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专题16 光学
目录
01 知识脑图·学科框架速建
02 考点精析·知识能力全解
【知能解读01】光的反射和折射
一、光的反射
二、光的折射
三、折射率与光学介质
【知能解读02】光的干涉、衍射和偏振
一、光的干涉
二、光的衍射
三、光的偏振
四、光的色散
五、激光
【核心考点】全反射
03 攻坚指南·高频考点突破
【重难点突破01】光学现象的几种应用
【重难点突破02】光的折射和全反射的综合应用
04 避坑锦囊·易混易错诊疗
【易混易错01】干涉和衍射中几种光现象的判断
【易混易错02】三种光学模型的光路特点
05 通法提炼·高频思维拆解
【方法技巧01】几何光学中的范围和临界问题
【方法技巧02】七种色光的物理量比较分析
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2
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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。
2. 图示：
3. 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。
【跟踪训练】（2024·重庆·高考真题）某同学设计了一种测量液体折射率的方案。容器过中
心轴线的剖面图如图所示，其宽度为16cm，让单色光在此剖面内从空气入射到液体表面的中
心。调整入射角，当反射光与折射光垂直时，测出竖直器壁上的反射光点与液体表面的距离
h，就能得到液体的折射率n。忽略气壁厚度，由该方案可知（ ）
A．若h = 4cm，则
B．若h = 6cm，则
C．若
，则h = 10cm
D．若
，则h = 5cm
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。
3
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2. 图示：
3. 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
位于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比。
(2)表达式：＝n12(n12为比例常数)。
4. 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。
【跟踪训练】（2025·甘肃定西·模拟预测）平行玻璃砖横截面如图所示，一束由红、紫两种
单色光组成的复色光从
点射入玻璃砖，光束在玻璃砖内分成
、
两束单色光。下列说法
正确的是（ ）
A．
光为紫光
B．
光在玻璃砖中发生全反射的临界角较小
C．
光在玻璃砖中的传播速度较大
D．若用
光照射某金属表面能发生光电效应，则用
光照射该金属也一定能发生光电效
应
三、折射率与光学介质
1. 折射率：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。n＝。
【注意】：折射率与速度的关系式：n＝。因为v<c，所以任何介质的折射率都大于1。
说明：①关系式n＝中的n 是指介质相对于真空的折射率，即绝对折射率。
补充：对折射率的理解：
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（1）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 。
（2）折射率的大小不仅与介质本身有关，还与光的频率有关：
①同一种介质中，频率越大的光折射率越大，传播速度越小；
②同一种光，在不同介质中虽然波速、波长不同，但频率相同。
（3）折射率由介质本身性质决定，与入射角的大小无关。
（4）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。
（5）同一种介质中，频率越大的色光折射率越大，传播速度越小。
2．光密介质与光疏介质
介质
光密介质
光疏介质
折射率
大
小
光速
小
大
相对性
若n 甲＞n 乙，则甲相对乙是光密介质；若n 甲＜n 乙，则甲相对乙是光疏介
质
【跟踪训练】（2025·河北秦皇岛·模拟预测）现有两束光线（不同颜色）甲、乙以相同的入
射角
，分别射入两杯相同浓度的NaCl 溶液中，折射光线如图所示
，则可知对该
NaCl 溶液， （选填“甲”或“乙”）光的折射率较大； （选填“甲”或“乙”）
光在NaCl 溶液中的传播速度较大。若甲、乙两束光从NaCl 溶液中射向真空，则 （选
填“甲”或“乙”）光的临界角较大。
02 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. 产生干涉的条件：两束光的频率相同、相位差恒定、振动方向相同
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3．杨氏双缝干涉
(1)原理如图所示。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。
(2)形成亮、暗条纹的条件
①单色光：形成明暗相间的条纹，中央为亮条纹。
光的路程差|PS1－PS2|＝r2－r1＝kλ＝2 k · ( k＝0,1,2,3，…)，光屏上出现亮条纹。
光的路程差|PS1－PS2|＝r2－r1＝(2k－1)·(k＝1,2,3，…)，光屏上出现暗条纹。
【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。
②白光：光屏上出现彩色条纹，且中央亮条纹是白色(填写颜色)。
③条纹间距公式：Δx＝λ。
【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。
（3）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。
