資源簡介

(共68張PPT)
第13講 光學
題型1 光的折射和全反射
題型2 光的干涉與衍射
題型3 光的波粒二象性、物質波
題型4 光學模塊的組合問題
網絡構建
備用習題
網絡構建
【關鍵能力】
了解光本質的認知過程,高中物理光學內容主要包括三部分:第一部分是幾
何光學,把光的傳播抽象成光線模型并遵循直線傳播原理、反射定律、折
射定律;第二部分是波動光學,是在光的干涉、光的衍射、光的偏振等現象
分析基礎上把光傳播本質理解為電磁波模型;第三部分是在光電效應、康
普頓效應等現象基礎上理解光的波粒二象性.
題型1 光的折射和全反射
平行玻璃磚 三棱鏡 圓柱體(球)
結構 玻璃磚上下表面是 平行的 橫截面為三角形的棱鏡 橫截面是圓
平行玻璃磚 三棱鏡 圓柱體(球)
對光 線的 作用 通過平行玻璃磚的 光線不改變傳播方 向,但要發生側移 ___________________________________________________ 通過三棱鏡的光線經兩 次折射后,出射光線向棱 鏡底面偏折 _________________________________________________________ 圓界面的法線是過圓
心的直線,經過兩次折
射后向圓心偏折
_________________________________________________________
（續表）
平行玻璃磚 三棱鏡 圓柱體(球)
應用 測定玻璃的折射率 全反射棱鏡,改變光的傳 播方向 ___________________________________________________________ 改變光的傳播方向
（續表）
例1 [2023·浙江6月選考] 在水池底部水平放置三條細燈帶構成的等腰直角
三角形發光體，直角邊的長度為，水的折射率 ，細燈帶到水面
的距離 ，則有光射出的水面形狀(用陰影表示)為( )
A. B. C. D.
√
[解析] 水面下的發光體可以看成是許多點光源，每個點光源射向水面時
有光射出的區域是一個圓，發生全反射的臨界角的正弦值 ，
則，圓半徑 ，如圖甲所示，所以整個發光體
在水面處有光射出的區域看作是以邊界上的點為圓心、半徑為 的包
絡面，如圖乙所示，設三角形發光體的內切圓半徑為 ，如圖丙所示，有
，得 ，可知，有光射出
的水面形狀為選項C.
技法點撥
本題先考慮點光源發出的光在水面上有光射出的水面形狀，再考慮線光源
發出的光在水面上有光射出的水面形狀，最后分析三條細燈帶構成的等腰
直角三角形發光體發出的光在水面上有光射出的水面形狀.根據全反射臨
界角滿足的條件，畫出示意圖，根據幾何關系解答.
【遷移拓展】
1.[2024·寧波模擬] 某主題公園的湖里安裝了一批圓形線狀光源的彩燈，
半徑為 ，如圖甲所示.該光源水平放置到湖水下方，光源圓面與液面平行.
當彩燈發出紅光時，可在水面正上方觀察到如圖乙所示的紅色亮環，亮環
與中間暗圓的面積之比為，已知水對紅光的折射率為 .下列說法正確
的是( )
A.此彩燈離水面的垂直距離為79R
B.彩燈變換發光顏色時，中間暗圓面積保持不變
C.若將彩燈上移，則亮環面積與中間暗圓面積之比增大
D.將彩燈再向湖底豎直向下移動 ，會使中間暗圓消失
√
[解析] 設亮環最外圈的半徑為 ，暗圓的半徑為
，由題意有 ，其光路圖如圖所示，
圓環邊緣的光線發生全反射，有 ，由幾
何關系有， ，
解得 ，故A正確；當彩燈變換發光顏色
時，則水對該光的折射率發生變化，由上述分析可知，當折射率發生改變
時，則暗圓的半徑發生變化，所以中間暗圓的面積發生變化，故B錯誤；
由幾何關系可知， ，整理有
，若將彩燈上移，即彩燈
到水面的高度減小，即 變小，由上述分析可
知，增大，又因為，所以 減
小，則亮環面積與中間暗圓面積之比變小，故C
錯誤；若使中間暗圓消失，有 ，
解得 ，所以將彩燈向下平移的距離為
，故D錯誤.
