第2講　光學(xué)1. 理解光的折射、全反射．2. 光的波動性、電磁波．1. 光的折射定律定義式：n＝．不能說n與sin  θ1成正比、與sin  θ2成反比．折射率是由介質(zhì)本身的光學(xué)性質(zhì)和光的頻率決定的．2. 折射率與光速的關(guān)系：n＝.因為v<c，所以任何介質(zhì)的折射率都大于1.3. 在光的折射現(xiàn)象中，光路是可逆的．4. 全反射和臨界角(1) 條件：光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)；入射角大于或等于臨界角．(2) 臨界角：sin C＝，C為折射角等于90°時所對應(yīng)的入射角．5. 光的色散：白光的色散說明白光是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫7種單色光組成的復(fù)色光．其中紅光的折射率最小，紫光的折射率最大．6. 光的干涉條件：兩光源發(fā)出的光頻率相同，相位差恒定．7. 雙縫干涉(1) 產(chǎn)生明暗條紋的條件：光屏上某點與兩個狹縫的路程差是光波波長的整數(shù)倍處出現(xiàn)亮條紋；與兩個狹縫的路程差是半波長的奇數(shù)倍處出現(xiàn)暗條紋．(2) 條紋的特點：相鄰明條紋(或暗條紋)的間距相等，且Δx＝λ，其中λ為波長，d為雙縫間距，l為雙縫到屏的距離．實驗裝置不變的條件下，紅光的干涉條紋間距最大，紫光的干涉條紋間距最小；若換用白光，在屏上得到彩色條紋，且中央為白色．8. 薄膜干涉(1) 薄膜干涉：利用薄膜(如肥皂膜)前后兩表面的反射光波相遇而形成的干涉．(2) 圖樣特點：同一條亮(或暗)條紋對應(yīng)薄膜的厚度相等，單色光在肥皂膜上(上薄下厚)形成水平狀的明暗相間的條紋，白光入射時形成彩色條紋．9. 單縫衍射：中央為亮條紋，向兩側(cè)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(yuǎn)離中央的是紅光．10. 泊松亮斑：當(dāng)光照到不透明的小圓板上，在圓板的陰影中心出現(xiàn)亮斑(在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環(huán)).11. 光的偏振現(xiàn)象說明光波是橫波．應(yīng)用有照相機鏡頭、立體電影、消除車燈眩光等等．12. 麥克斯韋電磁場理論的要點13. 電磁波的傳播：電磁波是橫波，其傳播不需要介質(zhì)．傳播速度、頻率和波長的關(guān)系為v＝λf．在真空中的傳播速度為3.0×108__m/s．14. 電磁波的發(fā)射和接收．(1) 發(fā)射端：調(diào)制(調(diào)頻和調(diào)幅).(2)  接收端：調(diào)諧和解調(diào)．解調(diào)是調(diào)制的逆過程．15. 電磁波譜 電磁波譜特性應(yīng)用遞變規(guī)律無線電波波動性強，易發(fā)生衍射無線電技術(shù)紅外線熱效應(yīng)紅外線遙感可見光引起視覺照明、攝影紫外線化學(xué)效應(yīng)、熒光效應(yīng)、能殺菌醫(yī)用消毒、防偽X射線貫穿性強檢查、醫(yī)用透視γ射線貫穿本領(lǐng)最強工業(yè)探傷、醫(yī)用治療16. 狹義相對論的兩個基本假設(shè)(1) 狹義相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的．(2)  光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的．17. 相對論中三個結(jié)論：時鐘變慢、長度縮短、質(zhì)量變大．18. 質(zhì)能方程：E＝mc2，ΔE＝Δmc2． 1. (2021·江蘇卷)鐵絲圈上附有肥皂膜，豎直放置時，肥皂膜上的彩色條紋上疏下密，由此推測肥皂膜前后兩個面的側(cè)視形狀應(yīng)當(dāng)是(　　)【解析】 薄膜干涉為前后兩個面反射回來的光發(fā)生干涉形成干涉條紋，復(fù)色光時，出現(xiàn)彩色條紋．由于重力作用，肥皂膜前、后表面的厚度從上到下逐漸增大，由于干涉條紋的間距上疏下密，所以由上到下，薄膜的厚度增加得越來越快，故C正確，A、B、D錯誤．