补充：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。
4．薄膜干涉
(1)形成原因：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。光照射
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到薄膜上时，从膜的前表面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。
(2)明暗条纹的判断方法：
两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr 等于薄膜厚度的2 倍，光在薄膜中的波长为λ。
在P1、P2处，Δr＝nλ(n＝1,2,3，…)，薄膜上出现亮条纹。
在Q 处，Δr＝(2n＋1)(n＝0,1,2,3，…)，薄膜上出现暗条纹。
(3)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，
如果被检查平面是平整光滑的，我们会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹；若被检查平
面不平整，则干涉条纹发生弯曲。
【跟踪训练】（2025·江苏常州·二模）电子的双缝干涉实验曾被物理学家们评选为“十大最
美物理实验”。如图所示，从相干电子辐射源射出的电子束经过两个靠得很近的双缝后，在
显微镜的光屏上出现了干涉条纹。已知光屏上第3 级亮纹到狭缝s1和s2的距离分别为l1和l2，
电子的质量为m，真空中光速为c，普朗克常量为h，不考虑相对论效应。则从相干电子辐射
源射出的单个电子的（ ）
A．物质波波长为
B．动量大小为
C．动能大小为
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D．动能大小为
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
（1）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。
（2）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。
（3）圆盘衍射（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。
（4）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。
【跟踪训练】（2025·甘肃白银·模拟预测）如图甲所示，用单色光照射厚纸板上的圆孔，在
纸板后边的光屏上得到如图乙所示的圆形光斑。下列方法有助于在光屏上看到明显衍射条纹
的是（ ）
A．增大光的强度
B．增大光的频率
C．减小圆孔的直径
D．减小纸板到光屏的距离
三、光的偏振
1. 偏振：光波只沿某一特定的方向振动。
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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。
【注意】：光的偏振证明光是横波。
5．光的偏振
(3)偏振光的形成
①让自然光通过偏振片形成偏振光。
②让自然光在两种介质的界面发生反射和折射，反射光和折射光可以成为部分偏振光或完全
偏振光。
(4)偏振光的应用：加偏振滤光片的照相机镜头、液晶显示器、立体电影、消除车灯眩光等。
补充：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。
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。
【跟踪训练】（2025·江苏泰州·二模）有一种魔术道具称为“穿墙而过”。其结构是两片塑
料偏振片卷起来，中间两偏振片重叠区域给观众感觉为一块“挡板”，如图甲所示。当圆筒
中的小球从B 端滚向A 端，居然穿过了“挡板”，如图乙所示，则可以实现的是（ ）
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A．两偏振片的透振方向相同
B．两偏振片的透振方向相垂直
C．两偏振片同时旋转90°“挡板”会消失
D．将一片塑料偏振片旋转90°“挡板”依然存在
四、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。
补充：光的本性发展简史
1. 微粒说：以牛顿为代表，认为光是沿直线高速传播的粒子流。
2. 波动说：以惠更斯为代表，认为光是某种振动以波的形式向外传播。
3. 电磁说：麦克斯韦认为光是一种电磁波。
4. 光子说：爱因斯坦提出了光子说以解释光电效应；光子说认为光是一份一份的，每一份能
量为
，每一份叫做一个光子。
5. 光的波粒二象性(长期争论后达成的共识)
【跟踪训练】（2025·辽宁·一模）唐人张志和在《玄真子·涛之灵》中写道：“雨色映日而为
虹……背日喷乎水，成虹霓之状。”从物理学的角度来看，彩虹是因阳光照射到空中的小水
滴，发生折射、色散及反射形成的。如图所示，一细束太阳光从P 点射入球形水滴后，经一
次反射有M、N 两条出射光线。下列说法正确的是（ ）
A．从P 点射入时M 光的折射角比N 光的大
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B．在水滴中，M 光的传播速度小于N 光的传播速度
C．M 光的波动性较N 光更显著
D．用同一装置做双缝干涉实验，M 光相邻干涉亮条纹间距比N 光的大
五、激光：
1. 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。
2. 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。
3.
