第四章光——高二物理期末复习章节知识点精讲精练（人教版2019选择性必修第一册）

第四章  光

知识总结

内容1：光的折射

一、折射定律

1．光的反射和光的折射

（1）光的反射：光从第1种介质射到第1种介质与第2种介质的分界面时，一部分光会返回到第1种介质，这种现象叫作光的反射．如图所示．

（2）光的折射：光从第1种介质射到它与第2种介质的分界面时，一部分光进入第2种介质的现象．

2．折射定律

（1）内容：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，即＝n12.

（2）在光的折射现象中，光路是可逆的．

二、折射率

1．物理意义

反映介质的光学性质的物理量．

2．定义

光从真空射入某种介质发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，叫作这种介质的绝对折射率，简称折射率，即n＝.

3．折射率与光速的关系

某种介质的折射率，等于光在真空中的传播速度c与光在这种介质中的传播速度v之比，即n＝.

4．特点

任何介质的折射率都大于1.

知识演练

1．(多选)关于折射率，下列说法正确的是(　　)

A．某种介质的折射率等于光在介质中传播速度v和光在真空中的传播速度c的比值

B．折射角和入射角的大小决定着折射率的大小

C．两种介质相比较，折射率小的介质折光性较差

D．任何介质的折射率都大于1

2．(多选)如图所示，光在真空和某介质的界面MN上发生折射，由图可知(　　)

A．光是从真空射入介质的

B．光是由介质射入真空的

C．介质的折射率为

D．反射光线与折射光线的夹角为90°

3．假设地球表面不存在大气层，那么人们观察到的日出时刻与实际存在大气层的情况相比将________(选填“提前”或“延后”)．

4．在利用插针法测量玻璃折射率的实验中：

（1）甲同学在纸上正确画出玻璃砖的两个界面aa′和bb′后，不小心碰了玻璃砖使它向aa′方向平移了少许，如图所示．则他测出的折射率将________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)．

（2）乙同学在画界面时，不小心将两界面aa′、bb′间距画得比玻璃宽度大些，如图所示，则他测得的折射率将______(选填“偏大”“偏小”或“不变”)．

5．怎样才能叉到鱼？

内容2：全反射

一、全反射

1．光密介质和光疏介质

2.全反射及发生条件

（1）全反射及临界角的概念

①全反射：光从光密介质射入光疏介质时，若入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光线就会完全消失，只剩下反射光线的现象．

②临界角：刚好发生全反射，即折射角等于90°时的入射角．用字母C表示．

（2）全反射的条件

要发生全反射，必须同时具备两个条件：

①光从光密介质射入光疏介质．

②入射角等于或大于临界角．

（3）临界角与折射率的关系

光由介质射入空气(或真空)时，sin C＝(公式)．

二、全反射的应用

1．全反射棱镜：截面为等腰直角三角形的棱镜，利用全反射改变光的方向．

2．光导纤维：由折射率较大的内芯和折射率较小的外套组成，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射．

知识演练

1．(多选)下列说法正确的是(　　)

A．因为水的密度大于酒精的密度，所以水是光密介质

B．因为水的折射率小于酒精的折射率，所以水对酒精来说是光疏介质

C．同一束光，在光密介质中的传播速度较小

D．光从光密介质射入光疏介质有可能不发生全反射

2．(多选)如图所示，ABCD是两面平行的透明玻璃，AB面和CD面平行，它们是玻璃和空气的界面，设为界面1和界面2.光线从界面1射入玻璃砖，再从界面2射出，回到空气中，如果改变光到达界面1时的入射角，则(　　)

A．只要入射角足够大，光线在界面1上可能发生全反射现象

B．只要入射角足够大，光线在界面2上可能发生全反射现象

C．不管入射角多大，光线在界面2上都不可能发生全反射现象

D．光线穿过玻璃砖后传播方向不变，只发生侧移

3．(多选)光从介质1通过两种介质的交界面进入介质2的光路如图所示．下列论述正确的是(　　)

