高三物理光学.docx

第十四章高三物理光学一、光的直线传播1.光在同一种均匀介质中是沿直线传播的前提条件是在同一种介质，而且是均匀介质。

否则，可能发生偏折。

如光从空气斜射入水中（不是同一种介质）；“海市蜃楼”现象（介质不均匀）。

当障碍物或孔的尺寸和波长可以相比或者比波长小时，将发生明显的衍射现象，光线将可能偏离原来的传播方向。

解光的直线传播方面的计算题（包括日食、月食、本影、半影问题）关键是画好示意图，利用数学中的相似形等几何知识计算。

l。

vt例 1. 如图所示，在 A 点有一个小球，紧靠小球的左方有一个点光源 SS A h x现将小球从 A 点正对着竖直墙平抛出去，打到竖直墙之前，小球在点光源照射下的影子在墙上的运动是A.匀速直线运动B.自由落体运动C.变加速直线运动D.匀减速直线运动1gt2，根据相似形知识可解：小球抛出后做平抛运动，时间 t 后水平位移是 vt，竖直位移是 h=gl2t ，因此影子在墙上的运动是匀速运动。

以由比例求得 x t2v2.光速8光在真空中的转播速度为 c=3.00×10 m/s。

⑴光在不同介质中的传播速度是不同的。

根据爱因斯坦的相对论光速不可能超过c。

-9-9⑵近年来（ 1999-）科学家们在极低的压强（ 10 Pa）和极低的温度（ 10 K ）下，得到一种物质的凝聚态，光在其中的速度降低到17m/s，甚至停止运动。

11⑶也有报道称在实验中测得的光速达到10 m/s，引起物理学界的争论。

1.像的特点平面镜成的像是正立等大的虚像，像与物关于镜面为对称。

2.光路图作法根据平面镜成像的特点，在作光路图时，可以先画像，后补光路图。

3.充分利用光路可逆在平面镜的计算和作图中要充分利用光路可逆。

（眼睛在某点 A 通过平面镜所能看到的范围和在 A 点放一个点光源，该电光源发出的光经平面镜反射后照亮的范围是完全相同的。

）4.利用边缘光线作图确定范围例2 如图所示，画出人眼在S处通过平面镜可看到障碍物后地面的范围。

解：先根据对称性作出人眼的像点S /，再根据光路可逆，设想S 处有一个点光源，它能通过平面镜照亮的范围就是人眼能通过平面镜看到的范围。

图中画出了两条边缘光线。

例 3. 如图所示，用作图法确定人在镜前通过平面镜可看到 AB 完整像的范围。

解：先根据对称性作出 AB 的像 A/ B/，分别作出 A 点、B 点发出的光经平面镜反射后能射到的范围，再找到它们的公共区域（交集）。

就是能看到完整像的范围。

S /M N SP Q看到 AB 完整像的范围ABM NA/B/三、折射与全反射1.折射定律折射定律的各种表达形式：n sinsin 12c1(θ1为入、折射角中的较大者。

) v sin C0折射光路也是可逆的。

2.各种色光性质比较可见光中，红光的折射率 n 最小，频率ν最小，在同种介质中（除真空外）传播速度 v 最大，波长λ最大，从同种介质射向真空时发生全反射的临界角C 最大，以相同入射角在介质间发生折射时的偏折角最小（注意区分偏折角和折射角）。

以上各种色光的性质比较在定性分析时非常重要，一定要牢记。

3.边作图边计算有关光的折射和全反射，在解题时要把计算和作图有机地结合起来，根据数据计算反射角、折射角，算一步画一步，画一步在根据需要算一步。

作图要依据计算结果，力求准确。

例 4. 直角三棱镜的顶角α =15°, 棱镜材料的折射A率 n=1.5，一细束单色光如图所示垂直于左侧面射C入，试用作图法求出该入射光第一次从棱镜中射出α的光线。

BD解：由 n=1.5 知临界角大于 30°小于 45°，边画边算可知该光线在射到 A、B、C、D 各点时的入射角依次是 75°、60°、45°、30°，因此在 A、B、 C 均发生全反射，到 D 点入射角才第一次小于临界角，所以才第一次有光线从棱镜射出。

4.光导纤维全反射的一个重要应用就是用于光导纤维（简称光纤）。

光纤有内、外两层材料，其中内层是光密介质，外层是光疏介质。

光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界面，都要求入射角大于临界角，从而发生全反射。

这样使从一个端面入射的光，经过多次全反射能够没有损失地全部从另一个端面射出。

例 5. 如图所示，一条长度为 L=5.0m 的光导纤维用折射率为 n= 2的材料制成。

一细束激光由其左端的中心点以α= 45°的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出。

求：⑴该激光在光导α纤维中的速度 v 是多大？⑵该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少？解：⑴由 n=c/v 可得 v=2.1×108m/s⑵由 n=sinα /sinr 可得光线从左端面射入后的折射角为 30°，射到侧面时的入射角为 60°，大于临界角 45°，因此发生全反射，同理光线每次在侧面都将发生全反射，直到光线达到右端面。

由三角关系可以求出光线在光纤中通过的总路程为 s=2L/ 3，因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间是 t=s/v=2.7×10-8s。

四、棱镜1.棱镜对光的偏折作用一般所说的棱镜都是用光密介质制作的。

入射光线经三棱镜两次折射后，射出方向与入射方向相比，向底边偏折。

（若棱镜的折射率比棱镜外介质小则结论相反。

）作图时尽量利用对称性（把棱镜中的光线画成与底边平行）。

由于各种色光的折射率不同，因此一束白光经三棱镜折射后发生色散现象（红光偏折最小，紫光偏折最大。

）例 6. 如图所示，一细束红光和一细束蓝光平行射到同一个三棱镜上， 经 a折射后交于光屏上的同一个点 M ，若用 n 1 和 n 2 分别表示三棱镜对红光 Mb和蓝光的折射率，下列说法中正确的是2，a 为蓝光， b 为红光1 2，a 为红光，b 为蓝光 B.n 1A.n <n <n1 2，a 为红光， b 为蓝光 D.n 1 2，a 为蓝光， b 为红光C.n >n>n解：由图可知， b 光线经过三棱镜后的偏折角较小，因此折射率较小，是红光。