应用：光纤通信；激光测距；激光武器等。
【跟踪训练】（2025·北京昌平·二模）我国智能驾驶汽车进入快速发展期。某车载雷达系统
可以发出激光和超声波（频率高于20kHz 的声波）信号，下列说法正确的是（ ）
A．激光与超声波都是横波
B．激光与超声波都是纵波
C．激光与超声波都能发生衍射
D．激光与超声波都可在真空中传播
全反射
1. 定义：光从光密介质射入光疏介质时，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，只剩下反射光的现象。
说明：入射角增大的过程中，折射光的能量减少，反射光的能量增加，当发生全反射时，反
射光的能量最强。
2. 条件：①光从光密介质射入光疏介质。②入射角大于或等于临界角。
3. 临界角：折射角等于90°时的入射角。若光从光密介质(折射率为n)射向真空或空气时，发
生全反射的临界角为C，由n＝，得sin C＝。介质的折射率越大，发生全反射的临界角越
小。
4．应用：
(1)全反射棱镜
(2)光导纤维
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说明：内芯相对于外套为光密介质，内芯的折射率大于外套的折射率。
【跟踪训练】（2025·安徽·高考真题）如图，玻璃砖的横截面是半径为R 的半圆，圆心为O
点，直径与x 轴重合。一束平行于x 轴的激光，从横截面上的P 点由空气射入玻璃砖，从Q
点射出。已知P 点到x 轴的距离为
，P、Q 间的距离为
。
(1)求玻璃砖的折射率；
(2)在该横截面沿圆弧任意改变入射点的位置和入射方向，使激光能在圆心O 点发生全反射，
求入射光线与x 轴之间夹角的范围。
01 光学现象的几种应用
1. 薄膜干涉的应用
（1）增透膜：增透膜的厚度为透射光在薄膜中波长的四分之一的奇数倍，使薄膜前后两面的
反射光的路程差为薄膜中波长的一半的奇数倍，故反射光叠加后减弱，透射光的强度增强。
（2）利用薄膜干涉检测平整度：如图甲所示，两板之间形成一个空气薄层，用单色光从上向
下照射，如果被检测表面是平滑的，得到的干涉图样必是等间距的。如果某处凹下，则对应
亮纹(或暗纹)向左弯曲，如图乙所示；如果某处凸起来，则对应亮条纹(或暗条纹)向右弯曲，
如图丙所示。
2. 偏振光的应用：应用于照相机镜头、立体电影、消除车灯眩光等。
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【跟踪训练】（2025·天津滨海新·三模）对图中所列光学现象的认识，正确的是（ ）
A．甲图中，用激光水平射向塑料瓶小孔，观察到光的传播路径沿水流方向是光的全反射
现象
B．乙图中，用白光照射不透明的小圆盘，在圆盘阴影中心出现亮斑是光的折射现象
C．丙图中，用3D 眼镜看3D 电影感受到的立体影像是利用了光的偏振现象
D．丁图中，阳光下吹出的肥皂泡呈现出彩色花纹是光的全反射现象
02 光的折射和全反射的综合应用
1. 应用光的折射和全反射解决问题的两个技巧：
(1)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。
(2)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. 应用光的折射和全反射解决问题的四个注意：
(1)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。
(2)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。
(3)光的反射、折射和全反射现象，光路均是可逆的。
(4)当光射到两种介质的界面上时，往往同时发生光的折射和反射现象，但在全反射现象中，
只发生反射，不发生折射。全反射问题的解题要点
【跟踪训练】（2025·甘肃白银·模拟预测）如图所示为半径为
的半圆柱形透明体的横截面，
其中
为直径，
点为圆心，
的长度为
，现该截面内有一束单色光
从
点垂直
射入该透明体，恰好在圆弧面上发生全反射。
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(1)求该透明体对单色光
的折射率；
(2)该截面内另一单色光
从
边上的
点（未画出）垂直
射入该透明体，恰好在上表
面发生两次全反射后到达
点，求单色光
在该介质中的临界角，并分析
点在
的左侧还
是右侧；
(3)若该截面内整个
上均有垂直于
的单色光
射入介质，不考虑在
上的反射，求
上表面有光射出部分的弧长。
01 干涉和衍射中几种光现象的判断
(1)单缝衍射：①单色光的衍射图样中间为宽且亮的单色条纹，两侧是明暗相间的条纹，条纹
宽度比中央窄且暗；单色光的波长越长，单缝越窄，中央亮纹越宽。
②白光的衍射图样中间为宽且亮的白条纹，两侧是渐窄且暗的彩色条纹，其中最靠近中央的
色光是紫光、离中央最远的是红光如图所示，这是光在衍射时的色散。
(2)圆孔衍射：①单色光的衍射图样如图所示，中央是大且亮的圆形光斑，周围分布着明暗相
间的不等距
的
同心圆环，且越靠外，亮圆环越窄越暗。
②白光的衍射图样，中央是大且亮的白色亮斑，周围是不等间距的彩色的同心圆环
