1、物 理 选修3-4 人教版新课标导学第十三章 光 素养整合提升 1 素养脉络构建 2 核心素养提升 3 触及高考演练 素 养 脉 络 构 建光 几何光学折射现象 折射定律折射成像玻璃砖棱镜色散光谱光的颜色折射率定义测量方法 nsin1sin2光密、光疏介质ncv光 几何光学折射现象全反射条件临界角 光导纤维、全反射棱镜波动光学光的干涉双缝干涉测单色光的波长薄膜干涉肥皂膜增透膜空气膜光的衍射单缝衍射小圆孔、小圆盘衍射衍射光栅光波动光学光的偏振证明光是横波偏振的概念自然光和偏振光的区别激光激光的特点及其应用全息照相核 心 素 养 提 升一、光的折射和全反射光的折射和全反射分别遵循折射定律和反射定律
2、，这部分知识主要集中在以下几点：折射定律、折射率 nsin1sin2，临界角公式 sinC1n、光学元件(如平行玻璃砖、全反射棱镜、半圆形玻璃砖等)的光学性质等，需注意问题：1入射角 1 和折射角 2 都是光线与法线的夹角，在折射现象中，光路是可逆的。2介质折射率：nsin1sin2。任何介质的折射率都大于 1；折射率决定于介质的光学特性和光的频率。当光由光疏介质进入光密介质时，折射角 2 小于入射角1；当光由光密介质进入光疏介质时，折射角 2 大于入射角 1，此时 nsin2sin1。3全反射现象在现代科技和生活中有着广泛的应用，解决此类问题时要理解全反射的条件和临界角的定义。4解题时要根据
3、两个定律作出光路图，再根据几何关系找出各个物理量之间的关系，根据 nsin1sin2cv和 cf进行分析求解。(2019山东省德市高三模拟)如图所示，一救生艇停在平静的水面上，艇前部上端有一标记 P，在其正前方 A 处有一浮标，测得 PA 连线与竖直方向的夹角为 53。潜水员下潜至水下 B 点时，看到 P 刚好被浮标挡住，且恰好看到艇尾端后方水面上的景物，已知水的折射率 n43，B 点到艇尾部的水平距离 L6 m，忽略救生艇的吃水深度。(1)求光在水中的传播速度的大小v；(2)求B点到水面的竖直距离H；(3)若潜水员从B点竖直上升至B时(图中未标出)，水面上方所有的景物都出现在顶角为2ABD的
4、圆锥里，求B点到水面的竖直距离h。解析：(1)vcn310843 m/s2.25108 m/s(2)根据题意作出光路图，如图所示：由图可得 sinC1n34H LtanC 637 m2 7 m(3)由图可知，根据折射定律 nsin53sin 43所以 sin0.6又因为 tanADH，tanCADh由此可得 B点到水面的竖直距离 h3.5 m。答案：(1)2.25108 m/s(2)2 7 m(3)3.5 m二、光的干涉、衍射和偏振1光的干涉(1)频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两个相干光源发出的光相遇，才能产生稳定的干涉现象。(2)产生明暗条纹的条件若用单色光，在屏上将出现明暗相间的条纹
5、，当两个光源到屏上某点的路程差为波长的整数倍，即 sn(n0,1,2，)时，两列光在这点相互加强，这里出现亮条纹；当两个光源到屏上某点的路程差为半波长的奇数倍，即 s(2n1)2(n0,1,2，)时，两列光在这点相互削弱，这里出现暗条纹。(3)薄膜干涉的明暗条纹由薄膜的前后两个表面反射的两列光波叠加而成。劈形薄膜干涉可产生等间距的条纹。(4)波长的测量明纹之间或暗纹之间的距离总是相等的，根据公式 xld，在狭缝间距离和狭缝与屏距离都不变的条件下，条纹的间距跟波长成正比。2光的衍射(1)光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象，叫光的衍射。(2)产生明显衍射的条件：障碍物或孔的尺寸跟光的波长差不多
6、甚至比光的波长还要小。3光的偏振(1)光只沿着某一特定的方向振动，称为光的偏振。(2)平时我们所看到的光，除直接从光源射来的以外都是偏振光。(3)光的偏振也证明了光是一种波，而且是横波。(多选)(2019江苏省扬州中学高二下学期期中)以下说法中正确的是()A图甲是一束复色光进入水珠后传播的示意图，其中a束光在水珠中传播的速度一定大于b束光在水珠中传播的速度B图乙是一束单色光进入平行玻璃砖后传播的示意图，当入射角i逐渐增大到某一值后不会再有光线从bb面射出C图丙是双缝干涉示意图，若只减小屏到挡板间距离L，两相邻亮条纹间距离x将减小D图丁是用干涉法检测工件表面平整程度时得到的干涉图样，弯曲的干涉条
