文档文本内容
专题十六 光学
基础篇
考点 一 光的折射、全反射
*B
E."3
B
一、光的折射
1.
折射定律
LD"3
内容 折射光线 入射光 光在光疏介质中的速度大于在光密介质中
１） ： 、 ３）
线和法线在同一平面 的速度
。
内 折射光线 入射光线 光疏介质与光密介质是相对而言的 单独一
； 、 ４） ，
分居法线两侧 入射角 种介质无法确定它是光疏介质还是光密
；
的正弦与折射角的正弦 介质
。
2.
成正比 全反射
。
在折射现象中 光路是可逆的 临界角
， 。 １）
θ 定义 折射角为 °时的入射角叫作临界
表达式 ｓｉｎ １ ｎ ｎ 为常数 ① ： ９０
２） ： θ ＝ （ ）。 角 Ｃ
ｓｉｎ ２ 。
2.
折射率 公式 光由折射率为 ｎ 的介质射入空气 或
② ： （
折射率是一个反映介质的光学性质的物
１） 真空 时 Ｃ １
） ，ｓｉｎ ＝ ｎ。
理量
。
条件
θ ｃ ２）
定义式 ｎ ｓｉｎ １ 与光速的关系式 ｎ 光由光密介质射向光疏介质
２） ： ＝ θ 。 ： ＝ ｖ
① ；
ｓｉｎ ２
入射角大于或等于临界角
其中 ｖ 是光在介质中的传播速度 任何
② 。
（ ）。
现象 入射角增大时 反射光强度增大 折射
介质的折射率都大于
３） ： ， ，
１。
光强度减弱 入射角增大到临界角 Ｃ 折射
对折射率的理解 。 ，
３）
角达 ° 折射光强度为零 折射光完全
折射率由介质本身性质决定 与入射角的大 ９０ ， ，
① ，
消失
小无关 。
。 3.
各种光的比较
同一种介质中 频率越大的色光折射率越
② ，
颜色 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫
大 传播速度越小 ： 、 、 、 、 、 、
， 。
能量 ｈν 小 大
二、全反射 （ ）： → 。
频率 ν 小 大
1. 光密介质和光疏介质 （ ）： → 。
速度 ｖ 大 小
两种介质相比较 折射率较大的介质叫作光 （ ）： → 。
１） ， æ ｃ ö
密介质 折射率较小的介质叫作光疏介质 同一介质折射率çｎ ÷ 小 大
， 。 è ＝ ｖ ø： → 。
光倾斜照在折射率不同的两种物质的分界
æ ö
２）
临界角ç Ｃ １÷ 大 小
面处 会发生偏折 èｓｉｎ ＝ ｎø： → 。 专
， 。 题
十
六
光
学
１５１
考点 二 光的波动性 æ ｌ ö
干涉条纹宽度ç ｘ λ÷ 大 小
èΔ ＝ ｄ ø： → 。
1.
光的干涉
2.
光的衍射
频率相同的两列光波相遇叠加 加强区域和
， 发生明显衍射的条件 障碍物或孔的尺寸与
减弱区域互相间隔的现象 １） ：
。 光的波长相差不多 甚至比光的波长还小
相干光源的获取办法 思想是一分为二 ， 。
１） （ ） 单缝衍射和双缝干涉的图样在宽度 间距和
２） 、
亮度上是有区别的 单缝衍射的条纹 中央
。 ，
亮条纹最宽且最亮
。
3.
单缝衍射与双缝干涉条纹的比较
双缝干涉条纹判断
２）
相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距公式
① ：
单缝衍射 双缝干涉
ｌ
ｘ λ 对同一双缝干涉装置 光的波长
Δ ＝ ｄ 。 ， 条纹 条纹宽度不等，中
条纹宽度相等
宽度 央最宽
越长 干涉条纹间距越大
， 。
亮暗条纹的判断方法 如图所示 光源 Ｓ Ｓ 不 条纹 各相邻条纹间距
② ： ， １、 ２ 同 各相邻条纹等间距
点 间距 不等
发出的光到屏上 Ｐ′点的路程差 ｒ ｒ ｒ
Δ ＝ ２ － １。
当 ｒ ｋλ ｋ 时 光屏上 Ｐ′处出
中央条纹最亮，两 清晰条纹，亮度基本
Δ ＝ （ ＝０，１，２，…） ， 亮度
边较暗 相同
现亮条纹
。
干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的
λ 相同点
当 ｒ ｋ ｋ 时 光屏上 叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹
Δ ＝（２ ＋１） （ ＝０，１，２，…） ，
２
4.