2.一個光學圓柱體的橫截面如圖所示，中心部分
是空的正方形，外邊界是半徑為的圓，圓心
也是正方形的中心， 是正方形其中一個邊上的
中點，是圓周上的一點，已知 ，
，真空中光速為 ，一束單色光
從點射入介質，入射角為 ，折射光線
為 ，下列說法正確的是( )
A.光在點的折射角為 B.正方形的邊長為
C.介質對此單色光的折射率為 D.光從到的傳播時間為
√
[解析] 由幾何關系可得，光在B點的折射角為 ，則介質對此單色光的折射率為 ，故A、C錯誤；設正方形的邊長為 ，由余弦定理有，解得 ，故B正確；光在介質中的傳播速度為 ，光從B到C的傳播時間為 ，
故D錯誤.
題型2 光的干涉與衍射
現象 單縫衍射 雙縫干涉
不同點 條紋寬度 條紋寬度不等,中央最寬 條紋寬度相等
條紋間距 各相鄰條紋間距不等 各相鄰條紋等間距
亮度情況 中央條紋最亮,兩邊變暗 條紋清晰,亮度基本相等
相同點 干涉、衍射都是波特有的現象,屬于波的疊加;干涉、 衍射都有明暗相間的條紋
例2 [2024·臺州模擬] 某研究性學習小組用激光束照射圓孔和不透明圓板
后，分別得到如圖甲、乙所示的圖樣，則下列說法錯誤的是( )
A.甲圖屬于圓孔衍射
B.乙圖的亮斑是“泊松亮斑”，最早由泊松先推算出這個亮斑，后來泊松發
現影的中心的確有這個亮斑
C.不管是圓孔衍射還是圓盤衍射，影像的邊緣輪廓都是模糊不清的
D.發生圓孔衍射時，圓形光環的圖樣半徑遠大于圓孔的半徑，即光繞到障
礙物的影子里
√
[解析] 根據衍射條紋的特點可知甲圖屬于圓孔衍射，乙圖是光線照射到
圓板后的衍射圖樣，即乙圖為著名的“泊松亮斑”，故A正確；乙圖的亮斑
是“泊松亮斑”，最早由泊松先推算出這個亮斑，但泊松認為這是非常荒謬
的，后來阿拉果發現影的中心有這個亮斑，故B錯誤；不管是圓孔衍射還
是圓盤衍射，影像的邊緣輪廓都是模糊不清的，故C正確；發生圓孔衍射
時，圓形光環的圖樣半徑遠大于圓孔的半徑，即光繞到障礙物的影子里，
故D正確.
技法點撥
小孔衍射圖樣與圓板衍射圖樣是不一樣的，要掌握它們的特點來記憶.圓
孔形成明暗相間的、不等亮、不等間距的圓環；不透明圓板背后陰影中心
有一個亮斑.
例3 [2024·湖州模擬] 某同學根據光的干涉原理設計了探究不同材料熱膨
脹程度的實驗裝置，如圖所示.材料甲置于玻璃平板之間，材料乙的上表
面3與上層玻璃下表面2間形成空氣劈尖.單色光垂直照射到玻璃平板上，
就可以觀察到干涉條紋.下列說法正確的是( )
A.表面3可以與表面2平行
B.該條紋是由上層玻璃上表面1與下層玻璃上
表面4的反射光發生干涉形成的
C.僅溫度升高，若干涉條紋向左移動，則材料
甲膨脹程度大
D.僅換用頻率更小的單色光，干涉條紋將向
左移動
√
[解析] 該條紋是由上層玻璃下表面2與材料乙
上表面3的反射光發生干涉形成的，由空氣劈
尖原理可知，若表面3與表面2平行，則兩表
面的反射光之間的路程差始終恒定，則不會
形成明暗相間的條紋，故A、B錯誤；若溫度
升高，干涉條紋向左移動，則上層玻璃下表
面2與材料乙上表面3之間的空氣膜厚度增加，
即材料甲膨脹程度大，故C正確；
若換用頻率更小的單色光，則波長變長，根
據條紋間距公式 可知，干涉條紋間
距增大，對應空氣膜厚度符合條件的位置向
右移動，故D錯誤.
