【备战2023高考】物理专题讲与练——考向17《光》全能练（含解析）（全国通用）

考向17 光

【重点知识点目录】

1. 折射定律和折射率的理解与应用、光的折射定律和全反射定律的综合应用
2. 光路控制、光的色散现象
3. 光的干涉现象、光的衍射和偏振现象
4. 电磁波与相对论

1．（2022•辽宁）完全失重时，液滴呈球形，气泡在液体中将不会上浮。2021年12月，在中国空间站“天宫课堂”的水球光学实验中，航天员向水球中注入空气形成了一个内含气泡的水球。如图所示，若气泡与水球同心，在过球心O的平面内，用单色平行光照射这一水球。下列说法正确的是（　　）

A．此单色光从空气进入水球，频率一定变大 

B．此单色光从空气进入水球，频率一定变小 

C．若光线1在M处发生全反射，光线2在N处一定发生全反射 

D．若光线2在N处发生全反射，光线1在M处一定发生全反射

【答案】C。

【解析】解：AB、光的频率是由光源决定的，与介质无关，频率不变，故AB错误。

CD、可看出光线1入射到水球的入射角小于光线2入射到水球的入射角，则光线1在水球外表面折射后的折射角小于光线2在水球外表面折射后的折射角，设水球半径为R、气泡半径为r、光线经过水球后的折射角为α、光线进入气泡的入射角为θ，根据几何关系有：＝，可得出光线2的θ大于光线1的θ，故若光线1在M处发生全反射，光线2在N处一定发生全反射，故C正确，D错误。

2．（2022•山东）柱状光学器件横截面如图所示，OP右侧是以O为圆心，半经为R的圆，左侧是直角梯形，AP长为R，AC与CO夹角45°，AC中点为B，a、b两种频率的细激光束，垂直AB面入射，器件介质对a，b光的折射率分别为1.42、1.40，保持光的入射方向不变，入射点从A向B移动过程中，能在PM面全反射后，从OM面射出的光是（不考虑三次反射以后的光）（　　）

A．仅有a光 B．仅有b光 

C．a、b光都可以 D．a、b光都不可以

【答案】A。

【解析】解：当两种频率的细激光束从A点垂直于AB面入射时，激光沿直线传播到OO点，经第一次反射沿半径方向直线传播出去，光路如图1。

保持光的入射方向不变，入射A点从A向B点B移动过程中，如下图可知，激光沿直线传播到CMCO面经反射向PPM面传播，根据图像可知，入射点从AA向B移动的过程中，光线传播到PM面的入射角逐渐增大，如图2。

当入射点为B点时，根据光的反射定律及几何关系可知，光线传播到PM面的PP点，此时光线在PPM面上的入射角最大，设为α，由几何关系得α＝45°

根据全反射临界角公式得

sinCa＝＝

sinCb＝＝＞

两种频率的细激光束的全反射的临界角关系为Ca＜45°＜Cb

故在入射光从A向B移动过程中，a光能在PM面全反射后，从OM面射出；b光不能在PM面发生全反射，故仅有a光。A正确，BCD错误。

3．（2022•浙江）如图所示，用激光笔照射半圆形玻璃砖圆心O点，发现有a、b、c、d四条细光束，其中d是光经折射和反射形成的。当入射光束a绕O点逆时针方向转过小角度Δθ时，b、c、d也会随之转动，则（　　）