Ｐ′处出现暗条纹 光的偏振
。
偏振光的定义 在垂直于光的传播方向上
１） ： ，
只沿某个特定的方向振动的光
。
各种色光的比较
偏振光的形成 自然光通过偏振片 自然光
３）
２） ： ；
颜色 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫
在两种介质的界面发生反射和折射
： 、 、 、 、 、 、 。
。
频率 ν 小 大
5 偏振光的应用 照相机镜头前加偏振片 液
（ ）： → 。
年 ３） ： 、
æ ｃ ö
高 波长çλ ÷ 大 小 晶显示器 立体电影等
考 è ＝ ν ø： → 。 、 。
3
光的偏振现象说明光是一种横波
年 ４） 。
模
拟
A
版
高
考
物
理
１５２
综合篇
拓展 一 折射成像 即 ｉ °
＝５３
ｉ
1. 光在透明介质中传播时 因折射而改变传播 由折射定律得 ｒ ｓｉｎ ３，即 ｒ °
， ｓｉｎ ＝ ｎ ＝ ＝３７
５
方向 观察到的发光体位置发生变化 根据
， 。 由几何关系知盲区宽度
折射或全反射作成像图 结合几何关系确定
，
ｓ （ ． ． ） ° ． ° ４３
光学量或几何量 ＝ １ ６－１ ２ ｔａｎ ５３ ｍ＋１ ２ ｔａｎ ３７ ｍ＝ ｍ
。 ３０
2.
作图的三点提示 当池中注水深度 ｈ 为 ． 时，同理可得
１ ６ ｍ
两判断 光从哪里来 要到哪里去 ｓ′ ． ° ．
１）“ ”， ， ； ＝１ ６ ｔａｎ ３７ ｍ＝１ ２ ｍ
一借助 可逆原理
２）“ ”， ； 答案 ４３ ．
ｍ １ ２ ｍ
一规范 规范作图
３０
３）“ ”， 。
例1 如图所示，救生员坐在泳池旁边的凳子
拓展 二 光路控制 光的色散
上，其眼睛到地面的高度ｈ 为 ． ，到池边的
1.
０ １ ２ ｍ 光路的控制
水平距离 Ｌ 为 ． ，池深 Ｈ 为 ． ，池底有
１ ６ ｍ １ ６ ｍ 平行玻璃砖
１）
一盲区。 设池水的折射率为 ４。 当池中注水 结构 玻璃砖上下表面是平行的
① ： 。
３ 对光线的作用 通过平行玻璃砖的光线不改
深度 ｈ 为 ． 和 ． 时，池底盲区的宽度 ② ：
１ ２ ｍ １ ６ ｍ 变传播方向 但要发生侧移
， 。
分别是多少？ （ ° ４， ° ３）
ｓｉｎ ５３ ＝ ｓｉｎ ３７ ＝
５ ５
应用 测定玻璃的折射率
③ ： 。
三棱镜
２）
结构 横截面为三角形
解析 当池中注水深度 ｈ 为 ． 时，光路 ① ： 。
１ ２ ｍ
对光线的作用 通过三棱镜的光线经两次折
图如图所示 ② ：
射后 出射光线向棱镜底边偏折
， 。
应用 全反射棱镜 改变光的传播方向
③ ： ， 。
．
由几何关系得 ｉ １ ６ ４
ｓｉｎ ＝ ＝
（ ． ）２ （ ． ）２
５
专
１ ２ ＋ １ ６ 题
十
六
光
学
１５３
圆柱体 球 率 （选填“大于”或“小于”）冰晶对单
３） （ ）
结构 横截面是圆 色光 ｂ 的折射率，单色光 ａ 在冰晶中的传播速
① ： 。
对光线的作用 圆界面的法线是过圆心的直 度比单色光 ｂ 在冰晶中的传播速度
② ：
线 经过两次折射后向圆心偏折 （选填“大”或“小”）。 如果让太阳光从水中射
， 。
向空气，逐渐增大入射角，则 ａ、ｂ 两种单色光
中，单色光 （选填“ａ”或“ｂ”）更容易
发生全反射。
应用 改变光的传播方向
③ ： 。
2.
