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专题16 光学
常考考点
真题举例
折射和全反射的综合问题
2024·广东·高考真题
光的折射定律、折射率
2024·贵州·高考真题
光的折射定律、折射率
2024·重庆·高考真题
干涉条纹间距与波长的关系
2024·浙江·高考真题
掌握光的折射定律和折射率，并会计算相应的习题；
掌握光的全反射现象及其产生的条件，并会用进行相关计算，了解光纤的工作原理；
1
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掌握光的干涉、衍射和偏振现象和对应的产生条件；
会根据干涉条纹进行简单的计算。
核心考点01 光的反射和折射
一、光的反射.........................................................................................................................................................3
二、光的折射.........................................................................................................................................................3
三、折射率.............................................................................................................................................................3
核心考点02 全反射......................................................................................................................................................5
一、光密介质和光疏介质....................................................................................................................................5
二、全反射.............................................................................................................................................................5
三、三种光学模型的光路特点............................................................................................................................6
四、光的折射和全反射问题的解题要点............................................................................................................8
五、光的色散.........................................................................................................................................................9
核心考点03 光的干涉、衍射和偏振.........................................................................................................................10
一、光的干涉.......................................................................................................................................................10
二、光的衍射.......................................................................................................................................................13
三、光的偏振.......................................................................................................................................................15
核心考点01 光的反射和折射
一、光的反射
1、定义
光从第1 种介质射到它与第2 种介质的分界面时，一部分光会返回到第1 种介质的现象。
分子的质量：数量级为10-26 kg。
