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学海在线资源中心 光 复习与巩固 编稿：张金虎 审稿：李勇康 【学习目标】 1．学会用光的折射、反射定律来处理有关问题． 2．知道测定玻璃砖的折射率的操作步骤． 3．了解相干光源，掌握产生干涉的条件． 4．明确《用双缝干涉测量光的波长》实验原理． 5．理解光产生衍射的条件． 6．知道光的偏振现象及偏振光的应用． 7．知道光的色散、光的颜色及光谱的概念． 8．知道激光和自然光的区别及应用 【知识网络】 现象 折射定律 入射角、折射角、折射率 折射定律： 实验：测定玻璃砖的折射率 光的折射 条件：两列波频率相等、相差恒定、振动情况相同实验装置 干涉图样：单色光是明暗相间、均匀分布的条纹 明暗条纹的产生条件：若，出现明条纹；出现 暗条纹（） 条纹间距： 实验：用双缝干涉测光的波长 双缝干涉 复色光的双缝干涉产生色散 复色光的薄膜干涉产生色散及其应用 复色光通过三棱镜折射产生色散 光的色散 发生明显衍射的条件：孔或障碍物尺寸可以与光的波长相比，甚至比光的波长还小 衍射图样：要会与干涉图样区别 实例应了解 单缝衍射、圆孔衍射、圆板衍射的特点 光的衍射 偏振光与自然光的区别 获取偏振光的两种方法：（1）用偏振片 （2）使反射光与折射光垂直，则它们都成为偏振光 偏振现象说明光是横波 光的偏振 条件：（1）光密介质→光疏介质 （2）入射角≥临界角 临界角C的计算 光的全反射 特点 应用 激光 【要点梳理】 要点一、测定水的折射率的五种方法 1．插针法． 原理：光的折射定律． 方法：如图所示，取一方木板。在板上画出互相垂直的两条线，从它们的交点处画直线（使），在直线上两点垂直插两枚大头针．把木板放入水中，使与水面相平，与水面垂直．在水面上观察，调整视线的像被的像挡住，再在木板处各插一枚大头针，使挡住的像，挡住及的像．从水中取出木板，画出直线，量出图中的角，则水的折射率。 2．成像法． 原理：利用水面的反射成像和水的折射成像． 方法：如图所示，在一盛满水的烧杯中，紧挨杯口竖直插一直尺，在直尺的对面观察水面，能同时看到直尺在水中的部分和露出水面部分的像，若从点看到直尺水下最低点的刻度的像（折射成像）恰好跟直尺在水面上刻度的像（反射成像）重合，读出的长，量出烧杯内径，即可求出水的折射率。 3．视深法． 原理：利用视深公式． 方法：在一盛水的烧杯底部放一粒绿豆，在水面上方吊一根针，如图所示．调节针的位置，直到针尖在水中的像与看到的绿豆重合，测出针尖距水面距离即为杯中水的视深，再测出水的实际深度，则水的折射 率． 4．全反射法． 原理：全反射现象． 方法：在一盛满水的大玻璃缸下面放一发光电珠，如图所示．在水面上观察，看到一圆的发光面，量出发光面直径及水深，则水的折射率。 5．观察法． 原理：光的折射定律． 方法：取一圆筒，放在水平桌面上，如图所示．从点观察，调整视线恰好看到筒底边缘点，慢慢向筒中注入清水至满，仍从点观察，能看到筒底的点，记录点位置，量出筒高，筒的内径及到筒另一边缘的距离，则水的折射率． 要点二、光的折射和全反射 1．正确、灵活地理解应用折射率公式． 教材中给出的折射率公式为（为真空中的入射角，为某介质中的折射角）．根据光路可逆原理，入射角、折射角是可以随光路的逆向而“换位”的．我们可以这样来理解记忆：． 对临界角的理解：光线从介质进入真空或空气，时，发生全反射，此时的入射角（介）叫临界角． 由，． 2．分析、计算折射问题，要掌握好n的应用及有关数学知识． 如三角函数（尤其特殊角的函数）．例如同一介质对紫光折射率大，对红光折射率小．着重理解两点：第一，光的频率（颜色）由光源决定，与介质无关；第二，同一介质中，频率越大的光折射率越大．再应用等知识，就能准确而迅速地判断有关色光在介质中的传播速度、波长、入射光线与折射光线偏折程度等问题． 3．全反射现象． 要记住产生全反射的条件——光从光密介质射入光疏介质，且入射角大于或等于临界角． 4．