高中物理竞赛及自主招生光-学专题

精品文本 高中物理竞赛及自主招生光 学专题

一、知识网络或概要 1、几何光学 光的直进、反射、折射。全反射。 光的色散。折射率与光速的关系。 平面镜成像。球面镜反射成像公式及作图法。薄透镜成像公式及作图法。 眼睛。放大镜。显微镜。望远镜。 2、波动光学 光程。光的干涉和衍射。双缝干涉。单缝衍射 光谱和光谱分析。电磁波谱。 3、光的本性 光电效应。爱因斯坦方程。波粒二象性。光子的能量与动量 二、知识点剖析

1．光的直线传播 （1）、光在均匀媒质中是直线传播的，光在真空中的传播速度为c=3.00×108m/s，在其他媒质中的传播速度都小于c. （2）、影：光射到不透明的物体上，在背光面的后方形成一个光线照不到的黑暗区域，就是物体的影，在这黑暗区域中完全照不到的区域叫做本影，只有一部分光照射不到的区域叫做半影。 B为本影区，ACD区为半影区。 B区可看到日全食，A、D区 可看到日偏食；C区可看到 日环食。 月食是月球位于地球阴影区而形成的，若将图中的月球换成地球，则月球位于什么位置时才能看到月食？ 2、光的反射 （1）、光的反射定律：反射光线跟入射光线和法线在同一平面上，反射光线和入射光线分别位于法线的两侧，反射角等于入射角。 （2）、在光的反射中，光路是可逆的。 ①.平面镜就是利用光的反射定律来控制光路和成像的光学器件。.物体在平面镜内可成与物等大的正立虚像，物、像关于镜面对称.在进行平面镜成像作图时，通常先根据物、像对称的特点确定像的位置，再补画必要的入射光线和反射光线。

B 日 月

C

A

D 精品文本 ②球面反射镜 A.成像公式：rss211 B.符号法则：光从左到右入射时，球心C在顶点O之左，为凹面镜，则球面半径r<0；若C在O之右，为凸面镜，则r>0；物点Q在顶点O之左，为实物，则物距s>0；焦距f

的符号规定与s相同；像点Q在顶点O之左，为实像，则s>0,若Q在O之右，为虚像，则s<0。求解时，提述的已知量，冠以符号法则中所规定的正负号，代入公式。所求的未知量，先不管它的正负号，求解结果必带有应该具有的符号。物点不在轴上时，设它与光

轴的垂直距离为y，则Q在光轴之上y >0,在光轴之下y<0；其对应的像y也相同，在光

轴之上为y>0,在光轴下为y<0。横向放大率yyv，v>0表示像为正立；v<0表示像为倒立。 3．光的折射 （1）、光线从一种介质进入另一种介质，传播方向发生改变的现象，叫做光的折射现象。光的折射现象遵守折射定律：折射光线在入射光线和法线决定的平面内；折射光线、入射光线分居法线两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比。 在折射现象中，光路也是可逆的。 （2）、折射率： 光从真空射入某种介质，入射角的正弦与折射角的正弦之比，叫做介质的折射率。表示为：n=sini／sinr.实验证明，介质的折射率等于光在真空中与在该介质中的传播速度之比：n=c／v. 两种介质相比较，折射率较大的介质叫做光密介质，折射率较小的介质叫做光疏介质. （3）薄透镜：透镜两球面在光轴上的间距（即厚度）和它的焦距相比可以忽略不计的透镜。通常用符号 和 分别表示薄凸透镜和凹透镜。特点是光线的入射点和出射点相重合。 （4）透镜成像

A.薄透镜成像公式：fss111 式中f为薄透镜焦距，s和s分别为物距和像距。此公式只有在空气中才适用。 B.符号法则： ①凸透镜的f为正，凹透镜的f为负。 ②对一般实际物体，物距s为正。 ③对凸透镜成像，像距s可正可负。s为正值时，为实像；s为负值时，为虚像。 ④对凹透镜成像，像距s恒为负，总成虚像

