教育课件完美版高考物理二轮复习精品资料Ⅰ 专题18 光学同步课件.ppt

专题十八光学专题十八光学一、光的折射、全反射和色散一、光的折射、全反射和色散1光的折射光的折射(1)折射现象：光从一种介质斜射进入另一种介质时，传播方折射现象：光从一种介质斜射进入另一种介质时，传播方 向发生向发生 的现象的现象(2)折射定律折射定律(如图如图1131所示所示)内容：折射光线与入射光线、法线处在内容：折射光线与入射光线、法线处在 ，折射光线与入射光线分别位，折射光线与入射光线分别位 于于 的两侧，入射角的正弦与折射角的的两侧，入射角的正弦与折射角的 正弦成正弦成 图图1131改变改变 同一平面内同一平面内法线法线正比正比 表达式：表达式：n12，式中，式中n12是比例常数是比例常数 在光的折射现象中，光路是在光的折射现象中，光路是 (3)折射率折射率 定义：光从真空射入某介质时，定义：光从真空射入某介质时，的正弦与的正弦与 的正弦的比值的正弦的比值 定义式：定义式：n (折射率由介质本身和光的频率决定折射率由介质本身和光的频率决定)计算式：计算式：n (c为光在真空中的传播速度，为光在真空中的传播速度，v是光是光 在介在介 质中的传播速度，由此可知，质中的传播速度，由此可知，n1)可逆的可逆的入射角入射角 折射角折射角2全反射全反射(1)发生条件：发生条件：光从光从 介质射入介质射入 介质；介质；入射角入射角 临界角临界角(2)现象：折射光完全消失，只剩下现象：折射光完全消失，只剩下 光光(3)临界角：折射角等于临界角：折射角等于90时的入时的入 射角，用射角，用C表示，表示，sinC .(4)应用：应用：全反射棱镜；全反射棱镜；光导光导 纤维，如图纤维，如图1132所示所示光密光密光疏光疏等于或大于等于或大于反射反射3光的色散光的色散(1)光的色散现象：含有多种颜色的光被分解为光的色散现象：含有多种颜色的光被分解为 光的现象光的现象(2)色散规律：由于色散规律：由于n红红n紫紫，所以以相同的入射角射到棱镜界，所以以相同的入射角射到棱镜界 面时，红光和紫光的折射角不同，即紫光偏折得更明显面时，红光和紫光的折射角不同，即紫光偏折得更明显 当它们射到另一个界面时，当它们射到另一个界面时，光的偏折最大，光的偏折最大，光的偏光的偏 折最小折最小单色单色紫紫红红(3)光的色散现象说明：光的色散现象说明：白光为复色光；白光为复色光；同一介质对不同色光的折射率不同，频率越大的色光折同一介质对不同色光的折射率不同，频率越大的色光折 射率射率 ；不同色光在同一介质中的传播速度不同，波长越短，波不同色光在同一介质中的传播速度不同，波长越短，波 速速 越大越大越慢越慢1光密介质不是指密度大的介质，折射率的大小与介质的光密介质不是指密度大的介质，折射率的大小与介质的 密度无关密度无关2由由n 知，当光从真空射向其他透明介质时，频率不变，知，当光从真空射向其他透明介质时，频率不变，波速和波长都发生改变波速和波长都发生改变二、光的波动性二、光的波动性1光的干涉光的干涉(1)产生干涉的条件：两列光的产生干涉的条件：两列光的 相同，相同，恒定恒定(2)杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 原理如图原理如图1133所示所示 产生明、暗条纹的条件产生明、暗条纹的条件频率频率相位差相位差图图1133a单色光：若路程差单色光：若路程差r2r1k(k0,1,2)，光屏上出现，光屏上出现 ；若路程差；若路程差r2r1(2k1)(k0,1,2)，光屏上，光屏上出现出现 b白光：光屏上出现彩色条纹白光：光屏上出现彩色条纹相邻明相邻明(暗暗)条纹间距：条纹间距：x .