有关色散现象的几个规律． （1）同种介质对波长不同的光的折射率不同，越大，越小；越小，越大． （2）由知：在同一介质中，不同波长的光传播速度不同，越大，越大；越小，越小． （3）光在介质中的速度由介质和光的频率共同决定．这与机械波有很大区别，因机械波的传播速度仅由介质决定． 要点三、两面平行的玻璃砖对光路的影响 光从玻璃砖上表面处折射后进入玻璃中，再从下表面射出玻璃时，满足发生全反射的条件之一：即光由光密介质（玻璃）进入光疏介质（空气），那么是否可能在玻璃砖下表面上发生全反射呢？回答是不可能．这是由于玻璃砖上、下两个表面是平行的，在下表面上的入射角等于上表面处的折射角，如图所示． 　　　　 由光路的可逆性可知在玻璃砖下表面上是不可能发生全反射现象的，但光路发生了侧移． （1）不改变入射光的性质和方向，只使光线向偏折方向平行侧移，且入射角（）、玻璃砖厚度（）和折射率（）越大，侧移越大． （2）平行光照射到平行玻璃砖上，入射光的宽度等于出射光的宽度，而玻璃砖中折射光的宽度随入射角的增大而增大． （3）从平行玻璃砖的正上方观察玻璃砖下面的发光体，观察到的位置比发光体更接近玻璃砖． 要点四、对光的干涉、衍射的理解及应用 1．双缝干涉． （如图所示） 　　　　 （1）条件：两列光波频率相同． （2）产生明暗条纹的条件（两列波频率相同，振动方向相同）． 某点到双缝的路程差为波长的整数倍时，该点为加强点，该处为亮纹； 即． 某点到双缝的路程差为半波长的奇数倍时，该处为减弱点，为暗纹． 即． ③图样特点： 单色光照射时为间距相同的明暗相间的条纹，白光照射时为彩色条纹． ④相邻明纹或暗纹间距． 2．单缝衍射． （1）发生明显衍射现象的条件：当障碍物或小孔的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还要小时． （2）图样特点：中央是一条宽度大的亮纹，其他亮条纹窄而暗，且宽度不等． 【典型例题】 类型一、折射率的测量方法 例1．（2015 安徽月考）如图所示，一半径为R的球体放置在水平桌面上，球体由透明材料制成。 现有一束位于过球心O的竖直平面内的光线，平行于桌面射到球体表面上，若光线距桌面的距离为，且光线恰好在OA面发生全反射，求透明材料的折射率 【答案】见解析 【解析】因为光线距水平面的距离为，则光线的入射角 设折射角为θ2，全反射临界角为C，由光路图得 又因为 由折射定律，得： 即 解得 举一反三: 【高清课堂：光 复习与巩固 例2】 【变式】一潜水员自水下目测站立于船头的观察者距水面高为,而观察者目测潜水员距水面深,则( ) A、潜水员实际深度大于,观察者实际高度大于, B、潜水员实际深度小于,观察者实际高度小于, C、潜水员实际深度大于,观察者实际高度小于, D、潜水员实际深度小于,观察者实际高度大于。 【答案】C 【解析】设观察者实际高底为，则，；设潜水员实际深度为，则，故正确选项为C. 类型二、光学知识的技术应用 例2．利用激光遇到物体发生反射的特点，可以测定物体的有关参量，如图甲所示，为固定的激光发生器和接收器于一体的装置，为一辆在水平地面上做匀速直线运动的小车，现使对准匀速行驶的小车，使每隔固定时间发射一激光脉冲如图乙所示中幅度大的波形，接收的由小车返回的激光脉冲为图乙所示中幅度较小的波形，发射、接收激光脉冲的时间间隔如图乙中所示，均为已知，则根据所给信息判断小车的运动方向为________（填“向左”或“向右”），速度大小为________（光速为）． 【答案】向右 【解析】若小车不动，发射激光脉冲后到接收返回脉冲的时间应恒定，而从图形看，从发射到接收的时间间隔逐渐增大，故可知小车速度方向与激光发射的方向一致，即小车向右运动． 要求小车的速度，关键是要求出小车通过的某段位移和所用时间，可用运动学中处理追及问题的方法求解。作出运动示意图，如图所示． 小车在第一次收到脉冲至第二次收到脉冲时，运动的距离等于第二次与第一次激光单程到达小车时的路程之差． ， 如图所示，可知在这段位移削、车运动的时间 ， 故小车的速度大小为 ． 类型三、利用光学知识解释自然现象 例3．在新世纪来临之际，我国天文工作者通过计算机确定了我国新世纪第一道曙光的到达地——浙江温岭的石塘镇（天文学上规定：太阳边缘上发出的光线与地球相切于点的时刻，就是点日出时刻，如图所示）．