2019-2020学年高中物理 素养整合提升13课件 新人教版选修3-4

第十三章光素养整合提升1素养脉络构建2核心素养提升3触及高考演练素养脉络构建光几何光学⇨折射现象折射定律折射成像玻璃砖棱镜色散光谱光的颜色折射率定义测量方法n＝sinθ1sinθ2光密、光疏介质n＝cv光几何光学⇨折射现象全反射条件临界角⇨光导纤维、全反射棱镜波动光学光的干涉双缝干涉⇨测单色光的波长薄膜干涉肥皂膜增透膜空气膜光的衍射单缝衍射小圆孔、小圆盘衍射衍射光栅光波动光学光的偏振证明光是横波偏振的概念自然光和偏振光的区别激光激光的特点及其应用全息照相核心素养提升一、光的折射和全反射光的折射和全反射分别遵循折射定律和反射定律，这部分知识主要集中在以下几点：折射定律、折射率n＝sinθ1sinθ2，临界角公式sinC＝1n、光学元件(如平行玻璃砖、全反射棱镜、半圆形玻璃砖等)的光学性质等，需注意问题：1．入射角θ1和折射角θ2都是光线与法线的夹角，在折射现象中，光路是可逆的。2．介质折射率：n＝sinθ1sinθ2。任何介质的折射率都大于1；折射率决定于介质的光学特性和光的频率。当光由光疏介质进入光密介质时，折射角θ2小于入射角θ1；当光由光密介质进入光疏介质时，折射角θ2大于入射角θ1，此时n＝sinθ2sinθ1。3．全反射现象在现代科技和生活中有着广泛的应用，解决此类问题时要理解全反射的条件和临界角的定义。4．解题时要根据两个定律作出光路图，再根据几何关系找出各个物理量之间的关系，根据n＝sinθ1sinθ2＝cv和λ＝cf进行分析求解。(2019·山东省德市高三模拟)如图所示，一救生艇停在平静的水面上，艇前部上端有一标记P，在其正前方A处有一浮标，测得PA连线与竖直方向的夹角为53°。潜水员下潜至水下B点时，看到P刚好被浮标挡住，且恰好看到艇尾端后方水面上的景物，已知水的折射率n＝43，B点到艇尾部的水平距离L＝6m，忽略救生艇的吃水深度。(1)求光在水中的传播速度的大小v；(2)求B点到水面的竖直距离H；(3)若潜水员从B点竖直上升至B′时(图中未标出)，水面上方所有的景物都出现在顶角为2∠AB′D的圆锥里，求B′点到水面的竖直距离h。解析：(1)v＝cn＝3×10843m/s＝2.25×108m/s(2)根据题意作出光路图，如图所示：由图可得sinC＝1n＝34H＝LtanC＝637m＝27m(3)由图可知，根据折射定律n＝sin53°sinθ＝43所以sinθ＝0.6又因为tanθ＝ADH，tanC＝ADh由此可得B′点到水面的竖直距离h＝3.5m。答案：(1)2.25×108m/s(2)27m(3)3.5m二、光的干涉、衍射和偏振1．光的干涉(1)频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两个相干光源发出的光相遇，才能产生稳定的干涉现象。(2)产生明暗条纹的条件若用单色光，在屏上将出现明暗相间的条纹，当两个光源到屏上某点的路程差为波长的整数倍，即Δs＝nλ(n＝0,1,2，…)时，两列光在这点相互加强，这里出现亮条纹；当两个光源到屏上某点的路程差为半波长的奇数倍，即Δs＝(2n＋1)·λ2(n＝0,1,2，…)时，两列光在这点相互削弱，这里出现暗条纹。(3)薄膜干涉的明暗条纹由薄膜的前后两个表面反射的两列光波叠加而成。劈形薄膜干涉可产生等间距的条纹。(4)波长的测量明纹之间或暗纹之间的距离总是相等的，根据公式Δx＝ldλ，在狭缝间距离和狭缝与屏距离都不变的条件下，条纹的间距跟波长成正比。2．光的衍射(1)光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象，叫光的衍射。(2)产生明显衍射的条件：障碍物或孔的尺寸跟光的波长差不多甚至比光的波长还要小。3．光的偏振(1)光只沿着某一特定的方向振动，称为光的偏振。(2)平时我们所看到的光，除直接从光源射来的以外都是偏振光。