文档内容
解密 18 光学
核心考点 考纲要求
光的折射定律 Ⅱ
折射率 Ⅰ
全反射、光导纤维 Ⅰ
光的干涉、衍射和偏振现象 Ⅰ考点 1 光的折射 全反射 光导纤维
一、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向改变的现象。
2．折射定律
（1）内容：如图所示，折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于
法线两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比。
（2）表达式： ，式中n是比例常数。
（3）在光的折射现象中，光路是可逆的。
3．折射率
（1）折射率是一个反映介质光学性质的物理量，折射率越大，说明光从真空中射入到该介质时的偏
折程度越大，反之偏折程度越小。
（2）定义式： ，折射率由介质本身的光学性质和光的频率决定，与入射角θ 和折射角θ 无
1 2
关。
（3）计算公式： ，因为v1），当点光源从O点沿着某一半径方向移动到边界的过程中，下面说法
正确的是（ ）
A．圆形边界各处始终都有光射出
B．点光源远离O点的距离只要不超过 ，圆形边界各处都有光射出
C．点光源远离O点的距离只要不超过 ，圆形边界各处都有光射出
D．点光源远离O点一定距离后，圆形边界上不能射出光的区域逐渐变大
2．（2020·河南高三一模）如图所示，一束由红、蓝两单色激光组成的复色光从水中射向空气中，并分
成a、b两束，则下列说法正确的是__________。
A．a光的折射率小于b光折射率
B．在真空中，单色光a的波长大于单色光b的波长C．使用同种装置，用b光做双缝干涉实验得到的条纹比用a光得到的条纹宽
D．b光在水中传播的速度比a光大
E.发生全反射时，a光的临界角比b光大
2
考点 光的干涉、衍射和偏振现象
一、光的干涉
1．定义
两列频率相同、振动情况相同的光波相叠加，某些区域出现振动加强，某些区域出现振动减弱，并且
加强区域和减弱区域总是相互间隔的现象叫光的干涉现象。
2．相干条件
只有相干光源发出的光叠加，才会发生干涉现象。相干光源是指频率相同、相位相同（振动情况相
同）的两列光波。
3．两束振动情况相同的光源产生的光相互叠加时：
（1）出现明条纹的条件是屏上某点P到两个相干光源S 和S 的路程差等于波长的整数倍或半波长的
1 2
偶数倍，即
|PS–PS|=kλ=2k· （k=0，1，2，3···）
1 2
当k=0时，即PS=PS，此时P点处的明条纹叫做中央亮条纹。
1 2
（2）出现暗条纹的条件是屏上某点P到两个相干光源S 和S 的路程差等于半波长的奇数倍，即
1 2
|PS–PS|=（2k+1） （k=0，1，2，3···）
1 2
4．双缝干涉：由同一光源发出的光经双缝后，在屏上出现明暗相间的条纹。白光的双缝干涉条纹是
中央为白色条纹，两边为彩色条纹，单色光的双缝干涉中相邻亮条纹间的距离为 。
5．光的双缝干涉现象的理解
（1）光能够发生干涉的条件：两光的频率相同，振动步调相同。
（2）双缝干涉形成的条纹是等间距的，两相邻亮条纹或相邻暗条纹间距离与波长成正比，即 。
（3）用白光照射双缝时，形成的干涉条纹的特点：中央为白条纹，两侧为彩色条纹。6．薄膜干涉：利用薄膜（如肥皂液薄膜）前后两面反射的光相遇而形成的。图样中同一条亮（或
暗）条纹上所对应的薄膜厚度相同。
7．薄膜干涉现象的理解
（1）如图所示，竖直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形。
（2）光照射到薄膜上时，在膜的前表面AA′和后表面BB′分别反射出来，形成两列频率相同的光波，
并且叠加。
（3）原理分析
①单色光
在P、P 处，两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr等于波长的整数倍。
