高中物理章节知识复习提纲之11——光学复习.docx

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1、光学复习一、光的直线传播1.光在同一种均匀介质中是沿直线传播的前提条件是在同一种介质，而且是均匀介质。否则，可能发生偏折。如光从空气斜射入水中（不是同一种介质）；“海市蜃楼”现象（介质不均匀） 。当障碍物或孔的尺寸和波长可以相比或者比波长小时，将发生明显的衍射现象，光线将可能偏离原来的传播方向。解光的直线传播方面的计算题（包括日食、月食、本影、半影问题）关键是画好示意图，利用数学中的相似形等几何知识计算。例 1. 如图所示，在 A 点有一个小球，紧靠小球的左方有一个点光源。现将小球S从 A 点正对着竖直墙平抛出去，打到竖直墙之前，小球在点光源照射下的影子在墙上的运动是S AvtlhxA. 匀速

2、直线运动B.自由落体运动C.变加速直线运动D.匀减速直线运动2解：小球抛出后做平抛运动，时间t 后水平位移是vt，竖直位移是1h= gt，根据相似形知识可以由比例求得2x gl t t ，因此影子在墙上的运动是匀速运动。2v2.光速光在真空中的转播速度为c=3.00108m/s。光在不同介质中的传播速度是不同的。根据爱因斯坦的相对论光速不可能超过c。近年来（ 1999-2001 年）科学家们在极低的压强（ 10-9Pa）和极低的温度（ 10-9K）下，得到一种物质的凝聚态，光在其中的速度降低到 17m/s，甚至停止运动。也有报道称在实验中测得的光速达到1011m/s，引起物理学界的争论。二、反

3、射平面镜成像1.像的特点平面镜成的像是正立等大的虚像，像与物关于镜面为对称。2.光路图作法根据平面镜成像的特点，在作光路图时，可以先画像，后补光路图。3.充分利用光路可逆在平面镜的计算和作图中要充分利用光路可逆。 （眼睛在某点 A 通过平面镜所能看到的范围和在A 点放一个点光源，该电光源发出的光经平面镜反射后照亮的范围是完全相同的。）4.利用边缘光线作图确定范围S /例 2 如图所示，画出人眼在 S 处通过平面镜可看到障碍物后地面的范围。MN解：先根据对称性作出人眼的像点 S /，再根据光路可逆， 设想 S 处有一个点光源，它能通过平面镜照亮的范围就是人眼能通过平面镜看到的范围。S图中画出了两

4、条边Q缘光线。P例 3. 如图所示，用作图法确定人在镜前通过平面镜可看到AB 完整像的范围。/解：先根据对称性作出 AB 的像 A B ，分别作出 A 点、 B 点发出的光经平面镜反射后能射到的范围， 再找到它们的公共区域 （交集）。就是能看到完整像的范围。三、折射与全反射1.折射定律折射定律的各种表达形式：sin 1c1(1为入、折射角nvsin C0sin 2看到 AB 完整像的范围ABMNA/B/- 1 -中的较大者。 )折射光路也是可逆的。2.各种色光性质比较可见光中，红光的折射率n 最小，频率 最小，在同种介质中（除真空外）传播速度v 最大，波长 最大，从同种介质射向真空时发生全反射

5、的临界角 C 最大，以相同入射角在介质间发生折射时的偏折角最小（注意区分偏折角和折射角）。以上各种色光的性质比较在定性分析时非常重要，一定要牢记。3.边作图边计算有关光的折射和全反射，在解题时要把计算和作图有机地结合起来，根据数据计算反射角、折射角，算一步画一步，画一步在根据需要算一步。作图要依据计算结果，力求准确。例 4. 直角三棱镜的顶角 =15 , 棱镜材料的折射率 n=1.5，一A细束单色光如图所示垂直于左侧面射入， 试用作图法求出该入射C光第一次从棱镜中射出的光线。解：由 n=1.5 知临界角大于 30小于 45，边画边算可知该光BD线在射到 A、 B、C、D 各点时的入射角依次是7

