从人眼所在处点光源发出光线，经过透镜折射后，能在方格纸上形成亮斑，亮斑大小取决于透镜大小、像距、屏位置，如图1315所示，其中像距可由透镜成像公式求得，即：由图中几何关系可得，亮斑直径为：进而可求得亮斑直径上完整方格数为：也就是说，人眼透过透镜至多能看到同一行方格数为26。【小结】理解题意比解题还重要。当年不少考生就因为读不懂题而失分。读不懂题原因在于没有将题目所表达具体问题转化为一种物理模型。例10 如图13-16所示，在焦距为10cm凸透镜焦点上有点光源S。假设使透镜以垂直于主光轴并过光心直线为轴转过37°角。求此点光源到它像之间距离(sin37°=0.6，cos37°=0.8)。【错解分析】错解：透镜转动后，发光点到透镜距离：u=f·cos=8(cm)由透镜成像公式：得所以像物间距离对透镜成像公式中物理量，物距u、像距v、焦距f，这些概念理解不够。u，v，f应均是物垂直于透镜距离，而不是到透镜光心距离。【正确解答】在透镜成像公式中，u，v，f均是物垂直于透镜距离，而不是到透镜光心距离。透镜转过后，所得像距是相对于新透镜位置垂直距离。由透镜成像规律知该像仍在原主光轴MN上。图13-17所示，像离光心距离：所以像物间距离：Lv-u=40(cm)【小结】从此题正误比拟中，我们发现根本概念必须准确。我们还发现主轴作用。物距、像距都可以先把物点、像点投影到主轴上，投影点到光心距离就是物距、像距。如果在转动透镜同时也转动主轴，并将发光点投影到新主轴上，如下图MN。新物距在一倍焦距之内，可用几何关系求出新物距。完成了对新物理情境调查研究，解决问题方法也就有了。例11 用凸透镜成像时，当物体从极远处沿着主轴移向透镜时，像朝什么方向移动？像移动速度比物体移动速度怎样？【错解分析】错解：由凸透镜成像实验知道，物体从极远处沿着镜轴移向透镜时，像从透镜向远离透镜方向移动，移动速度与物体速度一样。上述解法错在对成像过程只有外表局部认识，想当然地得出了结论。【正确解答】凸透镜成像讨论中，透镜焦点和二倍焦距处是转折点，应仔细观察实验结果，认真进展分析，切忌片面。像移动速度与物体移动速度比拟，决定于像移动距离和物体应移动距离之比。由实验知道，物体由极远处沿着镜轴移向透镜时，应分三个阶段讨论：(1)物体从极远移向凸透镜二倍焦距地方，像从透镜另一侧焦点处移向二倍焦距地方，在此区间像移动速度小于物体移动速度。(2)物体从凸透镜二倍焦距处移动向焦点时，像从透镜另一侧二倍焦距处移向极远，在此区间像移动速度大于物体移动速度。(3) 物体从凸透镜焦点处移向透镜光心时，像和物同侧，是放大虚像，像移动速度大于物体移动速度。例12 一焦距为f凸透镜，主轴和水平X轴重合，X轴上有一光点位于透镜左侧，光点到透镜距离大于f而小于2f，假设将此透镜沿X轴向右平移2f距离，那么在此过程中，光点经透镜所成像点将 A一直向右运动。B一直向左运动。C先向左运动，接着向右运动。D先向右运动，接着向左运动。【错解分析】错解：由于透镜沿X轴向右平移，使物距增大，由于凸透镜是确定，故焦距一定，而物距增大，像距必然减小，透镜向右移，可等效为镜不动而物向左移，物像应同方向移动，所以像也应向左移，所以选B。物像同方向移动规律仅适用于镜不动而物移动或像移动问题。此题是物不动而镜移动。再用常规解题就会出现问题。【正确解答】用物体间距变化规律去分析，该题马上由难转易，根据题设条件，在透镜向右移动2f距离过程中，物点到透镜距离由大于f而小于2f增大到2f，再增大到大于2f，那么物像间距应先减小后增大，由于物点静止不动，像点应先向左移动，接着向右移动，得正确答案C。【小结】此题告诉我们，不管适用条件照搬以前做过题解法，“以不变应万变是要误事。要全面分析问题，应用物像间变化规律去分析在透镜成实像情况下，当物距u由2f过程中，由于m1，像速度小于物体移动速度，物像间距变小；当物距u由2ff过程中，由于m1，像速度大于物体速度，物像间距变大；在u=2f时，v=2f，物像间距具有最小值4f。