（北京专用）2020版高考物理大一轮复习专题十五光学课件.pptx

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1、考点清单,考点一 光的折射与全反射 考向基础 一、光的折射、折射率 光线从一种介质斜射入另一种介质,传播方向发生改变的现象叫做光的 折射。 1.折射定律 (1)内容:折射光线与入射光线、法线在同一平面内; 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)在折射现象中,光路是 可逆 的。,2.折射率 (1)折射率是一个反映介质的光学性质的物理量。 (2)定义式:n= 。 (3)计算公式:n= ,因为vc,所以任何介质的折射率都 大于1 。 (4)光密介质与光疏介质是相对的。 3.色散 在色散现象中,红光偏向角最小,即棱镜对红光的折射率最小。由公式n =

2、可知红光在介质中的传播速度最大。 将各种色光的情况列表统计如下:,二、全反射、光导纤维 1.光从光密介质射到光疏介质的界面上时,全部被反射回原介质的现象 称为全反射现象。 2.发生全反射的条件:(1)光由 光密 介质射向 光疏 介质。 (2)入射角 大于或等于 临界角。(光从某介质射向真空时临界角 为C,sin C= ) 3.光导纤维 光导纤维的原理是光的 全反射 。如图所示。,考向突破 考向一 对光的折射定律和折射率的理解及应用 1.折射率只由介质本身的光学性质和光的频率决定。由n= 定义和 计算,与入射角1、折射角2无关。 2.由n= 可计算折射率,n是从真空射入某种介质的折射率。对两种介

3、质 来说,若n1n2,则折射率为n1的称为光密介质,折射率为n2的称为光疏介,质。 3.光从一种介质进入另一种介质时频率不变,波长改变,光速改变,可以 根据v=f和n= 判断。,例1 图中所示Ox轴沿水平方向,Oy轴沿竖直向上方向。在x0,y0的 区域内存在某种分布范围足够广的介质,其折射率随着y的变化而变 化。一束细光束入射到介质表面,并沿着如图所示从a到b的一条弧形路 径传播。下列判断正确的是 ( )A.此介质的折射率随着y的增大而减小 B.海洋蜃景发生时空气折射率随高度的变化与此类似,C.沙漠蜃景发生时空气折射率随高度的变化与此类似 D.这束细光束在继续传播的过程中会发生全反射,解析 由

4、图像可知,从a到b,光的偏折程度越来越大,即介质折射率随着y 的增大而增大,所以这种情况与沙漠蜃景发生时空气折射率随高度的变 化相似,与海洋蜃景发生时空气折射率随高度的变化相反。由于该传播 过程相当于是从光疏介质进入光密介质,所以不可能发生全反射。,答案 C,考向二 对全反射现象的理解和综合分析 1.判断光线是从光疏介质进入光密介质还是从光密介质进入光疏介 质。 2.判断入射角是否大于临界角,明确是否发生全反射现象。 3.画出反射、折射或全反射的光路图,必要时还可应用光路的可逆性画 出光路图,然后结合几何知识进行推断和求解相关问题。 4.折射率n是讨论折射和全反射问题的重要物理量,是联系各物理

5、量的 桥梁,跟折射率有关的所有关系式都应熟练掌握。,例2 如图所示,让光沿着半圆形玻璃砖的半径射到它的平直的边上,在 这个边与空气的界面上会发生反射和折射。 逐渐增大入射角,观察反 射光线和折射光线的变化。关于该实验现象,下列说法正确的是 ( )A.反射光线和折射光线都沿顺时针方向转动,B.反射光线和折射光线转过的角度相同 C.在还未发生全反射过程中,反射光越来越强 D.最终反射光完全消失,解析 增大入射角,反射光线沿逆时针方向转动,折射光线沿顺时针方 向转动,A错误。当入射角从0增大到临界角时,反射光线转过的角度为 临界角,而折射光线转过了90,B错误。未发生全反射前,入射角越大,反 射光越