6、5、60、45、30，因此在 A、 B、C 均发生全反射，到D 点入射角才第一次小于临界角，所以才第一次有光线从棱镜射出。4.光导纤维全反射的一个重要应用就是用于光导纤维（简称光纤） 。光纤有内、外两层材料， 其中内层是光密介质，外层是光疏介质。光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界面，都要求入射角大于临界角，从而发生全反射。这样使从一个端面入射的光，经过多次全反射能够没有损失地全部从另一个端面射出。例 5. 如图所示，一条长度为 L=5.0m 的光导纤维用折射率为 n=2 的材料制成。一细束激光由其左端的中心点以 = 45的入射角射入光导纤维内， 经过一系列全反射后从右端射出。求：该激

7、光在光导纤维中的速度 v 是多大？该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少？解：由 n=c/v 可得 v=2.1 108m/s由 n= sin /sinr 可得光线从左端面射入后的折射角为30，射到侧面时的入射角为60，大于临界角45，因此发生全反射，同理光线每次在侧面都将发生全反射，直到光线达到右端面。由三角关系可以求出光线在光纤中通过的总路程为 s=2L/3 ，因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间是t=s/v=2.7 10-8s。四、棱镜1.棱镜对光的偏折作用一般所说的棱镜都是用光密介质制作的。 入射光线经三棱镜两次折射后，射出方向与入射方向相比，向底边偏折。 （若棱镜的折射率比棱镜外介

8、质小则结论相反。）作图时尽量利用对称性（把棱镜中的光线画成与底边平行） 。由于各种色光的折射率不同， 因此一束白光经三棱镜折射后发生色散现象（红光偏折最小，紫光偏折最大。 ）例 6. 如图所示，一细束红光和一细束蓝光平行射到同一个三棱镜上，经折射后交于光屏上的同一个点M，若用 n1 和 n2 分别表示三棱镜对红光和蓝光的折射率，下aM列说法中正确的是b12， a 为红光 ，b 为蓝光 B.n1 2， a 为蓝光， b 为红光A. n nn2， a 为红光， b 为蓝光D.n1n2，a 为蓝光， b 为红光解：由图可知， b 光线经过三棱镜后的偏折角较小，因此折射率较小，是红光。- 2 -4.全

9、反射棱镜横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。选择适当的入射点，可以使入射光线经过全反射棱镜的作用在射出后偏转90o（右图 1）或 180o（右图 2）。要特别注意两种用法中光线在哪个表面发生全反射。例 7. 如图所示，自行车的尾灯采用了全反射棱镜的原理。它虽然本身不发光，但在夜间骑行时，从后面开来的汽车发出的强光照到尾灯后，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车。尾灯的原理如图所示，下面说法中正确的是A. 汽车灯光应从左面射过来在尾灯的左表面发生全反射B.汽车灯光应从左面射过来在尾灯的右表面发生全反射C.汽车灯光应从右面射过来在尾灯的左表面发生全反射D.汽车灯光应从右面射过

10、来在尾灯的右表面发生全反射解：利用全反射棱镜使入射光线偏折 180，光线应该从斜边入射，在两个直角边上连续发生两次全反射。所以选 C。5.玻璃砖所谓玻璃砖一般指横截面为矩形的棱柱。当光线从上表面入射，从下表面射出时，其特点是： 射出光线和入射光线平行； 各种色光在第一次入射后就发生色散；射出光线的侧移和折射率、入射角、 玻璃砖的厚度有关； 可利用玻璃砖测定玻璃的折射率。例 8. 如图所示，两细束平行的单色光a、b 射向同一块玻璃砖的上表面，最终都从玻璃砖的下表面射出。已知玻璃对单色光a 的折射率较小，那么下列说法中正确的有A. 进入玻璃砖后两束光仍然是平行的B.从玻璃砖下表面射出后，两束光不再

