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光的折射全反射光的干涉、衍射及偏振电磁波选修3-4模块由“机械振动与机械波”“电磁振荡与电磁波”“几何光学”“相对论”等四个知识板块构成,考纲要求考查的有18个知识点和3个实验,其中重点考查的Ⅱ级考点有3个,分别是“简谐运动的公式和图象”“横波的图象”以及“光的折射定律”。近几年高考基本上采用固定形式考查该部分知识,一个多选题(或填空题),一个计算题,共计15分,选择题往往综合性比较强,但难度较低,计算题考查的内容基本上是在“机械振动与机械波”“几何光学”两部分轮换,难度中等。预计2020年高考对选修3-4的考查仍然将以“机械振动与机械波图象”和“光的折射定律”为主,考查热点可能有:(1)振动图象与波动图象综合问题;(2)利用折射定律及几何知识计算折射率;(3)波速、频率、波长之间的关系计算;(4)麦克斯韦电磁场理论,相对论的两个基本假设;(5)用单摆测量重力加速度;(6)用双缝干涉测量光的波长。要特别关注对简谐运动、机械波的周期性与多解性的考查,以及折射定律结合全反射的考查。第2讲光的折射全反射光的干涉、衍射及偏振电磁波1光的折射定律折射率(1)光的折射定律:折射光线与入射光线、法线处在同一平面内,折射光线与入射光线分别位于法线的两侧;入射角的正弦与折射角的正弦成正比。(2)光的折射规律与光的反射规律的区别:光的传播规律中,入射光线和反射光线在界面的同侧,光的传播速度不变;光的折射规律中,入射光线和反射光线分别在介质分界面的两侧,光的传播速度发生改变。【易错警示】(1)公式n=中,不论是光从真空射入介质,还是从介质射入真空,θ1总是真空中的光线与法线间的夹角,θ2总是介质中的光线与法线间的夹角。(2)折射率是由介质本身性质决定的,与入射角的大小无关。(3)折射率:光从一种介质射入另一种介质时,虽然入射角的正弦跟折射角的正弦之比为一常数n,但是对不同的介质来说,这个常数n是不同的,这个常数n跟介质有关,是一个反映介质的光学性质的物理量,我们把它叫作介质的折射率。(4)介质的折射率与光速的关系:某种介质的折射率,等于光在真空中的速度跟光在这种介质中的速度之比。【温馨提示】(1)折射率与介质的密度没有关系,光密介质不是指密度大的介质。(2)同一种介质中,频率越大的色光折射率越大,传播速度越小。1.1(2019山东济南五中模拟)(多选)光从某种介质射入空气中,入射角i从零开始逐渐增大时,折射角r也随之增大,下列说法正确的是()。A.比值不变B.比值不变C.比值是一个大于1的常数D.比值是一个小于1的常数E.入射角i增大到一定的值时,折射光线会消失【答案】BDE2全反射光导纤维(1)全反射现象:光传播到两种介质的表面时,通常要同时发生反射和折射现象,若满足了某种条件,光线不再发生折射现象,而要全部返回原介质中传播的现象叫全反射现象。(2)发生全反射的条件:①光从光密介质入射到光疏介质。对于两种介质来说,光在其中传播速度较小的介质,即绝对折射率较大的介质,叫光密介质;而光在其中传播速度较大的介质,即绝对折射率较小的介质叫光疏介质。光密介质和光疏介质是相对的。②入射角等于或者大于临界角。(3)临界角:折射角等于90°时的入射角。若光从光密介质(折射率为n)射向真空或空气时,发生全反射的临界角为C,则sinC=。介质的折射率越大,发生全反射的临界角越小。(4)光导纤维:光导纤维的原理是利用光的全反射。【温馨提示】在解决全反射问题时,应根据题意分析光路,利用几何知识分析线、角关系,比较入射角和临界角的大小关系,看是否满足全反射条件。2.1(2019吉林长春教学质检)光导纤维由“内芯”和“包层”两个同心圆柱体组成,其中心部分是内芯,内芯以外的部分为包层,光从一端进入,从另一端射出,下列说法正确的是()。A.内芯的折射率大于包层的折射率B.内芯的折射率小于包层的折射率C.不同频率的可见光从同一根光导纤维的一端传输到另一端所用的时间相同D.若紫光以如图所示的角度入射,恰能在内芯和包层分界面上发生全反射,则改用红光以同样角度入射时,也能在内芯和包层分界面上发生全反射【答案】A3光的干涉、衍射及偏振(1)两种衍射图样:①小孔衍射,明暗相间的同心圆环,越向外,环间距离越小。