A．光在介质1中的传播速度较大

B．光在介质2中的传播速度较大

C．光从介质1射向两种介质的交界面时，不可能发生全反射现象

D．光从介质2射向两种介质的交界面时，可能发生全反射现象

4．(多选)下列现象中是由于全反射造成的是(　　)

A．露珠在阳光下格外明亮

B．直棒斜插入水中时，呈现弯折现象

C．海市蜃楼

D．在炎热夏天的柏油马路上，远处的路面显得格外明亮

5．情境：在自行车的后挡泥板上，常常安装着一个“尾灯”．其实它不是灯，它是由一种透明的塑料制成的，其截面如图所示．夜间，从自行车后方射来的汽车灯光照在“尾灯”上时，“尾灯”就变得十分明亮，以便引起汽车司机的注意．

问题：（1）尾灯为什么做成如图所示截面而不是平面？

（2）夜间“尾灯”变得十分明亮利用了什么原理？

内容3：光的干涉

一、光的双缝干涉

1．物理史实

1801年，英国物理学家托马斯·杨成功地观察到了光的干涉现象，开始让人们认识到光的波动性．

2．双缝干涉实验

（1）实验过程：让一束平行的单色光投射到一个有两条狭缝S1和S2的挡板上，两狭缝相距很近，两狭缝就成了两个波源，它们的频率、相位和振动方向总是相同的，两个光源发出的光在挡板后面的空间互相叠加发生干涉．

（2）实验现象：在屏上得到明暗相间的条纹．

（3）实验结论：光是一种波．

1．双缝干涉的条件必须有相干光源，且双缝间的距离必须很小．

2．杨氏干涉实验采用将一束光一分为二的方法获得相干光源．

3．决定条纹明暗的条件

（1）当两个光源与屏上某点的距离之差等于波长λ的整数倍时，两列光波在这点相互加强，出现明条纹．

（2）当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的奇数倍时，两列光波在这点相互减弱，出现暗条纹．

4．干涉条纹和光的波长之间的关系

（1）亮条纹中心的位置：x＝nλ(n＝0，±1，±2…)

（2）相邻两条亮条纹或暗条纹的中心间距是：

Δx＝λ.

二、薄膜干涉

1．不同位置的液膜，厚度不同，因此在膜上不同的位置，一束自前后两个面的反射光的路程差不同．在某些位置，这两列波叠加后相互加强，出现了亮条纹；在另一位置，叠加后相互削弱，出现了暗条纹．

2．薄膜干涉在技术上的应用．可以在光学元件的表面镀一层特定厚度的薄膜，增加光的透射或者反射，还可以利用薄膜干涉的原理对镜面或其他精密的光学平面的平滑度进行检测．

知识演练

1．(多选)对两列光波在空中叠加，以下说法中正确的是(　　)

A．不同的色光有可能发生干涉现象

B．不同的色光不可能发生干涉现象

C．光的强度不同有可能发生干涉现象

D．是否发生干涉现象与光的强度无关

2．(多选)关于光的干涉，下列说法中正确的是(　　)

A．在双缝干涉现象里，相邻两明条纹和相邻两暗条纹的间距是相等的

B．在双缝干涉现象里，入射光波长变短，相邻两个明条纹间距将变窄

C．只有频率相同的两列光波才能产生干涉

D．频率不同的光不可能叠加

3.如图所示，用一束平行的白光经图示装置垂直照到挡光板Q上，板上开两条靠得很近的平行狭缝S1、S2，在屏P上可以看到干涉条纹，O点是屏上到两狭缝距离相等的一点，则干涉条纹是________的，O点是________点．

4．情境：煤矿中的瓦斯危害极大，某同学查资料得知含有瓦斯的气体的折射率大于干净空气的折射率，于是他根据双缝干涉现象设计了一个监测仪，其原理如图所示：在双缝前面放置两个完全相同的透明容器A、B，容器A与干净的空气相通，在容器B中通入矿井中的气体，观察屏上的干涉条纹，就能够监测瓦斯浓度．