2
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2、反射定律
反射光线与入射光线、法线处在同一平面内，反射光线与入射光线分别位于法线的两侧。
反射角等于入射角。
【注意】对于每一条入射光线，反射光线是唯一的，在反射现象中光路是可逆的。
3、图像
二、光的折射
1、定义
光由一种介质射入另一种介质时，在两种介质的界面上将发生光的传播方向改变的现象叫光的折射。
2、折射定律
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的两侧；入射角的正
弦与折射角的正弦成正比。
表达式：＝n12，式中n12是比例常数。
3、光路可逆性
在光的反射和折射现象中，光路都是可逆的。如果让光线逆着出射光线射到界面上，光线就会逆着原
来的入射光线出射。
4、图像
三、折射率
1、定义
光从真空射入某种介质发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，叫这种介质的折射率。
2、定义式
n＝。折射率越大，光从真空射入到该介质时偏折越大。
3、意义
反映介质的光学性质的物理量。
4、折射率的理解
某种介质的折射率，等于光在真空中的传播速度c 跟光在这种介质中的传播速度v 之比，即
n= c
v ，
因c>v ，所以任何介质的折射率n 都大于1。两种介质相比较，n 较大的介质称为光密介质，n 较小的介
3
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质称为光疏介质。在光密介质中，光的折射率相对较大，光速相对较小。
折射率的大小不仅反映了介质对光的折射本领，也反映了光在介质中传播速度的大小
v= c
n 。
折射率的大小不仅与介质本身有关，还与光的频率有关：同一种介质中，频率越大的光折射率越大，
传播速度越小；同一种光，在不同介质中虽然波速、波长不同，但频率相同。
折射率由介质本身性质决定，与入射角的大小无关。
折射率与介质的密度没有关系，光密介质不是指密度大的介质。
同一种介质中，频率越大的色光折射率越大，传播速度越小。
5、解题思路
根据入射角、折射角及反射角之间的关系，做出比较完整的光路图。
充分利用光路图中的几何关系，确定各角之间的联系，根据折射定律求解相关的物理量：折射角、折
射率等。
注意在折射现象中，光路是可逆的。
如图所示为一斜边镀银的等腰直角棱镜的截面图．一细黄光束从直角边AB 以角度θ 入射，依次经AC
和BC 两次反射，从直角边AC 出射．出射光线相对于入射光线偏转了α 角，则α( )
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核心考点02 全反射
一、光密介质和光疏介质
1、介质
光密介质：折射率较大的介质。
光疏介质：折射率较小的介质。
2、传播速度
光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中的传播速度小。
3、折射特点
光从光疏介质射入光密介质时，折射角小于入射角，光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射
角。
二、全反射
1、定义
光从光密介质射入光疏介质时，若入射角增大到某一角度，折射光线就会消失，只剩下反射光线的现
象。
2、条件
光从光密介质射入光疏介质。
入射角大于或等于临界角。
3、临界角
定义：折射角等于90°时的入射角。用字母C 表示。
临界角与折射率的关系：光由介质射入空气(或真空)时，sin C＝。
4、应用
全反射棱镜：横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。
A．等于90°
B．大于90°
C．小于90°
D．与棱镜的折射率有关
【答案】A
【解析】如图所示
设光线在AB边的折射角为β，根据折射定律可得n= sinθ
sinβ ，设光线在BC边的入射角为φ，光线在AC
边的入射角为r，折射角为i；由反射定律和几何知识可知β +φ = 45
∘，β +2φ+r =90
∘，联立解得r = β，
根据折射定律可得sini
sinr = sini
sinβ =n，可得i=θ，过D点做出射光的平行线，则该平行线与AB的夹角为θ，
由几何知识可知，入射光与出射光的夹角为90
∘。故选A。
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作用：用来改变光的方向，几种全反射方式如下表所示。
入射方式
项目
方式一
方式二
方式三
光路图
入射面
AB
AC
AB
全反射面
AC
AB、BC
AC
光线方向改变角度
90°
180°
0°(发生侧移)
光导纤维的传播原理：光由一端进入，在两层的界面上经过多次全反射，从另一端射出，如下图所示。
光导纤维可以远距离传播光，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像。如果把许多(上万根)光
导纤维合成一束，并使两端的纤维按严格相同的次序排列，就可以传播图像。
光导纤维折射率的计算：设光导纤维的折射率为n，当入射角为θ1时，进入端面的折射光线传到侧面
时恰好发生全反射，如图所示，则有sin C＝，n＝，C＋θ2＝90°，由以上各式可得sin θ1＝。当θ1增大时，
θ2增大，而从纤维射向真空中光线的入射角θ 减小，当θ1＝90°时，若θ＝C，则所有进入纤维中的光线都
能发生全反射，即解得n＝，以上是光从纤维射向真空时得到的折射率，由于光导纤维包有外套，外套的