7、纹说明被检测的平面在此处是凸起的E图戊中的M、N是偏振片，P是光屏，当M固定不动缓慢转动N时，光屏P上的光亮度将发生明、暗交替变化，此现象表明光波是横波解析：根据折射率和光的传播速度之间的关系 ncv，可知，折射率越大，传播速度越小，从图中可以看出，b 光线在水珠中偏折得厉害，即 b 的折射率大于a 的折射率，则 a 在水中的传播速度大于 b 的传播速度，故 A 正确；当入射角 i逐渐增大折射角逐渐增大，由于折射角小于入射角，不论入射角如何增大，玻璃砖中的光线不会消失，故肯定有光线从 bb面射出，故 B 错误；根据 xLd，可知只减小屏到挡板间距离 L，两相邻亮条纹间距离 x 将减小，故 C
8、正确；由于不知道被测样表面的放置方向，故不能判断此处是凸起的，故 D 错误；只有横波才能产生偏振现象，所以光的偏振现象表明光是一种横波，故 E 正确。故选ACE。答案：ACE三、光的折射对光路的控制1玻璃砖对光路的控制：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。2三棱镜对光路的控制(1)光密三棱镜：光线两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。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)。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
9、射出(如图乙)，入射光线和出射光线互相平行。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。(多选)如下图所示为用a、b两种单色光分别通过同一双缝干涉装置获得的干涉图样。现让a、b两种光组成的复色光穿过平行玻璃砖或三棱镜时，光的传播方向中可能正确的是()AD 解析：根据双缝干涉相邻条纹间距公式 xLd 可知，a 光的波长大，则同一介质对 a 光的折射率小，对 b 光的折射率大。根据平行玻璃砖的光学特性可知，出射光线与入射光线平行，由于 a 光的折射率小，偏折程度小，所以出射时 a 光应在右侧，故 A 正确；B 错误；由 sinC1n分析可知，a 光的临
10、界角较大，当光从棱镜射入空气中时，若 b 不发生全反射，能射出棱镜，则 a 光一定也不发生全反射，故 C 错误；当光从棱镜射入空气中时，若 a 不发生全反射，能射出棱镜，b 光可能发生全反射不从棱镜射出，此图是可能的，故 D 正确。触 及 高 考 演 练从近几年的高考来看，本章是高考的热点，折射定律和不同色光的折射率问题常常成为考点，而且大多将光的本性和几何光学相结合进行考查，题型多以选择题和计算题形式出现。一、高考真题探析(2019全国卷，34)如图，一艘帆船静止在湖面上，帆船的竖直桅杆顶端高出水面 3 m。距水面 4 m 的湖底 P 点发出的激光束，从水面出射后恰好照射到桅杆顶端，该出射光
11、束与竖直方向的夹角为 53(取 sin 530.8)。已知水的折射率为43。(1)求桅杆到P点的水平距离；(2)船向左行驶一段距离后停止，调整由P点发出的激光束方向，当其与竖直方向夹角为45时，从水面射出后仍照射在桅杆顶端，求船行驶的距离。解析：(1)设光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为 x1，到 P 点的水平距离为 x2；桅杆高度为 h1，P 点处水深为 h2；激光束在水中与竖直方向的夹角为。由几何关系有x1h1tan 53x2h2tan 由折射定律有sin 53nsin 设桅杆到 P 点的水平距离为 x，则xx1x2联立式并代入题给数据得x7 m(2)设激光束在水中与竖直方向的夹角为 4
12、5时，从水面出射的方向与竖直方向夹角为 i，由折射定律有sin insin 45设船向左行驶的距离为 x，此时光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为x1，到 P 点的水平距离为 x2，则x1x2xxx1h1 tan i x2h2 tan 45联立式并代入题给数据得x(6 23)m5.5 m答案：(1)7 m(2)5.5 m二、真题临场练兵1(2019北京卷，14)利用图1所示的装置(示意图)，观察光的干涉、衍射现象，在光屏上得到如图2中甲和乙两种图样。下列关于P处放置的光学元件说法正确的是()A甲对应单缝，乙对应双缝B甲对应双缝，乙对应单缝C都是单缝，甲对应的缝宽较大D都是双缝，甲对应的双缝间距