问题：如果屏的正中央O点变为暗条纹，试分析说明B中气体成分．

内容4：光的衍射  光的偏振　激光

一、光的衍射

1．定义：光通过很小的狭缝(或圆孔)时，明显地偏离了直线传播的方向，在屏上应该出现阴影的区域出现明条纹或亮斑，应该属于亮区的地方也会出现暗条纹或暗斑的现象．

2．衍射图样：衍射时产生的明暗条纹或光环．

3．单缝衍射：单色光通过狭缝时，在屏幕上出现明暗相间的条纹，中央为亮条纹，中央条纹最宽最亮，其余条纹变窄变暗；白光通过狭缝时，在屏上出现彩色条纹，中央为白条纹．

4．圆孔衍射：光通过小孔时(孔很小)在屏幕上会出现明暗相间的圆环．

5．衍射光栅

（1）结构

由许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学仪器．

（2）衍射图样特点

与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加．

☆ 阅读第6节教材，回答第102页“问题”并梳理知识点．教材第102页问题提示：立体电影放映时通过两台放映机，同步放映两组胶片，每台放映机前都安装一块偏振片，放映机放出的光通过偏振片后成了偏振光．左右两架放映机前的偏振片的透振方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直．这两束光投射到银幕上再反射到观众眼里，偏振方向不变．观众用上述的偏振眼镜观看，就会产生立体感，若不带上述眼镜，则看到银幕上的画面就会出现重影而模糊不清．

二、光的偏振

知识演练

1．(多选)对衍射现象的定性分析，正确的是(　　)

A．光的衍射是光在传播过程中绕过障碍物发生传播的现象

B．衍射条纹图样是光波相互叠加的结果

C．光的衍射现象为光的波动说提供了有力的证据

D．光的衍射现象完全否定了光的直线传播结论

2．(多选)关于自然光和偏振光，以下说法正确的是(　　)

A．自然光包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，但是沿各个方向振动的光波的强度可以不同

B．偏振光是垂直于传播方向上，只沿着某一特定方向振动的光

C．自然光透过一个偏振片后就成为偏振光，偏振光经过一个偏振片后又还原为自然光

D．太阳、电灯等普通光源发出的光都是自然光

3．(多选)下列情况中能产生明显衍射现象的是(　　)

A．光的波长比孔或障碍物的尺寸大得多

B．光的波长与孔或障碍物的尺寸可相比

C．光的波长等于孔或障碍物的尺寸大小

D．光的波长比孔或障碍物的尺寸小得多

E．用红光做实验时未观察到明显的衍射现象，现用绿光替代红光做实验

4．(多选)如图所示，电灯S发出的光先后经过偏振片A和B，人眼在P处迎着入射光方向，看不到光亮，则(　　)

A．图中a光为偏振光

B．图中b光为偏振光

C．以SP为轴将B转过180°后，在P处将看到光亮

D．以SP为轴将B转过90°后，在P处将看到光亮

E．以SP为轴将A转过90°后，在P处将看到光亮

5．[思维拓展]情境：奶粉的碳水化合物(糖)含量是一个重要指标，可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度，从而鉴定含糖量，偏振光通过糖的水溶液后，偏振方向会相对于传播方向向左或右旋转一个角度α，这一角度α称为“旋光度”，α的值只与糖溶液的浓度有关．将α的测量值与标准值相比较，就能确定被测样品中的含糖量．如图所示．S是自然光源，A、B是偏振片，转动B，使到达O处的光最强，然后将被测样品P置于A、B之间．

