1、1专题 18 光学核心考点 考纲要求光的折射定律折射率全反射、光导纤维光的干涉、衍射和偏振现象2考点 1 光的折射 全反射 光导纤维一、光的折射1折射现象：光从一种介质斜射进入另一种介质时传播方向改变的现象。2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两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比。（2）表达式： 12sin，式中 n 是比例常数。（3）在光的折射现象中，光路是可逆的。3折射率（1）折射率是一个反映介质光学性质的物理量，折射率越大，说明光从真空中射入到该介质时的偏折程度越大，反之偏折程度越小。（2）定 义 式 ： 12sin，
2、折 射 率 由 介 质 本 身 的 光 学 性 质 和 光 的 频 率 决 定 ， 与 入 射 角 1和 折 射 角 2无 关 。（3）计算公式： cnv，因为 vc，所以任何介质的折射率都大于 1。（4）当光从光疏介质射入光密介质时，入射角大于折射角；当光从光密介质射入光疏介质时，入射角小于折射角。4解决光的折射问题的一般方法：（1）根据题意画出正确的光路图。（2）利用几何关系确定光路中的边、角关系，确定入射角和折射角。（3）利用折射定律建立方程进行求解。5玻璃砖对光路的控制3两平面平行的玻璃砖，出射光线和入射光线平行，且光线发生了侧移，如图所示。6三棱镜对光路的控制（1）光密三棱镜：光线两
3、次折射均向底面偏折，偏折角为 ，如图所示。（2）光疏三棱镜：光线两次折射均向顶角偏折。（3）全反射棱镜（等腰直角棱镜），如图所示。甲 乙当光线从一直角边垂直射入时，在斜边发生全反射，从另一直角边垂直射出（如图甲所示）。当光线垂直于斜边射入时，在两直角边发生全反射后又垂直于斜边射出，入射光线和出射光线互相平行（如图乙所示）。特别提醒：不同颜色的光的频率不同，在同一种介质中的折射率、光速也不同，发生全反射现象的临界角也不同。二、全反射1全反射现象（1）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。（2）现象：折射光完全消失，只剩下反射光。42临界角：折射角等于 90时的入射角，用 C 表
4、示，sin C= 1n。3光的色散（1）光的色散现象：含有多种颜色的光被分解为单色光的现象。（2）光谱：含有多种颜色的光被分解后，各种色光按其波长的有序排列。（3）光的色散现象说明：白光为复色光；同一介质对不同色光的折射率不同，频率越大的色光折射率越大；不同色光在同一介质中的传播速度不同，波长越短，波速越慢。（4）棱镜含义：截面是三角形的玻璃仪器，可以使光发生色散，白光的色散表明各色光在同一介质中的折射率不同。三棱镜对光线的作用：改变光的传播方向，使复色光发生色散。4全反射现象的理解与应用（1）在光的反射和全反射现象中，均遵循光的反射定律；光路均是可逆的。（2）当光射到两种介质的界面上时，往往
5、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。当折射角等于 90时，实际上就已经没有折射光了。（3）全反射现象可以从能量的角度去理解：当光由光密介质射向光疏介质时，在入射角逐渐增大的过程中，反射光的能量逐渐增强，折射光的能量逐渐减弱，当入射角等于临界角时，折射光的能量已经减弱为零，这时就发生了全反射。5光的折射、全反射中的三个“一”一个规律：光的折射定律一个概念：折射率一个条件：全反射的条件6解答全反射类问题的技巧（1）解答全反射类问题时，要抓住发生全反射的两个条件：光必须从光密介质射入光疏介质；是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
6、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，这样更有利于问题的分析。5（2）解答光的折射、全反射问题时抓好两个关键点：准确作出光路图；利用几何关系确定光路中的边、角关系，找准入射角和折射角。三、光导纤维1原理：光的全反射。2构造：由内芯跟外套两层组成，内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。3传播路径：4光纤通信（1）方法：光也是一种电磁波，也可以像无线电波那样，作为载体来传递信息。载有声音、图象以及各种数字信号的激光从光纤的一端输入，就可以传到千里以外的另一端，实现光纤通信。 （ 2） 优 点 ： 光 纤 通 信 的 主 要 优 点 是 容 量 大 。 此
