文档内容
第十二章 光
第十二章 光
知识网络
折射定律
光的折射 折射率
三棱镜的色散
反射定律
光的反射与折射 光的反射
平面镜成像
全反射条件
全反射 临界角
光
全反射应用
光的干涉
光的波动性 光的衍射
光的偏振
概述： 1． 光学是物理学中一门古老的基础科学， 同时又是现代科学领域中最活跃的前沿科
学之一， 按照不同的研究目的， 光学可分为几何光学和物理光学两大分支， 本章将先学习
几何光学， 然后学习物理光学.
2． 本章由我们生活中常见的光学现象入手， 通过大量直观的实验来呈现和探讨物理规
律， 培养和锻炼我们的观察和思考能力.
3． 本章将会遇到许多与我们生产、 生活相联系的光现象， 学习的时候要注意联系实
际， 如光导纤维、 激光等.
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高中物理公式、 定理、 定律图表
一、 光 的 折 射
一、 知识图解
现象： 光从一种介质进入另一种介质时， 在两种介质的界面处， 一
部分光射入另一种介质中.
光的折射 反射光线、 入射光线和法线位于同一平面内
反射定律 反射光线和入射光线分居在法线两侧
入射角的正弦跟折射角的正弦成正比，
光的折射 sin兹
即 1=n
sin兹
2
sin兹
n= 1
sin兹
2
折射率
c
n=
v
二、 重要知识剖析
关于折射率的几点问题：
1. 高中阶段涉及的折射率问题， 都是指某一种介质相对于真空 （空气） 的折射率， 由于光在任
何介质中的速度v均小于真空中光速c， 故折射率n＞1.
2. 折射率由介质本身的性质决定， 当光射到两种介质的界面时， 随着入射角的增大， 折射角
也随之增大， 而折射率是不变的.
三、 学习方法引导
例题 有人在游泳池边上竖直向下观察池水深度， 据他看来池水的深
名师经验谈：本题考查 4
度约为h.已知水的折射率是 ， 那么池水的实际深度为H= .
的是 “视深” 问题的计 3
算。 求解此类问题的关
解析：由光的可逆性原理， 设池底A点发出AB和
C
键是通过作图找到折射 B
光线反向延长线的交点， AC两条光线.如图所示.由于i， r很小， 有sini=tani O O′ r 水面
即物体虚像的位置， 然 OO′ h r
i
后根据几何关系和折射 和sinr=tanr， 由折射定律有 1 = sini = tani = H H
定律列出方程求解， 在 n sinr tanr OO′ i
h
求解的过程中， 若入射
A 池底
角和折射角较小， 往往 h 4
= ， ∴H=nh= h.
还会涉及数学的近似关 H 3
系， 即sinθ≈tanθ 4
答案 h
3
126第十二章 光
二、 光 的 干 涉
一、 知识图解
相干光源： 两个频率相同、 振动方向相同、 相差恒定的光源
单色光： 光屏上会出现明暗相间的等距条纹
现象
白光： 光屏中央会出现白色亮纹， 两边为彩色条纹
明条纹： 啄＝±n姿
明暗条纹
双缝干涉 （n=0， 1， 2， 3…）
产生条件
姿
暗条纹： 啄＝±（2n+1）
2
光的干涉
1
条纹间距公式： Δx= 姿
d
单色光： 薄膜表面会出现明暗相间的条纹
现象
白光： 薄膜表面会出现彩色条纹
明条纹： 2d＝n姿
薄膜干涉 产生机理 （d为薄膜厚度）
姿
暗条纹： 2d＝（2n+1）
2
应用： 检查光学平面、 增透膜
二、 重要知识剖析
1. 双缝干涉条纹间距公式推导
P
1
如图所示， 设两缝S 1 、 S 2 间距为d， 挡板到光屏的距离为l， 图中 S r 1 x
P 0 点为双缝连线中垂线与光屏的交点， 即： 1 兹 r 2
激光束 dO
OP 0 =l M P 0
我们在光屏上任取一点P， 设P 到P 的距离为x， P 到两缝的距 S 2 l