11、平行C.从玻璃砖下表面射出后，两束光之间的距离一定减小了D.从玻璃砖下表面射出后，两束光之间的距离可能和射入前相同a b解：进入时入射角相同，折射率不同，因此折射角不同，两束光在玻璃内不再平行，但从下表面射出时仍是平行的。射出时两束光之间的距离根据玻璃砖的厚度不同而不同，在厚度从小到大变化时，该距离先减小后增大，有可能和入射前相同（但左右关系一定改变了）。例 9. 如图所示， AB 为一块透明的光学材料左侧的端面。建立直角坐标系如图，设该光学材料的折射率沿y 轴正方向均匀减小。现有一束单色光a 从原点 O 以某一入射角 由空气射入该材料内部，则该光线在该材料内部可能的光路是下图中的哪一个yyy

12、yA.yC.D.AB.oxoxoxoxoxaB解：如图所示，由于该材料折射率由下向上均匀减小，可以设想将它分割成折射率不同的薄层。光线射到相邻两层的界面时，如果入射角小于临界角，则射入上一层i 2后折射角大于入射角，光线偏离法线。到达更上层的界面时入射角逐渐增大，当入i1射角达到临界角时发生全反射，光线开始向下射去直到从该材料中射出。例 10. 如图所示， 用透明材料做成一长方体形的光学器材，要求从上表面射入的光线可能从右侧面射出，那么所选的材料的折射率应满足1A. 折射率必须大于2B.折射率必须小于22C.折射率可取大于1 的任意值D.无论折射率是多大都不可能- 3 -解：从 中可以看出，

13、使上表面射入的光 两次折射后从右 面射出，1 和 2 都必 小于 界角C，即1C， 245， n=1/sinC2 ， B 答案。例 11. 如 所示，一束平行 色光a 垂直射向横截面 等 三角形的棱 的左 面，棱 材料的折射率是2 。 画出 入射光射向棱 后所有可能的射出光 。解：由折射率 2 得全反射 界角是45。光 从左 面射入后方向不 生改 ，射到右 面和底面的光 的入射角都是60，大于 界角，因此 生全反射。反射光 分 垂直射向底面和右 面。在底面和右 面同 有反射光 。由光路可逆知，它 最 又从左 面射出。所有可能射出的光 如 所示。a五、光的波 性1.光的干涉光的干涉的条件是有两个

14、振 情况 是相同的波源，即相干波源。（相干波源的 率必 相同） 。形成相干波源的方法有两种：利用激光（因 激光 出的是 色性极好的光）。 法将同一束光分 两束（ 两束光都来源于同一个光源，因此 率必然相等） 。下面 4 个 分 是利用双 、利用楔形薄膜、利用空气膜、利用平面 形成相干光源的示意 。aS1cSS2Sd2.干涉区域内 生的亮、暗 S /b亮 ：屏上某点到双 的光程差等于波 的整数倍，即= n （ n=0，1，2，）暗 ：屏上某点到双 的光程差等于半波 的奇数倍，即 = (2n1) （n= 0，1，2，）2相 亮 （暗 ） 的距离l。用此公式可以 定 色光的波 。用白光作双 干涉 ，

15、xd由于白光内各种色光的波 不同，干涉条 距不同，所以屏的中央是白色亮 ，两 出 彩色条 。例 12. 用 光做双 干涉 ，在光屏上呈 出 、暗相 的条 ，相 两条 条 的距离 x。下列 法中正确的有A. 如果增大 到双 的距离，x 将增大B.如果增大双 之 的距离，x将增大C.如果增大双 到光屏之 的距离，x 将增大D.如果减小双 的每条 的 度，而不改 双 的距离，x 将增大解：公式 xl中 l 表示双 到屏的距离， d 表示双 之 的距离。因此x 与 到双 的距离无关，于d 本身的 度也无关。本 C。例 13. 登山运 在登雪山 要注意防止紫外 的 度照射，尤其是眼睛更不能 被紫外 照射

