（北京專用）2020版高考物理大一輪復習 專題十五 光學課件.ppt

考點清單,考點一光的折射與全反射 考向基礎 一、光的折射、折射率 光線從一種介質斜射入另一種介質,傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象叫做光的折射。 1.折射定律 (1)內容:折射光線與入射光線、法線在同一平面內;折射光線與入射光線分別位于法線的兩側;入射角的正弦與折射角的正弦成正比。 (2)在折射現(xiàn)象中,光路是可逆的。,2.折射率 (1)折射率是一個反映介質的光學性質的物理量。 (2)定義式:n=。 (3)計算公式:n=,因為v<c,所以任何介質的折射率都大于1。 (4)光密介質與光疏介質是相對的。 3.色散 在色散現(xiàn)象中,紅光偏向角最小,即棱鏡對紅光的折射率最小。由公式n=可知紅光在介質中的傳播速度最大。 將各種色光的情況列表統(tǒng)計如下:,二、全反射、光導纖維 1.光從光密介質射到光疏介質的界面上時,全部被反射回原介質的現(xiàn)象稱為全反射現(xiàn)象。 2.發(fā)生全反射的條件:(1)光由光密介質射向光疏介質。 (2)入射角大于或等于臨界角。(光從某介質射向真空時臨界角為C,sin C=) 3.光導纖維 光導纖維的原理是光的全反射。如圖所示。,考向突破 考向一對光的折射定律和折射率的理解及應用 1.折射率只由介質本身的光學性質和光的頻率決定。由n=定義和 計算,與入射角1、折射角2無關。 2.由n=可計算折射率,n是從真空射入某種介質的折射率。對兩種介質 來說,若n1n2,則折射率為n1的稱為光密介質,折射率為n2的稱為光疏介,質。 3.光從一種介質進入另一種介質時頻率不變,波長改變,光速改變,可以根據v=f和n=判斷。,例1圖中所示Ox軸沿水平方向,Oy軸沿豎直向上方向。在x0,y0的區(qū)域內存在某種分布范圍足夠廣的介質,其折射率隨著y的變化而變化。一束細光束入射到介質表面,并沿著如圖所示從a到b的一條弧形路徑傳播。下列判斷正確的是() A.此介質的折射率隨著y的增大而減小 B.海洋蜃景發(fā)生時空氣折射率隨高度的變化與此類似,C.沙漠蜃景發(fā)生時空氣折射率隨高度的變化與此類似 D.這束細光束在繼續(xù)傳播的過程中會發(fā)生全反射,解析由圖像可知,從a到b,光的偏折程度越來越大,即介質折射率隨著y的增大而增大,所以這種情況與沙漠蜃景發(fā)生時空氣折射率隨高度的變化相似,與海洋蜃景發(fā)生時空氣折射率隨高度的變化相反。由于該傳播過程相當于是從光疏介質進入光密介質,所以不可能發(fā)生全反射。,答案C,考向二對全反射現(xiàn)象的理解和綜合分析 1.判斷光線是從光疏介質進入光密介質還是從光密介質進入光疏介質。 2.判斷入射角是否大于臨界角,明確是否發(fā)生全反射現(xiàn)象。 3.畫出反射、折射或全反射的光路圖,必要時還可應用光路的可逆性畫出光路圖,然后結合幾何知識進行推斷和求解相關問題。 4.折射率n是討論折射和全反射問題的重要物理量,是聯(lián)系各物理量的橋梁,跟折射率有關的所有關系式都應熟練掌握。,例2如圖所示,讓光沿著半圓形玻璃磚的半徑射到它的平直的邊上,在這個邊與空氣的界面上會發(fā)生反射和折射。 逐漸增大入射角,觀察反射光線和折射光線的變化。關于該實驗現(xiàn)象,下列說法正確的是() A.反射光線和折射光線都沿順時針方向轉動,B.反射光線和折射光線轉過的角度相同 C.在還未發(fā)生全反射過程中,反射光越來越強 D.最終反射光完全消失,解析增大入射角,反射光線沿逆時針方向轉動,折射光線沿順時針方向轉動,A錯誤。當入射角從0增大到臨界角時,反射光線轉過的角度為臨界角,而折射光線轉過了90,B錯誤。未發(fā)生全反射前,入射角越大,反射光越強,折射光越弱,C正確。發(fā)生全反射時,折射光消失,反射光增強到最大,D錯誤。