明条纹明条纹暗条纹暗条纹(3)薄膜干涉薄膜干涉 概念：由薄膜的前后表面反射的两列光相互叠加而成概念：由薄膜的前后表面反射的两列光相互叠加而成 劈形薄膜干涉可产生平行劈形薄膜干涉可产生平行 条纹条纹 应用：检查工件表面的平整度，还可以做增透膜应用：检查工件表面的平整度，还可以做增透膜等距等距2光的衍射光的衍射(1)光的衍射现象：光在遇到障碍物时，偏离直线传播方向光的衍射现象：光在遇到障碍物时，偏离直线传播方向 而照射到而照射到 区域的现象区域的现象(2)发生明显衍射现象的条件：当孔或障碍物的尺寸比光波发生明显衍射现象的条件：当孔或障碍物的尺寸比光波 波长小，或者跟波长差不多时，光才能发生明显的衍射波长小，或者跟波长差不多时，光才能发生明显的衍射 现象现象阴影阴影(3)各种衍射图样各种衍射图样 单缝衍射：中央为单缝衍射：中央为 ，两侧有明暗相间的条纹，但，两侧有明暗相间的条纹，但 间距和间距和 不同用白光做衍射实验时，中央条纹仍为不同用白光做衍射实验时，中央条纹仍为 ，最靠近中央的是紫光，最远离中央的是红光，最靠近中央的是紫光，最远离中央的是红光 圆孔衍射：明暗相间的不等距圆孔衍射：明暗相间的不等距 泊松亮斑泊松亮斑(圆盘衍射圆盘衍射)：光照射到一个半径很小的圆盘后，：光照射到一个半径很小的圆盘后，在圆盘的阴影中心出现的亮斑，这是光能发生衍射的有力在圆盘的阴影中心出现的亮斑，这是光能发生衍射的有力 证据之一证据之一亮条纹亮条纹亮度亮度 白光白光圆环圆环(4)衍射与干涉的比较衍射与干涉的比较两种现象两种现象比较项目比较项目单缝衍射单缝衍射双缝干涉双缝干涉不不同同点点条纹宽度条纹宽度条纹宽度不等，中央最宽条纹宽度不等，中央最宽条纹宽度相等条纹宽度相等条纹间距条纹间距各相邻条纹间距不等各相邻条纹间距不等各相邻条纹等间距各相邻条纹等间距亮度亮度中央条纹最亮，两边变暗中央条纹最亮，两边变暗清晰条纹，亮度基本相清晰条纹，亮度基本相等等相同点相同点干涉、衍射都是波特有的现象；干涉、衍射都有明暗相干涉、衍射都是波特有的现象；干涉、衍射都有明暗相间的条纹间的条纹3光的偏振现象光的偏振现象(1)偏振光：在偏振光：在 于传播方向的平面上，只沿着某个特定的于传播方向的平面上，只沿着某个特定的 方向振动的光方向振动的光(2)自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光包含沿一切方向自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光包含沿一切方向 振动的光，而且在各个方向上的光波强度都相等振动的光，而且在各个方向上的光波强度都相等(3)光的偏振现象说明光是光的偏振现象说明光是 波波垂直垂直横横(4)获得偏振光的方法有两种：让自然光经过获得偏振光的方法有两种：让自然光经过 或使反射或使反射 光与折射光垂直光与折射光垂直(5)偏振光的应用：水下照像、立体电影等偏振光的应用：水下照像、立体电影等(6)平时我们所看到的光，除了直接从光源发出的光以外都是平时我们所看到的光，除了直接从光源发出的光以外都是 偏振光偏振光偏振片偏振片1.折射率是用光线从真空斜射入介质，入射角的正弦与折折射率是用光线从真空斜射入介质，入射角的正弦与折 射角的正弦之比定义的由于光路可逆，入射角、折射射角的正弦之比定义的由于光路可逆，入射角、折射 角随光路可逆而角随光路可逆而“换位换位”，因此，在应用时折射率可记忆，因此，在应用时折射率可记忆 为为n (真空角为真空中的光线与法线的夹真空角为真空中的光线与法线的夹 角，介质角为介质中的光线与法线的夹角角，介质角为介质中的光线与法线的夹角)2折射率的大小不仅反映了介质对光的折射本领，也反映折射率的大小不仅反映了介质对光的折射本领，也反映 了光在介质中传播速度的大小，了光在介质中传播速度的大小，v3折射率的大小不仅与介质本身有关，还与光的频率有折射率的大小不仅与介质本身有关，还与光的频率有 关同一种介质，对频率大的光折射率大，对频率小的关同一种介质，对频率大的光折射率大，对频率小的 光折射率小光折射率小4同一种色光，在不同介质中虽然波速、波长不同，但频同一种色光，在不同介质中虽然波速、波长不同，但频 率不变率不变1.