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2012高三物理专题复习(13):光学考纲要求与例题


光学 考纲要求与例题
高三物理知识块系列复习 复习 高三物理知识块

知识要求
? Ⅰ 类光的直线传播,本影和半影。棱镜,光 类光的直线传播,本影和半影。棱镜, 的色散。光本性学说的发展史。 的色散。光本性学说的发展史。光的干涉现象 及其常见的应用,光的衍射。 及其常见的应用,光的衍射。双缝干涉的条纹 间距与波长的关系。光的偏振。 间距与波长的关系。光的偏振。光谱和光谱分 红外线、紫外线、 射线 射线以及它们 射线、 析,红外线、紫外线、X射线、γ射线以及它们 的应用,光的电磁本性,电磁波谱。 的应用,光的电磁本性,电磁波谱。光的波粒 两象性,物质波。激光的特性及应用。 两象性,物质波。激光的特性及应用。 ? Ⅱ类 光的反射,反射定律,平面镜成像作图 光的反射,反射定律, 光的折射,折射定律,折射率, 法。光的折射,折射定律,折射率,全反射和 临界角。光电效应,光子, 临界角。光电效应,光子,爱因斯坦光电效应 方程。 方程。

技能要求
? 一 、 光的频率 、 波长 、 光速与光子能量 、 光的频率、 波长、 光速与光子能量、 光的折射率之间的联系。 光的折射率之间的联系。 ? 二、光的电磁说和光子学说的实验依据、 光的电磁说和光子学说的实验依据、 基础理论。 基础理论。

例题一
? ? ? ? ? [AC D ] 关于激光的说法中正确的是 A、激光一定是横波 、 B、激光一定是偏振光 、 C、激光是人工产生的相干光 、 D、利用激光产生的高压有可能引起核聚变。 、利用激光产生的高压有可能引起核聚变。

例题二
? 已知一束单色光在水中的传播速度是真空中的 , 已知一束单色光在水中的传播速度是真空中的3/4, 则 [A ] ? A 这束光在水中传播时的波长为真空中的 这束光在水中传播时的波长为真空中的3/4 ? B 这束光在水中传播时的频率为真空中的 这束光在水中传播时的频率为真空中的3/4 ? C 对于这束光,水的折射率为 对于这束光,水的折射率为3/4 ? D 从水中射向水面的光线,一定可以进入空气中 从水中射向水面的光线,

λ0 = C / γ λn = V / γ
V=C/n n=4/3 λ n

V 1 3 = = = λ0 C n 4

例题三
? 为了观察门外情况,有人在门上开一小圆孔,将一块 为了观察门外情况,有人在门上开一小圆孔, 圆柱形玻璃嵌入其中,圆柱体轴线与门面垂直。 圆柱形玻璃嵌入其中,圆柱体轴线与门面垂直。从圆 柱底面中心看出去, 柱底面中心看出去,可以看到的门外入射光线与轴线 间的最大夹角称做视场角。已知该玻璃的折射率为n, 间的最大夹角称做视场角。已知该玻璃的折射率为 , 圆柱长为l,底面半径为r, 圆柱长为 ,底面半径为 ,则视场角是 [ ] nl nr

A arcsin

r +l
2

2

B arcsin

C arcsin

r
2

r2 + l 2

n r +l

2

D arcsin

l

n r2 + l2

例题分析与解答
? 画光路图是关键
Φ就是最大视场角 就是最大视场角 l γ φ r i

sin i = n , sin i = sin γ
Φ=i

nr r2 + l2

正确选项是B 正确选项是

例题四
? 雨过天晴,人们常看到天空中出现彩虹, 雨过天晴,人们常看到天空中出现彩虹, 它是由阳光照射到空中弥漫的水珠上时出 现的现象。在说明这个现象时, 现的现象。在说明这个现象时,需要分析 光线射入水珠后的光路。 光线射入水珠后的光路。一细束光线射入 水珠,水珠可视为一个半径为R的球 的球, 水珠,水珠可视为一个半径为 的球,球心 O到入射光线的垂直距离为 。水的折射率 到入射光线的垂直距离为d。 到入射光线的垂直距离为 。(1) 为n。( )在图上画出该束光线射入水珠 。( 内经一次反射后又从水珠中射出的光路图。 内经一次反射后又从水珠中射出的光路图。 (2)求这束光线从射向水珠到射出水珠每 ) 一次偏转的角度。 一次偏转的角度。 (1)光路图如右 )

(2)的解答
? 光线第一次偏折的角度 ? ?θ1=i-r=sin-1d/R-sin-1d/nR ? ? ? ? ? 光线第二次偏折的角度 Δθ2=π-2r=π-2sin-1d/nR. 光线第三次偏折的角度 Δθ3=Δθ1 Δθ3 = sin-1d/R-sin-1d/nR。

i

?θ1

r

r

r Δθ

2

r
Δθ3

i

例题五
? 某脉冲激光器的耗电功率为 ×103瓦,每秒钟 某脉冲激光器的耗电功率为2× 输出10个光脉冲 每个脉冲持续的时间为10 个光脉冲, 输出 个光脉冲,每个脉冲持续的时间为 -8 携带的能量为0.2焦耳 焦耳, 秒,携带的能量为 焦耳,则每个脉冲的功率 为多少瓦? 为多少瓦?该激光器将电能转化为激光能量的 效率为多大? 效率为多大? ? P=W/t ? P=0.2/10-8=2×107W × ? (这里足见激光的功率很大) 这里足见激光的功率很大) ? η=W有/W总 ? η =0.2×10/2×103=0.1%=1‰ × ×

