2025届高考物理二轮复习讲义：第13讲　光学 【含答案】

2025届高考物理二轮复习讲义：第13讲　光学
【网络构建】
【关键能力】 了解光本质的认知过程,高中物理光学内容主要包括三部分:第一部分是几何光学,把光的传播抽象成光线模型并遵循直线传播原理、反射定律、折射定律;第二部分是波动光学,是在光的干涉、光的衍射、光的偏振等现象分析基础上把光传播本质理解为电磁波模型;第三部分是在光电效应、康普顿效应等现象基础上理解光的波粒二象性.
题型1　光的折射和全反射
平行玻璃砖 三棱镜 圆柱体(球)
结构 玻璃砖上下表面是平行的 横截面为三角形的棱镜 横截面是圆
对光线 的作用 通过平行玻璃砖的光线不改变传播方向,但要发生侧移 通过三棱镜的光线经两次折射后,出射光线向棱镜底面偏折 圆界面的法线是过圆心的直线,经过两次折射后向圆心偏折
应用 测定玻璃的折射率 全反射棱镜,改变光的传播方向 改变光的传播方向
　　　　　 　　　　　 　　　　　
例1　[2023·浙江6月选考] 在水池底部水平放置三条细灯带构成的等腰直角三角形发光体,直角边的长度为0.9 m,水的折射率n=,细灯带到水面的距离h= m,则有光射出的水面形状(用阴影表示)为 (　)
【技法点拨】
本题先考虑点光源发出的光在水面上有光射出的水面形状,再考虑线光源发出的光在水面上有光射出的水面形状,最后分析三条细灯带构成的等腰直角三角形发光体发出的光在水面上有光射出的水面形状.根据全反射临界角满足的条件,画出示意图,根据几何关系解答.
【迁移拓展】
1.[2024·宁波模拟] 某主题公园的湖里安装了一批圆形线状光源的彩灯,半径为R,如图甲所示.该光源水平放置到湖水下方,光源圆面与液面平行.当彩灯发出红光时,可在水面正上方观察到如图乙所示的红色亮环,亮环与中间暗圆的面积之比为3∶1,已知水对红光的折射率为.下列说法正确的是(　)
A.此彩灯离水面的垂直距离为R
B.彩灯变换发光颜色时,中间暗圆面积保持不变
C.若将彩灯上移,则亮环面积与中间暗圆面积之比增大
D.将彩灯再向湖底竖直向下移动R,会使中间暗圆消失
2.一个光学圆柱体的横截面如图所示,中心部分是空的正方形,外边界是半径为R的圆,圆心O也是正方形的中心,C是正方形其中一个边上的中点,B是圆周上的一点,已知OC=BC,∠BCO=120°,真空中光速为c,一束单色光AB从B点射入介质,入射角为60°,折射光线为BC,下列说法正确的是(　)
A.光在B点的折射角为45°
B.正方形的边长为
C.介质对此单色光的折射率为
D.光从B到C的传播时间为
题型2　光的干涉与衍射
　　　　　 　　　　　 　　　　　
现象 单缝衍射 双缝干涉
不同 点 条纹宽度 条纹宽度不等,中央最宽 条纹宽度相等
条纹间距 各相邻条纹间距不等 各相邻条纹等间距
亮度情况 中央条纹最亮,两边变暗 条纹清晰,亮度基本相等
相同点 干涉、衍射都是波特有的现象,属于波的叠加;干涉、衍射都有明暗相间的条纹
例2　[2024·台州模拟] 某研究性学习小组用激光束照射圆孔和不透明圆板后,分别得到如图甲、乙所示的图样,则下列说法错误的是 (　)
A.甲图属于圆孔衍射
B.乙图的亮斑是“泊松亮斑”,最早由泊松先推算出这个亮斑,后来泊松发现影的中心的确有这个亮斑
C.不管是圆孔衍射还是圆盘衍射,影像的边缘轮廓都是模糊不清的
D.发生圆孔衍射时,圆形光环的图样半径远大于圆孔的半径,即光绕到障碍物的影子里
【技法点拨】
小孔衍射图样与圆板衍射图样是不一样的,要掌握它们的特点来记忆.圆孔形成明暗相间的、不等亮、不等间距的圆环;不透明圆板背后阴影中心有一个亮斑.