折射率比真空的折射率大，因此光导纤维折射率要比大些。
三、三种光学模型的光路特点
1、平行玻璃砖
结构：玻璃砖上下表面是平行的。
光路图的特点为通过平行玻璃砖的光线不改变传播方向，但要发生侧移，如下图所示。
应用：测定玻璃的折射率。
2、三棱镜
结构：横截面为三角形的三棱镜。
光路图的特点为通过三棱镜的光线经两次折射后，出射光线向棱镜底面偏折，如下图所示。
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应用：全反射棱镜，改变光的传播方向。
3、圆柱体(球)
结构：横截面是圆。
光路图的特点为圆界面的法线是过圆心的直线，光线经过两次折射后向圆心偏折，如下图所示。
应用：改变光的传播方向。
柱状光学器件横截面如图所示，OP 右侧是以O 为圆心、半径为R 的圆，左侧是直角梯形，AP 长为
R，AC 与CO 夹角45°，AC 中点为B.a、b 两种频率的细激光束，垂直AB 面入射，器件介质对a、b 光
的折射率分别为1.42、1.40.保持光的入射方向不变，入射点从A 向B 移动过程中，能在PM 面全反射
后，从OM 面出射的光是(不考虑三次反射以后的光)( )
A．仅有a 光 B．仅有b 光 C．a、b 光都可以
D．a、b 光都不可以
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四、光的折射和全反射问题的解题要点
1、两个技巧
解答全反射类问题时，要抓住发生全反射的两个条件：①光必须从光密介质射入光疏介质；②入射角
大于或等于临界角。
利用好光路图中的临界光线，准确地判断出恰好发生全反射的光路图是解题的关键，且在作光路图时
尽量与实际相符。
2、4 个注意点
光的反射、折射和全反射现象，光路均是可逆的。
如果光线从光疏介质进入光密介质，则无论入射角多大，都不会发生全反射现象。
明确哪种是光密介质、哪种是光疏介质。同一种介质，相对于其他不同的介质，可能是光密介质，也
可能是光疏介质。
明确哪种是光密介质、哪种是光疏介质。同一种介质，相对于其他不同的介质，可能是光密介质，也
可能是光疏介质。
【答案】A
【解析】当两种频率的细激光束从A 点垂直于AB 面入射时，由几何知识可知，激光沿直线传播到O
点，经第一次反射沿半径方向直线传播出去，如图甲，
保持光的入射方向不变，入射点从A 向B 移动过程中，如图乙，可知激光沿直线传播到CO 面经反射，
射向PM 面，入射点从A 向B 移动过程中，光线传播到PM 面的入射角逐渐增大。
当入射点为B 点时，如图丙所示，根据光的反射定律及几何关系可知，光线传播到PM 面的P 点，此
时光线在PM 面上的入射角最大，设为α，由几何关系得α＝45°，
根据全反射临界角公式得sin Ca＝＝<，sin Cb＝＝>，两种频率的细激光束的全反射的临界角关系为
Ca<45°<Cb，故在入射光从A 向B 移动过程中，a 光能在PM 面全反射后，从OM 面射出，b 光不能在
PM 面发生全反射，故A 正确，B、C、D 错误。
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五、光的色散
1、定义
白光通过三棱镜后，出射光束变为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种色光的光束，这种现象叫做光的
色散。
2、成因
棱镜材料对不同色光的折射率不同，对红光的折射率最小，红光通过棱镜后的偏折程度最小，对紫光
的折射率最大，紫光通过棱镜后的偏折程度最大，从而产生色散现象。
3、七色光的比较
颜色
红橙黄绿青蓝紫
频率ν
低→高
同一介质中的折射率
小→大
近日，工信部披露的最新数据显示，2023 年我国光缆线路建设取得显著成果，新建光缆线路长度达
473.8 万公里，使得全国光缆线路总长度一举突破6432 万公里。光缆线路主要用于光信息传输，在铺
设的过程中，尽量不要弯曲。如图所示，一段折射率为n、横截面是圆面的光导纤维，截面半径为r，
在铺设的过程中弯曲成了一段圆弧，圆弧的圆心到光导纤维的中心轴线的距离为R，光导纤维外部可
认为是真空区域。现有一束光垂直于光导纤维左端截面射入，为了保证这束光经反射后均能从右端面
射出，则光导纤维的折射率n 至少为（ ）
A．
B．
C．
D．
【答案】B
【详解】如图所示
最下端入射的光在界面的入射角最小，故临界状态为最下端入射的光恰好不发生全反射，根据全反射
的公式
，由几何关系
，可得
，故选B。
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S
同一介质中的速度
大→小
同一介质中的波长
大→小
通过同一棱镜的偏折角
小→大
同一介质中的临界角
大→小
同一装置的双缝干涉条纹间距
大→小
核心考点03 光的干涉、衍射和偏振
一、光的干涉
1、定义
在两列光波叠加的区域，某些区域相互加强，出现亮条纹，某些区域相互减弱，出现暗条纹，且加强
区域和减弱区域相互间隔的现象。
2、杨氏双缝干涉实验
装置示意图如下图所示，有光源、单缝、双缝和光屏。
单缝的作用：获得一个线光源，使光源有唯一的频率和振动情况，也可用激光直接照射双缝。
双缝的作用：将一束光分成两束频率相同且振动情况完全一致的相干光。
3、条件
两束光的频率相同、相位差恒定、振动方向相同。
4、图样特点
若用单色光作光源，干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹；若用白光作光源，干涉条纹是彩色条纹，
且中央条纹是白色的。
5、获得相干光源的方法
利用激光（因为激光发出的是单色性极好的光）。
