3、
6．三棱鏡對光路的控制
（1）光密三棱鏡：光線兩次折射均向底面偏折，偏折角為δ，如圖所示。
（2）光疏三棱鏡：光線兩次折射均向頂角偏折。
（3）全反射棱鏡（等腰直角棱鏡），如圖所示。
甲 乙
①當光線從一直角邊垂直射入時，在斜邊發(fā)生全反射，從另一直角邊垂直射出（如圖甲所示）。
②當光線垂直于斜邊射入時，在兩直角邊發(fā)生全反射后又垂直于斜邊射出，入射光線和出射光線互相平行（如圖乙所示）。
特別提醒：不同顏色的光的頻率不同，在同一種介質中的折射率、光速也不同，發(fā)生全反射現(xiàn)象的臨界角也不同。
二、全反射
1．全反射現(xiàn)象
（1）條件：
4、
①光從光密介質射入光疏介質。
②入射角大于或等于臨界角。
（2）現(xiàn)象：折射光完全消失，只剩下反射光。
2．臨界角：折射角等于90°時的入射角，用C表示，sin C=。
3．光的色散
（1）光的色散現(xiàn)象：含有多種顏色的光被分解為單色光的現(xiàn)象。
（2）光譜：含有多種顏色的光被分解后，各種色光按其波長的有序排列。
（3）光的色散現(xiàn)象說明：
①白光為復色光；
②同一介質對不同色光的折射率不同，頻率越大的色光折射率越大；
③不同色光在同一介質中的傳播速度不同，波長越短，波速越慢。
（4）棱鏡
①含義：截面是三角形的玻璃儀器，可以使光發(fā)生色散，白光的色散表明各色光在同一介質中的折
5、射率不同。
②三棱鏡對光線的作用：改變光的傳播方向，使復色光發(fā)生色散。
4．全反射現(xiàn)象的理解與應用
（1）在光的反射和全反射現(xiàn)象中，均遵循光的反射定律；光路均是可逆的。
（2）當光射到兩種介質的界面上時，往往同時發(fā)生光的折射和反射現(xiàn)象，但在全反射現(xiàn)象中，只發(fā)生反射，不發(fā)生折射。當折射角等于90°時，實際上就已經沒有折射光了。
（3）全反射現(xiàn)象可以從能量的角度去理解：當光由光密介質射向光疏介質時，在入射角逐漸增大的過程中，反射光的能量逐漸增強，折射光的能量逐漸減弱，當入射角等于臨界角時，折射光的能量已經減弱為零，這時就發(fā)生了全反射。
5．光的折射、全反射中的三個“一”
一個規(guī)律：光
6、的折射定律
一個概念：折射率
一個條件：全反射的條件
6．解答全反射類問題的技巧
（1）解答全反射類問題時，要抓住發(fā)生全反射的兩個條件：
①光必須從光密介質射入光疏介質；
②是入射角大于或等于臨界角。
利用好光路圖中的臨界光線，準確地判斷出恰好發(fā)生全反射的光路圖是解題的關鍵，且在作光路圖時盡量與實際相符，這樣更有利于問題的分析。
（2）解答光的折射、全反射問題時抓好兩個關鍵點：
①準確作出光路圖；
②利用幾何關系確定光路中的邊、角關系，找準入射角和折射角。
三、光導纖維
1．原理：光的全反射。
2．構造：由內芯跟外套兩層組成，內芯的折射率比外套的大，光傳播時在內芯與外
7、套的界面上發(fā)生全反射。
3．傳播路徑：
4．光纖通信
（1）方法：光也是一種電磁波，也可以像無線電波那樣，作為載體來傳遞信息。載有聲音、圖象以及各種數(shù)字信號的激光從光纖的一端輸入，就可以傳到千里以外的另一端，實現(xiàn)光纖通信。
（2）優(yōu)點：光纖通信的主要優(yōu)點是容量大。此外，光纖傳輸還有衰減小，抗干擾能力強等多方面的優(yōu)點。
對光學儀器定標時，需要確定兩條平行光線的精確間距x。可以用以下辦法：先使兩條光線垂直且對稱地射到一根圓柱形玻璃棒上，如圖所示，棒的半徑為R，折射率n=1.60，然后調節(jié)兩條光線間的距離，直到它們正好聚焦在玻璃棒圓周上對面的一點，試求x。
【參考答案】1.
