第四章　光 章末素养提升 学案（含答案 学生版+教师版）

章末素养提升
物理观念 光的几种现象 光的折射： (1)折射定律：n＝，光从真空斜射入任何介质时，θ1>θ2 (2)折射率与传播速度的关系：n＝
光的全反射： (1)条件：光从________介质斜射向________介质、入射角__________临界角 (2)临界角C计算公式：sin C＝
光的干涉： (1)双缝干涉 ①条件：两列____________、________________、_____________的光 ②条纹间距：Δx＝λ ③干涉图样：单色光是明暗相间、间隔______的条纹 (2)薄膜干涉
光的衍射： (1)发生明显衍射的条件：障碍物或狭缝的尺寸____________ (2)衍射图样：单色光是明暗相间、间隔____________的条纹 (3)实例：单缝衍射、圆孔衍射、泊松亮斑
光的偏振 (1)偏振光与自然光的区别 (2)偏振现象证明光是________波
激光： (1)特点：__________________、________________、__________ (2)应用：光纤通信、激光测距、激光雷达、医疗、全息照相等
科学思维 模型构建 通过构建光路模型，解释反射、折射等现象
光的本性认识 通过对光的衍射、干涉、偏振等现象的研究与理解，知道光具有波动性，对光的本性有了初步的认识
科学探究 1.测量玻璃的折射率；2.用双缝干涉测量光的波长
科学态度与责任 通过了解光的衍射、干涉、光纤和激光技术的应用等，了解科学、技术和社会的关系
例1　(2022·江苏省泰州中学期中)对下列四个有关光的实验示意图，分析正确的是(　　)
A．图甲中若改变复色光的入射角，则b光先在水珠中发生全反射
B．图乙若只减小屏到挡板的距离L，则相邻亮条纹间距离将减小
C．图丙中若得到明暗相间平行等距条纹，说明待测工件表面不平整
D．若只旋转图丁中M或N一个偏振片，光屏P上的光斑亮度不发生变化
例2　(2023·江苏南通市高二期中)一束复色光由空气斜射向一块平行玻璃砖(玻璃砖较厚)，经折射分成两束单色光a、b，已知a光是红光，b光是紫光。下列光路图正确的是(　　)
例3　如图甲所示是由透明材料制成的半圆柱体，一束细光束由真空沿着径向与AB成θ角射入，对射出的折射光线的强度随θ角的变化进行记录，得到的关系如图乙所示。图丙是这种材料制成的透明体，左侧是半径为R的半圆，右侧是长为8R、高为2R的长方体，一束单色光从左侧A′点沿半径方向与长边成37°角射入透明体。已知光在真空中的传播速度为c，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8，下列说法正确的是(　　)
A．该透明材料的临界角为37°
B．该透明材料的折射率为
C．光在透明体中传播的速度为0.6c
D．光在透明体中传播的时间为
例4　如图所示，截面ABCD为放置在真空环境中的矩形透明设备，AB＝2a，AD＝a。一束光从AD边上距A点a处入射到上表面，与AD夹角为θ＝30°，折射光经过AB中点，光在真空中的传播速度为c，求：
(1)该透明设备材料的折射率(可用根号表示)；
(2)试判断这束光线在AB面是否发生了全反射，请做出合理的解释；
(3)请作出这束光线在透明设备内完整的光路图；
(4)求这束光在该透明材料中的传播速度(可用根号表示)；
(5)光从射入到第一次射出经历的时间。
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例5　如图，△ABC是一直角三棱镜的横截面，∠A＝90°，∠B＝60°，一细光束从BC边的D点折射后，射到AC边的E点，发生全反射后经AB边的F点射出。EG垂直于AC交BC于G，D恰好是CG的中点，不计多次反射。
(1)求出射光相对于D点的入射光的偏角；
(2)为实现上述光路，棱镜折射率的取值应在什么范围？
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章末素养提升
物理观念 光的几种现象 光的折射： (1)折射定律：n＝，光从真空斜射入任何介质时，θ1>θ2 (2)折射率与传播速度的关系：n＝
光的全反射： (1)条件：光从光密介质斜射向光疏介质、入射角大于或等于临界角 (2)临界角C计算公式：sin C＝
光的干涉： (1)双缝干涉 ①条件：两列频率相同、相位差恒定、振动方向相同的光 ②条纹间距：Δx＝λ ③干涉图样：单色光是明暗相间、间隔均匀的条纹 (2)薄膜干涉
光的衍射： (1)发生明显衍射的条件：障碍物或狭缝的尺寸足够小 (2)衍射图样：单色光是明暗相间、间隔不均匀的条纹 (3)实例：单缝衍射、圆孔衍射、泊松亮斑
光的偏振： (1)偏振光与自然光的区别 (2)偏振现象证明光是横波
激光： (1)特点：相干性好、平行度好、亮度高 (2)应用：光纤通信、激光测距、激光雷达、医疗、全息照相等
科学思维 模型构建 通过构建光路模型，解释反射、折射等现象
光的本性认识 通过对光的衍射、干涉、偏振等现象的研究与理解，知道光具有波动性，对光的本性有了初步的认识
科学探究 1.测量玻璃的折射率 2．用双缝干涉测量光的波长