设法将同一束光分为两束（这样两束光都来源于同一个光源，因此频率必然相等）。
获得相干光源分别有双缝、楔形薄膜、空气膜、平面镜等，示意图如下所示。
6、亮暗纹的计算
如下图所示，设屏上的一点P 到双缝的距离分别为r1和r2，路程差Δr＝r2－r1。
S
S’
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条纹间距：为Δr= l
d λ ，若满足路程差为波长的整数倍，即Δr＝kλ (其中k＝0,1,2,3，…)，则出现亮
条纹；若满足路程差为半波长的奇数倍，即Δr＝λ(其中k＝0,1,2,3，…)，则出现暗条纹。
亮条纹的产生条件：屏上某点P 到两条缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍，
即|PS1－PS2|＝kλ＝2 k · ( k＝0,1,2,3，…)。
【注意】k＝0 时，PS1＝PS2，此时P 点位于屏上的O 处，为亮条纹，此处的条纹叫中央亮条纹或零级
亮条纹。
暗条纹的产生条件：屏上某点P 到两条缝S1和S2的路程差正好是半波长的奇数倍，即|PS1－PS2|＝(2k
－1)·(k＝1,2,3，…)。k 为暗条纹的级次，从第1 级暗条纹开始向两侧展开。
【注意】双缝干涉实验中，屏幕上相邻亮条纹和相邻暗条纹是等间距的，这个间距与光的波长、屏幕
到双缝的距离和双缝的间距有关。波长越长，屏幕到双缝的距离越大，双缝的间距越小，干涉条纹的间距
越宽。
7、亮暗纹的时间关系
亮条纹：Δt＝nT(n＝0,1,2,3，…)；暗条纹：Δt＝(2n＋1)·(n＝0,1,2,3，…)．式中Δt 表示两列光波到同
一点的时间差。T＝为光波的周期。
8、对双缝干涉的理解
在单色光的干涉条纹中，两相邻明纹或暗纹间的距离是相等的，不同色光的条纹间距不相等。
双缝干涉的条件是必须有相干光源，且双缝间的间距必须很小。
光源不同部位发出的光不一定具有相同的频率和恒定的相位差，所以一般情况很难观察到光的干涉现
象，杨氏双缝干涉实验采用将一束光“一分为二”的方法获得相干光源。
9、薄膜干涉
形成原理：竖直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形。光照射到薄膜上时，在膜的前
表面AA′和后表面BB′分别反射回来，形成两列频率相同的光波，并且叠加，如下图所示。
条纹的判断：在P1、P2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，即Δr＝
nλ(n＝1,2,3，…)，薄膜上出现亮条纹；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，
即Δr＝(2n＋1)(n＝0,1,2,3，…)，薄膜上出现暗条纹。
10、平面平整度的检查方法
如下图所示，两板之间形成一层空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检测平面是光滑的，得到的
干涉图样必是等间距的。
如果被测表面某处凹下，则对应亮条纹(或暗条纹)往左凸出，如下图中P 条纹所示；如果某处凸起来，
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则对应条纹往右凹下，如下图中Q 所示。
11、增透膜
原理：如下图所示，在增透膜的前后表面反射的两列光波形成相干波，相互叠加，当路程差为半波长
的奇数倍时，在两个表面反射的光反向，相互抵消，从而使反射的两列光波产生相消干涉，反射光的能量
几乎等于零。一般取最小厚度d 满足2d＝(此波长为光在该种介质中的波长)，由于白光中含有多种波长的
光，所以增透膜只能使其中一定波长的光相互抵消。
如图用频率为f 的单色光，垂直照射双缝，在光屏上O 是中央亮条纹，P 点是O 上方第二条亮条纹中
心，已知双缝间距为d，双缝到光屏的距离为L，光速为c，下列说法正确的是（ ）
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二、光的衍射
1、定义
光通过很小的狭缝(或圆孔)时，明显地偏离了直线传播的方向，在屏上应该出现阴影的区域出现明条
纹或亮斑，应该属于亮区的地方也会出现暗条纹或暗斑的现象。
2、条件
只有当障碍物的尺寸与光的波长相差不多，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象才会明显。
3、图样特点
衍射时产生的明暗条纹或光环。
4、分类
单缝衍射：单色光通过狭缝时，在屏幕上出现明暗相间的条纹，中央为亮条纹，中央条纹最宽最亮，
其余条纹变窄变暗；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白条纹。
特点：①中央条纹最亮、越向两边越暗，条纹间距不等。越靠外，条纹间距越小；②缝变窄通过的光
变少，而光分布的范围更宽，所以亮纹的亮度降低；③中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单
缝宽度有关。入射光波长越大，单缝越窄，中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大；④用白光做单缝衍射时，
中央亮条纹是白色的，两边是彩色条纹，中央亮条纹仍然最宽最亮。
圆孔衍射：光通过小孔时(孔很小)在屏幕上会出现明暗相间的圆环。
特点：①中央是大且亮的圆形亮斑，周围分布着明暗相间的同心圆环，且越靠外，圆形亮条纹的亮度
越弱，宽度越小；②圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱。用不同色光照射圆孔时，得到的衍