1 1 0 1
挡板 屏
离分别为PS=r， PS=r
1 1 1 1 2 2
在线段PS 上做点M， 使PM=PS， 于是：
1 2 1 1 1
SM=r-r
2 2 1
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高中物理公式、 定理、 定律图表
由于两缝之间的距离 d 远远小于缝到屏的距离 l， 所以∠SMS ≈90°， 所以， 可以将三角形
1 2
SMS 看做是直角三角形， 根据直角三角形边角关系， 有：
1 2
r-r=dsinθ
2 1
另一方面， x=ltanθ≈lsinθ
x
上面两式联立， 消去sinθ， 有： r-r=d
2 1 l
x
根据双缝干涉明条纹产生条件， 当两列相干光的光程差为波长的整数倍， 即啄=r-r=d =±n姿
2 1 l
l
（n=0， 1， 2， 3， …） 时才会出现亮条纹， 也就是说， 亮条纹的中心位置为x=±n 姿
d
l
所以， 相邻两个亮条纹的间距为Δx= 姿
d
2. 关于双缝干涉测量光的波长实验
l d·Δx
①实验原理： 根据公式Δx= 姿， 可得姿= ， 只要测量出d、 Δx、 l即可求出姿.
d l
②实验器材的摆放顺序： 从光源开始， 依次为滤光片、 单缝、 双缝、 遮光筒、 毛玻璃、 测量头.
③关于测量头： 测量头的读数原理与螺旋测微器 （千分尺） 相同.
④关于条纹间距Δx的测量： 通过测量头测出n 个明条纹间的距离 a， 就可以求出相邻两个明
a
条纹的间距Δx= .
n-1
三、 学习方法引导
例题 劈尖干涉是一种薄膜干涉，
两
其装置如图1所示. 将一块平板玻 张
小贴士： 本题考查薄 纸
璃放置在另一平板玻璃之上， 在 片
膜干涉的产生原理，
图1 图2
一端夹入两张纸片， 从而在两玻
弄清薄膜厚度与入射
光波长的关系是求解 璃表面之间形成一个劈形空气薄膜. 当光垂直入射后， 从上往下看
此类习题的关键. 到的干涉条纹如图2所示. 干涉条纹有如下特点： （1） 任意一条明
条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等； （2） 任意相邻明条
纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定. 现若在图 1装置中抽去一张
纸片， 则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后， 条纹 （ ）
A. 变疏 B. 变密 C. 不变 D. 消失
解析：如图所示， 设两条相邻明条纹分别位于图中的 P、 Q 两点，
劈尖的底角为 θ， P、 Q 间距为 l， P 点薄膜厚度为 d， Q 点薄膜厚
1
度为d， 根据薄膜干涉产生机理， 有： 2d=n姿， 2d=（n+1）姿
2 1 2
不论劈尖底角θ如何变化， 总有
Q
Δd=d-d=姿 P
2 1 Δd
Δd 姿
由几何关系可知： l= = θ
sinθ sinθ
入射光的波长姿一定， 若抽去一张纸片， 劈尖底角θ将变小， 故条
纹间距l将变大， 条纹变稀疏.
答案 A
128第十二章 光
三、 光的颜色 色散
一、 知识图解
光的色散： 含有多种颜色的光被分解为单色光的现象
光谱： 各种色光按一定顺序排列而形成的彩色亮带
光的色散
不同颜色的光， 波长不同， λ ＞λ
红 紫
规律
不同颜色的光， 在介质中的折射率不同， n ＜n
红 紫
二、 重要知识剖析
各种单色光的比较
（1） 按照光谱上由红光到紫光的顺序， 各种色光的波长越来越短， 频率越来越大， 这是因为
c=姿f， 各种单色光在真空中的光速c是恒定的.