⑤物（像）高y（y）在光轴之上，y（y）为正；在光轴之下，y（y）为负。横向放精品文本 大率yyv为正时，表示像是正立的，为负时表示像是倒立。\v\>1表示放大，\v\>1表示缩小。 （5）成像作图法：主要依据三条特殊光线确定像的位置。 ①平行主轴的光线，经凸透镜折射后通过焦点，若为凹透镜，折射光线的反向演唱像通过焦点； ②通过焦点的光线，经凸透镜折射后与主轴平行，若为凹透镜，指向透镜另一侧焦点的光线经折射后与主轴平行； ③通过光心的光线，经透镜后方向不变。 以上三条特殊光线中的任何两条，可以确定像的位置。 ④实像和虚像：两条实际光线的交点为实像点；光线反向延长线的交点为虚像点。像点位置确定后，也同时确定了像的虚实、倒正和大小。实像用光屏接收，经光屏的反射用眼观察。虚像必须用眼直接观察。 4．全反射 光照射到两种介质界面上时，光线全部被反射回原介质的现象称为全反射现象。发生全反射的条件为：1.光线从光密介质射向光疏介质；2.入射角大于或等于临界角.(光线从某

种介质射向真空或空气时的临界角C为：sinC=n1) 温馨提示：在运用光的折射定律作光路图和解决实际问题时，首先要判断是否会发生全反射.在确定未发生全反射的情况下，再根据折射定律确定入射角或折射角。 不同频率的色光在同一介质中传播时，该介质对频率较高的色光的折射率大，对频率较低的色光的折射率小. 同一频率的色光在不同介质中传播时，频率不变，光速（v=c/n）改变，波长亦随之改变（λ=λ0/n,λ0为色光在真空中的波长） 5．光的色散 光线照射到棱镜的一个侧面上时，经两个侧面折射后，出射光线向棱镜的底边偏折.物体经棱镜所成的虚像的位置比物体实际位置向顶角方向偏移. 白光通过棱镜折射后会发生色散现象.光的色散现象表明：(1)白光为复色光；(2)同一介质对不同色光的折射率不同，频率越高的光折射率越大；不同色光在同一介质中的传播速度不同，频率越高的光传播速度越小。 6．折射元件 （1） 眼睛 ㈠ 人眼结构：水晶体：即眼珠，由折射率为1.42的胶状透明物质组成的双凸透镜，前、后面曲率半径分别为1厘米和0.6厘米。 ① 玻璃液：水晶体被一种透明淡盐溶液包围，这种溶液称玻璃液，折射率为1.33。 ② 瞳孔：玻璃液被称为巩膜的白色坚韧的膜包围，形成眼球，直径约为2.4厘米。眼球前方有一小远控，称为瞳孔。外来光束过弱时，瞳孔直径可扩大到0.8厘米。 ③ 视网膜：眼球后方有一极薄的膜，称为视网膜。由视神经把视网膜和大脑联系起来。 精品文本 ㈡ 人眼的调节功能： ① 自调节：水晶体有自我调节功能，使它的曲半径变化，从而自动改变焦点，使物体在视网膜上成像。 ② 近点和远点：眼睛能看清楚的最近点称为近点；最远点称为远点。随着年龄增加，近点逐渐变远，远点逐渐变近。 ③ 非正常眼：正常眼能看清楚眼前25厘米处物体的细节，故把25厘米称为明视距离。远点不在无限远而在眼前有限的距离，称为近视眼。可用凹透镜矫正。近点离眼很远的，称为远视眼，可用凸透镜矫正。眼珠在不同方向的平面内曲率不同，称为散光眼，可用非球面透镜矫正。 （2） 照相机：由物镜、快门、暗箱等组成。用感光片记录物体倒立实像，经显影和定影后，得到明暗对比与物体相反的负片。如为彩照，负片的色彩与物体互成补色。快门控制感光片曝光时间，暗箱防止漏光。物镜中装有调节直径大小的光圈，用来改变像的照度，缩小光圈还可增加成像的景深。复杂的照相机装有可变焦距的物镜。 （3） 放大镜：一个焦距f很短的会聚透镜。f远小与明视距离s，作用是放大物体在视网膜上所成的像。像所张的视角与肉眼观察时物体在明视距离处所张的视角之比，