7、 外 ， 光 纤 传 输 还 有 衰 减 小 ， 抗 干 扰 能 力 强 等 多 方 面 的优 点 。对光学仪器定标时，需要确定两条平行光线的精确间距 x。可以用以下办法：先使两条光线垂直且对称地射到一根圆柱形玻璃棒上，如图所示，棒的半径为 R，折射率 n=1.60，然后调节两条光线间的距离，直到它们正好聚焦在玻璃棒圆周上对面的一点，试求 x。【参考答案】1.92 R【试题解析】设入射角为 1，折射角为 2，由几何关系知 1=2 2，则n= =2cos 2=1.6，解得 cos 2=0.8，sin 2=2cos=0.6，sin 1=nsin 2=1.60.6=0.96，则 x=2Rsin 1=
8、1.92R。61（2018福建省漳州市）如图，半圆形玻璃砖按图中实线位置放置，直径与 BD 重合。一束激光沿着半圆形玻璃砖的半径从圆弧面垂直 BD 射到圆心 O 点上。使玻璃砖绕 O 点逆时针缓慢地转过角度 (0 90)，观察到折射光斑和反射光斑在弧形屏上移动。在玻璃砖转动过程中，以下说法正确的是A折射光斑在弧形屏上沿 C D 方向移动B折射光斑的亮度逐渐变亮C折射光线消失前，折射角一定大于反射角D反射光线转过的角度为 E当玻璃砖转至 =45时，恰好折射光线消失，则此玻璃砖的折射率 n= 2【答案】ACE2（2018辽宁省实验中学、大连八中、大连二十四中、鞍山一中、东北育才学校）下面关于电磁波
9、的表述正确的是A水面上的油膜呈现彩色是光的干涉现象B麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在C在同一介质中，电磁波的频率越高，传播的速度越大D双缝干涉实验中，双缝之间的距离越大，干涉条纹越窄E电磁波由电磁振荡产生，若波源的电磁振荡停止，空中的电磁波不会立即消失【答案】ADE7考点 2 光的干涉、衍射和偏振现象一、光的干涉1定义两列频率相同、振动情况相同的光波相叠加，某些区域出现振动加强，某些区域出现振动减弱，并且加强区域和减弱区域总是相互间隔的现象叫光的干涉现象。2相干条件只有相干光源发出的光叠加，才会发生干涉现象。相干光源是指频率相同、相位相同（振动情况相同）的两列光波。3两束振动情况相同的光
10、源产生的光相互叠加时：（1）出现明条纹的条件是屏上某点 P 到两个相干光源 S1和 S2的路程差等于波长的整数倍或半波长的偶数倍，即|PS1PS2|=k =2k 2（ k=0，1，2，3）当 k=0 时，即 PS1=PS2，此时 P 点处的明条纹叫做中央亮条纹。（2）出现暗条纹的条件是屏上某点 P 到两个相干光源 S1和 S2的路程差等于半波长的奇数倍，即|PS1PS2|=（2 k+1） （ k=0，1，2，3）4双缝干涉：由同一光源发出的光经双缝后，在屏上出现明暗相间的条纹。白光的双缝干涉条纹是中央为白色条纹，两边为彩色条纹，单色光的双缝干涉中相邻亮条纹间的距离为 lxd。5光的双缝干涉现象
11、的理解（1）光能够发生干涉的条件：两光的频率相同，振动步调相同。（2）双缝干涉形成的条纹是等间距的，两相邻亮条纹或相邻暗条纹间距离与波长成正比，即 lxd。（3）用白光照射双缝时，形成的干涉条纹的特点：中央为白条纹，两侧为彩色条纹。86薄膜干涉：利用薄膜（如肥皂液薄膜）前后两面反射的光相遇而形成的。图样中同一条亮（或暗）条纹上所对应的薄膜厚度相同。 7薄膜干涉现象的理解（1）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。（2）光照射到薄膜上时，在膜的前表面 AA和后表面 BB分别反射出来，形成两列频率相同的光波，并且叠加。（3）原理分析单色光在 P1、 P2处，两个表面反射回来
12、的两列光波的路程差 r 等于波长的整数倍。 r=n （ n=1，2，3），薄膜上出现明条纹。在 Q 处，两列反射回来的光波的路程差 r 等于半波长的奇数倍。 r=（2 n+1）2（ n=0，1，2，3），薄膜上出现暗条纹。白光：薄膜上出现水平彩色条纹。（4）薄膜干涉的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；若被检平面不平整，则干涉条纹发生弯曲。二、光的衍射1定义光离开直线路径绕到障碍物阴影区的现象叫光的衍射，衍射产生的明暗条纹或光环叫衍射图样。2发生明显衍射的条件只有当障碍物的尺寸跟光的波