例3　[2024·湖州模拟] 某同学根据光的干涉原理设计了探究不同材料热膨胀程度的实验装置,如图所示.材料甲置于玻璃平板之间,材料乙的上表面3与上层玻璃下表面2间形成空气劈尖.单色光垂直照射到玻璃平板上,就可以观察到干涉条纹.下列说法正确的是 (　)
A.表面3可以与表面2平行
B.该条纹是由上层玻璃上表面1与下层玻璃上表面4的反射光发生干涉形成的
C.仅温度升高,若干涉条纹向左移动,则材料甲膨胀程度大
D.仅换用频率更小的单色光,干涉条纹将向左移动

【技法点拨】
干涉类问题最容易进行拓展变形
【迁移拓展】
1.[2024·山东潍坊模拟] 制造半导体元件需要精确测定硅片上涂有的二氧化硅(SiO2)薄膜的厚度,把左侧二氧化硅薄膜腐蚀成如图甲所示的劈尖,用波长λ=630 nm的激光从上方照射劈尖,观察到在腐蚀区域内有8条暗纹,且二氧化硅斜面转为平面的棱MN处是亮纹,二氧化硅的折射率为1.5,则二氧化硅薄膜的厚度为 (　)
A.1680 nm B.1890 nm
C.2520 nm D.3780 nm
2.[2024·金华一中模拟] 双缝干涉的实验装置的截面图如图所示,光源到双缝S1、S2的距离相等,O是S1、S2连线中垂线与光屏的交点.若现在将该装置中垂线以下的部分没入水中,则原本处在O点的亮条纹将会 (　)
A.向上移动 B.向下移动
C.不动 D.无法确定
题型3　光的波粒二象性、物质波
　　　　　 　　　　　 　　　　　
1.对光电效应的特别提醒
(1)能否发生光电效应,不取决于光的强度而取决于光的频率.
(2)光电效应中的“光”不是特指可见光,也包括不可见光.
(3)逸出功的大小由金属本身决定,与入射光无关.
(4)光电子不是光子,而是电子.
2.对波粒二象性的理解
(1)光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间相互作用产生的,光的波动性不同于宏观概念的波.
(2)德布罗意提出物质波的观点被实验证实,表明电子、质子、原子等粒子不但具有粒子的性质,而且具有波的性质.
例4　(不定项)[2024·嘉兴模拟] 波粒二象性是微观世界的基本特征.下列对波粒二象性的实验及说法正确的是 (　)
A.光的衍射(图甲)揭示了光具有粒子性
B.光电效应(图乙)揭示了光的波动性,同时表明光子具有能量
C.康普顿效应(图丙)揭示了光的粒子性,同时表明光子除了有能量还有动量
D.电子束穿过铝箔后的衍射图样(图丁),证实了电子的波动性,质子、中子及原子、分子均具有波动性


例5　[2024·丽水模拟] 如图甲所示是一款光电烟雾探测器的原理图.当有烟雾进入时,来自光源S的光被烟雾散射后进入光电管C,光射到光电管中的钠表面时会产生光电流.如果产生的光电流大于10-8 A,便会触发报警系统.金属钠的遏止电压Uc随入射光频率ν的变化规律如图乙所示,光速c=3×108 m/s,e=1.6×10-19 C,则 (　)
A.要使该探测器正常工作,光源S发出的光波长不能小于5.0×10-7 m
B.图乙中图像斜率的物理意义为普朗克常量h
C.触发报警系统时钠表面每秒释放出的光电子数最少是N=6.25×1010个
D.通过调节光源发光的强度来调整光电烟雾探测器的灵敏度是不可行的


【迁移拓展】
1.[2024·温州模拟] 如图所示,某激光器的一端固定于虚线圆的圆心O点,以角速度ω绕O点转动,转动过程中从激光器的另一端连续发出波长为λ的细激光束(不计光束截面积),在半径为R的虚线圆某处固定一弧形接收屏,接收屏沿虚线圆的长度为l.激光器转动一周的过程中,接收屏接收到的光子数为n,已知普朗克常量为h,激光传播的速度为c,则激光器的发射功率为 (　)
A.
B.
C.
D.