各种色光的比较
颜色 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫
： 、 、 、 、 、 、 。
频率 小 大
： → 。 解析 光从空气斜射到冰晶上，由于折射率
波长 大 小
： → 。 不同，由图可知，单色光 ｂ 偏折较大，单色光 ａ
干涉条纹宽度 大 小
： → 。 偏折较小，所以此冰晶对单色光 ａ 的折射率小
临界角 大 小
： → 。 ｃ
于对单色光 ｂ 的折射率；根据 ｖ 可知单色光
同一介质折射率 小 大
＝ ｎ
： → 。
同一介质速度 大 小
ａ 在冰晶中的传播速度比单色光 ｂ 在冰晶中的
： → 。
例2 在北方寒冷的冬天，有时会出现“多个
传播速度大；根据 Ｃ １知单色光 ｂ 的临界
太阳”的“幻日”奇观，这是空气中的水蒸气在 ｓｉｎ ＝ ｎ
极冷的大气里凝结成小冰晶，太阳通过冰晶折 角较小，所以单色光 ｂ 比单色光 ａ 更容易发生
射的缘故。 太阳光照射到六角形冰晶上折射 全反射。
的光路图如图所示，ａ、ｂ 是太阳光中的两种单 答案 小于 大 ｂ
色光，由此可以判断，冰晶对单色光 ａ 的折射
5
年
高
考
3
年
模
拟
A
版
高
考
物
理
１５４
应用篇
模型 一 全反射的应用模型——光导纤维 续表
原理 光的全反射
由内芯和外套组成，内芯的折射率比外套的大，
构造 光也是一种电磁波，也可以像无线电波那
光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射
样，作为载体来传递信息。 载有声音、图
传播 方法 像以及各种数字信号的激光从光纤的一
光纤
路径 端输入，就可以传到千里以外的另一端，
通信
实现光纤通信
光纤通信的主要优点是容量大。 此外，光
优点 纤通信还有衰减小、抗干扰性强等多方面
的优点
例1 光导纤维是传光的细圆玻璃丝，每根纤 且 ２ θ ２ θ
ｓｉｎ ２ ＋ｃｏｓ ２ ＝１
维分内外两层。 一束光由光纤端面从空气射
联立得： θ ｎ２ ｎ２
向内层材料，经内、外层材料的分界面发生多 ｓｉｎ １ ＝ １ － ２
（ ）画出光在光纤中传播的光路图如图 ：
ⅱ ２
次全反射后呈锯齿形的路线可以无损地传到
另一端。 如图为一根光纤的截面图，左端面与
两种材料的界面垂直，当光从端面的圆心 Ｏ 入
射后，在从光纤的一端传到另一端的过程中光
线不从内壁漏掉时，入射角的最大值为 θ 。 已
１
知内层和外层材料的折射率分别为 ｎ 和 ｎ
１ ２
（ｎ ｎ ），光在真空（空气）中的传播速度为
１＞ ２ 图
２
ｃ。 求：
ｌ
光在光纤中经历的路程为：ｘ
＝ θ
ｃｏｓ ２
ｃ
光在光纤中传播速度为：ｖ
＝ｎ
１
结合（ ）中列式，得光在光纤中传播的时间为：
１
（ ） θ 的值； ｘ ｎ２ｌ
ⅰ ｓｉｎ １ ｔ ＝ ｖ ＝ｎ １ ｃ
（ ）若光纤的长度为 ｌ，光以 θ 射入后在光纤
２
ⅱ １
中传播的时间。
ｎ２ｌ
答案 （ ） ｎ２ ｎ２ （ ） １
ⅰ １ － ２ ⅱ ｎ ｃ
解析 （ ）光在光纤中传播的光路图如
２
ⅰ
图 ：
１ 模型 二 薄膜干涉模型
1.
