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高考综合复习——光学专题复习编稿：郁章富审稿：李井军责编：郭金娟总体感知知识网络考纲要求考点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ⅡⅠⅠⅠ实验：测定玻璃的折射率实验：用双缝干涉测量光的波长命题规律1．从近几年的高考试题来看，命题频率最高的知识点是几何光学中不同色光的折射率问题和光的全反射问题，而且大多将光的本性和几何光学的知识结合起来进行考查，题型多以选择题为主。2．在新课标教材中，此部分内容位于选考系列，在今后的高考中出题的可能性很大，重点应是几何光学和物理光学的综合应用。预计在今后的高考中，对本专题内容的考查将会以定性为主，试题难度不会太大，且重点考查光的折射定律，折射率和光速、频率的关系，光的干涉（尤其是薄膜干涉）。复习中应注意对全反射、临界角、光的衍射等基本规律、概念的理解和掌握以及通过做光路图、综合几何关系的计算来掌握对基本规律的应用。复习策略1．在复习光时，注意该部分问题高中阶段要求虽不太高，但该部分知识比较琐碎，概念较多，应在理解概念和规律上多下功夫。重点是光的折射、光的干涉及光的衍射现象以及利用它们分析解决实际问题。2．干涉和衍射的图样有相似之处，都是明暗相间的条纹。只是干涉条纹中条纹宽度和亮度基本相同，衍射条纹中条纹宽度和亮纹亮度均不等，中央亮纹最宽最亮，应注意二者的区别。3．光的衍射现象表明，光的直线传播是一种近似规律。实际上，在任何条件下；光通过孔或障碍物时都会产生衍射，但只有满足一定的条件，才会发生明显的衍射现象。往往错误理解为只有孔或障碍物的尺寸比光的波长小或者跟光的波长相差不多时，才会发生衍射现象。第一部分光的折射全反射知识要点梳理知识点一——折射定律▲知识梳理1．光的折射光射到两种介质的界面处，一部分进入到另一种介质中，并且改变原来的传播方向的现象叫做光的折射。2．折射定律折射光线跟入射光线和法线在同一平面上，并且分别位于法线两侧，入射角i的正弦跟折射角r的正弦成正比，即常数。3．折射率光从真空射入某种介质发生折射时，入射角i的正弦跟折射角r的正弦之比，叫做这种介质的折射率，即。它还等于光在真空中的速度c跟光在这种介质中的速度v之比，即。特别提醒：（1）任何介质的折射率均大于1。（2）相比较而言，折射率大的物质叫光密介质，折射率小的物质叫光疏介质，因此光疏介质或光密介质是相对的。（3）介质的折射率表明了介质的折光能力，是由介质的属性决定的，不同的介质有不同的折射率，所以光在不同的介质中的速度不同。（4）光的折射现象中，光路是可逆的。▲疑难导析1．怎样认识折射定律折射定律给出了入射光线、法线、折射光线三线的空间分布，即三线在同一个垂直于界面的平面内，分别位于两种介质中，且位于法线两侧；给出了两角的数量关系，即两角正弦值之比是一个常数，不是两角之比是一个常数。入射角和折射角分别是入射线和法线、折射线和法线的夹角，而不是跟界面的夹角。2．如何理解折射率（1）当光从真空射入某一介质中时，入射角、折射角都可以发生变化，但它们的正弦值之比却是不变的，是一个常数，例如，当介质是水时，这个常数是1.33。（2）对于不同介质，这个常数不同。例如光从真空射入玻璃时这个常数是1.5。介质不同n不同，说明n反映了介质的光学性质，这个常数叫介质的绝对折射率，简称折射率。光在介质中的传播速度与介质的折射率n有关，即，对此公式要求能熟练运用，但不要求知道公式是怎么来的。由知道介质的折射率n＞1，即，就是说光由真空射入介质时，都是入射角大于折射角，折射光线向法线偏折；反之当光由介质射入真空时，入射角小于折射角，折射光线远离法线偏折。折射率n是反映介质光学性质的物理量，它的大小只能由介质本身的物质结构及光的频率决定，与入射角、折射角的大小无关，“折射率n与入射角的正弦成正比，与折射角的正弦成反比”的说法是错误的。例如：入射角正弦值变为原来的2倍，折射角的正弦亦变为原来的2倍，但n不变。：空中有一只小鸟，距水面3m，其正下方距水面4m深处的水中有一条鱼。已知水的折射率为4/3。（1）鸟从空中看到水中的鱼离它的距离是多少？（2）鱼在水中看空中的鸟离它的距离是多少？