A．光束b顺时针旋转角度小于Δθ 

B．光束c逆时针旋转角度小于Δθ 

C．光束d顺时针旋转角度大于Δθ 

D．光速b、c之间的夹角减小了2Δθ

【答案】B。

【解析】解：A.设入射光线的入射角为α，则反射角为α，光束c的折射角为β，光束d的反射角也为β，入射光束a绕O点逆时针方向转过小角度Δθ时，入射角变为

α'＝Δθ+α

由反射定律可知反射角等于入射角，则光束b顺时针旋转角度等于Δθ，故A错误；

B.由折射定律有

＝n＞1

＝n＞1

可得

Δθ′＜Δθ

即光束c逆时针旋转角度小于Δθ，故B正确；

C.光束d的反射角变化与光束c的折射角变化相等，则光束d顺时针旋转角度小于Δθ，故C错误；

D.光束b顺时针旋转角度等于Δθ，光束c逆时针旋转角度小于Δθ，则光速b、c之间的夹角减小的角度小于2Δθ，故D错误；

4．（2022•河北）如图，一个半径为R的玻璃球，O点为球心。球面内侧单色点光源S发出的一束光在A点射出，出射光线AB与球直径SC平行，θ＝30°，光在真空中的传播速度为c。求：

（ⅰ）玻璃的折射率；

（ⅱ）从S发出的光线经多次全反射回到S点的最短时间。

【答案】（i）玻璃的折射率为；

（ii）从S发出的光线经3次全反射回到S点的最短时间为。

【解析】解：（i）设光线SA对应的折射角为α，如图1所示；

根据几何关系可得，入射角等于θ＝30°，折射角：α＝2θ＝2×30°＝60°

根据折射定律可得：n＝＝＝；

（ii）光线沿SA方向射出时，经过两次反射回到S点，但不是全反射；要发生全反射，设临界角为C，则有：sinC＝＝＜

所以C＜45°

所以至少经过3次全反射才能够回到S，如图2所示，这样回到S的时间最短。

根据运动学公式可得：

＝

一、光的干涉

光的波动性

    17世纪惠更斯提出的波动说，认为光是在空间传播的某种波.19世纪初，人们成功地观察到了光的干涉和衍射现象，从而证明了波动说的正确性．

光的干涉

1．双缝干涉：由同一光源发出的光经双缝后形成两束振动情况总是相同的相干光波．屏上某点到双缝的路程差是波长整数倍处出现亮纹，是半波长的奇数倍处出现暗纹．相邻的两条明条纹（或暗条纹）之间的距离△x与波长λ、双缝间距d及屏到双缝距离L的关系为．

2．薄膜干涉：利用薄膜（如肥皂液薄膜）前后两面反射的光相遇而形成的，图样的特点是：同一条亮（或暗）条纹上所对应的薄膜厚度相同，单色光照射在薄膜上形成明暗相间的条纹，白光照射在薄膜上形成彩色条纹．

3．应用：测光的波长，检查表面平整度，增透膜，全息摄影等．

三、光的衍射

四、1．光离开直线路径绕到障碍物阴影里的现象叫光的衍射．

五、2．发生明显衍射的条件：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．

六、3．泊松亮斑：当光照到不透光的小圆板上时，在圆板的阴影中心出现的亮斑（在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环）．

七、4．常见的衍射现象有单缝衍射，圆孔衍射和泊松亮斑等．

八、5．单缝衍射图样特点：若是单色光，则中央条纹最宽最亮，两侧为不等间隔的明暗相间的条纹，其亮度和宽度依次减小；若是白光则中央为白色亮条纹，且最宽最亮，两边为彩色条纹．

九、光的偏振

1．自然光：太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫自然光．

2．偏振光：自然光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，叫偏振光．图（b）中P为起偏器，Q为检偏器．自然光射到两种介质的界面上，如果光的入射方向合适，使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°，这时，反射光和折射光就都是偏振光，且它们的偏振方向互相垂直．如图（a）．我们通常看到的绝大多数光都是偏振光．