,答案C,考點二光的波動性 考向基礎 光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象 1.光的干涉 (1)定義:在兩列光波疊加的區(qū)域,某些區(qū)域相互加強,出現(xiàn)亮條紋,某些區(qū)域相互減弱,出現(xiàn)暗條紋,且加強區(qū)域和減弱區(qū)域相互間隔的現(xiàn)象。 (2)條件:兩束光的頻率相同、相位差恒定。 (3)雙縫干涉圖樣特點:單色光照射時形成明暗相間的等間距的干涉條紋;白光照射時,中央為白色亮條紋,其余為彩色條紋。 (4)薄膜干涉:光照射到薄膜上時,薄膜的前、后表面反射的兩列光相疊,加,也可發(fā)生干涉現(xiàn)象。若入射光為單色光,可形成明暗相間的干涉條紋;若入射光為白光,可形成彩色的干涉條紋。 2.光的衍射 光的傳播過程中,遇到障礙物或小孔時光偏離直線傳播路徑而繞到障礙物后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象叫做光的衍射現(xiàn)象。 只有在障礙物或孔的尺寸比光的波長小,或者跟光的波長差不多的條件下,才能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。著名的泊松亮斑就是典型的光的衍射現(xiàn)象。 3.光的偏振 (1)自然光:包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光,而且沿著各個方向振動的光波的強度都相同。,(2)偏振光:在垂直于光的傳播方向的平面上,只沿著某個特定的 方向振動的光。 考向突破 考向一亮、暗條紋的判斷方法和條紋間距 1.雙縫干涉 (1)如圖所示,光源S1、S2發(fā)出的光到屏上某點的路程差r2-r1=k(k=0,1,2,)時,光屏上出現(xiàn)亮條紋。 (2)路程差r2-r1=(2k+1)(k=0,1,2,)時,光屏上出現(xiàn)暗條紋。,2.薄膜干涉 (1)形成:如圖所示,豎直的肥皂薄膜,由于重力的作用,形成上薄下厚的楔形。光照射到薄膜上時,在膜的前表面AA和后表面BB分別反射回來,形成兩列頻率相同的光波,并且疊加。,(2)亮、暗條紋的判斷 在P1、P2處,兩個表面反射回來的兩列光波的路程差r等于波長的整數倍,即r=n(n=1,2,3,),薄膜上出現(xiàn)亮條紋。 在Q處,兩個表面反射回來的兩列光波的路程差r等于半波長的奇數倍,即r=(2n+1)(n=0,1,2,3,),薄膜上出現(xiàn)暗條紋。,例32017年諾貝爾物理學獎授予了三位美國科學家,以表彰他們?yōu)榘l(fā)現(xiàn)引力波所做的貢獻。引力波被認為是時空彎曲的一種效應,物體加速運動時會給宇宙時空帶來擾動,這種擾動會以光速向外傳播能量。如圖為科學家們探測引力波的裝置示意圖,發(fā)射器發(fā)出的激光S 經半透光分束鏡分為相互垂直的兩束光S1和S2,然后經過4 km長的兩臂,在兩臂端點處經反射鏡反射回來,S1 和S2相遇形成干涉,被探測器接收。精確調節(jié)兩臂,使探測器在無引力波作用時,接收到的信號強度為0。當有引力波作用時,兩臂長度將因此而發(fā)生改變,則接收到的信號強度不為0。下列說法正確的是(),A.引力波可以超光速傳播 B.引力波不能傳播能量 C.探測器接收到的兩束波的頻率相同 D.無引力波作用時兩束激光到探測器的路程差為0,解析由題意知引力波會以光速向外傳播能量,所以A、B錯。由題中信息,S1和S2相遇形成干涉,知兩束波的頻率相同,C對。無引力波作用時,接收信號強度為0,說明兩列波疊加減弱,路程差應為半波長的奇數倍,不可能為0,D錯。,答案C,考向二單縫衍射與雙縫干涉的比較,例41924年,德布羅意提出了物質波理論,他假設實物粒子也具有波動性,大膽地把光的波粒二象性推廣到實物粒子(如電子、質子等),他認為粒子的動量p與波的波長之間遵從關系:=(h為普朗克常量),這一假 說后來在一系列實驗中得到了證實。