16、，否 将会 重地 坏 力。有人想利用薄膜干涉的原理 一种能大大减小紫外 眼睛的 害的眼 。他 用的薄膜材料的折射率 n=1.5，所要消除的紫外 的 率 8.11014Hz，那么它 的 种“增反膜”的厚度至少是多少？解： 了减少 入眼睛的紫外 ， 使入射光分 从 膜的前后两个表面反射形成的光叠加后加 ，因此光程差 是波 的整数倍，因此膜的厚度至少是紫外 在膜中波 的1/2。紫外 在真空中的波 是=c/ =3.710-7m，在膜中的波 是 /=/n=2.47 10-7m，因此膜的厚度至少是1.2 10-7m。3.衍射注意关于衍射的表述一定要准确。 （区分能否 生衍射和能否 生明 衍射）各种不同形状

17、的障碍物都能使光 生衍射。- 4 -发生明显衍射的条件是：障碍物（或孔）的尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还小。（当障碍物或孔的尺寸小于 0.5mm 时，有明显衍射现象。 ）在发生明显衍射的条件下，当窄缝变窄时，亮斑的范围变大，条纹间距离变大，而亮度变暗。例 14. 平行光通过小孔得到的衍射图样和泊松亮斑比较，下列说法中正确的有A. 在衍射图样的中心都是亮斑B.泊松亮斑中心亮点周围的暗环较宽C.小孔衍射的衍射图样的中心是暗斑，泊松亮斑图样的中心是亮斑D.小孔衍射的衍射图样中亮、暗条纹间的间距是均匀的，泊松亮斑图样中亮、暗条纹间的间距是不均匀的解：从课本上的图片可以看出： A、B 选项是正确的，

18、C、D 选项是错误的。4.光的电磁说麦克斯韦根据电磁波与光在真空中的传播速度相同，提出光在本质上是一种电磁波这就是光的电磁说，赫兹用实验证明了光的电磁说的正确性。电磁波谱。波长从大到小排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、 射线。各种电磁波中，除可见光以外，相邻两个波段间都有重叠。各种电磁波的产生机理分别是：无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；伦琴射线是原子的内层电子受到激发后产生的；射线是原子核受到激发后产生的。红外线、紫外线、X 射线的主要性质及其应用举例。种类产生主要性质应用举例红外线一切物体都能发出热

19、效应遥感、遥控、加热紫外线一切高温物体能发出化学效应荧光、杀菌、合成V D2X 射线阴极射线射到固体表面穿透能力强人体透视、金属探伤实验证明： 物体辐射出的电磁波中辐射最强的波长m 和物体温度 T 之间满足关系 m T = b（b 为常数）。可见高温物体辐射出的电磁波频率较高。在宇宙学中，可以根据接收到的恒星发出的光的频率，分析其表面温度。可见光频率范围是3.9-7.5 1014Hz，波长范围是400-770nm。例 15. 为了转播火箭发射现场的实况，在发射场建立了发射台，用于发射广播电台和电视台两种信号。其中广播电台用的电磁波波长为 550m，电视台用的电磁波波长为 0.566m。为了不让

20、发射场附近的小山挡住信号，需要在小山顶上建了一个转发站，用来转发 _信号，这是因为该信号的波长太 _，不易发生明显衍射。解：电磁波的波长越长越容易发生明显衍射，波长越短衍射越不明显，表现出直线传播性。这时就需要在山顶建转发站。因此本题的转发站一定是转发电视信号的，因为其波长太短。例 16. 右图是伦琴射线管的结构示意图。电源E 给灯丝 K 加热，从而发射出热电子，热电子在 K、A 间的强电场作用下高速向对阴极A 飞去。电子EKA流打到 A 极表面，激发出高频电磁波，这就是X 射线。下列说法中正确的有PQA. P、Q 间应接高压直流电，且Q 接正极B.P、Q 间应接高压交流电C.K 、A 间是高