（2） 按照光谱上由红光到紫光的顺序， 各种色光在同一介质中的折射率越来越大， 传播速度越
c
来越小， 这是因为n= .
v
三、 学习方法引导
例题 一细束红光和一细束紫光分别以相同入射角
名师经验谈：本题考
由空气射入水中， 如图标出了这两种光的折射光线 空气
查光谱中各种单色光
a 和 b， r 1 、 r 2 分别表示 a 和 b 的折射角， 以下说法 水 折射率及波长的变化
正确的是 （ ） a b 规律. 此类问题， 要牢
记各种色光的波长和
A. a为红光折射光线， b为紫光折射光线
折射率的大小关系，
B. a为紫光折射光线， b为红光折射光线
从而比较其频率与传
C. 水对紫光与红光的折射率n 1 与n 2 之比n 1 ∶n 2 ＝sinr 1 ∶sinr 2 播速度， 这种比较在
D. 紫光与红光在水中波速v 与v 之比v∶v＝sinr∶sinr 后面的 “光的衍射”
1 2 1 2 1 2
sini
和 “全反射” 中也会
解析：根据折射定律n=
sinr
， 当入射角相同时， 折射率越大， 折射
出现.
角越小， 由此可知， 图中 a 为紫光， b 为红光， 故 B 选项正确， A
错误. 同样， 由折射定律可得， n∶n＝sinr∶sinr， 故C选项错误. 而由
1 2 2 1
c
折射率公式n= 可得， v∶v＝n∶n＝sinr∶sinr， 故D选项正确.
v 1 2 2 1 1 2
答案 BD
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高中物理公式、 定理、 定律图表
四、 光 的 衍 射
一、 知识图解
光的衍射： 光照到小孔或障碍物上后， 离开直线传播路径， 在背后的区域内形成明暗
相间的条纹的现象
发生明显衍射条件： 障碍物或小孔的尺寸小于波长， 或跟波长差不多
单色光： 明暗相间条纹， 从中央亮纹向两侧， 条纹宽
光的衍射
度变窄， 亮度变暗
单缝衍射条纹特点
白光： 彩色条纹， 中央亮纹中央为白色， 最外缘为红色
常见衍射类型 单缝衍射、 圆孔衍射、 泊松亮斑
二、 重要知识剖析
1. 衍射现象产生的原因
如图所示， 当单色光传播到狭缝上时， 狭缝上每一点都可以看成是一个独立
的点光源， 这些点光源满足相干条件， 当从各个点光源发出的光传播到光屏 M 的
某一点时， 就进行相互叠加， 叠加后就会得到明暗相间的条纹. M
2. 关于发生明显衍射的条件
当障碍物尺寸小于或等于波长时， 会发生明显的衍射现象， 所以， 光波的波长越长越容易发生
衍射， 红光比紫光容易发生衍射.
三、 学习方法引导
例题 太阳光照射下肥皂膜呈现的彩色， 瀑布在阳光下呈现的彩虹
小贴士： 本题考查生 以及通过狭缝观察发光的日光灯是看到的彩色条纹， 这些现象分别
活中常见的各种色散 属于 （ ）
现象， 要注意其产生 A. 光的干涉、 折射和衍射现象 B. 光的干涉、 衍射和折射现象
机理上的区别.
C. 光的衍射、 折射和干涉现象 D. 光的衍射、 干涉和折射现象
解析：太阳光照射下肥皂膜呈现的彩色属于薄膜干涉， 瀑布在阳光
下呈现的彩虹属于光的折射， 通过狭缝观察发光的日光灯看到的彩
色条纹属于光的衍射.
答案 A
130第十二章 光
五、 光 的 偏 振
一、 知识图解
偏振现象： 横波的振动矢量偏于某些方向的现象
起偏： 自然光经过偏振片就变成偏振光
起偏与检偏
光的偏振 检偏： 偏振光通过偏振片时， 若光的振动方向与偏振片的透
振方向相同， 偏振片有光通过； 若光的振动方向与偏振片的
透振方向垂直， 偏振片不透光
偏振现象的应用： 液晶显示器、 立体电影等
二、 重要知识剖析
关于自然光与偏振光
（1） 除了从光源 （如太阳、 电灯等） 直接发出的光以外， 我们通常看到的绝大部分光， 都是偏
振光. 自然光射到两种介质的界面上， 如果光入射的方向合适， 使反射光与折射光之间的夹角恰好
是90°， 这时， 反射光和折射光就都是偏振的， 并且偏振方向互相垂直.