13、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衍射图样（1）单缝衍射9单色光：明暗相间的不等距条纹，中央亮纹最宽最亮，两侧条纹具有对称性。白光：中间为宽且亮的白色条纹，两侧是窄且暗的彩色条纹，最靠近中央的是紫光，远离中央的是红光。（2）圆孔衍射：明暗相间的不等距圆环，圆环面积远远超过孔的直线照明的面积。（3）圆盘衍射：明暗相间的不等距圆环，中心有一亮斑称为泊松亮斑。4光的衍射现象的理解（1）衍射与干涉的比较两种现象比较项目单缝衍射 双缝干涉条纹宽度 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 各相邻条纹等间距不同点 亮度情况 中央条纹最亮，两边变暗 条纹清晰，
14、亮度基本相等相同点 干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹特别提醒：白光发生光的干涉、衍射和光的色散都可出现彩色条纹，但光学本质不同。区分干涉和衍射，关键是理解其本质，实际应用中可从条纹宽度、条纹间距、亮度等方面加以区分。干涉与衍射的本质：光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果，从本质上讲，衍射条纹的形成与干涉条纹的形成具有相似的原理。在衍射现象中，可以认为从单缝通过两列或多列频率相同的光波，它们在屏上叠加形成单缝衍射条纹。（2）光的干涉和衍射比较内容 干涉 衍射现象在光重叠区域出现加强或减弱的现象光绕过障碍物偏离直线传播的现象产生条件两束光频率相同、相位差恒
15、定障碍物或孔的尺寸与波长差不多或小得多典型实验 杨氏双缝干涉实验 单缝衍射、圆孔衍射、不透明圆盘衍射条纹宽度 条纹宽度相等 条纹宽度不等，中央最宽图样不同 条纹间距 各相邻条纹间距相等 各相邻条纹间距不等10点 亮度情况 清晰条纹，亮度基本相等 中央条纹最亮，两边变暗特点 相同点 干涉、衍射都是波特有的现象；干涉、衍射都有明暗相间的条纹三、光的偏振1偏振：光波只沿某一特定的方向振动，称为光的偏振。2自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫做自然光。3偏振光：在垂直于传播方向的平面上，只沿某个特定方向振动的光
16、，叫做偏振光。光的偏振证明光是横波。自然光通过偏振片后，就得到了偏振光。4光的偏振现象的理解（1）偏振光的产生方式自然光通过起偏器：通过两个共轴的偏振片观察自然光，第一个偏振片的作用是把自然光变成偏振光，叫起偏器。第二个偏振片的作用是检验光是否为偏振光，叫检偏器。自然光射到两种介质的交界面上，如果光入射的方向合适，使反射光和折射光之间的夹角恰好是90时，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直。特别提醒：不能认为偏振片就是刻有狭缝的薄片，偏振片并非刻有狭缝，而是具有一种特征，即存在一个偏振方向，只让平行于该方向振动的光通过，其他振动方向的光被吸收了。（2）偏振光的理论意义及应用理论意义：光
17、的干涉和衍射现象充分说明了光是波，但不能确定光波是横波还是纵波。光的偏振现象说明了光波是横波。应用：照相机镜头、立体电影、消除车灯眩光等。5自然光和偏振光的比较自然光（非偏振光） 偏振光光的来源 直接从光源发出的光 自然光通过起偏器后的光光的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿任意方向，且沿各个方向振动的光的强度相同在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿特定方向在双缝干涉实验中，已知双缝间的距离是 0.2 mm，双缝到光屏的距离为 80 cm。某单色光的干涉图样中第一条亮纹中央到第四条亮纹中央的距离为 7.80 mm，据此求单色光的波长是多少。【参考答案】6.1 cm111（2018