对于某单色光，玻璃的折射率比水的大，则此单色光对于某单色光，玻璃的折射率比水的大，则此单色光 在玻璃中传播时在玻璃中传播时 ()A.其速度比在水中的大，其波长比在水中的长其速度比在水中的大，其波长比在水中的长 B.其速度比在水中的大，其波长比在水中的短其速度比在水中的大，其波长比在水中的短 C.其速度比在水中的小，其波长比在水中的短其速度比在水中的小，其波长比在水中的短 D.其速度比在水中的小，其波长比在水中的长其速度比在水中的小，其波长比在水中的长 解析：解析：由光在介质中的波速与折射率的关系式由光在介质中的波速与折射率的关系式v 可知，可知，n玻玻n水水，所以，所以v玻玻v水水，光的频率与介质无关，只由光源决，光的频率与介质无关，只由光源决定，即光在玻璃及水中传播时定，即光在玻璃及水中传播时不变，据不变，据v，知，知玻玻水水C项正确项正确答案：答案：C1.在光的反射和全反射现象中，均遵循光的反射定律；光路在光的反射和全反射现象中，均遵循光的反射定律；光路 均是可逆的均是可逆的2当光射到两种介质的界面上时，往往同时发生光的折射当光射到两种介质的界面上时，往往同时发生光的折射 和反射现象，但在全反射现象中，只发生反射，不发生折和反射现象，但在全反射现象中，只发生反射，不发生折 射当折射角等于射当折射角等于90时，实际上就已经没有折射光了时，实际上就已经没有折射光了3全反射现象可以从能量的角度去理解：当光由光密介质全反射现象可以从能量的角度去理解：当光由光密介质 射向光疏介质时，在入射角逐渐增大的过程中，反射光的射向光疏介质时，在入射角逐渐增大的过程中，反射光的 能量逐渐增强，折射光的能量逐渐减弱，当入射角等于临能量逐渐增强，折射光的能量逐渐减弱，当入射角等于临 界角时，折射光的能量已经减弱为零，这时就发生了全反界角时，折射光的能量已经减弱为零，这时就发生了全反 射射1无论是应用折射定律，还是应用全反射分析问题，都应准无论是应用折射定律，还是应用全反射分析问题，都应准 确作出光路图，个别问题还要注意找出符合边界条件或恰确作出光路图，个别问题还要注意找出符合边界条件或恰 好发生全反射的对应光线好发生全反射的对应光线2光学题目经常涉及到日常生活或高科技中的光学元件，如光学题目经常涉及到日常生活或高科技中的光学元件，如 光纤通信、照像机镜头等光纤通信、照像机镜头等2如图如图1134所示，有一束平行所示，有一束平行 于等边三棱镜截面于等边三棱镜截面ABC的单色光从空气射向的单色光从空气射向E点，点，并偏折到并偏折到F点已知入射方向与边点已知入射方向与边AB的夹角为的夹角为 30，E、F分别为边分别为边AB、BC的中点，则的中点，则 ()图图1134A该棱镜的折射率为该棱镜的折射率为B光在光在F点发生全反射点发生全反射C光从空气进入棱镜，波长变小光从空气进入棱镜，波长变小D从从F点出射的光束与入射到点出射的光束与入射到E点的光束平行点的光束平行解析：解析：由几何关系可知，入射角由几何关系可知，入射角160，折射角，折射角230.