(3)光的偏振也证明了光是一种波，而且是横波。(多选)(2019·江苏省扬州中学高二下学期期中)以下说法中正确的是()A．图甲是一束复色光进入水珠后传播的示意图，其中a束光在水珠中传播的速度一定大于b束光在水珠中传播的速度B．图乙是一束单色光进入平行玻璃砖后传播的示意图，当入射角i逐渐增大到某一值后不会再有光线从bb′面射出C．图丙是双缝干涉示意图，若只减小屏到挡板间距离L，两相邻亮条纹间距离Δx将减小D．图丁是用干涉法检测工件表面平整程度时得到的干涉图样，弯曲的干涉条纹说明被检测的平面在此处是凸起的E．图戊中的M、N是偏振片，P是光屏，当M固定不动缓慢转动N时，光屏P上的光亮度将发生明、暗交替变化，此现象表明光波是横波解析：根据折射率和光的传播速度之间的关系n＝cv，可知，折射率越大，传播速度越小，从图中可以看出，b光线在水珠中偏折得厉害，即b的折射率大于a的折射率，则a在水中的传播速度大于b的传播速度，故A正确；当入射角i逐渐增大折射角逐渐增大，由于折射角小于入射角，不论入射角如何增大，玻璃砖中的光线不会消失，故肯定有光线从bb′面射出，故B错误；根据Δx＝Ldλ，可知只减小屏到挡板间距离L，两相邻亮条纹间距离Δx将减小，故C正确；由于不知道被测样表面的放置方向，故不能判断此处是凸起的，故D错误；只有横波才能产生偏振现象，所以光的偏振现象表明光是一种横波，故E正确。故选ACE。答案：ACE三、光的折射对光路的控制1．玻璃砖对光路的控制：两平面平行的玻璃砖，出射光线和入射光线平行，且光线发生了侧移，如图所示。2．三棱镜对光路的控制(1)光密三棱镜：光线两次折射均向底面偏折，偏折角为δ，如图所示。(2)光疏三棱镜：光线两次折射均向顶角偏折。(3)全反射棱镜(等腰直角棱镜)，如图所示。①当光线从一直角边垂直射入时，在斜边发生全反射，从另一直角边垂直射出(如图甲)。②当光线垂直于斜边射入时，在两直角边发生全反射后又垂直于斜边射出(如图乙)，入射光线和出射光线互相平行。不同颜色的光的频率不同，在同一种介质中的折射率、光速也不同，发生全反射现象的临界角也不同。(多选)如下图所示为用a、b两种单色光分别通过同一双缝干涉装置获得的干涉图样。现让a、b两种光组成的复色光穿过平行玻璃砖或三棱镜时，光的传播方向中可能正确的是()AD解析：根据双缝干涉相邻条纹间距公式Δx＝Ldλ可知，a光的波长大，则同一介质对a光的折射率小，对b光的折射率大。根据平行玻璃砖的光学特性可知，出射光线与入射光线平行，由于a光的折射率小，偏折程度小，所以出射时a光应在右侧，故A正确；B错误；由sinC＝1n分析可知，a光的临界角较大，当光从棱镜射入空气中时，若b不发生全反射，能射出棱镜，则a光一定也不发生全反射，故C错误；当光从棱镜射入空气中时，若a不发生全反射，能射出棱镜，b光可能发生全反射不从棱镜射出，此图是可能的，故D正确。触及高考演练从近几年的高考来看，本章是高考的热点，折射定律和不同色光的折射率问题常常成为考点，而且大多将光的本性和几何光学相结合进行考查，题型多以选择题和计算题形式出现。一、高考真题探析(2019·全国卷Ⅰ，34)如图，一艘帆船静止在湖面上，帆船的竖直桅杆顶端高出水面3m。距水面4m的湖底P点发出的激光束，从水面出射后恰好照射到桅杆顶端，该出射光束与竖直方向的夹角为53°(取sin53°＝0.8)。已知水的折射率为43。(1)求桅杆到P点的水平距离；(2)船向左行驶一段距离后停止，调整由P点发出的激光束方向，当其与竖直方向夹角为45°时，从水面射出后仍照射在桅杆顶端，求船行驶的距离。解析：(1)设光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为x1，到P点的水平距离为x2；桅杆高度为h1，P点处水深为h2；激光束在水中与竖直方向的夹角为θ。