如圖甲所示,在電子雙縫干涉實驗中,將電子垂直射向兩個緊靠的平行狹縫(電子發(fā)射端到兩狹縫距離相等),在縫后放上一個安裝有電子偵測器的屏幕(屏幕上的O點位于兩狹縫中心對稱軸的正后方,圖中未畫出),電子打到探測器上會在屏幕上出現(xiàn)亮點。在實驗中,以速率v0發(fā)射電子,開始時,屏幕上出現(xiàn)沒有規(guī)律的亮點,但是當大量的電子到達屏幕之后,發(fā)現(xiàn)屏幕上不同位置出現(xiàn)亮點的概率并不相同,且沿垂直雙縫方向呈現(xiàn)出間隔分布,如圖乙所示。這種間隔分布類似于光的干涉中出現(xiàn)的明暗相間的條紋。則下列說法中,正確的是() 甲乙 A.以速率2v0發(fā)射電子,重復實驗,O點可能處在暗條紋上,B.以速率2v0發(fā)射電子,重復實驗,所形成的條紋間距會變小 C.若將兩個狹縫沿垂直縫的方向移動一段很小的距離(不改變狹縫和屏幕間的距離),重復實驗,如果屏幕上仍有間隔的條紋分布,則O點一定處在暗條紋上 D.若將兩個狹縫沿垂直縫的方向移動一段很小的距離(不改變狹縫和屏幕間的距離),重復實驗,如果屏幕上仍有間隔的條紋分布,則O點一定處在明條紋上,解析=,當以速率2v0發(fā)射電子時,減小,由x=知B項正 確。改變發(fā)射電子的速率,但O點到兩狹縫的距離差為0,則O點仍處在明條紋上,A錯。若將兩個狹縫沿垂直縫的方向移動一小段距離,屏幕上仍有干涉條紋,但O點處于明條紋上還是暗條紋上取決于O點到兩狹縫的距離差,C、D項錯。,答案B,考查點物質波、干涉。,解題指導根據=,p=mv,得=,v越大,波長越短,由相鄰干涉條紋間 距x=知,越小,x越小。根據波程差s=n(n=1,2,3,)時為明條紋 判斷O處明暗情況。,考點三光的粒子性 考向基礎 一、光電效應 1.光電效應及其規(guī)律 (1)光電效應現(xiàn)象:在光的照射下,金屬中的電子從其表面逸出的現(xiàn)象。發(fā)射出來的電子叫光電子。 (2)光電效應規(guī)律 a.每種金屬都有一個極限頻率,入射光的頻率必須大于等于這個極限頻率才能產生光電效應。 b.光電子的最大初動能與入射光的強度無關,只隨入射光頻率的增大而增大。,c.光電效應的發(fā)生幾乎是瞬時的,一般不超過10-9 s。 d.當入射光的頻率大于極限頻率時,飽和光電流的大小與入射光的強度成正比。 2.愛因斯坦光電效應方程 (1)光子說:在空間傳播的光不是連續(xù)的,而是一份一份的,每一份叫做一個光子,光子的能量=h。 (2)逸出功W0:電子從金屬表面逸出所需做功的最小值。 (3)最大初動能:發(fā)生光電效應時,金屬表面上的電子吸收光子后克服原子核的引力逸出時所具有的動能的最大值。 (4)光電效應方程 a.表達式:h=Ek+W0或Ek=h-W0。,b.物理意義:金屬中的電子吸收一個光子獲得的能量是h,這些能量的一部分用來做逸出功W0,剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的最大初動能。 二、光的波粒二象性 1.光的波粒二象性 (1)波動性:光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象證明光具有波動性。 (2)粒子性:光電效應、康普頓效應說明光具有粒子性。 (3)光既具有波動性,又具有粒子性,稱為光的波粒二象 性。 2.物質波和概率波 (1)物質波 任何一個運動著的物體,小到微觀粒子大到宏觀物體都有一種波與它對,應,其波長=,p為運動物體的動量,h為普朗克常量。人們把這種波稱 為物質波。 (2)概率波 光的干涉現(xiàn)象是大量光子的運動遵守波動規(guī)律的表現(xiàn),亮條紋是光子到達概率大的地方,暗條紋是光子到達概率小的地方,因此 光波又叫概率波。,光電效應的研究思路 (1)兩條線索 (2)兩條對應關系 光強大光子數目多發(fā)射光電子多光電流大 光子頻率高光子能量大光電子的最大初動能大,考向突破 考向一光電效應的實驗規(guī)律,例5光照在某金屬表面上發(fā)生了光電效應。