6、强,折射光越弱,C正确。发生全反射时,折射光消失,反射光增强 到最大,D错误。,答案 C,考点二 光的波动性 考向基础 光的干涉、衍射和偏振现象 1.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)条件:两束光的频率 相同 、相位差恒定。 (3)双缝干涉图样特点:单色光照射时形成明暗相间的等间距的干涉条 纹;白光照射时,中央为 白色 亮条纹,其余为 彩色 条纹。 (4)薄膜干涉:光照射到薄膜上时,薄膜的前、后表面反射的两列光相叠,加,也可发生干涉现象。若入射光为单色光,可形成明暗相间

7、的干涉条 纹;若入射光为 白光 ,可形成彩色的干涉条纹。 2.光的衍射 光的传播过程中,遇到障碍物或小孔时光偏离直线传播路径而绕到障碍 物后面传播的现象叫做光的衍射现象。 只有在障碍物或孔的尺寸比光的波长 小 ,或者跟光的波长 差 不多 的条件下,才能发生明显的衍射现象。著名的泊松亮斑就是典型 的光的 衍射 现象。 3.光的偏振 (1)自然光:包含着在垂直于传播方向上沿 一切方向 振动的光,而 且沿着各个方向振动的光波的强度都相同。,(2)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。 考向突破 考向一 亮、暗条纹的判断方法和条纹间距 1.双缝干涉 (1)如图所示,

8、光源S1、S2发出的光到屏上某点的路程差r2-r1=k(k=0,1,2, )时,光屏上出现亮条纹。 (2)路程差r2-r1=(2k+1) (k=0,1,2,)时,光屏上出现暗条纹。,2.薄膜干涉 (1)形成: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。,(2)亮、暗条纹的判断 在P1、P2处,两个表面反射回来的两列光波的路程差r等于波长的整 数倍,即r=n(n=1,2,3,),薄膜上出现亮条纹。 在Q处,两个表面反射回来的两列光波的路程差r等于半波长的奇数 倍,即r=(2n+1)

9、 (n=0,1,2,3,),薄膜上出现暗条纹。,例3 2017年诺贝尔物理学奖授予了三位美国科学家,以表彰他们为发 现引力波所做的贡献。引力波被认为是时空弯曲的一种效应,物体加速 运动时会给宇宙时空带来扰动,这种扰动会以光速向外传播能量。如图 为科学家们探测引力波的装置示意图,发射器发出的激光S 经半透光分 束镜分为相互垂直的两束光S1和S2,然后经过4 km长的两臂,在两臂端点 处经反射镜反射回来,S1 和S2相遇形成干涉,被探测器接收。精确调节 两臂,使探测器在无引力波作用时,接收到的信号强度为0。当有引力波 作用时,两臂长度将因此而发生改变,则接收到的信号强度不为0。下列 说法正确的是

10、( ),A.引力波可以超光速传播 B.引力波不能传播能量 C.探测器接收到的两束波的频率相同 D.无引力波作用时两束激光到探测器的路程差为0,解析 由题意知引力波会以光速向外传播能量,所以A、B错。由题中 信息,S1和S2相遇形成干涉,知两束波的频率相同,C对。无引力波作用 时,接收信号强度为0,说明两列波叠加减弱,路程差应为半波长的奇数 倍,不可能为0,D错。,答案 C,考向二 单缝衍射与双缝干涉的比较,例4 1924年,德布罗意提出了物质波理论,他假设实物粒子也具有波动 性,大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子(如电子、质子等),他认为 粒子的动量p与波的波长之间遵从关系:= (h为普朗克

11、常量),这一假 说后来在一系列实验中得到了证实。如图甲所示,在电子双缝干涉实验 中,将电子垂直射向两个紧靠的平行狭缝(电子发射端到两狭缝距离相 等),在缝后放上一个安装有电子侦测器的屏幕(屏幕上的O点位于两狭 缝中心对称轴的正后方,图中未画出),电子打到探测器上会在屏幕上出 现亮点。在实验中,以速率v0发射电子,开始时,屏幕上出现没有规律的 亮点,但是当大量的电子到达屏幕之后,发现屏幕上不同位置出现亮点 的概率并不相同,且沿垂直双缝方向呈现出间隔分布,如图乙所示。这 种间隔分布类似于光的干涉中出现的明暗相间的条纹。则下列说法中,正确的是 ( )甲 乙 A.以速率2v0发射电子,重复实验,O点可