由折由折射定律射定律 A正确；在正确；在BC界面上，入射角界面上，入射角为为30，根据计算所得折射率，由折射定律易知，出射角度为，根据计算所得折射率，由折射定律易知，出射角度为60，不会发生全反射，不会发生全反射，B错误；光从空气进入棱镜，频率错误；光从空气进入棱镜，频率不不变，波速变，波速v减小，所以减小，所以 减小，减小，C正确；由上述计算结果，正确；由上述计算结果，作出光路图，可知作出光路图，可知D错误错误答案：答案：AC 例例1、一半径为、一半径为R的的1/4球体放置在水平桌面上，球体由折球体放置在水平桌面上，球体由折射率为射率为 的透明材料制成现有一束位于过球心的透明材料制成现有一束位于过球心O的竖直的竖直平面内的光线，平行于桌面射到球体表面上，折射入球体后平面内的光线，平行于桌面射到球体表面上，折射入球体后再从竖直表面射出，如图再从竖直表面射出，如图1135所示已知入射光线与桌所示已知入射光线与桌面的距离为面的距离为 求出射角求出射角.图图1135思路点拨思路点拨 解析解析如图所示，设入射光线与如图所示，设入射光线与1/4球体的交点为球体的交点为C，连接，连接OC，OC即为入射点的法线因此，图中的角即为入射点的法线因此，图中的角为入射角过为入射角过C点点作球体水平表面的垂线，垂足为作球体水平表面的垂线，垂足为B.依题意，依题意，COB.又由又由 OBC知知sin 设光线在设光线在C点的折射角为点的折射角为，由折射定律得，由折射定律得 由由两式得两式得30 由几何关系知，光线在球体的竖直表面上的入射角由几何关系知，光线在球体的竖直表面上的入射角为为30.由折射定律得由折射定律得 因此因此sin解得解得60答案答案60 应用折射定律进行相关计算时，关键是做好光路图，确应用折射定律进行相关计算时，关键是做好光路图，确定入射角和定入射角和折射角折射角.例例2、如图、如图1136所示，一棱镜的截面为直角三角形所示，一棱镜的截面为直角三角形ABC，A30，斜边，斜边ABa，棱镜材料的折射率为，棱镜材料的折射率为n 在在此截面所在的平面内，一条光线以此截面所在的平面内，一条光线以45的入射角从的入射角从AC边的中点边的中点M射入棱镜画出光路图，并求光线从棱镜射出的点的位置射入棱镜画出光路图，并求光线从棱镜射出的点的位置(不考虑光线沿原路返回的情况不考虑光线沿原路返回的情况)图图1136课堂笔记课堂笔记设入射角为设入射角为i，折射角为，折射角为r，由折射定律得，由折射定律得 由已知条件及由已知条件及式得式得r30 如果入射光线在法线的右侧，光路图如图所示设出射点为如果入射光线在法线的右侧，光路图如图所示设出射点为F，由几何关系可得，由几何关系可得 AFM90AF a 甲甲即出射点在即出射点在AB边上离边上离A点点 a的位置的位置如果入射光线在法线的左侧，光路图如图所示设折射光如果入射光线在法线的左侧，光路图如图所示设折射光线与线与AB的交点为的交点为D.由几何关系可知，在由几何关系可知，在D点的入射角点的入射角 60 设全反射的临界角为设全反射的临界角为C，则，则sinc 乙乙由由和已知条件得和已知条件得C45 因此，光在因此，光在D点发生全反射点发生全反射设此光线的出射点为设此光线的出射点为E，由几何关系得，由几何关系得 DEB90BDa2AF BEDBsin30 联立联立式得式得BE a即出射点在即出射点在BC边上离边上离B点点 a的位置的位置答案答案见见课堂笔记课堂笔记 以以45的入射角从的入射角从AC边的中点边的中点M射入棱镜，对应两个入射入棱镜，对应两个入射方向，解答本题时易出现漏解现象射方向，解答本题时易出现漏解现象 例例3、abc为一全反射棱镜，它的主截面是等腰直角三角为一全反射棱镜，它的主截面是等腰直角三角形，如图形，如图1137所示一束白光垂直入射到所示一束白光垂直入射到ac面上，在面上，在ab面上发生全反射，若光线入射点面上发生全反射，若光线入射点O的位置保持不变，改的位置保持不变，改变光线的入射方向变光线的入射方向(不考虑自不考虑自bc面反射的光线面反射的光线)，则：，则：(1)使入射光按图中所示的顺时针方向逐渐偏转，如果有色使入射光按图中所示的顺时针方向逐渐偏转，如果有色光射出光射出ab面，则哪种色光首先射出？