射图样的大小和位置不同，波长越大，中央圆形亮斑的直径越大；③白光的圆孔衍射图样中，中央是大且
亮的白色光斑，周围是彩色同心圆环；④只有圆孔足够小时才能得到明显的衍射图样，在圆孔由较大直径
A．该单色光的波长
B．
C．OP 之间的距离为
D．若换用频率更大的单色光照射双缝，O 点上方第二条亮条纹中心在P 点上方
【答案】C
【详解】A．根据波速、波长关系
；
故A 错误；
B．P 点是O 点上方第二条亮条纹中心
故B 错误；
C．双缝干涉两条相邻亮条纹中心间距
，OP 之间的距离为
故C 正确；
D．若换用频率更大（波长更短）的单色光照射双缝，O 点上方第二条亮条纹中心在P 点下方，故D 错
误。
故选C。
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逐渐减小的过程中，光屏依次得到几种不同的现象——圆形亮斑(光的直线传播)、光源的像(小孔成像)、明
暗相间的圆环(衍射图样)、完全黑暗。
泊松亮斑：障碍物的衍射现象．在单色光传播途中，放一个较小的圆形障碍物，会发现在阴影中心有
一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑。
特点：①中央是亮斑；②泊松亮斑图样的亮环或暗环的距离随着圆板半径的增大而减小，而且背景是
明亮的。
衍射光栅（结构由许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学仪器）：衍射图样特点与单缝衍射相比，
衍射条纹的宽度变窄，亮度增加。
特点：与单缝衍射相比，条纹的宽度变窄，亮度增加。
5、单缝衍射与双缝干涉的比较
类型
单缝衍射
双缝干涉
不
同
点
产生条件
只要狭缝足够窄，任何光都能发
生
频率相同的两列光波相遇叠加
条纹宽度
条纹宽度不等，中央最宽
条纹宽度相等
条纹间距
各相邻条纹间距不等
各相邻条纹等间距
亮度
中央条纹最亮，两边最暗
条纹清晰，亮度基本相等
相
同
点
成因
都有明暗相间的条纹，条纹都是光波叠加时加强或削弱的结果
意义
都是波特有的现象，表明光是一种波
【注意】光波的波长变大，衍射条纹、干涉条纹的宽度都变大；单缝衍射可以理解为若干个光源的干
涉，从而理解条纹相间排列；复色光的衍射或干涉图样，可认为是各单色光单独衍射或干涉所成图样的叠
加。
某同学用红光做实验，拍摄到屏上亮条纹的照片如图甲、乙所示，则该同学做的是（ ）
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三、光的偏振
1、偏振
光波只沿某一特定的方向振动。
2、自然光
由太阳、电灯等普通光源发出的光，它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，这样的光叫做自然光。
3、偏振光
在垂直于光的传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动的光。
光的偏振证明光是横波。
4、偏振光的获得
①自然光垂直透过偏振片后就得到了偏振光。
②自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面的反射光和折射光（入射角变化时偏振的程度也有所变化）
就是偏振光。
5、自然光与偏振光的比较
光
自然光
偏振光
振动方向
自然光在垂直于光的传播方向的
平面内，沿所有方向振动
偏振光在垂直于光的传播方向的平面内，
沿某一特定的方向振动
经过偏振片的现象
自然光通过偏振片后变成偏振
光，后面的屏是明亮的，转动偏
振片时，偏振光的振动方向随之
变化，但屏上亮度不变。如下图
所示。
偏振光经过偏振片时，若光的振动方向与
偏振片的透振方向平行，屏是亮的；若光
的振动方向与偏振片的透振方向垂直，屏
是暗的；若既不平行也不垂直，屏的亮度
介于两者之间，随着振动方向与透振方向
的夹角变大，亮度逐渐变暗。如下图所
示。
A．单缝衍射实验，甲图中单缝的宽度小
B．单缝衍射实验，乙图中单缝的宽度小
C．用和甲图相同装置做实验，仅将红光改为绿光，中央亮纹宽度更大
D．用和甲图相同装置做实验，仅将红光改为白光，屏上出现黑白相间条纹
【答案】A
【详解】AB．双缝干涉条纹的特征是等宽等亮度，单缝衍射条纹的特征是中央条纹最宽，向两侧越来
越窄，中央条纹最亮，向两侧越来越暗，所以该图片是单缝衍射实验的条纹。又因为单缝越窄条纹越
宽，所以甲图中单缝的宽度小，A 正确，B 错误；
C．波长越大，中央条纹越宽，所以用和甲图相同装置做实验，仅将红光改为绿光，波长变小，中央亮
纹宽度更小，C 错误；
D．用和甲图相同装置做实验，仅将红光改为白光，屏上出现彩色条纹，D 错误。故选A。
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产生方式
太阳、电灯等直接发出的光是自
然光。
自然光经偏振片后都是偏振光，自然光射
到两种介质的交界面上，使反射光和折射
光之间的夹角恰好是90°，反射光和折射
光都是偏振光，且偏振方向相互垂直。
6、激光
产生：激光是原子受激发辐射产生的光，发光的方向、频率、偏振方向均相同，两列相同激光相遇可
以发生干涉。
特点：①单色性好，频率单一，相干性好；②具有极好的平行性，几乎是一束方向不变、发散角很小
的平行光；③亮度高，激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。
应用：
光纤通信；激光测距；激光武器等。
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