2.[2024·台州模拟] 我国科学家吴有训在上世纪20年代进行X射线散射研究,为康普顿效应的确立做出了重要贡献.研究X射线被较轻物质散射后光的成分发现,散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外,还有其他波长的成分,这种现象称为康普顿效应.如图所示,在真空中,入射波长为λ0的光子与静止的电子发生弹性碰撞,碰后光子传播方向与入射方向夹角为37°,碰后电子运动方向与光子入射方向夹角为53°(cos 37°=0.8,cos 53°=0.6),下列说法正确的是 (　)
A.该效应说明光具有波动性
B.碰撞后光子的波长为1.25λ0
C.碰撞后电子的德布罗意波长为0.6λ0
D.碰撞后光子相对于电子的速度大于3×108 m/s
题型4　光学模块的组合问题
　　　　　 　　　　　 　　　　　
例7　(不定项)[2024·浙江1月选考] 在如图所示的直角坐标系中,xOz平面为介质Ⅰ和Ⅱ的分界面(z轴垂直纸面向外).在介质Ⅰ中的P(0,4λ)处有一点波源,产生波长为λ、速度为v的波.波传到介质Ⅱ中,其速度为v.图示时刻介质Ⅱ中仅有一个波峰,与x轴和y轴分别交于R和S点,此时波源也恰好位于波峰.M为O、R连线的中点,入射波与反射波在O点相干加强,则 (　)
A.介质Ⅱ中波的频率为
B.S点的坐标为(0,-λ)
C.入射波与反射波在M点相干减弱
D.折射角α的正弦值sin α=


【技法点拨】
在介质Ⅱ中的波长为λ2=λ,此刻波源P处于波峰,则4个波长处O点也处于波峰处,而又根据题意,入射波、反射波在O点相干加强,说明反射波在O点恰好也处于波峰.根据题意在介质Ⅱ中,仅有一个波峰,所以O、S之间恰好是相邻的两个波峰.由于没有半波损失,界面上每处的入射波与反射波始终同相,都是加强点.
例8　(不定项)[2023·浙江6月选考] 有一种新型光电效应量子材料,其逸出功为W0.当紫外光照射该材料时,只产生动能和动量单一的相干光电子束.用该电子束照射间距为d的双缝,在与缝相距为L的观测屏上形成干涉条纹,测得条纹间距为Δx.已知电子质量为m,普朗克常量为h,光速为c,则 (　)
A.电子的动量pe=
B.电子的动能Ek=
C.光子的能量E=W0+
D.光子的动量p=+
【技法点拨】
根据电子的动量公式结合双缝干涉实验的条纹间距公式联立得出电子的动量表达式;根据动能和动量的关系得出电子的动能;结合光电效应方程列式得出光子的能量,熟悉公式间的推导即可完成解答.
【迁移拓展】
1.[2024·宁波模拟] 某学生用图甲装置进行趣味实验,其原理如图乙所示,在一块平板玻璃上放置一平薄凸透镜,在两者之间形成厚度不均匀的空气膜,让一束单一波长的光垂直入射到该装置上,结果在上方观察到如图丙所示的同心、内疏外密的圆环状干涉条纹,称为牛顿环,现将a、b两束单色光分别进行实验,结果发现同等条件下a光的圆环状干涉条纹平均间距大于b光的间距.下列说法错误的是(　)
A.分别用a、b两束光照射同一光电管阴极时,如果都能发生光电效应,则a光的遏止电压更大
B.如果a、b两束光以相同的入射角照射到玻璃砖表面,则b光的折射角更小
C.将a、b两束光射入同一单缝衍射装置上,a光对应的中央亮纹的宽度更大
D.a光光子动量小于b光光子动量
2.(不定项)[2024·丽水模拟] 如图乙所示,一束复色光从空气射向一个球状水滴后被分成了a、b两束单色光,分别将这两束单色光射向图甲所示的装置,仅有一束光能发生光电效应.调节滑片P的位置,当电流表示数恰为零时,电压表示数为Uc.已知该种金属的极限频率为ν0,电子电荷量的绝对值为e,普朗克常量为h,下列说法正确的是 (　)
A.a光在玻璃中的传播速度比b光小
B.b光的光子能量为hν0+eUc
C.保持光强不变,滑片P由图示位置向左移,电流表示数变大
D.用同一双缝做光的干涉实验,a光产生的干涉条纹间距比b光的大
参考答案与详细解析
题型1
例1　C　[解析] 水面下的发光体可以看成是许多点光源,每个点光源射向水面时有光射出的区域是一个圆,发生全反射的临界角的正弦值sin C==,则tan C=,圆半径R=htan C=0.3 m,如图甲所示,所以整个发光体在水面处有光射出的区域看作是以边界上的点为圆心、半径为0.3 m的包络面,如图乙所示, 设三角形发光体的内切圆半径为r,如图丙所示,有r+r=×0.9 m,得r=×0.9 m<0.3 m,可知,有光射出的水面形状为选项C.