8、92R
【試題解析】設入射角為θ1，折射角為θ2，由幾何關系知θ1=2θ2，則n==2cos?θ2=1.6，解得cos?θ2=0.8，sin?θ2==0.6，sin θ1=nsin θ2=1.6×0.6=0.96，則x=2Rsin θ1=1.92R。
1．（2018·福建省漳州市）如圖，半圓形玻璃磚按圖中實線位置放置，直徑與BD重合。一束激光沿著半圓形玻璃磚的半徑從圓弧面垂直BD射到圓心O點上。使玻璃磚繞O點逆時針緩慢地轉過角度θ(0°<θ<90°)，觀察到折射光斑和反射光斑在弧形屏上移動。在玻璃磚轉動過程中，以下說法正確的是
A．折射光斑在弧形屏上沿C→D方向移動
B．折射光
9、斑的亮度逐漸變亮
C．折射光線消失前，折射角一定大于反射角
D．反射光線轉過的角度為θ
E．當玻璃磚轉至θ=45°時，恰好折射光線消失，則此玻璃磚的折射率n=
【答案】ACE
2．（2018·遼寧省實驗中學、大連八中、大連二十四中、鞍山一中、東北育才學校）下面關于電磁波的表述正確的是
A．水面上的油膜呈現(xiàn)彩色是光的干涉現(xiàn)象
B．麥克斯韋第一次用實驗證實了電磁波的存在
C．在同一介質中，電磁波的頻率越高，傳播的速度越大
D．雙縫干涉實驗中，雙縫之間的距離越大，干涉條紋越窄
E．電磁波由電磁振蕩產生，若波源的電磁振蕩停止，空中的電磁波不會立即消失
【答案】ADE
考
10、點2 光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象
一、光的干涉
1．定義
兩列頻率相同、振動情況相同的光波相疊加，某些區(qū)域出現(xiàn)振動加強，某些區(qū)域出現(xiàn)振動減弱，并且加強區(qū)域和減弱區(qū)域總是相互間隔的現(xiàn)象叫光的干涉現(xiàn)象。
2．相干條件
只有相干光源發(fā)出的光疊加，才會發(fā)生干涉現(xiàn)象。相干光源是指頻率相同、相位相同（振動情況相同）的兩列光波。
3．兩束振動情況相同的光源產生的光相互疊加時：
（1）出現(xiàn)明條紋的條件是屏上某點P到兩個相干光源S1和S2的路程差等于波長的整數(shù)倍或半波長的偶數(shù)倍，即
|PS1–PS2|=kλ=2k·（k=0，1，2，3···）
當k=0時，即PS1=PS2，此時P點處的明條
11、紋叫做中央亮條紋。
（2）出現(xiàn)暗條紋的條件是屏上某點P到兩個相干光源S1和S2的路程差等于半波長的奇數(shù)倍，即
|PS1–PS2|=（2k+1）（k=0，1，2，3···）
4．雙縫干涉：由同一光源發(fā)出的光經雙縫后，在屏上出現(xiàn)明暗相間的條紋。白光的雙縫干涉條紋是中央為白色條紋，兩邊為彩色條紋，單色光的雙縫干涉中相鄰亮條紋間的距離為。
5．光的雙縫干涉現(xiàn)象的理解
（1）光能夠發(fā)生干涉的條件：兩光的頻率相同，振動步調相同。
（2）雙縫干涉形成的條紋是等間距的，兩相鄰亮條紋或相鄰暗條紋間距離與波長成正比，即。
（3）用白光照射雙縫時，形成的干涉條紋的特點：中央為白條紋，兩側為彩色條紋。
12、
6．薄膜干涉：利用薄膜（如肥皂液薄膜）前后兩面反射的光相遇而形成的。圖樣中同一條亮（或暗）條紋上所對應的薄膜厚度相同。
7．薄膜干涉現(xiàn)象的理解
（1）如圖所示，豎直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形。