1 2
Δr=nλ（n=1，2，3···），薄膜上出现明条纹。
在Q处，两列反射回来的光波的路程差Δr等于半波长的奇数倍。Δr=（2n+1） （n=0，1，2，
3···），薄膜上出现暗条纹。
②白光：薄膜上出现水平彩色条纹。
（4）薄膜干涉的应用
干涉法检查平面。如图所示，两板之间形成一楔形空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检平面是
平整光滑的，我们会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹；若被检平面不平整，则干涉条纹发生弯曲。
二、光的衍射
1．定义
光离开直线路径绕到障碍物阴影区的现象叫光的衍射，衍射产生的明暗条纹或光环叫衍射图样。
2．发生明显衍射的条件
只有当障碍物的尺寸跟光的波长相差不多，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象才会明显。
3．衍射图样
（1）单缝衍射
①单色光：明暗相间的不等距条纹，中央亮纹最宽最亮，两侧条纹具有对称性。②白光：中间为宽且亮的白色条纹，两侧 是窄且暗的彩色条纹，最靠近中央的是紫光，远离中央
的是红光。
（2）圆孔衍射：明暗相间的不等距圆环，圆环面积远远超过孔的直线照明的面积。
（3）圆盘衍射：明暗相间的不等距圆环，中心有一亮斑称为泊松亮斑。
4．光的衍射现象的理解
（1）衍射与干涉的比较
两种现象
单缝衍射 双缝干涉
比较项目
不 条纹宽度 条纹宽度不等，中央最宽 条纹宽度相等
同 条纹间距 各相邻条纹间距不等 各相邻条纹等间距
点 亮度情况 中央条纹最亮，两边变暗 条纹清晰，亮度基本相等
相同点 干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹
特别提醒：
①白光发生光的干涉、衍射和光的色散都可出现彩色条纹，但光学本质不同。
②区分干涉和衍射，关键是理解其本质，实际应用中可从条纹宽度、条纹间距、亮度等方面加以区分。
③干涉与衍射的本质：光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果，从本质上讲，衍射条纹的形成
与干涉条纹的形成具有相似的原理。在衍射现象中，可以认为从单缝通过两列或多列频率相同的光波，它
们在屏上叠加形成单缝衍射条纹。
（2）光的干涉和衍射比较
内容 干涉 衍射
在光重叠区域出现加强或减
现象 光绕过障碍物偏离直线传播的现象
弱的现象
两束光频率相同、相位差恒
产生条件 障碍物或孔的尺寸与波长差不多或小得多
定
典型实验 杨氏双缝干涉实验 单缝衍射、圆孔衍射、不透明圆盘衍射
图 不 条纹宽度 条纹宽度相等 条纹宽度不等，中央最宽
样 同 条纹间距 各相邻条纹间距相等 各相邻条纹间距不等
特 点 亮度情况 清晰条纹，亮度基本相等 中央条纹最亮，两边变暗
点 相同点 干涉、衍射都是波特有的现象；干涉、衍射都有明暗相间的条纹
三、光的偏振
1．偏振：光波只沿某一特定的方向振动，称为光的偏振。2．自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而
且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫做自然光。
3．偏振光：在垂直于传播方向的平面上，只沿某个特定方向振动的光，叫做偏振光。光的偏振证明
光是横波。自然光通过偏振片后，就得到了偏振光。
4．光的偏振现象的理解
（1）偏振光的产生方式
①自然光通过起偏器：通过两个共轴的偏振片观察自然光，第一个偏振片的作用是把自然光变成偏振
光，叫起偏器。第二个偏振片的作用是检验光是否为偏振光，叫检偏器。
②自然光射到两种介质的交界面上，如果光入射的方向合适，使反射光和折射光之间的夹角恰好是