面，则哪种色光首先射出？(2)使入射光按图中所示的逆时使入射光按图中所示的逆时针方向逐渐偏转，哪种色光针方向逐渐偏转，哪种色光首先射出首先射出ab面？面？思路点拨思路点拨解答本题时应注意以下四个方面：解答本题时应注意以下四个方面：(1)明确各种色光折射率的大小关系明确各种色光折射率的大小关系(2)比较白光转动时各色光折射角的大小比较白光转动时各色光折射角的大小(3)明确各色光在明确各色光在ab面上入射角变化面上入射角变化(4)根据临界角大小作出判断根据临界角大小作出判断课堂笔记课堂笔记(1)白光垂直入射白光垂直入射ac面后直射到面后直射到ab面，入射角为面，入射角为45，发生全反射说明棱镜的临界角，发生全反射说明棱镜的临界角C45，这是对从红光到，这是对从红光到紫光的所有色光说的当入射光顺时针偏转时，在紫光的所有色光说的当入射光顺时针偏转时，在ac面上发面上发生色散，不同色光折射不同，红光偏折小，紫光偏折大，如生色散，不同色光折射不同，红光偏折小，紫光偏折大，如图所示，射到图所示，射到ab面上时面上时红光入射角小，紫光入射角大，红光入射角小，紫光入射角大，但它们都小于但它们都小于45.另一方面，棱另一方面，棱镜对红光的临界角比紫光的临界镜对红光的临界角比紫光的临界角大因此，入射光顺时针逐渐角大因此，入射光顺时针逐渐偏转时，在偏转时，在ab面上红光的入射角面上红光的入射角将首先小于临界角而射出将首先小于临界角而射出ab面面(2)如果入射光逆时针偏转，则经如果入射光逆时针偏转，则经ab面上的红光、紫光的入面上的红光、紫光的入射角都大于射角都大于45，都发生全反射而不可能从，都发生全反射而不可能从ab面射出面射出答案答案(1)红光红光(2)无光射出无光射出ab面面 光垂直界面入射时传播方向不发生改变，但不垂直界面光垂直界面入射时传播方向不发生改变，但不垂直界面时光线要发生折射，红光折射率小，紫光折射率大，发生全时光线要发生折射，红光折射率小，紫光折射率大，发生全反射时红光临界角大于紫光的临界角本题中还要注意改变反射时红光临界角大于紫光的临界角本题中还要注意改变光路的两种情况要分别考虑，作出光路图找出在光路的两种情况要分别考虑，作出光路图找出在ab界面上的界面上的入射角与临界角的关系再判断入射角与临界角的关系再判断1 已知某玻璃对蓝光的折射率比对红光的已知某玻璃对蓝光的折射率比对红光的 折射率大，则两种光折射率大，则两种光 ()A在该玻璃中传播时，蓝光的速度较大在该玻璃中传播时，蓝光的速度较大 B以相同的入射角从空气斜射入该玻璃中，蓝光的折射以相同的入射角从空气斜射入该玻璃中，蓝光的折射 角较大角较大 C从该玻璃中射入空气发生全反射时，红光的临界角较大从该玻璃中射入空气发生全反射时，红光的临界角较大 D用同一装置进行双缝干涉实验，蓝光的相邻条纹间距、用同一装置进行双缝干涉实验，蓝光的相邻条纹间距、较大较大解析：解析：在光的折射和干涉现象中有这样四个公式：在光的折射和干涉现象中有这样四个公式：v ，n 据此结合题目中的条件据此结合题目中的条件可知只有可知只有C正确正确答案：答案：C2如图如图1138所示，一束细光线所示，一束细光线a射到射到、两种介质的两种介质的 界面后，反射光束只有界面后，反射光束只有b，折射光束只有，折射光束只有c.