（2）光照射到薄膜上時，在膜的前表面AA′和后表面BB′分別反射出來，形成兩列頻率相同的光波，并且疊加。
（3）原理分析
①單色光
在P1、P2處，兩個表面反射回來的兩列光波的路程差Δr等于波長的整數(shù)倍。
Δr=nλ（n=1，2，3···），薄膜上出現(xiàn)明條紋。
在Q處，兩列反射回來的光波的路程差Δr等于半波長的奇數(shù)倍。Δr=（2n+1）（n=0，1，2，3
13、···），薄膜上出現(xiàn)暗條紋。
②白光：薄膜上出現(xiàn)水平彩色條紋。
（4）薄膜干涉的應用
干涉法檢查平面。如圖所示，兩板之間形成一楔形空氣膜，用單色光從上向下照射，如果被檢平面是平整光滑的，我們會觀察到平行且等間距的明暗相間的條紋；若被檢平面不平整，則干涉條紋發(fā)生彎曲。
二、光的衍射
1．定義
光離開直線路徑繞到障礙物陰影區(qū)的現(xiàn)象叫光的衍射，衍射產生的明暗條紋或光環(huán)叫衍射圖樣。
2．發(fā)生明顯衍射的條件
只有當障礙物的尺寸跟光的波長相差不多，甚至比光的波長還小的時候，衍射現(xiàn)象才會明顯。
3．衍射圖樣
（1）單縫衍射
①單色光：明暗相間的不等距條紋，中央亮紋最寬最亮，兩側條紋
14、具有對稱性。
②白光：中間為寬且亮的白色條紋，兩側是窄且暗的彩色條紋，最靠近中央的是紫光，遠離中央的是紅光。
（2）圓孔衍射：明暗相間的不等距圓環(huán)，圓環(huán)面積遠遠超過孔的直線照明的面積。
（3）圓盤衍射：明暗相間的不等距圓環(huán)，中心有一亮斑稱為泊松亮斑。
4．光的衍射現(xiàn)象的理解
（1）衍射與干涉的比較
兩種現(xiàn)象
比較項目
單縫衍射
雙縫干涉
不同點
條紋寬度
條紋寬度不等，中央最寬
條紋寬度相等
條紋間距
各相鄰條紋間距不等
各相鄰條紋等間距
亮度情況
中央條紋最亮，兩邊變暗
條紋清晰，亮度基本相等
相同點
干涉、衍射都是波特有的現(xiàn)象，屬于波的疊加；干涉、
15、衍射都有明暗相間的條紋
特別提醒：
①白光發(fā)生光的干涉、衍射和光的色散都可出現(xiàn)彩色條紋，但光學本質不同。
②區(qū)分干涉和衍射，關鍵是理解其本質，實際應用中可從條紋寬度、條紋間距、亮度等方面加以區(qū)分。
③干涉與衍射的本質：光的干涉條紋和衍射條紋都是光波疊加的結果，從本質上講，衍射條紋的形成與干涉條紋的形成具有相似的原理。在衍射現(xiàn)象中，可以認為從單縫通過兩列或多列頻率相同的光波，它們在屏上疊加形成單縫衍射條紋。
（2）光的干涉和衍射比較
內容
干涉
衍射
現(xiàn)象
在光重疊區(qū)域出現(xiàn)加強或減弱的現(xiàn)象
光繞過障礙物偏離直線傳播的現(xiàn)象
產生條件
兩束光頻率相同、相位差恒定
障礙物或
16、孔的尺寸與波長差不多或小得多
典型實驗
楊氏雙縫干涉實驗
單縫衍射、圓孔衍射、不透明圓盤衍射
圖樣特點
不同點
條紋寬度
條紋寬度相等
條紋寬度不等，中央最寬
條紋間距
各相鄰條紋間距相等
各相鄰條紋間距不等
亮度情況
清晰條紋，亮度基本相等
中央條紋最亮，兩邊變暗
相同點
干涉、衍射都是波特有的現(xiàn)象；干涉、衍射都有明暗相間的條紋
三、光的偏振
1．偏振：光波只沿某一特定的方向振動，稱為光的偏振。
2．自然光：太陽、電燈等普通光源發(fā)出的光，包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，而且沿各個方向振動的光波的強度都相同，這種光叫做自然光。