【迁移拓展】
1.A　[解析] 设亮环最外圈的半径为r1,暗圆的半径为r2,由题意有=,其光路图如图所示,圆环边缘的光线发生全反射,有sin C=,由几何关系有sin C=,R-r2=r1-R,解得h=R,故A正确;当彩灯变换发光颜色时,则水对该光的折射率发生变化,由上述分析可知,当折射率发生改变时,则暗圆的半径发生变化,所以中间暗圆的面积发生变化,故B错误;由几何关系可知,sin C=,整理有R-r2=sin C,若将彩灯上移,即彩灯到水面的高度减小,即h变小,由上述分析可知,r2增大,又因为R-r2=r1-R,所以r1减小,则亮环面积与中间暗圆面积之比变小,故C错误;若使中间暗圆消失,有sin C=,解得H=R,所以将彩灯向下平移的距离为Δh=H-h=h,故D错误.
2.B　[解析] 由几何关系可得,光在B点的折射角为30°,则介质对此单色光的折射率为n==,故A、C错误;设正方形的边长为a,由余弦定理有cos 120°=,解得a=R,故B正确;光在介质中的传播速度为v==,光从B到C的传播时间为t==,故D错误.
题型2
例2　B　[解析] 根据衍射条纹的特点可知甲图属于圆孔衍射,乙图是光线照射到圆板后的衍射图样,即乙图为著名的“泊松亮斑”,故A正确;乙图的亮斑是“泊松亮斑”,最早由泊松先推算出这个亮斑,但泊松认为这是非常荒谬的,后来阿拉果发现影的中心有这个亮斑,故B错误;不管是圆孔衍射还是圆盘衍射,影像的边缘轮廓都是模糊不清的,故C正确;发生圆孔衍射时,圆形光环的图样半径远大于圆孔的半径,即光绕到障碍物的影子里,故D正确.
例3　C　[解析] 该条纹是由上层玻璃下表面2与材料乙上表面3的反射光发生干涉形成的,由空气劈尖原理可知,若表面3与表面2平行,则两表面的反射光之间的路程差始终恒定,则不会形成明暗相间的条纹,故A、B错误;若温度升高,干涉条纹向左移动,则上层玻璃下表面2与材料乙上表面3之间的空气膜厚度增加,即材料甲膨胀程度大,故C正确;若换用频率更小的单色光,则波长变长,根据条纹间距公式Δx=·λ可知,干涉条纹间距增大,对应空气膜厚度符合条件的位置向右移动,故D错误.
【迁移拓展】
1.A　[解析] 根据题意,由于二氧化硅的折射率为1.5,则激光在二氧化硅中的波长为λ1=,观察到在腐蚀区域内有8条暗纹,则二氧化硅斜面转为平面的棱MN处是第9条亮纹,设二氧化硅薄膜的厚度为d,则有2d=8λ1,联立解得d=1680 nm,故选A.
2.B　[解析] 由于水的折射,光在水中传播时,波长变短.光源发出的光通过狭缝S2到达O点的光程比通过S1到达O点的光程大,由于中央亮条纹到两个光源的光程相等,因此中央亮纹向下移动.故选B.
题型3
例4　CD　[解析] 光的衍射(图甲)揭示了光具有波动性,选项A错误;光电效应(图乙)揭示了光的粒子性,同时表明光子具有能量,选项B错误;康普顿效应(图丙)揭示了光的粒子性,同时表明光子除了有能量还有动量,选项C正确;电子束穿过铝箔后的衍射图样(图丁),证实了电子的波动性,质子、中子及原子、分子均具有波动性,选项D正确.
例5　C　[解析] 由图乙可知金属的截止频率为νc=6×1014 Hz,则有λ== m=5.0×10-7 m,则可知光源S发出的光波长小于5.0×10-7 m,故A错误;由遏止电压与光电子的最大初动能之间的关系,以及爱因斯坦的光电效应方程可得eUc=Ek=hν-hνc,变式可得Uc=ν-νc,可知该图像的斜率为,故B错误;当光电流等于10-8 A时,每秒产生的光电子的个数为N==个=6.25×1010个,故C正确;当光源S发出的光能使光电管发生光电效应时,光越强,被烟雾散射进入光电管的光就越多,越容易探测到烟雾,即光电烟雾探测器灵敏度越高,故D错误.