90°时，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直。
特别提醒：不能认为偏振片就是刻有狭缝的薄片，偏振片并非刻有狭缝，而是具有一种特征，即存在
一个偏振方向，只让平行于该方向振动的光通过，其他振动方向的光被吸收了。
（2）偏振光的理论意义及应用
①理论意义：光的干涉和衍射现象充分说明了光是波，但不能确定光波是横波还是纵波。光的偏振现
象说明了光波是横波。
②应用：照相机镜头、立体电影、消除车灯眩光等。
5．自然光和偏振光的比较
自然光（非偏振光） 偏振光
光的来源 直接从光源发出的光 自然光通过起偏器后的光
光的振动 在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿任 在垂直于光的传播方向的平面内，光
方向 意方向，且沿各个方向振动的光的强度相同 振动沿特定方向
（2020·江苏南通市·高三月考）水平放置的单色线光源S发出的光有一部分直接入射到竖直光屏上，一
部分通过水平放置的平面镜反射后射到屏上，这两列光相遇时会发生干涉，形成水平的明暗相间的条纹。
则（ ）
A．将光屏向右平移，相邻条纹间距减小
B．将光屏向右平移，相邻条纹间距增大
C．将线光源S向下平移，相邻条纹间距减小D．将线光源S向下平移，相邻条纹间距增大
1．．（2020·巴楚县第一中学高三一模）用双缝干涉测量光的波长的实验装置如图所示，调整实验装置
使屏上可以接收到清晰的干涉条纹。关于该实验，下列说法正确的是（ ）
A．若将滤光片向右平移一小段距离，光屏上相邻两条明纹中心的距离增大
B．若将光屏向右平移一小段距离，光屏上相邻两条暗纹中心的距离增大
C．若将双缝间的距离d减小，光屏上相邻两条暗纹中心的距离增大
D．若将滤光片由绿色换成蓝色，光屏上相邻两条暗纹中心的距离增大
2．（2020·浙江高三期中）雨过天晴，天空中悬浮着一颗球形小水珠，一缕阳光水平入射，如图所示，
则关于甲光、乙光和丙光，以下表述正确的是（ ）
A．若甲光是氢原子从 向 跃迁时产生的，则乙光可能是 向 跃迁时产生的
B．用同一装置做光的双缝干涉实验，甲光的干涉条纹间距一定大于乙光的干涉条纹间距
C．用甲光、乙光和丙光，照射同一金属板，若乙光能发生光电效应，则甲光不一定能发生光电效应，
丙光一定能发生光电效应
D．逐渐增大左侧入射光线的入射角，右侧出射光线中丙光最先消失，甲光最后消失
1．（2020·山东高考真题）截面为等腰直角三角形的三棱镜如图甲所示。DE为嵌在三棱镜内部紧贴
BB'C'C面的线状单色可见光光源，DE与三棱镜的ABC面垂直，D位于线段BC的中点。图乙为图甲中
ABC面的正视图。三棱镜对该单色光的折射率为 ，只考虑由DE直接射向侧面AA'CC的光线。下列说法正确的是（ ）
A．光从AA'C'C面出射的区域占该侧面总面积的
B．光从AA'C'C面出射的区域占该侧面总面积的
C．若DE发出的单色光频率变小，AA'C'C面有光出射的区域面积将增大
D．若DE发出的单色光频率变小，AA'C'C面有光出射的区域面积将减小
2．（2020·浙江高考真题）如图所示，波长为 和 的两种单色光射入三棱镜，经折射后射出两束单色
光a和b，则这两束光（ ）
A．照射同一种金属均有光电子逸出，光电子最大初动能
B．射向同一双缝干涉装置，其干涉条纹间距
C．在水中的传播速度D．光子动量
3．（2020·北京高考真题）以下现象不属于干涉的是（ ）
A．白光经过杨氏双缝得到彩色图样
B．白光照射肥皂膜呈现彩色图样
C．白光经过三棱镜得到彩色图样
D．白光照射水面油膜呈现彩色图样
23．（2020·山东高考真题）双缝干涉实验装置的截面图如图所示。光源S到S、S 的距离相等，O点为
1 2
S、S 连线中垂线与光屏的交点。光源S发出的波长为 的光，经S 出射后垂直穿过玻璃片传播到O点，
1 2 1