3．偏振光：在
17、垂直于傳播方向的平面上，只沿某個特定方向振動的光，叫做偏振光。光的偏振證明光是橫波。自然光通過偏振片后，就得到了偏振光。
4．光的偏振現(xiàn)象的理解
（1）偏振光的產生方式
①自然光通過起偏器：通過兩個共軸的偏振片觀察自然光，第一個偏振片的作用是把自然光變成偏振光，叫起偏器。第二個偏振片的作用是檢驗光是否為偏振光，叫檢偏器。
②自然光射到兩種介質的交界面上，如果光入射的方向合適，使反射光和折射光之間的夾角恰好是90°時，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直。
特別提醒：不能認為偏振片就是刻有狹縫的薄片，偏振片并非刻有狹縫，而是具有一種特征，即存在一個偏振方向，只讓平行于該方向振動
18、的光通過，其他振動方向的光被吸收了。
（2）偏振光的理論意義及應用
①理論意義：光的干涉和衍射現(xiàn)象充分說明了光是波，但不能確定光波是橫波還是縱波。光的偏振現(xiàn)象說明了光波是橫波。
②應用：照相機鏡頭、立體電影、消除車燈眩光等。
5．自然光和偏振光的比較
自然光（非偏振光）
偏振光
光的來源
直接從光源發(fā)出的光
自然光通過起偏器后的光
光的振動方向
在垂直于光的傳播方向的平面內，光振動沿任意方向，且沿各個方向振動的光的強度相同
在垂直于光的傳播方向的平面內，光振動沿特定方向
在雙縫干涉實驗中，已知雙縫間的距離是0.2 mm，雙縫到光屏的距離為80 cm。某單色光的
19、干涉圖樣中第一條亮紋中央到第四條亮紋中央的距離為7.80 mm，據此求單色光的波長是多少。
【參考答案】6.1 cm
1．（2018·江西省吉安市）下列說法正確的是
A．泊松亮斑是光的衍射現(xiàn)象，玻璃中的氣泡看起來特別明亮是光的全反射現(xiàn)象
B．根據麥克斯韋電磁場理論，變化的電場一定產生變化的磁場
C．楊氏雙縫干涉實驗中觀察到了明暗條紋，證明光是一種波，如果用激光進行實驗則效果沒有那么明顯
D．經典力學理論的成立具有一定的局限性
E．真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，與光源和觀察者間的相對運動無關
【答案】ADE
【解析】泊松亮斑是光的衍射現(xiàn)象，玻璃中的氣泡看起
20、來特別明亮是光的全反射現(xiàn)象，選項A正確；根據麥克斯韋電磁場理論，周期性變化的電場一定產生周期性變化的磁場，均勻變化的電場可產生穩(wěn)定的磁場，選項B錯誤；楊氏干涉觀察到了明暗條紋證明光是一種波，如果用激光，由于是相干光源，則進行實驗則效果更明顯，故C錯誤；經典力學理論的成立具有一定的局限性，它只適應宏觀低速物體的運動，選項D正確；根據性對論的原理，真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，與光源和觀察者間的相對運動無關，選項E正確。
2．（2018·四川省成都市）某種透明材料制成的空心球體外徑是內徑的2倍，其過球心的某截面（紙面內）如圖所示。一束單色光（紙面內）從外球面上A點入射，入射角為45
21、°時，光束經折射后恰好與內球面相切。
（1）求該透明材料的折射率；
（2）欲使光束從A點入射后，恰好在內球面上發(fā)生全反射，則應將入射角變?yōu)槎嗌俣龋?