【答案】 C 2. (2021·江蘇卷)某種材料制成的半圓形透明磚平放在方格紙上，將激光束垂直于AC面射入，可以看到光束從圓弧面ABC出射，沿AC方向緩慢平移該磚，在如圖所示位置時，出射光束恰好消失，該材料的折射率為(　　)A. 1.2    B. 1.4    C. 1.6    D. 1.8【解析】 畫出激光束從玻璃磚射出時恰好發(fā)生全反射的入射角如圖所示，全反射的條件sin  θ＝，由幾何關(guān)系知sin  θ＝，聯(lián)立解得n＝1.2，故A正確，B、C、D錯誤．【答案】 A 3. (2022·浙江卷)關(guān)于雙縫干涉實驗，下列說法正確的是(　　)A. 用復(fù)色光投射就看不到條紋B. 明暗相間條紋是兩列光在屏上疊加的結(jié)果C. 把光屏前移或后移，不能看到明暗相間條紋D. 藍光干涉條紋的間距比紅光的大【解析】 用復(fù)色光投射同樣能看到條紋，A錯誤；雙縫干涉實驗中，明暗相間條紋是兩列光在屏上疊加的結(jié)果，B正確；由條紋間距Δx＝λ 知，把光屏前移或后移，改變了L，從而改變了條紋間距，但還可能看到明暗相間條紋，C錯誤；由條紋間距Δx＝λ 知，且λ藍<λ紅，則藍光干涉條紋的間距比紅光的小，D錯誤．【答案】 B 4. (2022·遼寧卷)完全失重時，液滴呈球形，氣泡在液體中將不會上浮.2021年12月，在中國空間站“天宮課堂”的水球光學(xué)實驗中，航天員向水球中注入空氣形成了一個內(nèi)含氣泡的水球．如圖所示，若氣泡與水球同心，在過球心O的平面內(nèi)，用單色平行光照射這一水球．下列說法正確的是(　　)A. 此單色光從空氣進入水球，頻率一定變大B. 此單色光從空氣進入水球，頻率一定變小C. 若光線1在M處發(fā)生全反射，光線2在N處一定發(fā)生全反射D. 若光線2在N處發(fā)生全反射，光線1在M處一定發(fā)生全反射【解析】 光的頻率是由光源決定的，與介質(zhì)無關(guān)，頻率不變，A、B錯誤；如圖可看出光線1入射到水球的入射角小于光線2入射到水球的入射角，則光線1在水球外表面折射后的折射角小于光線2在水球外表面折射后的折射角，設(shè)水球半徑為R、氣泡半徑為r、光線經(jīng)過水球后的折射角為α、光線進入氣泡的入射角為θ，根據(jù)幾何關(guān)系有＝，則可得出光線2的θ大于光線1的θ，故若光線1在M處發(fā)生全反射，光線2在N處一定發(fā)生全反射，C正確，D錯誤．【答案】 C　光的折射和全反射題型的分析思路(1) 確定要研究的光線，有時需根據(jù)題意，分析、尋找臨界光線、邊界光線為研究對象．(2) 找入射點，確認(rèn)界面，并畫出法線．(3) 明確兩介質(zhì)折射率的大小關(guān)系．①若光疏→光密：定有反射、折射光線．②若光密→光疏：如果入射角大于或等于臨界角，一定發(fā)生全反射．(4) 根據(jù)反射定律、折射定律列出關(guān)系式，結(jié)合幾何關(guān)系，具體求解．(2022·南通通州聯(lián)考)如圖所示，一束白光以入射角θ射向三棱鏡ABC，在光屏上形成彩色光帶ab，則(　　)A. a處光的波長小于b處光的波長B. 在棱鏡中，a處光的傳播速度小于b處光的傳播速度C. 增大θ，a處的光可能在AB面上發(fā)生全反射D. 減小θ，b處的光可能在AC面上發(fā)生全反射【解析】由光路圖可知，b處光的偏折程度大于a處光的偏折程度，所以b處光的折射率大，b處光的頻率大，波長短，故A錯誤；由折射率n＝，b處光的折射率大，所以在棱鏡中，a處光的傳播速度大于b處光的傳播速度，故B錯誤；光在從折射率大的物質(zhì)射入折射率小的物質(zhì)時才會發(fā)生全反射，故在AB面不會發(fā)生全反射，故C錯誤；由圖可知減小θ，若α可以增大到使sin α＝時，就會在AC面發(fā)生全反射，故D正確．【答案】 D(2022·河北卷)如圖所示，一個半徑為R的玻璃球，O點為球心．球面內(nèi)側(cè)單色點光源S發(fā)出的一束光在A點射出，出射光線AB與球直徑SC平行，θ＝30°.光在真空中的傳播速度為c.求：(1) 玻璃的折射率；(2) 從S發(fā)出的光線經(jīng)多次全反射回到S點的最短時間．