②单缝衍射,明暗相间的平行条纹,中央条纹较宽,两侧条纹较窄。若用白光做单缝衍射实验,则中央亮处为白色。(2)光的干涉和衍射的关系:①光的干涉和衍射,都证明了光的波动性,只有波才可以发生干涉和衍射现象。②光的干涉和衍射有一定的联系,光的双缝干涉中就有光的衍射。③光的干涉条纹中,各条纹能量分布较均匀;而在光的衍射条纹中,中央亮纹所具有的能量,超过了总能量的一半。(3)自然光与偏振光:①自然光,自然光的一般概念是“光振动沿各个方向均匀分布的光”,即包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光,而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同。②偏振光:偏振光的一般概念是“光振动沿不同方向分布不均匀的光”,包括两种情况,一种是只有沿单一方向振动的光,通常称为完全偏振光,即线偏振光;另一种是包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光,但沿不同方向振动的光波的强度都不同,这种光通常称为部分偏振光。【温馨提示】产生稳定干涉的条件,两列光的频率相等且振动状态相同,相干光源可用同一束光分成两列获得。双缝干涉图样,单色光时是明暗相间的条纹,且宽度相等,白光时是彩色条纹。3.1(2019四川宜宾二中模拟)(多选)如图所示是研究光的双缝干涉的示意图,挡板上有两条狭缝S1、S2,由S1和S2发出的两列波到达屏上时产生干涉条纹,已知入射蓝色激光的波长为λ,屏上的P点到两缝S1和S2的距离相等,如果把P处的亮条纹记作0号亮纹,由P向上数,与0号亮纹相邻的亮纹为1号亮纹,与1号亮纹相邻的亮纹为2号亮纹,则P1处的亮纹恰好是10号亮纹。设直线S1P1的长度为δ1,S2P1的长度为δ2,则()。A.δ2-δ1=9λB.δ2-δ1=10λC.如果改用红色激光,亮纹将变宽D.如果改用红色激光,亮纹将变窄E.如果改用白色光,屏上将出现彩色条纹【答案】BCE4电磁波(1)麦克斯韦电磁场理论:变化的磁场能够在周围空间产生电场,变化的电场能够在周围空间产生磁场。(2)电磁波:①电磁场在空间由近及远的传播,形成电磁波。②电磁波的传播不需要介质,可在真空中传播,在真空中不同频率的电磁波传播速度相同(都等于光速)。③不同频率的电磁波,在同一介质中传播,其速度是不同的,频率越高,波速越小。④v=λf,f是电磁波的频率。(3)电磁波的发射:①发射条件,开放电路和高频振荡信号,所以要对传输信号进行调制(调幅或调频)。②调制方式,a.调幅,使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变。b.调频,使高频电磁波的频率随信号的强弱而变。(4)电磁波谱:按照电磁波的频率或波长的大小顺序把它们排列成谱叫作电磁波谱。按波长由长到短排列的电磁波谱为:无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。【温馨提示】无线电波的接收,①当接收电路的固有频率跟接收到无线电波的频率相等时,激起的振荡电流最强,这就是电谐振现象;②使接收电路产生电谐振的过程叫作调谐,能够调谐的接收电路叫作调谐电路;③从经过调制的高频振荡中“检”出调制信号的过程,叫作检波;检波是调制的逆过程,也叫作解调。4.1(2019江苏南京金陵中学模拟)(多选)目前雷达发射的电磁波频率多在200MHz至1000MHz的范围内。下列关于雷达和电磁波的说法正确的是()。A.真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在0.3m~1.5m之间B.电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的C.测出从发射电磁波到接收反射波的时间间隔可以确定雷达与目标之间的距离D.波长越短的电磁波,反射能力越强【答案】ACD4.2(2019山东聊城春季开学考)(多选)电磁波包括的范围很广,产生的机理有所不同,下列说法正确的是()。A.红外线、可见光、紫外线是原子外层电子受激发而产生的B.伦琴射线是原子核受激发而产生的C.γ射线是原子核受激发而产生的D.