12、能处在暗条纹上,B.以速率2v0发射电子,重复实验,所形成的条纹间距会变小 C.若将两个狭缝沿垂直缝的方向移动一段很小的距离(不改变狭缝和屏 幕间的距离),重复实验,如果屏幕上仍有间隔的条纹分布,则O点一定处 在暗条纹上 D.若将两个狭缝沿垂直缝的方向移动一段很小的距离(不改变狭缝和 屏幕间的距离),重复实验,如果屏幕上仍有间隔的条纹分布,则O点一定 处在明条纹上,解析 = = ,当以速率2v0发射电子时,减小,由x= 知B项正 确。改变发射电子的速率,但O点到两狭缝的距离差为0,则O点仍处在 明条纹上,A错。若将两个狭缝沿垂直缝的方向移动一小段距离,屏幕上 仍有干涉条纹,但O点处于明条纹上还

13、是暗条纹上取决于O点到两狭缝 的距离差,C、D项错。,答案 B,考查点 物质波、干涉。,解题指导 根据= ,p=mv,得= ,v越大,波长越短,由相邻干涉条纹间 距x= 知,越小,x越小。根据波程差s=n(n=1,2,3,)时为明条纹 判断O处明暗情况。,考点三 光的粒子性 考向基础 一、光电效应 1.光电效应及其规律 (1)光电效应现象:在光的照射下,金属中的 电子 从其表面逸出的 现象。发射出来的电子叫 光电子 。 (2)光电效应规律 a.每种金属都有一个极限频率,入射光的频率必须 大于等于 这个 极限频率才能产生光电效应。 b.光电子的最大初动能与入射光的 强度 无关,只随入射光频率的

14、增大而 增大 。,c.光电效应的发生几乎是瞬时的,一般不超过10-9 s。 d.当入射光的频率大于极限频率时,饱和光电流的大小与入射光的强度 成 正比 。 2.爱因斯坦光电效应方程 (1)光子说:在空间传播的光不是连续的,而是一份一份的,每一份叫做一 个光子,光子的能量= h 。 (2)逸出功W0:电子从金属表面逸出所需做功的 最小值 。 (3)最大初动能:发生光电效应时,金属表面上的 电子 吸收光子后 克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值。 (4)光电效应方程 a.表达式:h=Ek+W0或Ek= h-W0 。,b.物理意义:金属中的电子吸收一个光子获得的能量是h,这些能量的一 部分用来

15、做逸出功W0,剩下的表现为逸出后电子的最大初动能。 二、光的波粒二象性 1.光的波粒二象性 (1)波动性:光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有 波动 性。 (2)粒子性:光电效应、康普顿效应说明光具有 粒子性 。 (3)光既具有 波动 性,又具有 粒子 性,称为光的波粒二象 性。 2.物质波和概率波 (1)物质波 任何一个运动着的物体,小到微观粒子大到宏观物体都有一种波与它对,应,其波长= ,p为运动物体的动量,h为普朗克常量。人们把这种波称 为物质波。 (2)概率波 光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现,亮条纹是光子到 达概率 大 的地方,暗条纹是光子到达概率 小 的地方,因此 光波

16、又叫概率波。,光电效应的研究思路 (1)两条线索(2)两条对应关系 光强大 光子数目多 发射光电子多 光电流大 光子频率高 光子能量大 光电子的最大初动能大,考向突破 考向一 光电效应的实验规律,例5 光照在某金属表面上发生了光电效应。若只减弱光的强度,而保 持频率不变,则 ( ) A.有可能不发生光电效应 B.逸出的光电子的最大初动能将减小 C.单位时间内从金属表面逸出的光电子数将减少 D.从光照射到金属表面到有光电子逸出的时间明显增加,解析 减小光强,但光的频率不变,因此仍能发生光电效应,A项错。由 光电效应方程:Ekm=h-W0知,光电子的最大初动能Ekm不变,B项错。电子 吸收入射光子