【迁移拓展】
1.B　[解析] 激光器转动的周期为T=,转一周的过程中虚线圆单位长度接收到的光能量为E0=,接收屏接收到的光能量为E=E0l,每个光子能量为E1=hν=h,则在激光器转动一周的过程中,接收屏接收到的光子数为n=,联立解得P=,故选B.
2.B　[解析] 该效应说明光具有粒子性,故A错误;根据题意,设碰撞之前光子的动量为p0,碰撞之后光子的动量为p1,电子的动量为p2,由动量守恒定律有p0=p1cos 37°+p2cos 53°,p1sin 37°=p2sin 53°,解得p1=0.8p0,p2=0.6p0,又有p=,则碰撞后光子的波长为λ1==1.25λ0,碰撞后电子的德布罗意波长为λ2==λ0,故C错误,B正确;光子的速度等于光速,按照爱因斯坦的光速不变原理即在任何参考系中光速都不变,可知光子相对于电子的速度等于3×108 m/s,故D错误.
题型4
例7　BD　[解析] 波发生折射时,波的频率不变,所以波在介质Ⅰ、Ⅱ中的频率相等,即f=,选项A错误;波在介质Ⅰ中的波长为λ,根据v=λf可知,波在介质Ⅱ中的波长为λ2===λ,该时刻波源P处于波峰,O点到P点距离为4λ,则入射波在O点也处于波峰,已知入射波与反射波在O点相干加强,
说明反射波在O点恰好也处于波峰,又知介质Ⅱ中仅有一个波峰,所以O、S之间距离恰好等于一个波长,即OS=λ,故S点的坐标为(0,-λ),选项B正确;已知入射波与反射波在O点相干加强,说明波传到两种介质的分界面时没有半波损失,则入射波和反射波在分界面上同一点的相位相同,分界面上各点都是相干加强,选项C错误;已知图示时刻介质Ⅱ中仅有一个波峰与x轴和y轴分别交于R和S点,说明波传播到R和S点的时间相同,即+=,解得PR=5λ,根据折射率公式得n=,根据折射率与传播速度的关系得n=,其中sin β===,联立解得sin α=,选项D正确.
例8　AD　[解析] 根据双缝干涉条纹间距公式Δx=可知,该相干光电子束中电子的动量为pe==,选项A正确;根据p2=2mEk可知,相干光电子束中电子的动能Ek=,选项B错误;根据爱因斯坦的光电效应方程可知hν-W0=Ek,则该紫外光的光子能量E=hν=W0+,而紫外光的光子动量为p=,又ν=,联立得p=+,选项C错误,D正确.
【迁移拓展】
1.A　[解析] 同等条件下a光的圆环状干涉条纹平均间距大于b光的间距,则a光的波长大于b光的波长,a光的频率小于b光的频率.分别用a、b两束光照射同一光电管阴极时,如果都能发生光电效应,根据光电效应方程eUc=hν-W,由于a光的频率小,所以a光的遏止电压更小,故A错误;b光折射率大于a光折射率,入射角相同,b光折射角小于a光折射角,故B正确;将a、b两束光射入同一单缝衍射装置上,由于a光的波长大于b光的波长,a光对应的中央亮纹的宽度更大,故C正确;根据p=,可知a光光子动量小于b光光子动量,故D正确.
2.BD　[解析] 由图乙知,由于两束光入射角相同,b光的折射角小,根据n=,可知b光的折射率大于a光的折射率,根据v=,所以b光在玻璃中的传播速度比a光小,A错误;由折射率和频率的关系可知,b光的频率大于a光的频率,故b光发生光电效应,根据光电效应方程Ekm=hν-W0=eUc,又有W0=hν0,所以b光的光子能量为hν=hν0+eUc,B正确;保持光强不变,滑片P由图示位置向左移,则A、K两端的反向电压变大,则电流表示数可能变小,C错误;由于b光的折射率大,所以a光的波长大于b光的波长,根据Δx=λ,用同一双缝做光的干涉实验,a光产生的干涉条纹间距比b光的大,D正确.