21、速电子流即阴极射线，从A 发出的是 X 射线即一种高频电磁波D.从 A 发出的 X 射线的频率和 P、Q 间的交流电的频率相同解： K、A 间的电场方向应该始终是向左的，所以P、Q 间应接高压直流电，且Q 接正极。从 A 发出的是 X 射线，其频率由光子能量大小决定。若P、Q 间电压为 U，则 X 射线的频率最高可达 Ue/h。本题选 AC 。六、光的粒子性1.光电效应- 5 -在光的照射下物体发射电子的现象叫光电效应。（右图装置中，用弧光灯照射锌版，有电子从锌版表面飞出，使原来不带电的验电器带正电。）光电效应的规律。各种金属都存在极限频率0，只有 0 才能发生光电效应；瞬时性（光电子的产生不

22、超过10-9s）。爱因斯坦的光子说。光是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量 E 跟光的频率 成正比： E=h爱因斯坦光电效应方程：Ek= h-W（Ek 是光电子的最大初动能；W 是逸出功，即从金属表面直接飞出的光电子克服正电荷引力所做的功。）例 17. 对爱因斯坦光电效应方程EK = h -W，下面的理解正确的有A. 只要是用同种频率的光照射同一种金属，那么从金属中逸出的所有光电子都会具有同样的初动能EKB.式中的 W 表示每个光电子从金属中飞出过程中克服金属中正电荷引力所做的功C.逸出功 W 和极限频率 0 之间应满足关系式W= h0D.光电子的最大初动能和入射光的频率成

23、正比解：爱因斯坦光电效应方程EK = h-W 中的 W 表示从金属表面直接中逸出的光电子克服金属中正电荷引力做的功，因此是所有逸出的光电子中克服引力做功的最小值。对应的光电子的初动能是所有光电子中最大的。其它光电子的初动能都小于这个值。若入射光的频率恰好是极限频率，即刚好能有光电子逸出，可理解为逸出的光电子的最大初动能是0，因此有 W= h0。由 EK = h -W 可知 EK 和 之间是一次函数关系， 但不是成正比关系。本题应选 C。例 18. 如图，当电键 K 断开时，用光子能量为2.5eV 的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。合上电键，调节滑线变阻器，发现当电压表读数小于 0.60

24、V 时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于 0.60V 时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为A.1.9eVB.0.6eVC.2.5eVD.3.1eVPVAK解：电流表读数刚好为零说明刚好没有光电子能够到达阳极，也就是光电子的最大初动能刚好为 0.6eV。由 EK= h-W 可知 W=1.9 eV。选 A 。七、光的波粒二象性1.光的波粒二象性干涉、衍射和偏振以无可辩驳的事实表明光是一种波；光电效应和康普顿效应又用无可辩驳的事实表明光是一种粒子；因此现代物理学认为：光具有波粒二象性。2.正确理解波粒二象性波粒二象性中所说的波是一种概率波， 对大量光子才有意义。 波粒二象性中所说

25、的粒子， 是指其不连续性，是一份能量。个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性。高的光子容易表现出粒子性；低的光子容易表现出波动性。光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现为粒子性。由光子的能量E=h ，光子的动量ph 表示式也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量频率和波长。由以上两式和波速公式c= 还可以得出： E = p c。例 20. 已知由激光器发出的一细束功率为 P=0.15kW 的激光束，竖直向上照射在一个固态铝球的下部，使其恰好能在空中悬浮。 已知铝的密度为 =2.7 103kg/m3，设激光束的光子全部被铝球吸收， 求铝球的直径是多大？（计算中可取 =3， g=10m/s2）- 6 -解：设每个激光光子的能量为E，动量为 p，时间 t 内射到铝球上的光子数为 n，激光束对铝球的作用力为F，铝球的直径为 d，则有： Pn E, Fn p光子能量和动量间关系是E = p c，铝球的重力和 F 平衡，因此 F=tt31g d，由以上各式解得 d=0.33mm。6- 7 -