18、江西省吉安市）下列说法正确的是A泊松亮斑是光的衍射现象，玻璃中的气泡看起来特别明亮是光的全反射现象B根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场一定产生变化的磁场C 杨 氏 双 缝 干 涉 实 验 中 观 察 到 了 明 暗 条 纹 ， 证 明 光 是 一 种 波 ， 如 果 用 激 光 进 行 实 验 则 效 果 没 有 那 么 明 显D经典力学理论的成立具有一定的局限性E真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，与光源和观察者间的相对运动无关【答案】ADE【解析】泊松亮斑是光的衍射现象，玻璃中的气泡看起来特别明亮是光的全反射现象，选项 A 正确；根据麦克斯韦电磁场理论，周期性变化的电场一定产生周期
19、性变化的磁场，均匀变化的电场可产生稳定的磁场，选项 B 错误；杨氏干涉观察到了明暗条纹证明光是一种波，如果用激光，由于是相干光源，则进行实验则效果更明显，故 C 错误；经典力学理论的成立具有一定的局限性，它只适应宏观低速物体的运动，选项 D 正确；根据性对论的原理，真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，与光源和观察者间的相对运动无关，选项 E 正确。2（2018四川省成都市）某种透明材料制成的空心球体外径是内径的 2 倍，其过球心的某截面（纸面内）如图所示。一束单色光（纸面内）从外球面上 A 点入射，入射角为 45时，光束经折射后恰好与内球面相切。（1）求该透明材料的折射率； 12（2）
20、欲使光束从 A 点入射后，恰好在内球面上发生全反射，则应将入射角变为多少度？【答案】（1） 2 （2）30则光束在内球面上的入射角 ACD 恰等于临界角 C131（2017北京卷）物理学原理在现代科技中有许多重要应用。例如，利用波的干涉，可将无线电波的干涉信号用于飞机降落的导航。如图所示，两个可发射无线电波的天线对称地固定于飞机跑道两侧，它们类似于杨氏干涉实验中的双缝。两天线同时都发出波长为 1和 2的无线电波。飞机降落过程中，当接收到 1和 2的信号都保持最强时，表明飞机已对准跑道。下列说法正确的是A天线发出的两种无线电波必须一样强B导航利用了 1与 2两种无线电波之间的干涉C两种无线电波在
21、空间的强弱分布稳定D两种无线电波各自在空间的强弱分布完全重合【答案】C【 解 析 】 由 于 两 无 线 电 波 波 源 对 称 分 布 在 跑 道 两 侧 ， 两 种 波 长 的 无 线 电 波 各 自 发 生 干 涉 ， 在 跑 道 处 干涉 均 加 强 ， 当 接 收 到 的 1和 2的 信 号 都 保 持 最 强 时 ， 表 明 飞 机 已 对 准 跑 道 ， 导 航 利 用 了 两 种 波 长的 无 线 电 波 各 自 的 稳 定 干 涉 ， 所 以 天 线 发 出 的 两 种 无 线 电 波 不 必 一 样 强 ， AB 错 误 ； 两 种 无 线 电 波 各自 在 空 间 的 强
22、 弱 分 布 稳 定 ， 但 不 重 合 ， 否 则 接 收 到 1和 2的 信 号 都 保 持 最 强 的 位 置 不 一 定 在 跑 道上 ， C 正 确 ， D 错 误 。 2（2017北京卷）如 图 所 示 ， 一 束 可 见 光 穿 过 平 行 玻 璃 砖 后 ， 变 为 a、 b 两 束 单 色 光 。 如 果 光 束 b 是 蓝光 ， 则 光 束 a 可 能 是A红光 B黄光C绿光 D紫光【答案】D143（2017天津卷）明代学者方以智在阳燧倒影中记载：“凡宝石面凸，则光成一条，有数棱则必有一面五色”，表明白光通过多棱晶体折射会发生色散现象。如图所示，一束复色光通过三棱镜后分解成
23、两束单色光 a、 b，下列说法正确的是A若增大入射角 i，则 b 光先消失B在该三棱镜中 a 光波长小于 b 光C a 光能发生偏振现象， b 光不能发生D若 a、 b 光分别照射同一光电管都能发生光电效应，则 a 光的遏止电压低【答案】D iA4（2016四川卷）某同学通过实验测定半圆形玻璃砖的折射率 n。如图甲所示， O 是圆心， MN 是法线， AO、 BO 分别表示某次测量时光线在空气和玻璃砖中的传播路径。该同学测得多组入射角 i 和折射15角 r，做出 sin isin r 图象如图乙所示。则A光由 A 经 O 到 B， n=1.5B光由 B 经 O 到 A， n=1.5C光由 A