技法點撥
干涉類問題最容易進行拓展變形
【遷移拓展】
1.[2024·山東濰坊模擬] 制造半導體元件需要精確測定硅片上涂有的二氧
化硅 薄膜的厚度，把左側二氧化硅薄膜腐蝕成如圖甲所示的劈尖，
用波長 的激光從上方照射劈尖，觀察到在腐蝕區域內有8條暗
紋，且二氧化硅斜面轉為平面的棱處是亮紋，二氧化硅的折射率為 ，
則二氧化硅薄膜的厚度為( )
A. B. C. D.
√
[解析] 根據題意，由于二氧化硅的折射率為 ，則激光在二氧化硅中的
波長為 ,觀察到在腐蝕區域內有8條暗紋，則二氧化硅斜面轉為平面
的棱處是第9條亮紋，設二氧化硅薄膜的厚度為，則有 ,聯立
解得 ,故選A.
2.[2024·金華一中模擬] 雙縫干涉的
實驗裝置的截面圖如圖所示，光源到
雙縫、的距離相等，是、
連線中垂線與光屏的交點.若現在將
該裝置中垂線以下的部分沒入水中，
則原本處在 點的亮條紋將會( )
A.向上移動 B.向下移動 C.不動 D.無法確定
√
[解析] 由于水的折射，光在水中傳
播時，波長變短.光源發出的光通過
狹縫到達點的光程比通過 到達
點的光程大，由于中央亮條紋到兩
個光源的光程相等，因此中央亮紋向
下移動.故選B.
題型3 光的波粒二象性、物質波
1.對光電效應的特別提醒
(1)能否發生光電效應,不取決于光的強度而取決于光的頻率.
(2)光電效應中的“光”不是特指可見光,也包括不可見光.
(3)逸出功的大小由金屬本身決定,與入射光無關.
(4)光電子不是光子,而是電子.
2.對波粒二象性的理解
(1)光的波動性是光子本身的一種屬性,不是光子之間相互作用產生的,光的
波動性不同于宏觀概念的波.
(2)德布羅意提出物質波的觀點被實驗證實,表明電子、質子、原子等粒子
不但具有粒子的性質,而且具有波的性質.
例4 (不定項)[2024·嘉興模擬] 波粒二象性是微觀世界的基本特征.下列對
波粒二象性的實驗及說法正確的是( )
A.光的衍射(圖甲)揭示了光具有粒子性
B.光電效應(圖乙)揭示了光的波動性，同時表明光子具有能量
C.康普頓效應(圖丙)揭示了光的粒子性，同時表明光子除了有能量還有動量
D.電子束穿過鋁箔后的衍射圖樣(圖丁)，證實了電子的波動性，質子、中
子及原子、分子均具有波動性
√
√
[解析] 光的衍射(圖甲)揭示了光具有波動性，選項A錯誤；光電效應(圖乙)
揭示了光的粒子性，同時表明光子具有能量，選項B錯誤；康普頓效應
(圖丙)揭示了光的粒子性，同時表明光子除了有能量還有動量，選項C正
確；電子束穿過鋁箔后的衍射圖樣(圖丁)，證實了電子的波動性，質子、
中子及原子、分子均具有波動性，選項D正確.
例5 [2024·麗水模擬] 如圖甲所示是一款光電煙霧探測器的原理圖.當有煙
霧進入時，來自光源的光被煙霧散射后進入光電管 ，光射到光電管中
的鈉表面時會產生光電流.如果產生的光電流大于 ，便會觸發報警
系統.金屬鈉的遏止電壓隨入射光頻率 的變化規律如圖乙所示，光速
， ，則( )
A.要使該探測器正常工作，光源S發出的光波長不能小于
B.圖乙中圖像斜率的物理意義為普朗克常量
C.觸發報警系統時鈉表面每秒釋放出的光電子數最少是 個
D.通過調節光源發光的強度來調整光電煙霧探測器的靈敏度是不可行的
√
[解析] 由圖乙可知金屬的截止頻率為 ，則有
，則可知光源 發出的光波長小于
，故A錯誤；由遏止電壓與光電子的最大初動能之間的關系，
以及愛因斯坦的光電效應方程可得 ，變式可得
，可知該圖像的斜率為，故B錯誤；當光電流等于
時，每秒產生的光電子的個數為個 個，故
C正確；當光源 發出的光能使光電管發生光電效應時，光越強，被煙霧
散射進入光電管的光就越多，越容易探測到煙霧，即光電煙霧探測器靈敏
度越高，故D錯誤.