若只減弱光的強度,而保持頻率不變,則() A.有可能不發(fā)生光電效應 B.逸出的光電子的最大初動能將減小 C.單位時間內從金屬表面逸出的光電子數將減少 D.從光照射到金屬表面到有光電子逸出的時間明顯增加,解析減小光強,但光的頻率不變,因此仍能發(fā)生光電效應,A項錯。由光電效應方程:Ekm=h-W0知,光電子的最大初動能Ekm不變,B項錯。電子吸收入射光子能量從而逸出金屬表面時間極短,約為10-9 s,不受光強影響,D項錯。因為入射光子數減少,所以有更少的電子吸收入射光子能量而逸出,C項正確。,答案C,考向二光電效應圖像,例6用圖甲所示的電路研究光電效應中電子發(fā)射的情況與照射光的強弱、光的頻率等物理量間的關系。電流計G測得的光電流I隨光電管兩端電壓U的變化如圖乙所示,則() A.通過電流計G的電流方向由d到c,B.電壓U增大, 光電流I一定增大 C.用同頻率的光照射K極,光電子的最大初動能與光的強弱無關 D.光電管兩端電壓U為零時一定不發(fā)生光電效應,解析光電子從K極逸出向A極運動,所以通過電流計G的電流方向由cd,A錯誤。由乙圖可知U增大到某一數值后,I不再變大,B錯誤。由光電效應方程及遏止電壓可知,h=W+eUc,同頻率的光遏止電壓Uc相同,光電子最大初動能相同,C正確。由圖乙可知U=0時,I0,光電效應照樣發(fā)生,D錯誤。,答案C,解題關鍵熟知光電效應方程及遏止電壓Uc的含義。,方法技巧,方法1光的折射定律、全反射及色散知識綜合分析法 在光的折射問題中,同時會涉及折射光線的方向確定,是否發(fā)生全反射現(xiàn)象以及光的色散現(xiàn)象。解決這類問題需要綜合運用折射定律,發(fā)生全反射的條件及臨界角,以及各種色光的頻率、波長等相關知識,逐步探索分析。 例1如圖所示,用一束太陽光去照射橫截面為三角形的玻璃磚,在光屏上能觀察到一條彩色光帶。以下說法正確的是(),解析玻璃磚對紅光的折射率最小,對紫光的折射率最大,根據折射率大小分析臨界角的大小,從而確定減小太陽光的入射角時發(fā)生全反射的順序。白光通過三棱鏡發(fā)生色散,在光屏上從上至下依次為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫,波長依次減小,頻率依次增大,折射率也依次增大,即玻璃對紫光的折射率最大,A項錯誤。由公式E=h可知,紫光頻率最大,紫光光子能量也最大,B項正確。此現(xiàn)象是光的折射形成的,C項錯誤。減小太陽光的入射角度,各種色光在玻璃磚的右表面射向空氣時,可能會依次達到臨界角,因為紫光折射率最大,則其臨界角最小,且各種色光中紫光在右側射入空氣時的入射角最大,所以紫光最先發(fā)生全反射,在光屏上最先消失,D項錯誤。,答案B,方法2有關光的能量問題的綜合分析方法 光子學說體現(xiàn)了光的能量觀點,認定每個光子有一定的能量E=h,而光強是光子總能量的體現(xiàn),即E=Nh。因此,可以把光子能量與其他有關能量的知識聯(lián)系起來,構成綜合性的題目。,例22016年9月25日,被譽為“中國天眼”的世界最大單口徑射電望遠鏡(簡稱FAST)在貴州省平塘縣落成啟用,開始接收來自宇宙深處的電磁波。中國天眼的存在,使得深空通訊能力延伸至太陽系外緣行星,對探索宇宙的起源和地外文明具有重要意義。,如果為天眼配備一部發(fā)射功率為百萬瓦級(106W)的發(fā)射機,其發(fā)射的無線電波波長為126厘米。那么該發(fā)射機每秒鐘發(fā)射的光子數量的數量級約為(取真空光速c =31 m/s,普朗克常量h=6.610-34 Js)() A.1023B.1027 C.1031D.1035,解析設每秒發(fā)射的光子數為n,發(fā)射機每秒發(fā)射的總能量為:Pt=nh, 將題中數據代入得:n=6.361030,數量級更接近選項C。,答案C,