13、较大解析 由题图2中给出的甲、乙两种图样可知，甲是单缝衍射的图样，乙是双缝干涉的图样，A项正确；B、C、D项均错误。A2(2019全国卷，34)某同学利用图示装置测量某种单色光的波长。实验时，接通电源使光源正常发光；调整光路，使得从目镜中可以观察到干涉条纹。回答下列问题：(1)若想增加从目镜中观察到的条纹个数，该同学可_；A将单缝向双缝靠近B将屏向靠近双缝的方向移动C将屏向远离双缝的方向移动D使用间距更小的双缝B(2)若双缝的间距为 d，屏与双缝间的距离为 l，测得第 1 条暗条纹到第 n 条暗条纹之间的距离为 x，则单色光的波长 _；(3)某次测量时，选用的双缝的间距为 0.300 mm，测
14、得屏与双缝间的距离为1.20 m，第 1 条暗条纹到第 4 条暗条纹之间的距离为 7.56 mm。则所测单色光的波长为_nm(结果保留 3 位有效数字)。dxn1l630 解析：(1)若想增加从目镜中观察到的条纹个数，需要减小条纹间距，由公式xld 可知，需要减小双缝到屏的距离 l 或增大双缝间的距离 d，故 B 项正确，A、C、D 项错误。(2)由题意可知，xn1ld dxn1l。(3)将已知条件代人公式解得 630 nm。3(2019天津卷，9)某小组做测定玻璃的折射率实验，所用器材有：玻璃砖，大头针，刻度尺，圆规，笔，白纸。(1)下列哪些措施能够提高实验准确程度_。A选用两光学表面间距大
15、的玻璃砖B选用两光学表面平行的玻璃砖C选用粗的大头针完成实验D插在玻璃砖同侧的两枚大头针间的距离尽量大些AD (2)该小组用同一套器材完成了四次实验，记录的玻璃砖界线和四个大头针扎下的孔洞如下图所示，其中实验操作正确的_。D(3)该小组选取了操作正确的实验记录，在白纸上画出光线的径迹，以入射点 O 为圆心作圆，与入射光线、折射光线分别交于 A、B 点，再过 A、B 点作法线 NN的垂线，垂足分别为 C、D 点，如图所示，则玻璃的折射率 n_。(用图中线段的字母表示)ACBD解析：(1)为了减小实验误差，选用的玻璃砖前后表面间距应尽量大些，即使玻璃砖内的折射光线尽量长些，A 正确；测量折射率时，
16、只需找出入射光线和折射光线，因此玻璃砖的两光学表面可以不平行，B 错误；为了减小实验误差应选用较细的大头针完成实验，C 错误；两枚大头针之问的距离尽量大些，描绘出的光线误差会较小些，D 正确；(2)由题图可知，选用的玻璃砖两光学表面平行，则入射光线应与出射光线平行，BC 错误；又光线在玻璃砖中与法线的夹角应小于光线在空气中与法线的夹角，A 错误，D 正确；(3)由折射定律可知 nsinAOCsinBODACAOBDBOACBD。4(2019江苏卷，13B)(2)将两支铅笔并排放在一起，中间留一条狭缝，通过这条狭缝去看与其平行的日光灯，能观察到彩色条纹，这是由于光的_(选填“折射”“干涉”或“衍
17、射”)。当缝的宽度_(选填“远大于”或“接近”)光波的波长时，这种现象十分明显。(3)如图所示，某L形透明材料的折射率n2。现沿AB方向切去一角，AB与水平方向的夹角为。为使水平方向的光线射到AB面时不会射入空气，求的最大值。衍射接近解析：(2)通过两支并排放在一起的铅笔观察与其平行的日光灯，看到的彩色条纹是单缝衍射条纹，是由光的衍射产生的。当缝的宽度接近光的波长时，单缝衍射现象十分明显。(3)全反射 sin C1n，且 C90，得 60。5(2019全国卷，34)如图，直角三角形 ABC 为一棱镜的横截面，A90，B30。一束光线平行于底边 BC 射到 AB 边上并进入棱镜，然后垂直于AC 边射出。(1)求棱镜的折射率；(2)保持 AB 边上的入射点不变，逐渐减小入射角，直到 BC 边上恰好有光线射出。求此时 AB 边上入射角的正弦。答案：(1)3(2)3 22解析：(1)光路图及相关量如图所示。光束在 AB 边上折射，由折射定律得sin isin n式中 n 是棱镜的折射率。由几何关系可知60由几何关系和反射定律得B联立式，并代入 i60得n 3 (2)设改变后的入射角为 i，折射角为，由折射定律得sin isin n依题意，光束在 BC 边上的入射角为全反射的临界角 c，且sin c1n 由几何关系得c30由式得入射角的正弦为sin i 3 22