经S 出射后直接传播到O点，由S 到O点与由S 到O点，光传播的时间差为 。玻璃片厚度为10
2 1 2
，玻璃对该波长光的折射率为1.5，空气中光速为c，不计光在玻璃片内的反射。以下判断正确的是（
）
A． B． C． D．
4．（2020·浙江高考真题）如图所示，圆心为O、半径为R的半圆形玻璃砖置于水平桌面上，光线从P点
垂直界面入射后，恰好在玻璃砖圆形表面发生全反射；当入射角 时，光线从玻璃砖圆形表面出
射后恰好与入射光平行。已知真空中的光速为c，则（ ）A．玻璃砖的折射率为1.5
B． 之间的距离为
C．光在玻璃砖内的传播速度为
D．光从玻璃到空气的临界角为30°
5．（2020·浙江高考真题）如图所示，一束光与某材料表面成45°角入射，每次反射的光能量为入射光能量
的k倍 。若这束光最终进入材料的能量为入射光能量的 倍，则该材料折射率至少为
（ ）
A． B． C．1.5 D．2
6．（2019·北京卷）利用图1所示的装置（示意图），观察光的干涉、衍射现象，在光屏上得到如图 2中
甲和乙两种图样。下列关于P处放置的光学元件说法正确的是A．甲对应单缝，乙对应双缝
B．甲对应双缝，乙对应单缝
C．都是单缝，甲对应的缝宽较大
D．都是双缝，甲对应的双缝间距较大
7．（2019·天津卷）某小组做测定玻璃的折射率实验，所用器材有：玻璃砖，大头针，刻度尺，圆规，笔，
白纸。
①下列哪些措施能够提高实验准确程度______。
A．选用两光学表面间距大的玻璃砖
B．选用两光学表面平行的玻璃砖
C．选用粗的大头针完成实验
D．插在玻璃砖同侧的两枚大头针间的距离尽量大些
②该小组用同一套器材完成了四次实验，记录的玻璃砖界线和四个大头针扎下的孔洞如下图所示，其
中实验操作正确的是______。
③该小组选取了操作正确的实验记录，在白纸上画出光线的径迹，以入射点 为圆心作圆，与入射光
线、折射光线分别交于 、 点，再过 、 点作法线 的垂线，垂足分别为 、 点，如图所
示，则玻璃的折射率 ______。（用图中线段的字母表示）8．（2019·江苏卷）将两支铅笔并排放在一起，中间留一条狭缝，通过这条狭缝去看与其平行的日光灯，
能观察到彩色条纹，这是由于光的 （选填“折射”“干涉”或“衍射”）．当缝的宽度
（选填“远大于”或“接近”）光波的波长时，这种现象十分明显。
9．（2019·新课标全国Ⅱ卷）某同学利用图示装置测量某种单色光的波长。实验时，接通电源使光源正常
发光：调整光路，使得从目镜中可以观察到干涉条纹。回答下列问题：
（1）若想增加从目镜中观察到的条纹个数，该同学可__________；
A．将单缝向双缝靠近
B．将屏向靠近双缝的方向移动
C．将屏向远离双缝的方向移动
D．使用间距更小的双缝
（2）若双缝的间距为d，屏与双缝间的距离为l，测得第1条暗条纹到第n条暗条纹之间
的距离为Δx，则单色光的波长λ=_________；
（3）某次测量时，选用的双缝的间距为0．300 mm，测得屏与双缝间的距离为1.20 m，
第1条暗条纹到第4条暗条纹之间的距离为7.56 mm。则所测单色光的波长为
______________nm（结果保留3位有效数字）。
10．（2019·新课标全国Ⅰ卷）如图，一艘帆船静止在湖面上，帆船的竖直桅杆顶端高出水面3 m。距水面4
m的湖底P点发出的激光束，从水面出射后恰好照射到桅杆顶端，该出射光束与竖直方向的夹角为 53°
（取sin53°=0.8）。已知水的折射率为 。
（1）求桅杆到P点的水平距离；（2）船向左行驶一段距离后停止，调整由P点发出的激光束方向，当其与竖直方向夹角为45°时，从
水面射出后仍然照射在桅杆顶端，求船行驶的距离。
11．（2019·新课标全国Ⅲ卷）如图，直角三角形ABC为一棱镜的横截面，∠A=90°，∠B=30°。一束光线
平行于底边BC射到AB边上并进入棱镜，然后垂直于AC边射出。
（1）求棱镜的折射率；