3．光的偏振也证明了光是一种波，而且是横波．各种电磁波中电场E的方向、磁场B的方向和电磁波的传播方向之间，两两互相垂直．

4．光波的感光作用和生理作用主要是由电场强度E引起的，将E的振动称为光振动．

5．应用：利用偏振滤光片摄影、观看立体电影等．

十、全反射

1．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．

2．发生全反射的条件：

①光线从光密介质斜射向光疏介质．

②入射角大于或等于临界角．

3．临界角：折射角等于90°时的入射角．设光线从某种介质射向真空或空气时的临界角为C，则sinC=1/n

   光线从折射率为n1的介质斜射入折射率为n2的介质，（n1＞n2）发生全反射时的临界角为C′，sinC′=n2/n1

5. 光导纤维：主要应用：a．内窥镜；b．光纤通信．

十一、光的折射

光的折射

1．折射率：光从真空射入某种介质发生折射时，入射角θ1的正弦与折射角θ2的正弦之比，叫做介质的绝对折射率，简称折射率．表示为实验证明，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，即n=c/v．任何介质的折射率都

大于1，．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．

2．相对折射率

光从介质Ⅰ（折射率为n1、光在此介质中速率为v1）斜射入介质Ⅱ（折射率为n2、光在此介质中的速率为v2）发生折射时，入射角的正弦跟折射角的正弦之比，叫做Ⅱ介质相对Ⅰ介质的相对折射率．用n21表示Ⅱ介质相对Ⅰ介质的相对折射率又等于Ⅱ介质的折射率n2跟Ⅰ介质的折射率n1之比，即n21=n2/n1

由以上两式，可得到光的折射定律的一般表达式是：n1sin∠1=n2sin∠2或n1v1=n2v2．

十二、样式双缝干涉实验

杨氏双缝干涉

（1）原理如图所示．

由同一个狭缝发出的光经双缝后形成两束振动情况总是相同的相干光波．

（2）现象：单色光照射，屏上出现明暗相间的条纹，中央为亮条纹；白光照射，屏上出现彩色条纹，中央为白色．

（3）明、暗条纹的条件

①光的路程差r2-r1=kλ（k=0，1，2…），光屏上出现明条纹．

②光的路程差r2-r1=（2k+1）（k=0，1，2…），光屏上出现暗条纹．

（4）条纹间距公式：△x= （l/d） λ 

易错题【01】

注意画好光路图，运用好几何关系。

易错题【02】

注意斯涅耳公式的应用。

易错题【03】

注意全反射的条件，只有在光密介质射入光疏介质时才会有全反射现象。

易错题【04】

注意等倾干涉的问题分析。

5．（2022春•成都期末）如图，两束单色光a、b分别沿半径方向由空气射入半圆形玻璃砖，出射光合成一束复色光P。下列说法正确的是（　　）

A．玻璃砖对a、b两光的折射率大小关系有na＜nb 

B．a、b两光在玻璃砖中的传播速度大小相等 

C．a光的波长小于b光的波长 

D．a、b两光从玻璃砖射向空气时的临界角大小关系有Ca＜Cb

6．（2022春•杭州期末）光学镊子是靠激光束“夹起”细胞、病毒等极其微小粒子的工具。为了简化问题，将激光束看作粒子流，其中的粒子以相同的动量沿光传播方向运动。如图所示，是一个半径为R、折射率均匀的圆柱形玻璃砖的横截面，两束光线从A点与横截面中轴线（图中虚线）成74°角射入玻璃砖后从B、C点射出，出射光与中轴线平行。已知真空中的光速为C，sin37°＝0.6，则（　　）

A．该玻璃砖的折射率为1.5 

B．两束光线对玻璃砖的合力向下 

C．玻璃砖全反射临界角的正弦值为 

D．光在玻璃砖内运动消耗的时间为

7．（2022春•朝阳区校级期中）如图所示，让太阳光（自然光）通过M上的小孔S后照射到M右方的偏振片P上，P的右侧再放一光屏Q，现使P绕着平行于光传播方向的轴匀速转动一周，则关于光屏Q上的亮度变化情况，下列判断中正确的是（　　）

