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    第13讲 光学 电磁波(含解析)--2024年高考物理大二轮复习讲义

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    第13讲 光学 电磁波(含解析)--2024年高考物理大二轮复习讲义

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    这是一份第13讲 光学 电磁波(含解析)--2024年高考物理大二轮复习讲义,共12页。
    第13讲 光学 电磁波
    目标要求
    1.能利用光的折射和全反射规律解决光的传播问题。
    2.理解光的干涉和衍射现象。
    3.会分析几何光学与物理光学的综合问题。
    4.了解电磁振荡规律,知道电磁波谱。
    考点一 光的折射与全反射
    1.常用的三个公式:eq \f(sin θ1,sin θ2)=n,n=eq \f(c,v),sin C=eq \f(1,n)。
    2.折射率的理解
    (1)折射率与介质和光的频率有关,与入射角的大小无关。
    (2)光密介质指折射率较大的介质,而不是指密度大的介质。
    (3)同一种介质中,频率越高的光折射率越大,传播速度越小。
    3.求解光的折射和全反射问题的思路
    (1)根据题意画出正确的光路图,特别注意全反射的临界光线。
    (2)利用几何关系确定光路中的边、角关系。
    (3)利用折射定律等公式求解。
    (4)注意折射现象中光路的可逆性。
    例1 (2023·江苏省苏锡常镇四市一模)一个长方体空气柱固定在水中,空气与水之间的透明介质厚度不计,一束红、蓝色激光射入空气柱,不考虑反射光线,下列光路图中可能正确的是( )
    例2 (2023·江苏省南京师大附中模拟)如图所示为科学家用某种透明均匀介质设计的“光环”,圆心为O,半径分别为R和2R。AB部分是超薄光线发射板,发射板右侧各个位置均能发射出水平向右的光线,发射板左侧为光线接收器。通过控制发射光线的位置,从C位置发射出一细光束,发现该光束在“光环”中的路径恰好构成一个正方形,且没有从“光环”射出,光在真空中的速度为c。下列说法正确的是( )
    A.只有从C位置发射的细光束才能发生全反射
    B.该光束在“光环”中走过的路程为8R
    C.“光环”对该光束的折射率可能是1.5
    D.该光束在“光环”中传播的时间可能是eq \f(15R,c)
    学习笔记:______________________________________________________________
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    例3 (2023·江苏淮安市模拟)如图所示为一放在水平桌面上的玻璃砖的扇形横截面,该扇形所对圆心角为135°、半径为R,AC上涂有吸光材料。一细光束平行于桌面从AB上射入玻璃砖,光束在AB上的入射点以非常小的速度匀速由A移向B的过程中,光恰好不射出时入射点的位置到圆心的距离为eq \f(\r(6),3)R。光在真空中的速度为c。求:
    (1)玻璃砖对光的折射率;
    (2)光恰好在圆弧面发生全反射时,光线在玻璃砖内传播的时间(可用含正、余弦值的式子表示)。
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    考点二 光的波动性 电磁波
    1.光的干涉现象:双缝干涉、薄膜干涉(油膜、空气膜、增透膜、牛顿环);
    光的衍射现象:单缝衍射、圆孔衍射、光栅衍射、泊松亮斑。
    2.光的双缝干涉和单缝衍射的比较
    3.电磁振荡和电磁波
    (1)电磁振荡:T=2πeq \r(LC),电流为0时电场能最大,电流最大时磁场能最大。
    (2)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。
    (3)电磁波传播不需要介质,在介质中传播时,速度与介质材料和电磁波频率有关。
    (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。
    例4 关于光的传播现象及应用,下列说法正确的是( )
    A.“3D电影”的播放和观看利用了光的干涉
    B.水中的气泡看起来特别明亮,是因为光从水射向气泡时,一部分光在界面上发生了全反射的缘故
    C.利用电磁波传递信号可以实现无线通信,但电磁波不能通过电缆、光缆传输
    D.一束单色光由空气射入玻璃,这束光的波长变长
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    例5 (2023·江苏盐城市三模)把线圈、电容器、电源和单刀双掷开关按照如图所示电路图连接电路。把示波器的两端连在电容器的两个极板上。先把开关置于电源一侧为电容器充电;稍后再把开关置于线圈一侧,从此刻开始计时,电容器通过线圈放电。电路工作过程中,向外辐射电磁波,则电压Uab随时间t变化的波形是( )
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    例6 (2023·江苏南通市模拟预测)利用图示装置研究双缝干涉现象并测量光的波长,下列说法中正确的是( )
    A.测量过程中误将6个条纹间距数成5个,波长测量值偏大
    B.将屏向右移动,其他不动,则干涉条纹间距变小
    C.将双缝换为间距更大的双缝后,干涉条纹间距变宽
    D.用激光替代普通光源直接照射到双缝上,观察不到干涉条纹
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    考点三 几何光学与物理光学的综合应用
    1.含有多种颜色的光从一种介质进入另一种介质,由于介质对不同色光的折射率不同,各种色光的偏折程度不同。
    2.各种色光的比较
    例7 一束光照射到底面有涂层的平行玻璃砖上表面,经下表面反射从玻璃砖上表面射出,光线分为a、b两束,如图所示。下列说法正确的是( )