【遷移拓展】
1.[2024·溫州模擬] 如圖所示，某激光器的一
端固定于虛線圓的圓心點，以角速度 繞
點轉動，轉動過程中從激光器的另一端連續
發出波長為 的細激光束(不計光束截面積)，
在半徑為 的虛線圓某處固定一弧形接收屏，
A. B. C. D.
接收屏沿虛線圓的長度為 .激光器轉動一周的過程中，接收屏接收到的光
子數為，已知普朗克常量為，激光傳播的速度為 ，則激光器的發射功
率為( )
√
[解析] 激光器轉動的周期為 ，轉一周的過
程中虛線圓單位長度接收到的光能量為 ，
接收屏接收到的光能量為 ，每個光子能
量為 ，則在激光器轉動一周的過程
中，接收屏接收到的光子數為 ，聯立解得
，故選B.
2.[2024·臺州模擬] 我國科學家吳有訓在上世紀20年代進行 射線散射研究，
為康普頓效應的確立做出了重要貢獻.研究 射線被較輕物質散射后光的成
分發現，散射譜線中除了有波長與原波長相同的成分外，還有其他波長的
成分，這種現象稱為康普頓效應.如圖所示，在真空中，入射波長為 的
光子與靜止的電子發生彈性碰撞，碰后光子傳播方向與入射方向夾角為
，碰后電子運動方向與光子入射方向夾角為
，下列說法正確的是( )
A.該效應說明光具有波動性
B.碰撞后光子的波長為
C.碰撞后電子的德布羅意波長為
D.碰撞后光子相對于電子的速度大于
√
[解析] 該效應說明光具有粒子性，故A錯誤；根據題意，設碰撞之前光子
的動量為，碰撞之后光子的動量為，電子的動量為 ，由動量守恒定
律有， ，解得
，，又有 ，則碰撞后光子的波長為
，碰撞后電子的德布羅意波長為 ，故C錯誤，
B正確；光子的速度等于光速，按照愛因斯坦的光速不變原理即在任何參
考系中光速都不變，可知光子相對于電子的速度等于 ，故D錯誤.
題型4 光學模塊的組合問題
例7 (不定項)[2024·浙江1月選考] 在
如圖所示的直角坐標系中， 平面為
介質Ⅰ和Ⅱ的分界面( 軸垂直紙面向外).
在介質Ⅰ中的 處有一點波源，產
生波長為 、速度為 的波.波傳到介質
Ⅱ中，其速度為 .圖示時刻介質Ⅱ中
僅有一個波峰，與軸和軸分別交于和 點，此時波源也恰好位于波峰.
為、連線的中點，入射波與反射波在 點相干加強，則( )
A.介質Ⅱ中波的頻率為
B. 點的坐標為
C.入射波與反射波在 點相干減弱
D.折射角 的正弦值
√
√
[解析] 波發生折射時，波的頻率不變，
所以波在介質Ⅰ、Ⅱ中的頻率相等，即
，選項A錯誤；波在介質Ⅰ中的波長
為 ,根據 可知，波在介
質Ⅱ中的波長為 ，
該時刻波源處于波峰，點到
點距離為 ,則入射波在 點也處于波峰，
已知入射波與反射波在 點相干加強，
說明反射波在 點恰好也處于波峰，又知
介質Ⅱ中僅有一個波峰，所以、 之間
距離恰好等于一個波長，即 ，
故點的坐標為 ，選項B正確；
已知入射波與反射波在 點相干加強，說
明波傳到兩種介質的分界面時沒有半波
損失，則入射波和反射波在分界面上同
一點的相位相同，分界面上各點都是相
干加強，選項C錯誤；已知圖示時刻介質
Ⅱ中僅有一個波峰與軸和軸分別交于
和點，說明波傳播到和 點的時間相
同，即，解得 ，
根據折射率公式得 ,根據折
射率與傳播速度的關系得 ，其中
，聯立
解得 ，選項D正確.