掌握上述规律不但进一步加深了对透镜成像规律理解，而且还可以更方便地求解一些光学问题。例13 如图1318所示，一线状发光物体AB，其A端恰在焦距为f薄凸透镜前主光轴上2倍焦距处，AB与主光轴成角，AB经透镜成像，AB与主光轴成角，那么，大小关系： A B CD 无法确定。【错解分析】错解：根据凸透镜成像规律，当物距u=2f时，那么像距v=2f。假设物距u2f，那么像距为fv2f，并成缩小像，所以A发光点在2f上，那么通过透镜后必过主光轴上距透镜2fA点，发光体B点在2f之外，那么经过透镜后，像点B应变得离主光轴近了，并且离镜2ff之间。像AB与主光轴所成夹角与AB与主光轴所成夹角由于几何关系不清，无法判断。应选D。只是将凸透镜成像规律记住了，机械性使用。而对凸透镜成像原理不清楚所造成，不能灵活地去分析和正确地画出成像图，这是造成错解原因。【正确解答】我们利用一条特殊光线来进展巧解。众所周知，凸透镜成像，当物距u=2f时，对应像距v=2f，因此，从凸透镜主光轴上发光点A(A距透镜2f)发出一条光线AC(AC与BA在同一条直线上)，经过透镜后光线CC必过主光轴上距透镜2fA点。显然，从发光点B发出光线BC经透镜后光线必为CC，且B点对应像点B点在CC上，因为CC既过A点，又过B点，所以CC与BA必在同一条直线上，如图1319所示。在直角三角形COA与直角三角形COA中，CO为公共边，OA=OA。因此，这两个直角三角形全等。设OAC=。顺便指出，此题中B，O，B必在同一条直线上。例14 波长为0.65m红光，从空气射入水中，水相对空气折射率为1.33。求该光在水中波长，并判断在水中该光颜色。【错解分析】错解：得波长0.49m光是蓝色。上述求得光在水中波长为0.49m是正确，但用光谱表查得光颜色却错了。人眼对光色觉决定于光频率而不是波长。【正确解答】当光从一种媒质进入另一种媒质时，波长变化了，波速也相应变化了，但它频率却不变。所以在水中该光仍是红色。【小结】物理规律因果关系是有条件，记忆规律时应该首先弄清规律成立条件。但凡波，无论是机械波还是电磁波，只要振源频率不变，波频率就不变。例15 (1981年高考题)一光电管阴极用极限波长0=5000钠制成。用波长=3000紫外线照射阴极，光电管阳极A和阴极K之间电势差u=2.1V，光电流饱和值I=0.56mA。(l)求每秒内由K极发射电子数。(2)求电子到达A极时最大动能。(3)如果电势差U不变，而照射光强度增到原值3倍，此时电子到达A极时最大动能是多少？(普朗克恒量h=6.63×10-34J·s，电子电量e=1.6×10-19C)。【错解分析】错解：(1)由于Q=It，所以t=1秒内发射电子数为(2)根据爱因斯坦光电效应方程可知，在阴极K逸出电子最大动能为(3)当光强度增到原值三倍时，电子到达A极时最大动能也变为原来三倍。对于这道考题，不少考生只求出了阴极K逸出电子最大动能，没有按题意要求进而计算出到达A极动能。在计算中，埃是长度单位，应化成国际单位进展计算。根据光电效应现象特点，逸出光电子动能只与入射光频率有关；与入射光强度无关，所以第三问最大动能不变。【正确解答】(1)每秒内由K极发射电子数(2)由爱因斯坦光电效应方程得再由动能定理，在阴极K逸出电子经过电势差为u电场加速，到达A极时最大动能为(3)当光强度增到原值三倍时，电子到达A极时最大动能不变。【小结】此题第一问是力学与爱因斯坦光电效应方程相结合综合题。在做题之前一定要掌握光电效应全过程，只有理解了光电效应实验现象发生全过程，即大于极限频率光照射在阴极上，光子激发出光电子，光电子在电源形成电场作用下加速(或减速)打在光电管阳极上。形成回路中光电流。才可能理解题目之所求。进而加上电场加速那一步计算过程。