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(3)圆盘衍射(泊松亮斑)：如图所示，当光照到不透明的半径很小的小圆盘上时，对于一定的
波长，在适当的距离上，圆盘的阴影中心出现亮斑，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆
环。
（4）双缝干涉：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。单色光照射时，形成明暗相间的等间距
的干涉条纹。
补充：单缝衍射和圆孔衍射的对比
单缝衍射
圆孔衍射
单色光
中央为亮且宽的条纹，两侧为明暗相间的
条纹，且越靠近两侧，亮条纹的亮度越
弱，宽度越小
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亮环或暗环间的距离随圆孔半径的增加
而减小
白光
中央为亮且宽的白色条纹，两侧为亮度逐
渐变暗、宽度逐渐变窄的彩色条纹，其中
最靠近中央的色光是紫光、离中央最远的
是红光
中央是大且亮的白色亮斑，周围是不等间
距的彩色的同心圆环
补充：单缝衍射与双缝干涉的比较
两种现象
单缝衍射
双缝干涉
不同点
图样
特点
图样
条纹宽度
条纹宽度不等，中央最宽
条纹宽度相等
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条纹中心间距
两相邻亮条纹中心间距不等
两相邻亮条纹中心间距相等
亮度情况
中央条纹最亮，两侧条纹逐渐变暗
条纹清晰，亮度基本相等
发生条件
产生明显衍射的条件：障碍物或
孔、缝的尺寸与光的波长差不多或
比光的波长更小
两束光频率相同、相位差恒
定、振动方向相同
相同点
干涉、衍射都是波特有的现象，波长越长越明显；干涉、衍射都形成明暗相间的条纹，从
本质上看都属于光波的叠加，干涉是从双缝通过两列频率相同的光波在屏上叠加形成的，
衍射是由来自单缝上不同位置的光在屏上叠加形成的
【跟踪训练】（2025·山东济南·二模）图甲和图乙是红、蓝两种单色光用同样的仪器形成的
单缝衍射图样，图丙和图丁是红、蓝两种单色光用同样的仪器形成的双缝干涉图样。甲、乙、
丙、丁四幅图样中用红光形成图样的是（ ）
A．甲、丙
B．乙、丁
C．乙、丙
D．甲、丁
02 三种光学模型的光路特点
平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制特点：
平行玻璃砖
三棱镜
圆柱体(球)
结构
特点
通过平行玻璃砖后光
线不改变传播方向，
但要发生侧移
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
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
应用
测定玻璃的折射率
全反射棱镜，改变光
的传播方向
改变光的传播方向
【跟踪训练】（2025·江苏扬州·模拟预测）如图所示，直角玻璃棱镜中
，入射光线
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垂直于AB 面。已知玻璃的折射率为
，光在AC 面上反射后经BC 面反射从AC 面第一次射
出。问：
(1)光线在BC 面会不会全反射；
(2)光线从棱镜AC 边第一次射入空气时的折射角为多少？
01 几何光学中的范围和临界问题
应用光的折射定律解题的一般思路
(1)根据入射角、折射角及反射角之间的关系，作出比较完整的光路图。
(2)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。
(3)注意在折射现象中，光路是可逆的。
【跟踪训练】（2025·山东济宁·模拟预测）如图，透明材料制成圆柱形棒，折射率为
。
圆柱的直径为d=4cm，长为L=40cm。一束光线射向圆柱棒底面中心，折射入圆柱棒后经侧面
全反射最终由棒的另一底面射出。求
(1)欲使光线在棒侧面发生全反射，求入射角θ 的正弦值
取值范围；
(2)计算说明该光线可能经历的全发射次数最多为多少次。
02 七种色光的物理量比较分析
可见光中各种色光特征比较
单色光的颜色
红→橙→黄→绿→青→蓝→紫
频率（决定光的颜色）
低→高
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真空（空气）中的波速
c＝3×108 m/s
真空（空气）中的波长
长→短
同一介质中的折射率n
小→大
同一介质中的光速v＝
大→小
同一介质中的波长
长→短
同一介质中的全反射临界角C＝arcsin
大→小
【跟踪训练】（2025·广东广州·模拟预测）图(a)所示，是日光通过卷层云时，受到冰晶的折
射或反射而形成的日晕现象，多出现于春夏时节；当一束太阳光射到六角形冰晶上时，可出
现如图（b）所示的光路图，若a、b 为其折射出的光线中的两种单色光，下列说法正确的是
（ ）
A．用同一装置做单缝衍射实验，b 光中央亮条纹更宽
B．通过同一装置发生双缝干涉，a 光的相邻条纹间距较小
C．从同种玻璃中射入空气发生全反射时，a 光的临界角较小
D．在冰晶中，b 光的传播速度较小
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