技法點撥
在介質Ⅱ中的波長為 ，此刻波源處于波峰，則4個波長處點也
處于波峰處，而又根據題意，入射波、反射波在點相干加強，說明反射
波在點恰好也處于波峰.根據題意在介質Ⅱ中，僅有一個波峰，所以、
之間恰好是相鄰的兩個波峰.由于沒有半波損失，界面上每處的入射波與
反射波始終同相，都是加強點.
例8 (不定項)[2023·浙江6月選考] 有一種新型光電效應量子材料，其逸
出功為 .當紫外光照射該材料時，只產生動能和動量單一的相干光電子
束.用該電子束照射間距為的雙縫，在與縫相距為 的觀測屏上形成干涉
條紋，測得條紋間距為.已知電子質量為，普朗克常量為 ，光速為
，則( )
A.電子的動量
B.電子的動能
C.光子的能量
D.光子的動量
√
√
[解析] 根據雙縫干涉條紋間距公式 可知，該相干光電子束中電子
的動量為，選項A正確；根據 可知，相干光電子束
中電子的動能 ，選項B錯誤；根據愛因斯坦的光電效應方程
可知，則該紫外光的光子能量 ,而紫
外光的光子動量為，又，聯立得 ，選項C
錯誤，D正確.
技法點撥
根據電子的動量公式結合雙縫干涉實驗的條紋間距公式聯立得出電子的動
量表達式；根據動能和動量的關系得出電子的動能；結合光電效應方程列
式得出光子的能量，熟悉公式間的推導即可完成解答.
【遷移拓展】
1.[2024·寧波模擬] 某學生用圖甲裝置進行趣味實驗，其原理如圖乙所示，
在一塊平板玻璃上放置一平薄凸透鏡，在兩者之間形成厚度不均勻的空氣
膜，讓一束單一波長的光垂直入射到該裝置上，結果在上方觀察到如圖丙
所示的同心、內疏外密的圓環狀干涉條紋，稱為牛頓環，現將、 兩束單
色光分別進行實驗，結果發現同等條件下 光的圓環狀干涉條紋平均間距
大于 光的間距.下列說法錯誤的是( )
A.分別用、 兩束光照射同一光電管陰極時，如果都能發生光電效應，則
光的遏止電壓更大
B.如果、兩束光以相同的入射角照射到玻璃磚表面，則 光的折射角更小
C.將、兩束光射入同一單縫衍射裝置上， 光對應的中央亮紋的寬度更大
D.光光子動量小于 光光子動量
√
[解析] 同等條件下光的圓環狀干涉條紋平均間距大于光的間距，則 光
的波長大于光的波長，光的頻率小于光的頻率.分別用、 兩束光照射
同一光電管陰極時，如果都能發生光電效應，根據光電效應方程
，由于光的頻率小，所以 光的遏止電壓更小，故A錯誤；
光折射率大于光折射率，入射角相同，光折射角小于 光折射角，故B
正確；將、兩束光射入同一單縫衍射裝置上，由于光的波長大于 光
的波長，光對應的中央亮紋的寬度更大，故C正確；根據，可知
光光子動量小于 光光子動量，故D正確.
2.(不定項)[2024·麗水模擬] 如圖乙所示，一束復色光從空氣射向一個球
狀水滴后被分成了、 兩束單色光，分別將這兩束單色光射向圖甲所示的
裝置，僅有一束光能發生光電效應.調節滑片 的位置，當電流表示數恰為
零時，電壓表示數為.已知該種金屬的極限頻率為 ，電子電荷量的絕
對值為，普朗克常量為 ，下列說法正確的是( )
A.光在玻璃中的傳播速度比 光小
B.光的光子能量為
C.保持光強不變，滑片 由圖示位置向左移，電流表示數變大
D.用同一雙縫做光的干涉實驗，光產生的干涉條紋間距比 光的大
√
√
[解析] 由圖乙知，由于兩束光入射角相同， 光的折射角小，根據
,可知光的折射率大于光的折射率，根據,所以 光在玻璃中
的傳播速度比光小，A錯誤；由折射率和頻率的關系可知， 光的頻率大
于光的頻率，故 光發生光電效應，根據光電效應方程
,又有,所以 光的光子能量為
,B正確；保持光強不變，滑片 由圖示位置向左移，則A、
兩端的反向電壓變大，則電流表示數可能變小，C錯誤；由于 光的折射
率大，所以光的波長大于光的波長，根據 ,用同一雙縫做光的
干涉實驗，光產生的干涉條紋間距比 光的大，D正確.