定义为放大镜的视角放大率M，fsM。 （4） 幻灯片：使透明图片在屏幕上成放大倒立实像的仪器，由光源、聚光器和放映镜头（凸透镜）等组成。 （5） 显微镜 ①． 结构：在放大镜（目镜）前加一个称为物镜的焦距极短的会聚透镜，组成显微镜。物体放在物镜物方焦点外侧附近，经物镜成放大实像于目镜物方焦点内侧附近。再经目镜成放大虚像于明视距离以外。 ②． 放大倍率：物镜、目镜的焦距分别为f0和fe，如光学筒长为，明视距离为

S0,则显微镜放大倍率为：effsM00 负号表示像是倒立的。 （6） 望远镜 ①．结构：物镜为凸透镜，焦距较长，把无穷远处的物成像在物镜的像方焦平面上。目镜有两类，用短焦距凸透镜做目镜的，称为开普勒望远镜，成倒立像。用短焦距凹透镜做目镜的，称为伽利略望远镜，成正立像。

②．放大倍率：用 S0、fe表示物、目镜的焦距，则放大倍率为efsM0，负号表示像是倒的。 ③．最小分辨角：望远镜能辨别远处两物点的最小角距离称为最小分辨角。由光波波长

和望远镜的通光孔D所决定：D22.10. 精品文本 7．光的干涉 （1）、双缝干涉：在用单色光做双缝干涉实验时，若双缝处光的振动情况完全相同，则在光屏上距双缝的路程差为光波波长整数倍的地方出现明条纹；光屏上距双缝的路程差为光波半波长的奇数倍的地方出现暗条纹. 理论和实验都证明，在实验装置不变的条件下，干涉条纹间距(相邻两条明条纹中心或相邻两条暗条纹中心间的距离)跟波长成正比。所以从红光到紫光的干涉条纹间距将越来越小。在用白光做双缝干涉实验时，除中央亮条纹为白色外，两侧均为彩色的干涉条纹。 （2）、薄膜干涉：光照射到薄膜上时，被膜的前、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，可形成明暗相间的干涉条纹；若入射光为白光，可形成彩色的干涉条纹. 温馨提示： 利用双缝干涉可以精确测定光的波长，而薄膜干涉常用于检查平面质量和镜头的增透膜。 8．光的衍射 光离开直线路径而绕到障碍物阴影里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. 9．光的电磁说 （1）、麦克斯韦电磁场理论认为光是一种电磁波.赫兹用实验证实了光的电磁本性. （2）、电磁波谱：电磁波按波长由大到小的顺序排列为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线.其产生机理、性质差别、用途等可概括如下表： 波 谱 无线电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 γ射线

产生机理 振荡电路中自由电子运动 原子外层电子受激发 原子内层电子受激发

原子核受

激发

特 性 波动性强 热效应 引起视觉 化学作用、荧光效应、杀菌

贯穿作用强 贯穿本领

最强

应 用 无线电技术 加热、遥感 照明摄影 感光技术医用消毒 检查探测医用透视 工业探伤医用治疗 10．光谱和光谱分析 光谱分析：根据光谱鉴别物质和确定它的化学组成的方法叫做光谱分析. 11．光电效应 (1)、在光的照射下从物体上发射电子的现象叫做光电效应，发射出的电子叫光电子。光电效应的实验规律如下： ①存在饱和电流 在光照条件不变的情况下，随着所加电压增大，光电流趋于一个饱和值。 入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多，光电流越大。 （当入射光的频率大于截止频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比）