问题：(1)当被测样品P置于A、B之间后到达O处光的强度怎样变化？

(2)要想使O处光强度最大，偏振片A或B应怎样转动？

第二部分  专题讲解

专题1：光的折射、全反射

1.解决光的折射问题的常规思路

（1）根据题意画出正确的光路图．

（2）利用几何关系确定光路图中的边、角关系，要注意入射角、折射角均是光线与法线的夹角．

（3）利用折射定律、折射率公式列式求解．

2．有关全反射定律的应用技巧

（1）首先判断是否为光从光密介质进入光疏介质，如果是，下一步就要再利用入射角和临界角的关系进一步判断，如果不是则直接应用折射定律解题即可．

（2）分析光的全反射时，根据临界条件找出临界状态是解决这类题目的关键．

（3）当发生全反射时，仍遵循光的反射定律和光路可逆性．

【例1】　如图所示，某同学在一张水平放置的白纸上画了一个小标记“·”(图中O点)，然后用横截面为等边三角形ABC的三棱镜压在这个标记上，小标记位于AC边上．D位于AB边上，过D点做AC边的垂线交AC于F.该同学在D点正上方向下顺着直线DF的方向观察，恰好可以看到小标记的像；过O点做AB边的垂线交直线DF于E；DE＝2 cm，EF＝1 cm.求三棱镜的折射率．(不考虑光线在三棱镜中的反射)

【技巧与方法】

【针对训练】

1．Morpho蝴蝶的翅膀在阳光的照射下呈现出闪亮耀眼的蓝色光芒，这是因为光照射到翅膀的鳞片上发生了干涉．电子显微镜下鳞片结构的示意图见图．一束光以入射角i从a点入射，经过折射和反射后从b点出射．设鳞片的折射率为n，厚度为d，两片之间空气层厚度为h.取光在空气中的速度为c，求光从a到b所需的时间t.

专题2：两面平行的玻璃砖对光路的影响

光从玻璃砖上表面处折射进入玻璃中，再从下表面折射出玻璃时，满足发生全反射的条件之一，即光由光密介质(玻璃)进入光疏介质(空气)，那么是否可能在玻璃砖下表面上发生全反射呢？答案是不可能．这是由于玻璃砖上、下两个表面是平行的，在下表面处的入射角等于上表面处的折射角，如图所示．由光路的可逆性可知在玻璃砖下表面处是不可能发生全反射现象的，但光线发生了侧移．

两面平行的玻璃砖对光路的影响有以下几个方面：

（1）不改变入射光的性质和方向，只使光线向偏折方向平行侧移，且入射角(i)、玻璃砖厚度(a)和折射率(n)越大，侧移越大；

（2）平行光照射到平行玻璃砖上，入射光的宽度等于出射光的宽度，而玻璃砖中折射光的宽度随入射角的增大而减小；

（3）从平行玻璃砖的正上方观察玻璃砖下面的发光体，观察到的位置比发光体实际位置更接近玻璃砖．

【例2】　如图所示，宽为a的平行光束从空气斜射到两面平行的玻璃板上表面，入射角i＝45°，光束中包含两种波长的光，玻璃板对这两种波长光的折射率分别为n1＝1.5，n2＝.

（1）求每种波长的光射入上表面后的折射角r1、r2.

（2）为使光束从玻璃板下表面出射时能分成不交叠的两束，玻璃板的厚度d至少为多少？并画出光路示意图．

【针对训练】

2．如图所示，△ABC为某透明介质的横截面，O为BC边的中点，位于截面所在平面内的一束光自O以角i入射，第一次到达AB边恰好发生全反射．已知θ＝15°，BC边长为2L，该介质的折射率为.求：

（1）入射角i；

（2）从入射到发生第一次全反射所用的时间(设光在真空中的速度为c，可能用到：sin 75°＝或tan 15°＝2－)．

专题3：光的干涉和衍射的比较

1.两者的产生条件不同：产生干涉的条件是两列光波频率相同，振动方向相同，相位差恒定；产生明显衍射现象的条件是障碍物或小孔的尺寸跟光的波长相差不多，甚至比光的波长还要小．

2．图样特点不同：单色光双缝干涉产生的是等间距、明暗相间且亮度基本相同的条纹；单缝衍射产生的是中央最宽、最亮，其他窄且暗的明暗相间条纹，并且各相邻条纹间距不等．

3．波长对条纹间距的影响：无论是双缝干涉还是单缝衍射，所形成的条纹间距和宽度都随波长增加而增大．双缝干涉中相邻明纹或暗纹间距为Δx＝λ.

【例3】　表面附有油膜的透明玻璃片，当有阳光照射时，可在表面和玻璃片边缘分别看到彩色图样，则前者是________现象，后者是________现象．

【技巧与方法】