    A.在玻璃中a光的传播速度大于b光的传播速度
    B.在真空中用同一装置进行双缝干涉实验,a光的条纹间距大于b光的条纹间距
    C.a、b光在涂层表面一定不会发生全反射
    D.在真空中,遇到障碍物时a光更容易产生明显的衍射现象
    学习笔记:______________________________________________________________
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    1.(2023·江苏南京市模拟)钻戒上的钻石,从正上方看到它光彩夺目。设该钻石对可见光的折射率n≈2,其截面较合适的图形是( )
    2.如图所示为一个半径为R的半球形玻璃砖的剖面图,其中O为圆心,AB为直径,OO′为AB的垂线。
    (1)一束细光线在OB的中点处垂直于AB从下方入射,光线从玻璃砖的上表面射出时与OO′的夹角为15°,求玻璃的折射率n;
    (2) 一束平行光垂直射向玻璃砖的下表面,若光线到达上表面后,都能从上表面射出,则入射光束在AB上的最大宽度为多少?
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    第13讲 光学 电磁波
    例1 C [水相对于空气是光密介质,光从光密介质射入光疏介质,折射角大于入射角,所以光线向上偏折,光路向上平移;同时蓝光比红光的折射率大,因此蓝光比红光偏折得更厉害,故选C。]
    例2 C [如图所示,由几何关系可知θ=45°,故CD长度为eq \r(2)R,所以正方形总长度为8eq \r(2)R;全反射的临界角度满足sin C=eq \f(1,n)≤sin 45°,故折射率n≥eq \r(2),因此传播时间为t=eq \f(s,v)=eq \f(8\r(2)R,\f(c,n))=eq \f(8\r(2)Rn,c)≥eq \f(16R,c);分析可知从C位置以上发射的细光束也能发生全反射,故选C。]
    例3 (1)eq \r(2) (2)(eq \f(2\r(6)sin 75°,3)+eq \f(\r(6),2sin 75°))eq \f(R,c)
    解析 (1)作出光恰在圆弧面上发生全反射的光路图,如图所示
    根据临界角与折射率的关系sin C=eq \f(1,n)
    光在玻璃砖上的入射角为α=45°,由折射定律有n=eq \f(sin α,sin θ)
    光恰好不射出时入射点的位置到圆心的距离为eq \f(\r(6),3)R,
    由几何关系有eq \f(R,cs θ)=eq \f(\r(6)R,3sin C)
    解得n=eq \r(2)
    (2)结合上述分析和几何知识可知,光从射入玻璃砖到第一次打到圆弧面上经过的距离为x1=eq \f(2\r(3)sin 75°,3)R
    光从第一次打到圆弧面上到打到底面AC上经过的距离为
    x2=eq \f(sin 60°,sin 75°)R=eq \f(\r(3),2sin 75°)R
    光在玻璃砖中的传播速度为
    v=eq \f(c,n)=eq \f(\r(2),2)c
    则光恰好在圆弧面发生全反射时,光线在玻璃砖内传播的时间为t=eq \f(x1+x2,v)=(eq \f(2\r(6)sin 75°,3)+eq \f(\r(6),2sin 75°))eq \f(R,c)。
    例4 B [“3D电影”的播放和观看利用了光的偏振现象,故A错误;水中的气泡看起来特别明亮,是因为光从水射向气泡时,一部分光在界面上发生了全反射的缘故,故B正确;光是一种电磁波,光可在光导纤维中传播,故C错误;一束光由空气射入玻璃,由v=eq \f(c,n)可知,光在玻璃中的传播速度变小,光的频率不变,由λ=eq \f(v,f)可知光在玻璃中的波长变长,故D错误。]
    例5 C [先把开关置于电源一侧为电容器充电,则断开开关后,电容器两端的电压一定,且Uab为最大值,再把开关置于线圈一侧后,电容器放电,两极板间的电压随着电荷量的减少,电场能转化为磁场能而降低;当电容器两极板的电荷量减为零时,电容器两极板间的电压为零,此时线圈中的磁场能达到最大,紧接着磁场能又向电场能转化,即线圈产生自感电动势给电容器反向充电,但在电场能转化为磁场能以及磁场能又再次转化为电场能的过程中,电路向外辐射电磁波,电路中的能量在耗散,因此电容器两极板间的电压越来越小,而电容器的充放电有其自身的固有周期,即周期不变,故选C。]
    例6 A [条纹间距Δx=eq \f(a,n-1),其中a为n条明条纹或暗条纹之间的宽度,若测量过程中误将6个条纹间距数成5个,则条纹间距变大;根据干涉条纹间距公式Δx=eq \f(l,d)λ可知,波长的测量值偏大,故A正确;将屏向右移动,增大了双缝与屏之间的距离,其他不动,干涉条纹间距变大,故B错误;将双缝换为间距更大的双缝后,根据干涉条纹间距公式Δx=eq \f(l,d)λ可知,d变大,干涉条纹间距变窄,故C错误;因激光的相干性高,用激光替代普通光源直接照射到双缝上,可以观察到干涉条纹,故D错误。]
    例7 C [光路图如图所示。在玻璃砖上表面折射时, a光的偏折程度较大,则a光的折射率较大,由v=eq \f(c,n)知,在玻璃中a光的传播速度小于b光的传播速度,故A项错误;a光的折射率大,频率大,波长小,根据Δx=eq \f(L,d)λ知,在真空中用同一装置进行双缝干涉实验,a光的条纹间距小于b光的条纹间距,故B项错误;a、b光在涂层表面的入射角等于在玻璃砖上表面的折射角, a、b光在涂层表面一定不会发生全反射,故C项正确;b光的波长较长,波动性较强,遇到障碍物时b光更容易产生明显的衍射现象,故D项错误。]
    高考预测
    1.B [由题意可知sin C=eq \f(1,n)=eq \f(1,2),解得C=30°,钻石从正上方看到它光彩夺目,则从正面入射的光线在钻石下端两斜边均发生全反射,然后从正面射出,光路图如图所示。由几何知识可知θ1=θ2=eq \f(1,2)∠AOB

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