1. 用激光筆照射透明塑料制成的光盤邊緣時觀察到的現象如圖所示.入射點O和兩出射點P、Q恰好位于光盤邊緣等間隔的三點處,空氣中的四條細光束分別為入射光束a、反射光束b、出射光束c和d.已知光束a和b間的夾角為90°,則(　　)
A.光盤材料的折射率n=2
B.光在光盤內的速度為真空中光速的三分之二
C.光束b、c和d的強度之和等于光束a的強度
D.光束c的強度小于O點處折射光束OP的強度
√
[解析] 根據題目已知條件,光路如下,由此可知n=,選項A錯誤;
根據n=可知,光在介質中的速度為v=,選項B錯誤;
根據能量守恒定律可知,入射光a的強度,大于光束b、c和d的強度之和,選項C錯誤;
在P處,光束OP的強度應等于光束c和光束PQ的強度之和,選項D正確.
2.　(多選) 肥皂膜的干涉條紋如圖所示,條紋間距上面寬、下面窄.下列說法正確的是 (　　)
A.過肥皂膜最高和最低點的截面一定不是梯形
B.肥皂膜上的條紋是前后表面反射光形成的干涉條紋
C.肥皂膜從形成到破裂,條紋的寬度和間距不會發生變化
D.將肥皂膜外金屬環左側的把柄向上轉動90°,條紋也會跟著轉動90°
√
√
[解析] 肥皂膜因為自重會上面薄而下面厚,因表面張力的作用其截面一定不是梯形,A正確;
薄膜干涉是等厚干涉,肥皂膜上的條紋是前后表面反射光形成的干涉條紋,B正確;
形成條紋的原因是前后表面的反射光疊加出現了振動加強點和振動減弱點,形成到破裂的過程上面越來越薄,下面越來越厚,因此加強點和減弱點的位置會發生變化,條紋寬度和間距發生變化,C錯誤;
將肥皂膜外金屬環左側的把柄向上轉動90°,由于重力,表面張力和黏滯力等的作用,肥皂膜的形狀和厚度會重新分布,并不會跟著旋轉90°,D錯誤.
3.　(多選) 我們用如圖所示的電路研究光電效應時,當開關閉合后,微安表有一定示數,以下說法正確的是 (　　)
A.如圖所示的電路連接可用于測量遏止電壓
B.更換電源的正負極,可以使微安表示數減小
C.把滑動變阻器滑片向左滑動,微安表示數一定減小
D.僅增大入射光強度時,微安表示數一定增大
√
√
[解析] 測量遏止電壓時,應使光電子逸出后減速運動,圖中電路不能測量遏止電壓,故A錯誤;
將電源的正、負極對調,若電壓超過遏止電壓,則微安表示數為零,若電壓小于遏止電壓,則微安表示數減小,故B正確;
滑動變阻器滑片左移,正向電壓減小,若沒有達到飽和電流,則微安表示數減小,若已經達到飽和電流,則微安表示數不變,故C錯誤;
僅增大入射光強度,則單位時間里產生的光電子數目增多,
所以微安表示數一定增大,故D正確.
4. (多選) 如圖所示,波長為λa和λb的兩種單色光射入三棱鏡,經折射后射出兩束單色光a和b,則這兩束光 (　　)
A.照射同一種金屬均有光電子逸出,光電子最大初動能Eka>Ekb
B.射向同一雙縫干涉裝置,其干涉條紋間距Δxa>Δxb
C.在水中的傳播速度vaD.光子動量pa√
√
[解析] 由光路圖可知,三棱鏡對b光的折射率大,因此νa<νb,根據光電效應方程Ek=hν-W0可知,Eka頻率越大,則波長越小,根據Δx=λ可知,Δxa>Δxb,選項B正確;
根據n=可知,折射率越大,則在介質中的傳播速度越小,因此va>vb,選項C錯誤;
德布羅意波長λ=,且ν=,可得p=,因此pa

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