（2） 偏振片由特定的材料制成， 它上面有一个特殊的方向 （叫做透振方向）， 只有振动方向与
透振方向平行的光波才能通过偏振片. 用自然光照射偏振片， 同时将偏振片旋转一周， 透射光强度
没有明显变化， 而用偏振光照射偏振片， 在偏振片转动一周的过程中， 透射光强度会出现两明两暗
的变化. 我们可以用这个方法来鉴别自然光和偏振光.
三、 学习方法引导
例题 在垂直于太阳光的传播方向上依次摆放两个偏振片 P 和 Q，
在Q的后面放置一个光屏 （ ）
小贴士： 本题考查的
A. Q不动， 旋转P， 屏上的光的亮度不变
是自然光与偏振光的
B. Q不动， 旋转P， 屏上的光的亮度时强时弱 区别. 根据自然光与偏
C. P不动， 旋转Q， 屏上的光的亮度不变 振光的不同特点， 我
们可以使用偏振片来
D. P不动， 旋转Q， 屏上的光的亮度时强时弱
鉴别自然光和偏振光.
解析：太阳光是自然光， 让自然光依次通过两个偏振片， 只要两个
偏振片透振方向平行， 光屏上就有光， 而如果两个偏振片透振方向
垂直， 光屏上就没有光， 所以， 两个偏振片不能论哪一个不动， 在
旋转另一个的时候， 光屏上均会出现时亮时暗的变化.
答案 BD
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高中物理公式、 定理、 定律图表
六、 全 反 射
一、 知识图解
光密介质和光疏介质： 不同介质的折射率不同， 我们把折射率较大的介质称为光密介
质， 折射率较小的介质称为光疏介质
定义： 光从光密介质射入光疏介质， 当入射角增大到某一角度， 使折
射角达到90°时， 折射光完全消失， 只剩下反射光， 这种现象叫做全
反射
光从光密介质射入光疏介质
全反射 全反射 发生全反射条件
入射角达到临界角
定义： 折射光线达到90°时的入射角
临界角
1
公式： sinC=
n
全反射应用： 全反射棱镜、 光导纤维等
二、 重要知识剖析
1. 关于临界角
（1） 临界角公式推导
sini 1
根据折射定律n= ， 发生全反射时， i=90°， r=C， 故有sinC= .
sinr n
（2） 由临界角公式可知， 折射率越大， 临界角越小， 所以， 紫光比红光临界角小， 即紫光比红
光容易发生全反射.
2. 关于光导纤维
外套 内芯
（1） 构造： 如图所示， 光导纤维由内芯和外套两层构成， 欲使光线在
光导纤维内部发生全反射， 内芯的折射率应比外套的大.
（2） 应用： 医用内窥镜、 光纤通信等.
三、 学习方法引导
例题1 △OMN为玻璃等腰三棱镜的横截面， a、 b两束可见单色光
从空气垂直射入棱镜底面MN， 在棱镜侧面 OM、 ON 上反射和折射
132第十二章 光
的情况如图所示， 由此可知 （ ） M
A. 棱镜内a光的传播速度比b光的小
a 小贴士： 本题考查了
B. b光比a光更容易发生明显衍射现象 O
全反射临界角 C 与折
C. a光的频率比b光的高 b 射率 n 的关系， 同时
D. a光的波长比b光的长 N 又联系到了前面学习
过的各种单色光的波
解析：由光路图可知， 当两束光同时由玻璃射入空气中并且入射角
长、 频率、 介质中波
相等时， b光发生了全反射而a光未发生全反射， 根据全反射的发
速的比较， 处理这类
生条件可知， 此时的入射角达到了b光的临界角却未达到a光的临 问题时， 要注意比较
界角， 即 a 光的临界角大于 b 光的临界角， 根据临界角公式 sinC= 折射率的大小， 是比
较其他几个量的关键.
1 c
可知， n