【答案】 (1) 根據(jù)題意將光路圖補充完整，如圖所示：根據(jù)幾何關(guān)系可知i1＝θ＝30°，i2＝60°，根據(jù)折射定律有n sin  i1＝sin  i2，解得n＝.(2) 設(shè)全反射的臨界角為C，則sin  C＝＝，則sin 45°>sin C，光在玻璃球內(nèi)的傳播速度有v＝，根據(jù)幾何關(guān)系可知當(dāng)θ＝45°時，即光路為圓的內(nèi)接正方形時，從S發(fā)出的光線經(jīng)多次全反射回到S點的時間最短，則正方形的邊長x＝R，則最短時間為t＝＝.　　1. 干涉加強點和減弱點的判斷(1) 干涉條件：頻率相同、相位差恒定、振動方向在同一條直線上．(2)  加強、減弱區(qū)形成條件：Δx＝kλ，k＝0，1，2，3，…振動加強區(qū)；Δx＝(k＋)λ，k＝0，1，2，3，…振動減弱區(qū)．2. 區(qū)分光的干涉、衍射和色散(1) 白光發(fā)生光的干涉、衍射和光的色散時都可出現(xiàn)彩色條紋，但出現(xiàn)彩色條紋的本質(zhì)不相同，干涉和衍射是光的波長不同引起的干涉條紋間距、衍射明顯程度不同的緣故，而光的色散是光在同一種介質(zhì)中波速不同、折射率不同造成的．(2) 區(qū)分干涉和衍射，關(guān)鍵是理解其本質(zhì)，實際應(yīng)用中可從條紋寬度、條紋間距、亮度等方面加以區(qū)分．(2022·山東卷改編)某同學(xué)采用圖甲所示的實驗裝置研究光的干涉與衍射現(xiàn)象，狹縫S1、S2 的寬度可調(diào)，狹縫到屏的距離為L.同一單色光垂直照射狹縫，實驗中分別在屏上得到了圖乙、圖丙所示圖樣．下列描述錯誤的是(　　)甲                       乙                    丙A. 圖乙是光的雙縫干涉圖樣，當(dāng)光通過狹縫時，也發(fā)生了衍射B. 遮住一條狹縫，另一狹縫寬度增大，其他條件不變，圖丙中亮條紋寬度增大C. 照射兩條狹縫時，增加L，其他條件不變，圖乙中相鄰暗條紋的中心間距增大D. 照射兩條狹縫時，若光從狹縫S1 、S2 到屏上P點的路程差為半波長的奇數(shù)倍，P點處一定是暗條紋【解析】 由圖可知，圖乙中間部分是等間距條紋，所以圖乙是光的雙縫干涉圖樣，當(dāng)光通過狹縫時，同時也發(fā)生衍射，故A正確；狹縫越小，衍射范圍越大，衍射條紋越寬，遮住一條狹縫，另一狹縫寬度增大，則衍射現(xiàn)象減弱，圖丙中亮條紋寬度減小，故B錯誤；根據(jù)條紋間距Δx＝λ 可知照射兩條狹縫時，增加L，其他條件不變，圖乙中相鄰暗條紋的中心間距增大，故C正確；照射兩條狹縫時，若光從狹縫S1、S2 到屏上P點的路程差為半波長的奇數(shù)倍，P點處一定是暗條紋，故D正確．故選B.【答案】 B(2022·連云港調(diào)研)如圖所示，某同學(xué)觀察肥皂膜干涉現(xiàn)象．將有肥皂膜的鐵絲圈掛在酒精燈右側(cè)，在火焰中分別加入不同金屬元素，火焰會呈現(xiàn)不同的顏色．下列說法正確的是　(　　)A. 條紋形狀是相互平行的豎直線B. 從上向下，條紋的間距越來越小C. 紫光的條紋數(shù)比黃光要少一些D. 干涉條紋是由一束反射光和另一束入射光疊加產(chǎn)生的【解析】 條紋形狀是相互平行的水平線，A錯誤；肥皂膜在重力作用下，從上向下肥皂膜厚度越來越大，根據(jù)Δx＝λ，d越來越大，條紋的間距越來越小，B正確；根據(jù)Δx＝λ，波長越短，條紋越窄，條紋數(shù)越多，因為紫光的波長比黃光的波長短，所以紫光的條紋數(shù)比黃光要多一些，C錯誤；干涉條紋是由膜的前后兩個表面反射的兩列光疊加產(chǎn)生的，D錯誤．【答案】 B(2022·南通如東高級中學(xué)、泰州姜堰中學(xué)、宿遷沭陽高級中學(xué)聯(lián)考)下列說法正確的是　(　　)A. 電視機遙控器是利用遙控器發(fā)出紅光脈沖信號來換頻道的B. 電磁波與聲波由空氣進入水中時，波長都變短C. 某人在水面上方觀察水底同位置放置的紅、黃、綠三盞燈時，看到紅燈距水面最近D. 