但由于地球大气层的存在，光线会发生折射，因此，地球上真实看到日出的时刻与天文学上规定的日出时刻有所不同．已知地球平均半径为，且日地之间的距离约为，假设点为石塘镇，地球大气层的厚度约为．若认为大气层是均匀的，且折射率为，则由于大气层的存在，石塘镇看到真实日出的时刻比天文学上规定的第一道曙光的时刻约（ ）到达． A．提前 B．提前 C．推迟 D．推迟 【思路点拨】根据题意作出示意图，运用光的折射定律求解。 【答案】B 【解析】根据题意作出示意图如图所示， 小圆表示地球，大圆表示大气外层，点表示石塘镇，为太阳的第一道曙光，由图可知，如果没有大气层，那么，点只有等到地球转到点时才能看到第一道曙光，然而，由于大气层的折射，在点就可以看到曙光．由此可见，石塘镇的第一道曙光会提前出现．在直角三角形中， ， 所以 ． 根据折射定律有 ， 则 ， 得 ． 又由图示可知， ， ， ， ， 则 ， 因此，提前时间为 ． 【总结升华】这是一道光学知识应用能力题，要求用光的折射定律解释地球上真正看到日出的时刻与天文学上规定的日出时刻有所不同的物理现象． 类型四、两面平行的玻璃砖对不同色光的影响 例4．（2015 巴中月考）如图所示,两块相同的玻璃等腰三棱镜ABC置于空气中,两者的AC面相互平行放置,由红光和蓝光组成的细光束平行于BC面从P点射入,通过两棱镜后,变为从a、b两点射出的单色光,对于这两束单色光(　　) A.红光在玻璃中传播速度比蓝光大 B.从a点射出的为红光,从b点射出的为蓝光 C.从a、b两点射出的单色光不平行 D.从a、b两点射出的单色光仍平行,且平行于BC 【答案】见解析 【解析】选A、B、D。由玻璃对蓝光的折射率较大,可知A选项正确。由偏折程度可知B选项 正确。对于C、D两选项,我们应首先明白,除了题设给出的两个三棱镜外,两者之间又形成一个物理模型——平行玻璃砖(不改变光的方向,只使光线发生侧移)。中间平行部分只是使光发生了侧移。略去侧移因素,整体来看,仍是一块平行玻璃板,AB∥BA,所以出射光线仍平行。作出光路图如图所示,可知光线Pc在P点的折射角与光线ea在a点的入射角相等,据光路可逆,则过a点的出射光线与过P点的入射光线平行,由此,D选项正确。 举一反三: 【高清课堂：光 复习与巩固 例4】 【变式】如图示，有一玻璃直角三棱镜，其临界角小于，一束平行于边的白光射到面，在光束射在三棱镜时，（设光线在三棱镜内射到边上）（ ） A.从玻璃直角三棱镜面，射出的是白色光束 B.从玻璃直角三棱镜面，射出的是白色光束 C.从玻璃直角三棱镜面，射出的是彩色的不平行光束 D.从玻璃直角三棱镜面，射出的是平行于入射线的彩色光束 【答案】D 【解析】 画出光路图如图示，光在面全发射。由于色散，经面成彩色平行光射出. 类型五、全反射现象中的极值问题分析 例5．如图所示，粗细均匀的长直光导纤维被固定于水平面内，要使从光导纤维左侧端面射入的任何光线只能从光导纤维的右侧端面射出，光导纤维的折射率应满足什么条件？ 　　 【思路点拨】“只能从右侧端面射出” 表明光线在光导纤维侧面上发生全反射，作出光线在光导纤维内的传播光路．利用折射、反射知识求解。 【答案】见解析 【解析】射入光导纤维的任何光线只能从右侧端面射出，表明光线在光导纤维侧面上发生全反射，作出光线在光导纤维内的传播光路．如图所示． 　　　　 据几何关系得： ， 　　 ① 显然最大时，取最小值，由 知，当时，取最大值，即等于临界角． 将，代入①式可得 　　， ② 欲使射到侧面的光线都发生全反射，须满足 　　， 　　 ③ 据临界角定义可得： ， ④ 由②③④可得： ． 【总结升华】（1）抓住关键字眼——“只能从右侧端面射出”，推知光线在上下侧面上发生全反射是正确解答本题的关键（2）只要射到侧面的光线在入射角最小时，也能发生全反射，那么从光导纤维左侧端面甜入的任何光线在上下侧面上都能发生全反射． 类型六、光的干涉、衍射和偏振 例6．