解析：（1）首先作出鸟看鱼的光路图，如图所示：由于是在竖直方向上看，所以入射角很小，即图中的i和r均很小，故有。由图可得m＝3m则鸟看水中的鱼离它m=6m（2）同理可得鱼看鸟时：m=4m则m=8m。知识点二——全反射▲知识梳理1．全反射光从光密介质射入光疏介质时，在界面处，一部分光被反射，另一部分光被折射到另一种介质中，随着入射角的增大，折射角增大，且折射光线能量减弱，反射光线能量增强，当入射角增大到某一角度时，使折射角等于，折射光线消失，只剩下反射光线，这种现象叫做全反射。2．临界角在全反射中，当折射角等于时的入射角叫临界角。临界角C的计算：当光线由某种折射率为n的介质射入真空（或空气）时，。3．发生全反射的条件光从光密介质射向光疏介质；入射角大于或等于临界角。4．全反射现象的应用在理解并掌握了全反射现象及其产生的条件后，可以举出一些现象，运用全反射的知识进行分析解释。例如：（1）草叶上的露珠在阳光照射下晶莹透亮，空试管放在盛水的烧杯中，会看到试管壁很明亮，等等。（2）光导纤维是全反射的实际应用，与现代科学技术的发展关系密切。光导纤维，简称光纤，如图所示。光导纤维是利用全反射的原理来传播光信号的，通常光纤是由内芯和外套两层组成的，内芯的折射率比外套大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射，利用光纤可实现光纤通信，而光纤通信的主要优点是容量大、衰减小、抗干扰。▲疑难导析对全反射现象的理解全反射现象在生活中常会遇到，在学习中要认识并掌握全反射现象产生的条件：一是光由光密介质进入光疏介质，二是入射角大于（或等于）临界角。首先要正确理解“光密”和“光疏”的概念，不但要了解“密”与“疏”是相对而言的，还不能把光密与光疏跟介质密度的大小混同起来，例如酒精对水来说是光密介质，它的密度却比水小。其次，要正确理解临界角的概念。为此，要清楚地认识到在全反射现象中折射角随入射角的增大而增大，入射角增大到某一角度时，折射角达到最大值（），再增大入射角，光疏介质中就没有折射光了，还要注意，随着入射角和折射角的增大，反射光不断增强，折射光不断减弱，当折射角接近时，折射光急剧减弱（直到为零），反射光急剧增强（直到跟入射光强度相等）。：光导纤维的结构如图所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播。以下关于光导纤维的说法正确的是（）A．内芯的折射率比外套大，光传播时在内芯与外套的界面发生全反射B．内芯的折射率比外套小，光传播时在内芯与外套的界面发生全反射C．内芯的折射率比外套小，光传播时在内芯与外套的界面发生折射D．内芯的折射率与外套相同，外套的材料有韧性，可以起保护作用答案：A解析：发生全反射的条件是光从光密介质进入光疏介质，且入射角大于临界角。光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝，直径只有几微米到一百微米之间，由内芯和外套组成，内芯的折射率比外套大，光从一端进入，经内芯与外套的界面多次全反射从另一端射出，从而使载有声音、图像以及各种数字信号的激光在光纤中随全反射远距离传播，实现光纤通信。所以选项A正确。知识点三——棱镜、光的色散▲知识梳理1．棱镜棱柱形的透明体为棱镜，而横截面为三角形的棱镜即为三棱镜。折射率大于周围介质的棱镜具有使光线向底面偏折的作用，一个物体通过它所成的虚像则向顶角偏移。而折射率小于周围介质的棱镜对光线的作用则正好相反。需注意的是光在通过三棱镜时，光线要经过两次折射。2．一束白光经棱镜折射后会发生色散现象。复色光在介质中由于折射率不同而分解成单色光的现象，叫做光的色散。一束白光通过三棱镜后产生色散，在屏上形成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫彩色光谱，说明白光是复色光。3．不同色光在介质中的速度是不同的红光在玻璃中的光速最大，故红光在玻璃中的折射率最小，偏向角也最小，而紫光在玻璃中的光速最小，故紫光在玻璃中的折射率最大，偏向角也最大，因此白光由于各色光通过棱镜后偏向角不同而产生色散现象（如图）。特别提醒：（1）白光为复色光。