科学态度与责任 通过了解光的衍射、干涉、光纤和激光技术的应用等，了解科学、技术和社会的关系
例1　(2022·江苏省泰州中学期中)对下列四个有关光的实验示意图，分析正确的是(　　)
A．图甲中若改变复色光的入射角，则b光先在水珠中发生全反射
B．图乙若只减小屏到挡板的距离L，则相邻亮条纹间距离将减小
C．图丙中若得到明暗相间平行等距条纹，说明待测工件表面不平整
D．若只旋转图丁中M或N一个偏振片，光屏P上的光斑亮度不发生变化
答案　B
解析　根据光路的可逆性，两光均不可能在水珠内发生全反射，故A错误；根据Δx＝λ可知，题图乙若只减小屏到挡板的距离，则相邻亮条纹间距离将减小，故B正确；根据薄膜干涉原理，题图丙中若得到明暗相间平行等距条纹，说明待测工件表面平整，故C错误；自然光通过偏振片M后成为偏振光，所以若只旋转M或N一个偏振片，则两偏振片透振方向的夹角变化，光屏P上的光斑亮度将发生变化，故D错误。
例2　(2023·江苏南通市高二期中)一束复色光由空气斜射向一块平行玻璃砖(玻璃砖较厚)，经折射分成两束单色光a、b，已知a光是红光，b光是紫光。下列光路图正确的是(　　)
答案　B
解析　玻璃对紫光的折射率大于对红光的折射率，光线射到玻璃砖上表面时，两束光的入射角θ1相等，根据折射定律n＝，可知红光在玻璃砖中的折射角大于紫光的折射角，在玻璃砖中的两束光线，右侧是红光，左侧是紫光，光线经过玻璃砖上下两个表面折射后，出射光线与入射光线平行，B正确，A、C、D错误。
例3　如图甲所示是由透明材料制成的半圆柱体，一束细光束由真空沿着径向与AB成θ角射入，对射出的折射光线的强度随θ角的变化进行记录，得到的关系如图乙所示。图丙是这种材料制成的透明体，左侧是半径为R的半圆，右侧是长为8R、高为2R的长方体，一束单色光从左侧A′点沿半径方向与长边成37°角射入透明体。已知光在真空中的传播速度为c，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8，下列说法正确的是(　　)
A．该透明材料的临界角为37°
B．该透明材料的折射率为
C．光在透明体中传播的速度为0.6c
D．光在透明体中传播的时间为
答案　D
解析　由题图乙可知，当θ＝37°时，折射光线才开始出现，说明此时恰好发生全反射，即该透明材料的临界角为C＝90°－37°＝53°，故A错误；
根据全反射临界角公式sin C＝
可知该透明材料的折射率为n＝1.25，故B错误；
根据折射率和光的传播速度之间的关系，可得光在该透明材料中的传播速度为v＝＝0.8c，故C错误；
由于临界角是53°，因此光线在长方体中刚好发生三次全反射，光路如图所示，设在长方体中光程为x，其在水平方向的投影为8R，故满足xcos 37°＝8R
可知x＝10R
而在半圆中还有光程R，因此总的路程为s＝x＋R＝11R
传播时间为t＝＝，故D正确。
例4　如图所示，截面ABCD为放置在真空环境中的矩形透明设备，AB＝2a，AD＝a。一束光从AD边上距A点a处入射到上表面，与AD夹角为θ＝30°，折射光经过AB中点，光在真空中的传播速度为c，求：
(1)该透明设备材料的折射率(可用根号表示)；
(2)试判断这束光线在AB面是否发生了全反射，请做出合理的解释；
(3)请作出这束光线在透明设备内完整的光路图；
(4)求这束光在该透明材料中的传播速度(可用根号表示)；
(5)光从射入到第一次射出经历的时间。
答案　(1)　(2)发生了全反射，解释见解析
(3)见解析图　(4)c　(5)
解析　(1)设该材料的折射率为n，在AD面上，设折射角为r，根据几何知识
tan r＝＝得r＝30°
由折射定律得n＝＝＝＝
(2)设这束光线在这种材料中的全反射的临界角为C
sin C＝＝
这束光线在AB面的入射角为90°－30°＝60°
因为sin 60°＝>
所以入射角大于临界角C，光线在AB面发生了全反射。
(3)设AB中点为E，这束光线在透明材料内完整的光路图如图所示
(4)这束光在该透明材料中的光速
v＝＝＝c
(5)光从射入到第一次射出经历的总路程s＝＝a
光从射入到第一次射出经历的时间
t＝＝＝。
例5　如图，△ABC是一直角三棱镜的横截面，∠A＝90°，∠B＝60°，一细光束从BC边的D点折射后，射到AC边的E点，发生全反射后经AB边的F点射出。EG垂直于AC交BC于G，D恰好是CG的中点，不计多次反射。
(1)求出射光相对于D点的入射光的偏角；
(2)为实现上述光路，棱镜折射率的取值应在什么范围？
答案　(1)60°　(2)≤n<2
解析　(1)由于D是CG的中点，GE⊥AC，根据几何关系可得：
光束在D点发生折射时的折射角为rD＝30°
根据几何关系可得：在E点的入射角、反射角均为60°
在F点的入射角为αF＝30°
在D点的入射角为αD，可得：
折射角rF＝αD
故出射光相对于D点的入射光的偏角为
60°－αD＋rF＝60°
(2)由E点反射角为60°可得，EF平行于BC，
故根据D点折射角为rD＝30°
在F点的入射角为αF＝30°
可得：棱镜折射率n<＝2
根据光束在E点入射角为60°，
发生全反射可得n≥＝
故棱镜折射率的取值范围为≤n<2。