A．只有当偏振片转到某一适当位置时光屏被照亮，其他位置时光屏上无亮光 

B．光屏上亮度基本不变 

C．光屏上亮、暗交替变化出现 

D．光屏上只有一条亮线随偏振片的转动而转动

8．（2022春•登封市期末）如图所示，将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃上，一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面间形成劈形空气薄膜，当蓝光从上方入射后，从上往下看到明暗相间的等距条纹，下列说法中正确的是（　　）

A．该条纹是光的衍射形成的，此现象可以说明光是一种波 

B．若把蓝光改为黄光，条纹间距将变窄 

C．若下方平板玻璃某处出现凸起，则会看到该处条纹向左侧弯曲 

D．若抽去一张纸片，条纹间距将变宽

9．（2022春•范县校级期末）在做“测量玻璃的折射率”实验时，多次实验得出sini和sinr值，二者的关系图像如图，由此可知当i＝60o时，折射角的正弦值为（　　）

A． B． C． D．

10．（2022春•郑州期末）民间有“日晕三更雨，月晕午时风”的谚语。日晕也叫圆虹，是多出现于春夏季节的一种大气光学现象，如图甲所示。它形成的原因是在5000m的高空中出现了由冰晶构成的卷层云，太阳光照射着层云中的冰晶时会发生折射和反射，阳光便被分解成了红、黄、绿、紫等多种颜色，这样太阳周围就会出现一个巨大的彩色光环，称为日晕。其原理可简化为一束太阳光射到一个截面为正六边形的冰晶上，如图乙所示，a、b为其折射出的光线中的两束单色光。下列说法正确的是（　　）

A．a光的折射率大于b光折射率 

B．在冰晶中a光传播速度小于b光传播速度 

C．从冰晶中射入空气发生全反射时b光的临界角较小 

D．让a、b光分别通过同一双缝干涉装置，b光的相邻亮条纹间距比a光的大

11．（2022•莱州市校级模拟）光导纤维可简化为长玻璃丝，只有几微米到一百微米，由于很细，一定程度上可以弯折。如图所示将一半径为r的圆柱形光导纤维，做成外半径为R的半圆形，一细光束由空气中从纤维的左端面圆心O1点射入，入射角α＝53°，已知光导纤维对该光的折射率为，sin53°＝0.8，sin37°＝0.6。要使从左端面射入的光能够不损失的传送到半圆形光导纤维的另一端，外半径R需满足的条件为（　　）

A．R≥4r B．R≥16r C．R≤16r D．R≤4r

12．（2022春•南关区校级月考）如图，半径为R、球心为O的半球内为真空，M为其顶点，半球外介质的折射率为．一束以MO为中心，截面半径r＝R的光束平行于MO射到球面上，不考虑多次反射，则能从底面透射出光的面积为（　　）

A．πR2 B． C．π（﹣1）2R2 D．π（﹣1）2R2

13．（2022•东安区校级开学）如图，一束光沿半径方向射向一块半圆柱形玻璃砖，在玻璃砖底面上的入射角为θ，经折射后射出a、b两束光线，则（　　）

A．单色光a、b从玻璃进入空气，波速变大，频率变大 

B．单色光a通过玻璃砖所需的时间小于单色光b通过玻璃砖所需时间 

C．若改变光束的入射方向使θ角逐渐变大，则折射光线b首先消失 

D．分别用a、b光在同一个双缝干涉实验装置上做实验，a光的干涉条纹间距小于b光的干涉条纹间距

14．（2022春•温州期末）如图所示是一圆台形状的玻璃柱，一红色细光束a与圆台母线AB成θ＝60°入射，折射光束b与AB成β＝37°，c为反射光束，a、b、c与AB位于同一平面内，sin37°＝0.6，sin53°＝0.8。则（　　）