由几何关系有x1h1＝tan53°①x2h2＝tanθ②由折射定律有sin53°＝nsinθ③设桅杆到P点的水平距离为x，则x＝x1＋x2④联立①②③④式并代入题给数据得x＝7m⑤(2)设激光束在水中与竖直方向的夹角为45°时，从水面出射的方向与竖直方向夹角为i′，由折射定律有sini′＝nsin45°⑥设船向左行驶的距离为x′，此时光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为x′1，到P点的水平距离为x′2，则x′1＋x′2＝x′＋x⑦x′1h1＝tani′⑧x′2h2＝tan45°⑨联立⑤⑥⑦⑧⑨式并代入题给数据得x′＝(62－3)m≈5.5m答案：(1)7m(2)5.5m二、真题临场练兵1．(2019·北京卷，14)利用图1所示的装置(示意图)，观察光的干涉、衍射现象，在光屏上得到如图2中甲和乙两种图样。下列关于P处放置的光学元件说法正确的是()A．甲对应单缝，乙对应双缝B．甲对应双缝，乙对应单缝C．都是单缝，甲对应的缝宽较大D．都是双缝，甲对应的双缝间距较大[解析]由题图2中给出的甲、乙两种图样可知，甲是单缝衍射的图样，乙是双缝干涉的图样，A项正确；B、C、D项均错误。A2．(2019·全国卷Ⅱ，34)某同学利用图示装置测量某种单色光的波长。实验时，接通电源使光源正常发光；调整光路，使得从目镜中可以观察到干涉条纹。回答下列问题：(1)若想增加从目镜中观察到的条纹个数，该同学可________；A．将单缝向双缝靠近B．将屏向靠近双缝的方向移动C．将屏向远离双缝的方向移动D．使用间距更小的双缝B(2)若双缝的间距为d，屏与双缝间的距离为l，测得第1条暗条纹到第n条暗条纹之间的距离为Δx，则单色光的波长λ＝__________；(3)某次测量时，选用的双缝的间距为0.300mm，测得屏与双缝间的距离为1.20m，第1条暗条纹到第4条暗条纹之间的距离为7.56mm。则所测单色光的波长为_______nm(结果保留3位有效数字)。d·Δxn－1l630解析：(1)若想增加从目镜中观察到的条纹个数，需要减小条纹间距，由公式Δx＝ldλ可知，需要减小双缝到屏的距离l或增大双缝间的距离d，故B项正确，A、C、D项错误。(2)由题意可知，Δxn－1＝ldλ⇒λ＝d·Δxn－1l。(3)将已知条件代人公式解得λ＝630nm。3．(2019·天津卷，9)某小组做测定玻璃的折射率实验，所用器材有：玻璃砖，大头针，刻度尺，圆规，笔，白纸。(1)下列哪些措施能够提高实验准确程度________。A．选用两光学表面间距大的玻璃砖B．选用两光学表面平行的玻璃砖C．选用粗的大头针完成实验D．插在玻璃砖同侧的两枚大头针间的距离尽量大些AD(2)该小组用同一套器材完成了四次实验，记录的玻璃砖界线和四个大头针扎下的孔洞如下图所示，其中实验操作正确的________。D(3)该小组选取了操作正确的实验记录，在白纸上画出光线的径迹，以入射点O为圆心作圆，与入射光线、折射光线分别交于A、B点，再过A、B点作法线NN′的垂线，垂足分别为C、D点，如图所示，则玻璃的折射率n＝_______。(用图中线段的字母表示)ACBD解析：(1)为了减小实验误差，选用的玻璃砖前后表面间距应尽量大些，即使玻璃砖内的折射光线尽量长些，A正确；测量折射率时，只需找出入射光线和折射光线，因此玻璃砖的两光学表面可以不平行，B错误；为了减小实验误差应选用较细的大头针完成实验，C错误；两枚大头针之问的距离尽量大些，描绘出的光线误差会较小些，D正确；(2)由题图可知，选用的玻璃砖两光学表面平行，则入射光线应与出射光线平行，BC错误；又光线在玻璃砖中与法线的夹角应小于光线在空气中与法线的夹角，A错误，D正确；(3)由折射定律可知n＝sin∠AOCsin∠BOD＝ACAOBDBO＝ACBD。4．(2019·江苏卷，13B)(2)将两支铅笔并排放在一起，中间留一条狭缝，通过这条狭缝去看与其平行的日光灯，能观察到彩色条纹，这是由于光的________(选填“折射”“干涉”或“衍射”)。当缝的宽度________(选填“远大于”或“接近”)光波