成因 薄膜前表面和后表面分别反射出来的
：
两列光波的叠加 这两列波是同一光源发
。
出 经薄膜前后表面反射的 所以是相干波
， ， 。
由于同一水平线上的薄膜厚度近似相同 所
，
以干涉后能产生水平的亮暗条纹
。
2.
图 如果膜的厚度为 ｄ 则前后表面的反射光的
１ ，
光程差为 ｄ
当光从内层材料射向外层材料时，折射角为
２ 。
当 ｄ 是光波半波长的偶数倍时 出现亮
°时恰好发生全反射，此时对应的入射角 θ
１） ２ ，
９０ ３
条纹
最小，θ 、θ 最大。
；
２ １
当 ｄ 是光波半波长的奇数倍时 出现暗
θ ｎ
２） ２ ，
由折射定律有： ｓｉｎ ３ ２
°＝ｎ 条纹
ｓｉｎ ９０ １ 。
3.
又 θ ° θ 如果膜的厚度均匀变化 若用单色光照射 相
３
＝９０ －
２
， ，
θ 邻的条纹间的距离是相等的 若用白光照射
由折射定律有：ｎ ｓｉｎ １ ， ，
１ ＝ θ 则在薄膜某一厚度的地方某一波长的光反射 专
ｓｉｎ ２ 题
十
六
光
学
１５５
后增强 而另一些波长的光反射后减弱 这样 入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下观察到
， ，
薄膜上就出现彩色条纹 的干涉条纹 （选填“变疏”“变密”“不
。
4. 薄膜干涉在技术上的应用 变”或“消失”）。
干涉法检查平面 解析 如图所示，若抽去一张纸片，则空气薄
１）
检查精密零件的表面质量好坏 如图所示将 膜三角形截面的倾角变小，原来各级亮条纹的
：
被检查平面和放在上面的透明标准样板的 位置向右移，干涉条纹变疏。
一端垫一薄片 使样板的标准平面和被检查
，
平面间形成一个楔形空气薄层 单色光从上
，
面照射 入射光在空气层的上 下表面反射
， 、
出的两列光波发生干涉 根据干涉条纹的形
，
状来确定零件的表面情况
。 答案 变疏
例3 氩弧焊产生的紫外线和红外线对眼及
皮肤的损伤是电焊作业职业损害的一个重要
方面。 有人想利用薄膜干涉的原理设计一种
能减小紫外线对眼睛伤害的眼镜。 他选用的
镜片增透膜
２） 薄膜材料的折射率ｎ ． ，所要消除的紫外线
＝１ ５
在光学元件 透镜 棱镜 的表面涂一层等厚
（ 、 ） 的频率为 ． １４ ，那么他设计的这种“增
８ １×１０ Ｈｚ
薄膜 当薄膜的厚度是光在薄膜中波长的１ 反膜”的厚度至少是多少？ （保留三位有效数
，
４ 字）
时 在薄膜的两个面上的反射光的光程差恰
， 解析 为了减少进入眼睛的紫外线，应使入
好等于半波长 因而相互抵消 起到减小反
， ， 射光分别从该膜的前后表面反射的光线叠加
射光 增大透射光强度的作用
、 。 时加强，因此光程差应该是紫外线在薄膜中波
例2 劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图
长的整数倍，即 ｘ ｍλ（ｍ ， ， ，…），而
所示，将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃 Δ ＝ ＝ １ ２ ３
１ ｘ ｄ
上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面 Δ ＝２
ｖ ｃ
之间形成一个劈形空气薄膜。 当光垂直入射 由 ｖ λν 得紫外线在薄膜中的波长 λ
＝ ＝ ν ＝ｎν
后，从上往下看到的干涉条纹如图 所示。
２ ｃ
联立得 ｄ ｍ （ｍ ， ， ，…）
＝ ｎν ＝１ ２ ３
２
当 ｍ 时，“增反膜”的厚度最小
＝１
ｄ ． －７
ｍｉｎ≈１ ２３×１０ ｍ
年 5 若在图 的装置中抽去一张纸片，则在光垂直 答案 １ ． ２３×１０ －７ ｍ
高 １
考
3
年
模
拟
A
版
高
考
物
理
１５６