A．玻璃的折射率为1.2 

B．该红光在玻璃柱内的传播速度为2.5×108m/s 

C．该红光在玻璃柱中发生全反射的临界角正弦值为0.625 

D．若换成蓝色细光束以相同的θ角入射，β角将变大

15．（2022春•温州期末）如图所示，圆心为O、半径为R的半圆形玻璃砖置于水平桌面上，光线从P点垂直界面入射后，恰好在玻璃砖圆形表面发生全反射；当入射角θ＝53°时，光线从玻璃砖圆形表面出射后恰好与入射光平行。已知真空中的光速为c，sin53°＝0.8，则（　　）

A．玻璃砖的折射率为1.5 

B．光从玻璃到空气的临界角为37° 

C．O、P之间的距离为0.75R 

D．光在玻璃砖内的传播速度为0.6c

16．（2022春•乐清市校级期末）如图所示为一块环形玻璃砖的俯视图，图中MN是过环心的一条直线，一束光线与MN平行射入玻璃砖，它与MN之间的间距为x，已知玻璃砖的内圆半径为R，内部视为真空，外圆半径为2R，折射率为，光在真空中传播速度为C，不考虑反射光线在玻璃砖内的传播，下列关于该光线的说法正确的是（　　）

A．当x＝R时，光线恰好在内圆表面上发生全反射 

B．当x＝R时，光线从外圆射出方向与图中入射光线的夹角为45° 

C．当x＝R时，光线从内圆通过的时间为 

D．无论x（x＜2R）多大，光线都会进入内圆传播

17．（2022春•浙江期中）如图所示，一个半径为R的透明圆柱体静止在水平桌面上，其折射率为n＝，AOB为横截面。现有一细光束在距桌面高h＝处平行于OB射向圆柱体AB表面，假设射到OB面的光全部被吸收，则（　　）

A．光束从AB面进入柱体的折射角为60° 

B．光束到OA面时的位置离O点的距离为 

C．光束不能从OA面射出 

D．光束从0A面射出时的折射角为60°

18．（2022春•浙江期中）一个矩形玻璃砖与玻璃三棱镜按如图所示放置，棱镜的右侧面A与玻璃砖的左侧面B互相平行。一细光束通过玻璃三棱镜折射后分成a、b、c三束单色光，并进入玻璃砖内，其中单色光a射到C面，单色光b、c射到D面。下列说法正确的是（　　）

A．单色光a的频率最小，在玻璃中的传播速度最小 

B．单色光c从玻璃射向空气的全反射临界角最大 

C．进入玻璃砖的a光线一定不能从C面射出 

D．进入玻璃砖的b、c光线到达D面时，b光线更容易在D面发生全反射

19．（2022•山东模拟）如图所示，水平地面上放有一个装满折射率的透明液体的正方体透明容器（容器壁厚度不计），其底面ABCD是棱长为2R的正方形，在该正方形的中心处有一点光源S已知真空中光速为c，不考虑反射光。以下说法正确的是（　　）

A．光自S发出到从正方体的四个侧面（不包括顶面）射出所经历的最长时间为 

B．光自S发出到从正方体的四个侧面（不包括顶面）射出所经历的最长时间为 

C．当点光源S移动到正方体的中心时，光能从正方体四个侧面上射出部分的总面积为16R2             

D．当点光源S移动到正方体的中心时，光能从正方体四个侧面上射出部分的总面积为4πR2

20．（2022春•通州区期中）如图所示，平行玻璃砖的厚度为d，折射率为n，一束光线以入射角α射到玻璃砖上，出射光线相对于入射光线的侧移距离为Δx，则Δx决定于下列哪个表达式（　　）

A．Δx＝d（1﹣） 

B．Δx＝d（1﹣） 

C．Δx＝dsinα（1﹣） 

D．Δx＝dcosα（1﹣）

21．（2022春•宁河区校级期末）甲、乙两种单色光分别通过同一双缝干涉装置得到的干涉图样如图甲、图乙所示，图丙中有半圆形玻璃砖，O是圆心，MN是法线，PQ是足够长的光屏，甲单色光以入射角i由玻璃砖内部从O点射出，折射角为r。则下列说法正确的是（　　）