【答案】（1） （2）30°
則光束在內球面上的入射角∠ACD恰等于臨界角C
1．（2017·北京卷）物理學原理在現(xiàn)代科技中有許多重要應用。例如，利用波的干涉，可將無線電波的干涉信號用于飛機降落的導航。如圖所示，兩個可發(fā)射無線電波的天線對稱地固定于飛機跑道兩側，它們類似于楊氏干涉實驗中的雙縫。兩天線同時都發(fā)出波長為λ1和λ2的無線電波。飛機降落過程中，當接收到λ1和λ2的信號都保持最強時，表明飛機已對準跑道。下列說
22、法正確的是
A．天線發(fā)出的兩種無線電波必須一樣強
B．導航利用了λ1與λ2兩種無線電波之間的干涉
C．兩種無線電波在空間的強弱分布穩(wěn)定
D．兩種無線電波各自在空間的強弱分布完全重合
【答案】C
【解析】由于兩無線電波波源對稱分布在跑道兩側，兩種波長的無線電波各自發(fā)生干涉，在跑道處干涉均加強，當接收到的λ1和λ2的信號都保持最強時，表明飛機已對準跑道，導航利用了兩種波長的無線電波各自的穩(wěn)定干涉，所以天線發(fā)出的兩種無線電波不必一樣強，AB錯誤；兩種無線電波各自在空間的強弱分布穩(wěn)定，但不重合，否則接收到λ1和λ2的信號都保持最強的位置不一定在跑道上，C正確，D錯誤。
2．（201
23、7·北京卷）如圖所示，一束可見光穿過平行玻璃磚后，變?yōu)閍、b兩束單色光。如果光束b是藍光，則光束a可能是
A．紅光 B．黃光
C．綠光 D．紫光
【答案】D
3．（2017·天津卷）明代學者方以智在《陽燧倒影》中記載：“凡寶石面凸，則光成一條，有數(shù)棱則必有一面五色”，表明白光通過多棱晶體折射會發(fā)生色散現(xiàn)象。如圖所示，一束復色光通過三棱鏡后分解成兩束單色光a、b，下列說法正確的是
A．若增大入射角i，則b光先消失
B．在該三棱鏡中a光波長小于b光
C．a光能發(fā)生偏振現(xiàn)象，b光不能發(fā)生
D．若a、b
24、光分別照射同一光電管都能發(fā)生光電效應，則a光的遏止電壓低
【答案】D
4．（2016·四川卷）某同學通過實驗測定半圓形玻璃磚的折射率n。如圖甲所示，O是圓心，MN是法線，AO、BO分別表示某次測量時光線在空氣和玻璃磚中的傳播路徑。該同學測得多組入射角i和折射角r，做出sin i–sin r圖象如圖乙所示。則
A．光由A經O到B，n=1.5
B．光由B經O到A，n=1.5
C．光由A經O到B，n=0.67
D．光由B經O到A，n=0.67
【答案】B
【解析】由圖線可知，可得n=1.5；因i是入射角，r是折射角，折射角大于入射角，故光由B經O到A，故選B。
5．（2
25、018·新課標全國I卷）如圖，△ABC為一玻璃三棱鏡的橫截面，∠A=30°，一束紅光垂直AB邊射入，從AC邊上的D點射出，其折射角為60°，則玻璃對紅光的折射率為_____。若改用藍光沿同一路徑入射，則光線在D點射出時的折射射角______（“小于”“等于”或“大于”）60°。
【答案】 大于
6．（2018·新課標全國II卷）如圖，是一直角三棱鏡的橫截面，，，一細光束從BC邊的D點折射后，射到AC邊的E點，發(fā)生全反射后經AB邊的F點射出。EG垂直于AC交BC于G，D恰好是CG的中點。不計多次反射。
（1）求出射光相對于D點的入射光的偏角；
（2）為實現(xiàn)上述光路，棱鏡折
26、射率的取值應在什么范圍？
【答案】（1）δ=60° （2）
【解析】（1）光線在BC面上折射，由折射定律有
①