（2）保持AB边上的入射点不变，逐渐减小入射角，直到 BC边上恰好有光线射出。求此时AB边上
入射角的正弦。
12．（2017·北京卷）物理学原理在现代科技中有许多重要应用。例如，利用波的干涉，可将无线电波的
干涉信号用于飞机降落的导航。如图所示，两个可发射无线电波的天线对称地固定于飞机跑道两侧，
它们类似于杨氏干涉实验中的双缝。两天线同时都发出波长为λ 和λ 的无线电波。飞机降落过程中，
1 2
当接收到λ 和λ 的信号都保持最强时，表明飞机已对准跑道。下列说法正确的是
1 2
A．天线发出的两种无线电波必须一样强
B．导航利用了λ 与λ 两种无线电波之间的干涉
1 2
C．两种无线电波在空间的强弱分布稳定
D．两种无线电波各自在空间的强弱分布完全重合
13．（2017·北京卷）如图所示，一束可见光穿过平行玻璃砖后，变为a、b两束单色光。如果光束b是蓝
光，则光束a可能是A．红光 B．黄光
C．绿光 D．紫光
14．（2017·天津卷）明代学者方以智在《阳燧倒影》中记载：“凡宝石面凸，则光成一条，有数棱则必
有一面五色”，表明白光通过多棱晶体折射会发生色散现象。如图所示，一束复色光通过三棱镜后分
解成两束单色光a、b，下列说法正确的是
A．若增大入射角i，则b光先消失
B．在该三棱镜中a光波长小于b光
C．a光能发生偏振现象，b光不能发生
D．若a、b光分别照射同一光电管都能发生光电效应，则a光的遏止电压低
15．（2018·新课标全国I卷）如图，△ABC为一玻璃三棱镜的横截面，∠A=30°，一束红光垂直AB边射
入，从AC边上的D点射出，其折射角为60°，则玻璃对红光的折射率为_____。若改用蓝光沿同一路径
入射，则光线在D点射出时的折射射角______（“小于”“等于”或“大于”）60°。
16．（2018·新课标全国II卷）如图，ΔABC是一直角三棱镜的横截面，∠A=90∘，∠B=60∘，一细光
束从BC边的D点折射后，射到AC边的E点，发生全反射后经AB边的F点射出。EG垂直于AC交BC
于G，D恰好是CG的中点。不计多次反射。
（1）求出射光相对于D点的入射光的偏角；（2）为实现上述光路，棱镜折射率的取值应在什么范围？
17．（2018·新课标全国III卷）如图，某同学在一张水平放置的白纸上画了一个小标记“·”(图中O点)，
然后用横截面为等边三角形ABC的三棱镜压在这个标记上，小标记位于AC边上。D位于AB边上，过
D点做AC边的垂线交AC于F。该同学在D点正上方向下顺着直线DF的方向观察。恰好可以看到小标
记的像；过O点做AB边的垂线交直线DF于E；DE=2 cm，EF=1 cm。求三棱镜的折射率。(不考虑光
线在三棱镜中的反射)
18．（2017·新课标全国Ⅰ卷）如图，一玻璃工件的上半部是半径为R的半球体，O点为球心；下半部是
半径为R、高位2R的圆柱体，圆柱体底面镀有反射膜。有一平行于中心轴OC的光线从半球面射入，
该光线与OC之间的距离为0.6R。已知最后从半球面射出的光线恰好与入射光线平行（不考虑多次反
射）。求该玻璃的折射率。
19．（2017·新课标全国Ⅱ卷）一直桶状容器的高为2l，底面是边长为l的正方形；容器内装满某种透明
液体，过容器中心轴DD′、垂直于左右两侧面的剖面图如图所示。容器右侧内壁涂有反光材料，其他内
壁涂有吸光材料。在剖面的左下角处有一点光源，已知由液体上表面的D点射出的两束光线相互垂直，
求该液体的折射率。
20．（2017·新课标全国Ⅲ卷）如图，一半径为R的玻璃半球，O点是半球的球心，虚线OO′表示光轴
（过球心O与半球底面垂直的直线）。已知玻璃的折射率为1.5。现有一束平行光垂直入射到半球的
底面上，有些光线能从球面射出（不考虑被半球的内表面反射后的光线）。求（1）从球面射出的光线对应的入射光线到光轴距离的最大值；
R
（2）距光轴 3 的入射光线经球面折射后与光轴的交点到O点的距离。