无线电波是振荡电路中的电子周期性运动而产生的E.β射线是频率很大的电磁波【答案】ACD5相对论(1)狭义相对论的两个基本假设:①狭义相对性原理,在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的。②光速不变原理,真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的,光速和光源、观测者间的相对运动没有关系。(2)质速关系:①物体的质量随物体速度的增加而增大,物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量m0之间有如下关系:m=0√-()。②物体运动时的质量总要大于静止时的质量m0。(3)质能关系:用m表示物体的质量,E表示它具有的能量,则爱因斯坦质能方程为E=mc2。【温馨提示】对于狭义相对论的相对性原理来说,力学规律对惯性系都是相同的,由于光速是不变的,造成了一些与经典理论不同的结论,这些结论在低速的世界里是不易搞清的,但从天体的物理现象中却得到了证实。5.1(2018江西师大附中模拟)(多选)在相对论中,下列说法正确的有()。A.一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速B.质量、长度的测量结果都与物体相对观察者的相对运动状态有关C.时间的测量结果与物体相对观察者的运动状态无关D.在某一惯性系中发生于同一时刻、不同地点的两个事件,在其他一切惯性系中也是同时发生的【答案】AB6测定玻璃的折射率(1)计算法:当光线AO1以一定的入射角穿过两面平行的玻璃砖时,通过插针法找出跟入射光线AO1对应的出射光线O2B,从而作出折射光线O1O2和折射角θ2,再根据n=或n=,算出玻璃的折射率。(2)作sinθ1-sinθ2图象:改变不同的入射角θ1,测出不同的折射角θ2,作sinθ1-sinθ2图象,由n=可知图象应为直线,其斜率为折射率。(3)注意事项:①实验时,应尽可能将大头针竖直插在纸上,且P1和P2之间、P3和P4之间、P2与O1、P3与O2之间的距离要稍大一些。②入射角θ1不宜太大(接近90°),也不宜太小(接近0°)。太大:反射光较强,出射光较弱;太小:入射角、折射角测量的相对误差较大。③操作时,手不能触摸玻璃砖的光洁光学面,更不能把玻璃砖界面当尺子画界线。④实验过程中,玻璃砖与白纸的相对位置不能改变。⑤玻璃砖应选用宽度较大的,宜在5cm以上,若宽度太小,则测量误差较大。【温馨提示】(1)入射光线、出射光线确定的准确性造成误差,故入射侧、出射侧所插两枚大头针间距应大一些。(2)入射角和折射角的测量造成误差,故入射角应适当大些,以减小测量的相对误差。6.1(2019湖北武汉模拟)某实验小组做用插针法测定玻璃折射率的实验。(1)在如图所示的实验中,以下各说法中正确的是()。A.P1、P2及P3、P4之间的距离取得小些,可以提高准确度B.入射角θ1适当大些可以提高准确度C.入射角太大,折射光线会在玻璃砖的内表面发生全反射,使实验无法进行D.P1、P2的间距和入射角的大小均与实验的准确度无关(2)如果有几块宽度大小不同的平行玻璃砖可供选择,为了减小误差,应选用宽度(选填“大”或“小”)的玻璃砖来测量。【答案】(1)B(2)大题型一折射定律和折射率的理解及应用1.对折射率的理解(1)折射率的大小不仅反映了介质对光的折射本领,也反映了光在介质中传播速度的大小,v=。(2)折射率的大小不仅与介质本身有关,还与光的频率有关。同一种介质中,频率越大的色光折射率越大,传播速度越小。(3)同一种色光,在不同介质中虽然波速、波长不同,但频率相同。2.解决光的折射问题的思路(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。【温馨提示】在折射现象中光路是可逆的。光的折射规律与光的反射规律的区别:光的传播规律中,入射光线和反射光线在界面的同侧,光的传播速度不变;光的折射规律中,入射光线和反射光线分别在介质分界面的两侧,光的传播速度发生改变。【例1】如图甲所示,一束单色光从空气入射到棱镜的AB面上,经AB和AC两个面折射后从AC面进入空气。当出射角i'和入射角i