A．乙光以图丙的i入射时可能会发生全反射 

B．甲光的频率比乙光的频率小 

C．甲光更容易发生明显衍射 

D．甲光在该玻璃砖中的临界角C甲满足sinC甲＝

（多选）22．（2022•山东）某同学采用图甲所示的实验装置研究光的干涉与衍射现象，狭缝S1、S2的宽度可调，狭缝到屏的距离为L。同一单色光垂直照射狭缝，实验中分别在屏上得到了图乙、图丙所示图样。下列描述正确的是（　　）

A．图乙是光的双缝干涉图样，当光通过狭缝时，也发生了衍射 

B．遮住一条狭缝，另一狭缝宽度增大，其他条件不变，图丙中亮条纹宽度增大 

C．照射两条狭缝时，增加L，其他条件不变，图乙中相邻暗条纹的中心间距增大 

D．照射两条狭缝时，若光从狭缝S1、S2到屏上P点的路程差为半波长的奇数倍，P点处一定是暗条纹

（多选）23．（2022•浙江）电子双缝干涉实验是近代证实物质波存在的实验。如图所示，电子枪持续发射的电子动量为1.2×10﹣23kg•m/s，然后让它们通过双缝打到屏上。已知电子质量取9.1×10﹣31kg，普朗克常量取6.6×10﹣34J•s，下列说法正确的是（　　）

A．发射电子的动能约为8.0×10﹣15J 

B．发射电子的物质波波长约为5.5×10﹣11m 

C．只有成对电子分别同时通过双缝才能发生干涉 

D．如果电子是一个一个发射的，仍能得到干涉图样

24．（2022•湖北）如图所示，水族馆训练员在训练海豚时，将一发光小球高举在水面上方的A位置，海豚的眼睛在B位置，A位置和B位置的水平距离为d，A位置离水面的高度为d。训练员将小球向左水平抛出，入水点在B位置的正上方，入水前瞬间速度方向与水面夹角为θ。小球在A位置发出的一束光线经水面折射后到达B位置，折射光线与水平方向的夹角也为θ。已知水的折射率n＝，求：

（1）tanθ的值；

（2）B位置到水面的距离H。

25．（2022•广东）一个水平放置的圆柱形罐体内装了一半的透明液体，液体上方是空气，其截面如图所示。一激光器从罐体底部P点沿着罐体的内壁向上移动，它所发出的光束始终指向圆心O点。当光束与竖直方向成45°角时，恰好观察不到从液体表面射向空气的折射光束。已知光在空气中的传播速度为c，求液体的折射率n和激光在液体中的传播速度v。

26．（2022•湖南）如图，某种防窥屏由透明介质和对光完全吸收的屏障构成，其中屏障垂直于屏幕平行排列，可实现对像素单元可视角度θ的控制（可视角度θ定义为某像素单元发出的光在图示平面内折射到空气后最大折射角的2倍）。透明介质的折射率n＝2，屏障间隙L＝0.8mm。发光像素单元紧贴屏下，位于相邻两屏障的正中间。不考虑光的衍射。

（ⅰ）若把发光像素单元视为点光源，要求可视角度θ控制为60°，求屏障的高度d；

（ⅱ）若屏障高度d＝1.0mm，且发光像素单元的宽度不能忽略，求像素单元宽度x最小为多少时，其可视角度θ刚好被扩为180°（只要看到像素单元的任意一点，即视为能看到该像素单元）。

27．（2022•甲卷）如图，边长为a的正方形ABCD为一棱镜的横截面，M为AB边的中点。在截面所在平面内，一光线自M点射入棱镜，入射角为60°，经折射后在BC边的N点恰好发生全反射，反射光线从CD边的P点射出棱镜。求棱镜的折射率以及P、C两点之间的距离。