式中，n為棱鏡的折射率，i1和r1分別是該光線在BC面上的入射角和折射角。光線在AC面上發(fā)生全反射，由反射定律有
i2=r2②
式中i2和r2分別是該光線在AC面上的入射角和反射角。光線在AB面上發(fā)生折射，由折射定律有
③
式中i3和r3分別是該光線在AB面上的入射角和折射角。由幾何關系得
7．（2018·新課標全國III卷）如圖，某同學在一張水平放置的白紙上畫了一個小標記“·”(圖中O點)，然后用橫截面為等邊三角形ABC的三棱鏡壓在這個標記上，小
27、標記位于AC邊上。D位于AB邊上，過D點做AC邊的垂線交AC于F。該同學在D點正上方向下順著直線DF的方向觀察。恰好可以看到小標記的像；過O點做AB邊的垂線交直線DF于E；DE=2 cm，EF=1 cm。求三棱鏡的折射率。(不考慮光線在三棱鏡中的反射)
【答案】
【解析】解析過D點作AB邊的發(fā)現(xiàn)，連接OD，則為O點發(fā)出的光纖在D點的入射角；設該光線在D點的折射角為β，如圖所示。根據折射定律有
①
式中n為三棱鏡的折射率
由幾何關系可知
8．（2017·新課標全國Ⅰ卷）如圖，一玻璃工件的上半部是半徑為R的半球體，O點為球心；下半部是半徑為R、高位2R的圓柱體，圓柱體底面鍍
28、有反射膜。有一平行于中心軸OC的光線從半球面射入，該光線與OC之間的距離為0.6R。已知最后從半球面射出的光線恰好與入射光線平行（不考慮多次反射）。求該玻璃的折射率。
【答案】
【解析】如圖，根據光路的對稱性和光路可逆性，與入射光線相對于OC軸對稱的出射光線一定與入射光線平行。這樣，從半球面射入的折射光線，將從圓柱體底面中心C點反射。
設光線在半球面的入射角為i，折射角為r。由折射定律有①
由正弦定理有②
由幾何關系，入射點的法線與OC的夾角為i。由題設條件和幾何關系有③
式中L是入射光線與OC的距離。由②③式和題給數(shù)據得④
由①③④式和題給數(shù)據得⑤
9．（201
29、7·新課標全國Ⅱ卷）一直桶狀容器的高為2l，底面是邊長為l的正方形；容器內裝滿某種透明液體，過容器中心軸DD′、垂直于左右兩側面的剖面圖如圖所示。容器右側內壁涂有反光材料，其他內壁涂有吸光材料。在剖面的左下角處有一點光源，已知由液體上表面的D點射出的兩束光線相互垂直，求該液體的折射率。
【答案】1.55
聯(lián)立①②③解得：④
由幾何關系：⑤
⑥
聯(lián)立④⑤⑥解得：n=1.55
10．（2017·新課標全國Ⅲ卷）如圖，一半徑為R的玻璃半球，O點是半球的球心，虛線OO′表示光軸（過球心O與半球底面垂直的直線）。已知玻璃的折射率為1.5?，F(xiàn)有一束平行光垂直入射到半球的底面上，有些光線
30、能從球面射出（不考慮被半球的內表面反射后的光線）。求
（1）從球面射出的光線對應的入射光線到光軸距離的最大值；
（2）距光軸的入射光線經球面折射后與光軸的交點到O點的距離。
12．（2016·全國新課標全國Ⅲ卷）如圖，玻璃球冠的折射率為，其底面鍍銀，底面的半徑是球半徑的倍；在過球心O且垂直于底面的平面（紙面）內，有一與底面垂直的光線射到玻璃球冠上的M點，該光線的延長線恰好過底面邊緣上的A點。求該光線從球面射出的方向相對于其初始入射方向的偏角。
【答案】
根據反射定律可得=30°
連接ON，由幾何關系可知，故有
故可得
于是∠ENO為反射角，ON為反射光線，這一反射光線經球面再次折射后不改變方向。所以經一次反射后射出玻璃球冠的光線相對于入射光線的偏角β為
26
備戰(zhàn)2019年高考物理 高頻考點解密 專題18 光學教學案