24、经 O 到 B， n=0.67D光由 B 经 O 到 A， n=0.67【答案】B【解析】由图线可知 ，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 经 O 到 A， 故选 B。5（2018新课标全国 I 卷）如图， ABC 为一玻璃三棱镜的横截面， A=30，一束红光垂直 AB 边射入，从 AC 边上的 D 点射出，其折射角为 60，则玻璃对红光的折射率为_。若改用蓝光沿同一路径入射，则光线在 D 点射出时的折射射角_（“小于”“等于”或“大于”）60。【答案】 大于6（2018新课标全国 II 卷）如图， 是一直角三棱镜的横截面， ， ，一细光束从 BC
25、 边的 D 点折射后，射到 AC 边的 E 点，发生全反射后经 AB 边的 F 点射出。 EG 垂直于 AC 交 BC 于G， D 恰好是 CG 的中点。不计多次反射。16（1）求出射光相对于 D 点的入射光的偏角；（2）为实现上述光路，棱镜折射率的取值应在什么范围？【答案】（1）=60 （2） 【解析】（1）光线在 BC 面上折射，由折射定律有式中， n 为棱镜的折射率， i1和 r1分别是该光线在 BC 面上的入射角和折射角。光线在 AC 面上发生全反射，由反射定律有i2=r2式中 i2和 r2分别是该光线在 AC 面上的入射角和反射角。光线在 AB 面上发生折射，由折射定律有式中 i3和
26、 r3分别是该光线在 AB 面上的入射角和折射角。由几何关系得7（2018新课标全国 III 卷）如图，某同学在一张水平放置的白纸上画了一个小标记“”(图中 O 点)，然后用横截面为等边三角形 ABC 的三棱镜压在这个标记上，小标记位于 AC 边上。 D 位于 AB 边上，过 D点做 AC 边的垂线交 AC 于 F。该同学在 D 点正上方向下顺着直线 DF 的方向观察。恰好可以看到小标记的像；过 O 点做 AB 边的垂线交直线 DF 于 E； DE=2 cm， EF=1 cm。求三棱镜的折射率。(不考虑光线在三棱镜中的反射)17【答案】【解析】解析过 D 点作 AB 边的发现 ，连接 OD，则
27、 为 O 点发出的光纤在 D 点的入射角；设该光线在 D 点的折射角为 ，如图所示。根据折射定律有式中 n 为三棱镜的折射率由几何关系可知8（2017新课标全国卷）如图，一玻璃工件的上半部是半径为 R 的半球体， O 点为球心；下半部是半径为 R、高位 2R 的圆柱体，圆柱体底面镀有反射膜。有一平行于中心轴 OC 的光线从半球面射入，该光线与 OC 之间的距离为 0.6R。已知最后从半球面射出的光线恰好与入射光线平行（不考虑多次反射）。求该玻璃的折射率。 18【答案】 1.43【解析】如图，根据光路的对称性和光路可逆性，与入射光线相对于 OC 轴对称的出射光线一定与入射光线平行。这样，从半球面
28、射入的折射光线，将从圆柱体底面中心 C 点反射。设光线在半球面的入射角为 i，折射角为 r。由折射定律有 由正弦定理有 由几何关系，入射点的法线与 OC 的夹角为 i。由题设条件和几何关系有sinLR式中 L 是入射光线与 OC 的距离。由式和题给数据得 由式和题给数据得 9（2017新课标全国卷）一直桶状容器的高为 2l，底面是边长为 l 的正方形；容器内装满某种透明液体，过容器中心轴 DD、垂直于左右两侧面的剖面图如图所示。容器右侧内壁涂有反光材料，其他内壁涂有吸光材料。在剖面的左下角处有一点光源，已知由液体上表面的 D 点射出的两束光线相互垂直，求该液体的折射率。【答案】1.5519联立
29、解得： 由几何关系： 联立解得： n=1.5510（2017新课标全国卷）如图，一半径为 R 的玻璃半球， O 点是半球的球心，虚线 OO表示光轴（过球心 O 与半球底面垂直的直线）。已知玻璃的折射率为 1.5。现有一束平行光垂直入射到半球的底面上，有些光线能从球面射出（不考虑被半球的内表面反射后的光线）。求20（1）从球面射出的光线对应的入射光线到光轴距离的最大值；（2）距光轴 3R的入射光线经球面折射后与光轴的交点到 O 点的距离。 12（2016全国新课标全国卷）如图，玻璃球冠的折射率为 3，其底面镀银，底面的半径是球半径的 2倍；在过球心 O 且垂直于底面的平面（纸面）内，有一与底面垂直的光线射到玻璃球冠上的 M点，该光线的延长线恰好过底面边缘上的 A 点。求该光线从球面射出的方向相对于其初始入射方向的偏角。【答案】 15021根据反射定律可得 i=30连接 ON，由几何关系可知 ，故有故可得 于是 ENO 为反射角， ON 为反射光线，这一反射光线经球面再次折射后不改变方向。所以经一次反射后射出玻璃球冠的光线相对于入射光线的偏角 为