在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏幕上观察到了彩色干涉条纹，若在双缝中的一缝前放一红色滤光片（只能透过红光），另一缝前放一绿色滤光片（只能透过绿光），已知红光与绿光频率、波长均不相等，这时（ ）． A．只有红色和绿色的双缝干涉条纹，其他颜色的双缝干涉条纹消失 B．红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其他颜色的干涉条纹依然存在 C．任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮 D．屏上无任何光亮 【答案】C 【解析】两列光波发生干涉的条件之一是频率相等，利用双缝将一束光分成能够发生叠加的两束光，在光屏上形成干涉条纹，但分别用绿色滤光片和红色滤光片挡住两条缝后，红光和绿光频率不等，不能发生干涉，因此屏上不会出现干涉条纹，但仍有红光和绿光的衍射图样． 【总结升华】明确两列光波发生干涉的条件，知道不同色光的频率不同，是对此类问题作出正确判断的关键．该知识必须记住． 举一反三: 【高清课堂：光 复习与巩固 例10】 【变式1】如图甲所示，在一块平板玻璃上放置一平凸薄透镜，在两者之间形成厚度不均匀的空气膜，让一束单一波长的光垂直入射到该装置上，结果在上方观察到如图乙所示的同心内疏外密的圆环状干涉条纹，称为牛顿环，以下说法正确的是（ ） A．干涉现象是由于凸透镜下表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的 B．干涉现象是由于凸透镜上表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的 C．干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度不是均匀变化的 D．干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度是均匀变化的 【答案】AC 【解析】牛顿环是玻璃板上表面的反射光与凸透镜下表面的反射光叠加形成的干涉现象；因为玻璃板与凸透镜之间的空气膜厚度不均匀，所以形成的干涉条纹间距不均匀，故BC正确，AD错误. 【高清课堂：光 复习与巩固 例5】 【变式2】下列光学现象的说法中正确的是 （ ） A．用光导纤维束传送图像信息，这是光的衍射的应用 B．太阳光通过三棱镜形成彩色光谱，这是光的干涉的结果 C．在照相机镜头前加装偏振滤光片拍摄日落时的景物，可使景象更清晰 D．透过平行于日光灯的窄缝正常发光的日光灯时能观察到彩色条纹，这是光的色散现象 【答案】C 【变式3】对于光的衍射现象的定性分析，下列说法正确的是( )． A．只有障碍物或孔的尺寸可以跟光波波长相比甚至比波长还要小的时候，才能产生明显的衍射现象 B．光的衍射现象是光波相互叠加的结果 C．光的衍射现象否定了光的直线传播的结论 D．光的衍射现象说明了光具有波动性 【答案】A、B、D 【解析】光的干涉现象和衍射现象无疑说明了光具有波动性，而小孔成像说明光沿直线传播，而要出现小孔成像，孔不能太小，光的直线传播规律只是近似的，只有在光波长比障碍物小的情况下，光才可以看做是直线传播的，所以光的衍射现象和直线传播是不矛盾的，它们是在不同条件下出现的两种现象，故上述选项中正确的是A、B、D． 【变式4】光的偏振现象说明光是横波．下列现象中不能反映光的偏振特性的是( )． A．一束自然光相继通过两个偏振片，以光束为轴旋转其中一个偏振片，透射光的强度发生变化 B．一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是90°时，反射光是偏振光 C．日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景象更清晰 D．通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹 【答案】D 【解析】由光的偏振现象的知识可知A、B、C均反映了光的偏振特性，只有D选项是利用手指间的狭缝去观察光的衍射现象，故选D．