17、能量从而逸出金属表面时间极短,约为10-9 s,不受光强影 响,D项错。因为入射光子数减少,所以有更少的电子吸收入射光子能量 而逸出,C项正确。,答案 C,考向二 光电效应图像,例6 用图甲所示的电路研究光电效应中电子发射的情况与照射光的 强弱、光的频率等物理量间的关系。电流计G测得的光电流I随光电管 两端电压U的变化如图乙所示,则 ( )A.通过电流计G的电流方向由d到c,B.电压U增大, 光电流I一定增大 C.用同频率的光照射K极,光电子的最大初动能与光的强弱无关 D.光电管两端电压U为零时一定不发生光电效应,解析 光电子从K极逸出向A极运动,所以通过电流计G的电流方向由c d,A错误。由

18、乙图可知U增大到某一数值后,I不再变大,B错误。由光 电效应方程及遏止电压可知,h=W+eUc,同频率的光遏止电压Uc相同,光 电子最大初动能相同,C正确。由图乙可知U=0时,I0,光电效应照样发 生,D错误。,答案 C,解题关键 熟知光电效应方程及遏止电压Uc的含义。,方法技巧,方法1 光的折射定律、全反射及色散知识综合分析法 在光的折射问题中,同时会涉及折射光线的方向确定,是否发生全反射 现象以及光的色散现象。解决这类问题需要综合运用折射定律,发生全 反射的条件及临界角,以及各种色光的频率、波长等相关知识,逐步探 索分析。 例1 如图所示,用一束太阳光去照射横截面为三角形的玻璃砖,在光屏

19、上能观察到一条彩色光带。以下说法正确的是 ( ),解析 玻璃砖对红光的折射率最小,对紫光的折射率最大,根据折射率 大小分析临界角的大小,从而确定减小太阳光的入射角时发生全反射的 顺序。白光通过三棱镜发生色散,在光屏上从上至下依次为红、橙、 黄、绿、青、蓝、紫,波长依次减小,频率依次增大,折射率也依次增大, 即玻璃对紫光的折射率最大,A项错误。由公式E=h可知,紫光频率最 大,紫光光子能量也最大,B项正确。此现象是光的折射形成的,C项错 误。减小太阳光的入射角度,各种色光在玻璃砖的右表面射向空气时, 可能会依次达到临界角,因为紫光折射率最大,则其临界角最小,且各种 色光中紫光在右侧射入空气时的入

20、射角最大,所以紫光最先发生全反 射,在光屏上最先消失,D项错误。,答案 B,方法2 有关光的能量问题的综合分析方法 光子学说体现了光的能量观点,认定每个光子有一定的能量E=h,而光 强是光子总能量的体现,即E=Nh。因此,可以把光子能量与其他有关能 量的知识联系起来,构成综合性的题目。,例2 2016年9月25日,被誉为“中国天眼”的世界最大单口径射电望远 镜(简称FAST)在贵州省平塘县落成启用,开始接收来自宇宙深处的电 磁波。中国天眼的存在,使得深空通讯能力延伸至太阳系外缘行星,对 探索宇宙的起源和地外文明具有重要意义。,如果为天眼配备一部发射功率为百万瓦级(106W)的发射机,其发射的无线电波波长为126厘米。那么该发射机每秒钟发射的光子数量的数量 级约为(取真空光速c =31 m/s,普朗克常量h=6.610-34 Js) ( ) A.1023 B.1027 C.1031 D.1035,解析 设每秒发射的光子数为n,发射机每秒发射的总能量为:Pt=nh , 将题中数据代入得:n=6.361030,数量级更接近选项C。,答案 C,