照相機鏡頭前的增透膜是利用了光的干涉原理【解析】電視機遙控器是利用遙控器發(fā)出的紅外線脈沖信號來換頻道的，A錯誤；電磁波由空氣進入水中時，波速減小，波長變短；聲波由空氣進入水中時，波速變大，波長變長；B錯誤；某人在水面上方觀察水底同位置放置的紅、黃、綠三盞燈時，由于綠光的折射率最大，綠光從水中射到水面時折射角最大，人逆著折射光線的方向看時，感覺綠燈距水面最近，紅燈最遠(yuǎn)，故C錯誤；照相機鏡頭前的增透膜是利用了光的干涉原理，D正確．【答案】D光的雙縫干涉和單縫衍射的比較 1. (2022·蘇錫常鎮(zhèn)模擬)某同學(xué)用“插針法”測量平行玻璃磚的折射率．如圖所示，直線MN 與PQ 之間的距離等于玻璃磚的厚度，a、b、c、d為大頭針的位置，下列說法中正確的是(　　)A. 該同學(xué)在插大頭針c時，只要使其擋住b的像即可B. 入射角較大時光會在玻璃磚下表面可能發(fā)生全反射C. 若實驗時玻璃磚向上平移微小距離，結(jié)果不受影響D. “插針法”實驗只能用來測量平行玻璃磚的折射率【解析】 插大頭針c時，應(yīng)使其擋住a、b的像，故A錯誤；由幾何知識可知，光線在上表面的折射角等于在下表面的入射角，根據(jù)光線可逆原理可知，只要上表面不發(fā)生全反射，有光線射入玻璃磚，光線就一定會從下表面射出，折射光線不會在下表面發(fā)生全反射，故B錯誤；實驗時玻璃磚向上平移微小距離，入射角和折射角不會變化，根據(jù)折射定律可知測得的折射率不會改變，故C正確；該實驗的原理是光的折射定律，也能用來測量其他透明介質(zhì)的折射率，故D錯誤．【答案】 C 2. (2022·南京、鹽城模擬)某小組用圖甲裝置進行雙縫干涉實驗，調(diào)節(jié)完畢后，在屏上觀察到如圖乙所示的豎直條紋．下列說法正確的是(　　)  A. 裝置中的雙縫沿水平方向放置B. 僅向右移動單縫，使之靠近雙縫，干涉條紋間距將變大C. 僅更換雙縫間距更小的雙縫，干涉條紋間距將變大D. 僅將紅色濾光片換為綠色濾光片，干涉條紋間距將變大【解析】 根據(jù)圖乙可知，裝置中的雙縫沿豎直方向放置，故A錯誤；根據(jù)雙縫干涉的條紋間距公式Δx＝λ，僅向右移動單縫，條紋間距不變，故B錯誤；僅更換雙縫間距更小的雙縫，d變小，干涉條紋間距將變大，故C正確；僅將紅色濾光片換為綠色濾光片，波長變小，干涉條紋間距將變小，故D錯誤．【答案】 C 3. (2022·連云港模擬)2021年1月21日，科學(xué)家以高速電子束為“光源”利用冷凍電鏡首次“拍攝”到新冠病毒的3D影像，如圖所示．冷凍電鏡分辨率比光學(xué)顯微鏡高1 000倍以上，可達0.2 nm.不考慮相對論效應(yīng)，下列說法正確的是(　　)A. 冷凍電鏡的分辨率非常高，是由于電子的德布羅意波長長B. 用高倍光學(xué)顯微鏡也能拍攝到新冠病毒的影像C. 電子運動的速度越大，其德布羅意波的衍射能力越強D. 若用相同動能的質(zhì)子代替電子，也能“拍攝”到新冠病毒的3D影像【解析】 影響冷凍電鏡分辨率的直接因素是光源的波長，波長越短，加速電壓越高，分辨率越高，病毒比細(xì)菌還小得多，只有在電鏡下才可以看到新冠病毒的影像，故A、B錯誤；電子運動的速度越大，則其動量越大，由λ＝，可知其對應(yīng)的德布羅意波的波長越小，其德布羅意波的衍射現(xiàn)象越不明顯，故C錯誤；由p＝，p＝，可得λ＝，質(zhì)子和電子的動能相同，質(zhì)子質(zhì)量大于電子質(zhì)量，所以質(zhì)子的波長小于電子的波長，波長越短，分辨率越高，所以，更能“拍攝”到新冠病毒的3D影像，故D正確．【答案】 D 4. (2022·南京、鹽城模擬)如圖所示，一束激光斜射到一塊折射率為1.5的長方體玻璃磚上表面后折射到側(cè)面，已知入射光與玻璃磚上表面間的夾角為45°，則光離開側(cè)面的路徑是(　　)A. A    B. B    C. C    D. D【解析】 一束激光斜射到一塊折射率為1.5的長方體玻璃磚上表面，設(shè)折射角為θ，則＝1.5，根據(jù)幾何關(guān)系可知，在側(cè)面入射角β＝－θ，sin  β＝cos  θ＝>，在側(cè)面發(fā)生全反射，故光離開側(cè)面的路徑是A.【答案】 A
 

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