（2）同一介质对不同色光的折射率不同，频率越大的色光折射率越大。（3）不同色光在同一介质中传播速度不同。▲疑难导析正确理解光的频率、折射率、光速等物理量的关系白光通过三棱镜后会发生色散，光从一种介质射入另一种介质时，频率是不变的。但同一介质对不同频率的入射光，折射率n不同，入射光频率越高，介质的折射率就越大。红光到紫光的特点如下表所示：物理量红橙黄绿蓝靛紫原理频率波动理论折射率实验测定同种介质中光速同种介质中波长同种介质中折射率：红光和紫光相比（）A．红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较大B．红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较大C．红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较小D．红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较小答案：B解析：在电磁波谱中，紫光的频率比红光高，由爱因斯坦的光子说可知，紫光的能量较大；由于紫光的频率高，故紫光在同介质中的折射率较大，由可知，在同一介质中，紫光传播速度较小，而红光传播速度较大；由以上分析得，正确选项为B。典型例题透析题型一——光的折射的理解和计算分析解决有关光的折射问题的一般思路：（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，要注意入射角、折射角均以法线为标准。（3）利用折射定律、折射率公式（、）求解。（4）注意在折射现象中，光路是可逆的。特别提醒：①准确、规范地画出光路图是解决几何光学问题的前提和关键。②从光路图上找准入射角和折射角，应用数学知识求出它们的正弦值。必要时可利用光路可逆原理辅助解题。1、如图所示，巡查员站立于一空的贮液池边，检查池角处出液口的安全情况。已知池宽为Ｌ，照明灯到池底的距离为Ｈ。若保持照明光束方向不变，向贮液池中注入某种液体，当液面高为时，池底的光斑距离出液口。（1）试求当液面高为时，池底的光斑到出液口的距离x。（2）控制出液口缓慢地排出液体，使液面以的速率匀速下降，试求池底的光斑移动的速率。思路点拨：因折射率不变，若保持照明光束方向不变，即入射角不变，则折射角也不变，根据几何关系可求解。解析：（1）设光斑距离出液口的距离为x，液面高为h，光斑距入射点的水平距离为l，如图：由几何关系知，即将代入解得液面高度变化，折射角不变，所以由得，即所以将代入解得。（2）由可得，液面速率匀速下降，光斑也做匀速运动。总结升华：池中没有液体时，光沿直线传播，池中注入液体时会发生折射现象，正确地画出折射光路图是计算折射率的关键。举一反三【变式】如图所示，游泳池宽度L=15m，水面离岸边的高度为0.5m，在左岸边一标杆上装有一A灯，A灯距地面高0.5m，在右岸边站立着一个人，E点为人眼的位置，人眼距地面离1.5m，若此人发现A灯经水反射所成的像与左岸水面下某处的B灯经折射后所成的像重合，已知水的折射率为1.3，则B灯在水面下多深处？（B灯在图中未画出）解析：如图所示，设水面为CF，A到水面点C的距离为，B灯与水面点C之间的距离为，人眼到水面上点F之间的距离为，点C、D之间的距离为由A灯光的反射得得=5m对B灯光的折射过程，有，解得：=4.35m即灯在水面下4.35m深处。题型二——对全反射的理解和计算分析光的全反射、临界角问题的一般思路：（1）画出恰好发生全反射的光路。（2）利用几何知识分析线、角关系，找出临界角。（3）以刚好发生全反射的光线为比较对象来判断光路是否发生全反射，从而画出其他光线的光路图。2、如图，置于空气中的一不透明容器中盛满某种透明液体。容器底部靠近器壁处有一竖直放置的6.0cm长的线光源。靠近线光源一侧的液面上盖有一遮光板，另一侧有一水平放置的与液面等高的望远镜，用来观察线光源。开始时通过望远镜不能看到线光源的任何一部分。将线光源沿容器底向望远镜一侧平移至某处时，通过望远镜刚好可能看到线光源底端。再将线光源沿同一方向移动8.0cm，刚好可以看到其顶端。求此液体的折射率n。思路点拨：当折射角等于时