下列说法正确的下列说法正确的 是是 ()A若若a是复色光，则是复色光，则b、c都一定是复色光都一定是复色光 B若若a是单色光，则是单色光，则b、c都一定是单色光都一定是单色光 C若若b是复色光，则是复色光，则a、c 都一定是复色光都一定是复色光 D若若b是单色光，则是单色光，则a、c 都一定是单色光都一定是单色光图图1138解析：解析：光射到两种介质界面上，一定有反射，但不一定有折光射到两种介质界面上，一定有反射，但不一定有折射；不同频率的光入射角相同时，折射角一定不同若射；不同频率的光入射角相同时，折射角一定不同若a是是复色光，复色光，b一定是复色光，而折射光线只有一定是复色光，而折射光线只有c，c一定是单色一定是单色光，而且只有这种频率的光发生了折射，其余频率的光都发光，而且只有这种频率的光发生了折射，其余频率的光都发生了全反射若生了全反射若b是复色光，说明是复色光，说明a是复色光，但是复色光，但c只能是单只能是单色光若色光若b是单色光，说明是单色光，说明a一定是单色光，因此一定是单色光，因此c也一定是也一定是单色光单色光答案：答案：BD3如图如图1139所示的长直光纤，柱芯为玻璃，外层以所示的长直光纤，柱芯为玻璃，外层以 折射率比玻璃稍低的介质包覆若光线自光纤左端进入，折射率比玻璃稍低的介质包覆若光线自光纤左端进入，与中心轴的夹角为与中心轴的夹角为，则下列有关此光线传递方式的叙，则下列有关此光线传递方式的叙 述，述，正确的是正确的是 ()A不论不论为何值，光线都不会发生全反射为何值，光线都不会发生全反射 B不论不论为何值，光线都会发生全反射为何值，光线都会发生全反射 C够小时，光线才会发生全反射够小时，光线才会发生全反射 D够大时，光线才会发生全反射够大时，光线才会发生全反射图图1139解析：解析：发生全反射的条件之一是入射角发生全反射的条件之一是入射角i要等于或大于临界要等于或大于临界角角C，即光线传播到光纤侧面时的入射角，即光线传播到光纤侧面时的入射角i应满足应满足i90C，90C，故选项，故选项C正确正确答案：答案：C4 在杨氏双缝干涉实验中，如果在杨氏双缝干涉实验中，如果 ()A用白光作为光源，屏上将呈现黑白相间的条纹用白光作为光源，屏上将呈现黑白相间的条纹 B用红光作为光源，屏上将呈现红黑相间的条纹用红光作为光源，屏上将呈现红黑相间的条纹 C用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上 将呈现彩色条纹将呈现彩色条纹 D用紫光作为光源，遮住其中一条狭缝，屏上呈现间距用紫光作为光源，遮住其中一条狭缝，屏上呈现间距 不等的条纹不等的条纹解析：解析：在双缝干涉实验中，用白光作为光源，将得到彩色条在双缝干涉实验中，用白光作为光源，将得到彩色条纹，用红光作为光源，将得到红黑相间的条纹用不同颜色纹，用红光作为光源，将得到红黑相间的条纹用不同颜色的光分别照射两缝，得不到干涉条纹用单色光照射一条缝，的光分别照射两缝，得不到干涉条纹用单色光照射一条缝，得到衍射条纹得到衍射条纹答案：答案：BD5如图如图11310所示为半圆柱形玻璃砖的横截面，其折射所示为半圆柱形玻璃砖的横截面，其折射 率率n ，现有垂直于平面的平行光束射来，试求在半圆，现有垂直于平面的平行光束射来，试求在半圆 面上有光线射出的范围是多大？面上有光线射出的范围是多大？图图11310解析：解析：这束平行光束垂直于平面部分射入玻璃砖，其传播方这束平行光束垂直于平面部分射入玻璃砖，其传播方向不变，射至半圆面上时，一部分光线因发生全反射而不会向不变，射至半圆面上时，一部分光线因发生全反射而不会射出设其中一条光线刚好以临界角射向圆柱面而发生全反射出设其中一条光线刚好以临界角射向圆柱面而发生全反射，这条光线外侧的光线射向圆柱面时，入射角均大于临界射，这条光线外侧的光线射向圆柱面时，入射角均大于临界角，都将发生全反射，如图所示角，都将发生全反射，如图所示由图可知，在由图可知，在M点刚好发生全反射时，点刚好发生全反射时，Carcsin 45即即45，由此可知，有光线射出的范，由此可知，有光线射出的范围在围在MN间，即对应的间，即对应的圆心角圆心角290.答案：答案：半圆面对应的圆心角在半圆面对应的圆心角在9090范围范围