4.全反射棱镜横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。

选择适当的入 o射点，可以使入射光线经过全反射棱镜的作用在射出后偏转 90（右图 1）或 180o （右图 2）。

要特别注意两种用法中光线在哪个表面发生全反射。

例 7. 如图所示，自行车的尾灯采用了全反射棱镜的原理。

它虽然本身不发光，但在夜间骑行时，从后面开来的汽车发出的强光照到尾灯后，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面 有自行车。

尾灯的原理如图所示，下面说法中正确的是A.汽车灯光应从左面射过来在尾灯的左表面发生全反射B.汽车灯光应从左面射过来在尾灯的右表面发生全反射C.汽车灯光应从右面射过来在尾灯的左表面发生全反射D.汽车灯光应从右面射过来在尾灯的右表面发生全反射解：利用全反射棱镜使入射光线偏折 180°，光线应该从斜边入射，在两个直角边上连续发生两次全反射。

所以选 C 。

5.玻璃砖所谓玻璃砖一般指横截面为矩形的棱柱。

当光线从上表面入射，从下表面射出时，其特点是：⑴射出光线和入射光线平行；⑵各种色光在第一次入射后就发生色散；⑶射出光线的侧移和折射率、入射角、玻璃砖的厚度有关；⑷可利用玻璃砖测定玻璃的折射率。

例 8. 如图所示，两细束平行的单色光 a 、b 射向同一块玻璃砖的上表面，最终都从玻璃砖的下 表面射出。

已知玻璃对单色光 a 的折射率较小，那么下列说法中正确的有 a bA.进入玻璃砖后两束光仍然是平行的B.从玻璃砖下表面射出后，两束光不再平行C.从玻璃砖下表面射出后，两束光之间的距离一定减小了D.从玻璃砖下表面射出后，两束光之间的距离可能和射入前相同解：进入时入射角相同，折射率不同，因此折射角不同，两束光在玻璃内不再平行，但从下表面射出时仍是平行的。

射出时两束光之间的距离根据玻璃砖的厚度不同而不同，在厚度从小到搭变化时，该距离先减小后增大，有可能和入射前相同（但左右关系一定改变了） 。

例 9. 如图所示，AB 为一块透明的光学材料左侧的端面。

建立直角坐标系如图，设该光学材料的折射率沿 y 轴正方向均匀减小。

现有一束单色光 a 从原点 O 以某一入射角 θ由空气射入该材料内部，则该光线在该材料内部可能的光路是下图中的哪一个yA. yB. yC. yD.yAoxoxox ox oθx aB解：如所示，由于材料折射率由下向上均匀减小，可以想将它分割成折射率不同的薄。

光射到相两的界面，如果入射角小于界i2角，射入上一后折射角大于入射角，光偏离法。

到达更上的界i1面入射角逐增大，当入射角达到界角生全反射，光开始向下θ射去直到从材料中射出。

例 10. 如所示，用透明材料做成一方体形的光学器材，要求从上表面射入的光可能从右面射出，那么所的材料的折射率足A.折射率必大于2B.折射率必小于2C.折射率可取大于 1 的任意D.无折射率是多大都不可能θ1θ2解：从中可以看出，使上表面射入的光两次折射后从右面射出，θ1和θ2 都必小于界角C，即θ1<C，θ2<C，而θ1+θ2=90°，故C>45°，n=1/sinC<2，B 答案。

例 11. 如所示，一束平行色光 a 垂直射向横截面等三角形的棱的左面，棱材料的折射率是 2 。

画出入射光射向棱后所有可能的射出光。

解：由折射率 2 得全反射界角是45°。

光从左面射入后方a向不生改，射到右面和底面的光的入射角都是 60°，大于界角，因此生全反射。

反射光分垂直射向底面和右面。

在底面和右面同有反射光。

由光路可逆知，它最又从左面射出。

所有可能射出的光如所示。

五、光的波性1.光的干涉光的干涉的条件是有两个振情况是相同的波源，即相干波源。

（相干波源的率必相同）。

形成相干波源的方法有两种：⑴利用激光（因激光出的是色性极好的光）。

⑵ 法将同一束光分两束（两束光都来源于同一个光源，因此率必然相等）。

下面 4 个分是利用双、利用楔形薄膜、利用空气膜、利用平面形成相干光源的示意。

a S1cS S2S d2.干涉区域内生的亮、暗S /b⑴亮：屏上某点到双的光程差等于波的整数倍，即δ= nλ（n=0，1，2，⋯⋯）⑵暗：屏上某点到双的光程差等于半波的奇数倍，即δ= 2(2n 1)（n=0，1，2，⋯⋯）相亮（暗）的距离x l。

用此公式可以定色光的波。

用白光作双d干涉，由于白光内各种色光的波不同，干涉条距不同，所以屏的中央是白色亮，两出彩色条。

例 12. 用光做双干涉，在光屏上呈出、暗相的条，相两条条的距离x。

下列法中正确的有A.如果增大到双的距离， x 将增大B.如果增大双之的距离， x 将增大C.如果增大双到光屏之的距离， x 将增大D.如果减小双的每条的度，而不改双的距离，x 将增大中 l 表示双缝到屏的距离， d 表示双缝之间的距离。