例题六
? ? 年上海市高考) (2000年上海市高考)阅读如下资料并回答问题: 年上海市高考 阅读如下资料并回答问题: 自然界中的物体由于具有一定的温度,会不断向外辐射电磁波, 自然界中的物体由于具有一定的温度,会不断向外辐射电磁波,这种辐 射因与温度有关,称为热辐射,热辐射具有如下特点: 射因与温度有关,称为热辐射,热辐射具有如下特点:①辐射的能量中 包含各种波长的电磁波; 物体温度越高, 包含各种波长的电磁波;②物体温度越高,单位时间从物体表面单位面 积上辐射的能量越大; 在辐射的总能量中, 积上辐射的能量越大;③在辐射的总能量中,各种波长所占的百分比不 处于一定温度的物体在向外辐射电磁能量的同时, 同。处于一定温度的物体在向外辐射电磁能量的同时,也要吸收由其他 物体辐射的电磁能量,如果它处在平衡状态,则能量保持不变, 物体辐射的电磁能量,如果它处在平衡状态,则能量保持不变,若不考 虑物体表面性质对辐射与吸收的影响,我们定义一种理想的物体,它能 虑物体表面性质对辐射与吸收的影响, 我们定义一种理想的物体, 100%地吸收入射到其表面的电磁辐射, 这样的物体称为黑体 , 单位时 地吸收入射到其表面的电磁辐射, 地吸收入射到其表面的电磁辐射 这样的物体称为黑体, 间内从黑体表面单位面积辐射的电磁波的总能量与黑体绝对温度的四次 方成正比, 其中常量σ=5.67 ×10-3瓦/(米2·开4)。在下面的问 方成正比,即P=σT4,其中常量 ( 开 题中,把研究对象都简单地看作黑体。有关数据及数学公式: 题中,把研究对象都简单地看作黑体。有关数据及数学公式:太阳半径 Rs=696000千米, 太阳表面温度 千米, 千米, 千米 太阳表面温度T=5770开, 火星半径 开 火星半径r=3395千米, 球面 千米 2,其中 为球半径。 为球半径。 积S=4πR 其中R为球半径 (1)太阳热辐射能量的绝大多数集中在波长为 ×10-7米~1×10-5米范 )太阳热辐射能量的绝大多数集中在波长为2× × 围内,求相应的频率范围。 围内,求相应的频率范围。 (2)每小时从太阳表面辐射的总能量为多少? )每小时从太阳表面辐射的总能量为多少? (3)火星受到来自太阳的辐射可认为垂直射可认为垂直身到面积为 ) π r2(r为火星半径)的圆盘上,已知太阳到火星的距离约为太阳半径的 为火星半径) 为火星半径 的圆盘上, 400倍,忽略其它天体及宇宙空间的辐射,试估算火星的平均温度。 倍 忽略其它天体及宇宙空间的辐射,试估算火星的平均温度。

? ? ? ? ?

例题分析与解答
? (1)

c λ= γ
2 s

c γ1 = = 1.5 × 10 15 Hz , γ 2 = 3 × 10 13 Hz λ1

(2)W= 4πR

× σT t = 1.38 × 10 J
4 30

(3)设火星表面温度为T火,太阳到火星距离为d,火星单位2 )设火星表面温度为 太阳到火星距离为d 2 4 πr 时间内吸收来自太阳的辐射能量为P 时间内吸收来自太阳的辐射能量为Pω P = 4 πR σ T

d = 400 Rs ∴ Pω = πσ T r /( 400)
4 2

2

ω

s

4 πd 2

火星单位时间内向外辐射电磁波能量为 火星处在平衡状态

Pω = Pσπ t

4 πσT 4 r 2 /( 400 )2 = 4πσr 2T火 即

Pσπt = 4πσr T
2

4 火

得火星平均温度

T火 = T / 800 = 204 K = ?69°C

例题七
? 一辆实验小车可沿水平地面(图中纸面)上的长直轨 一辆实验小车可沿水平地面(图中纸面) 道匀速向右运动。 道匀速向右运动。有一台发出细光束的激光器装在此 小转台M上 到轨道的距离MN为d=10m,如图所示。 如图所示。 小转台 上,到轨道的距离 为 如图所示 转台匀速转动,使激光束在水平面内扫描, 转台匀速转动,使激光束在水平面内扫描,扫描一周 的时间为T=60S。光束转动方向如图中箭头所示。当 的时间为 。光束转动方向如图中箭头所示。 光束与MN的夹角为 °时,光束刚好射到小车上, 的夹角为45° 光束刚好射到小车上, 光束与 的夹角为 如果再经过Δ 光束又射到小车上, 如果再经过Δt=2.5s光束又射到小车上,则小车的速度 光束又射到小车上 为多少?(结果保留二位数字) ?(结果保留二位数字 为多少?(结果保留二位数字)

例题分析与解答
? Δt=2.5s的时间内光束转过角度 ?θ = ω?t = 的时间内光束转过角度
由右图可知本题有两种情况必须考虑。 由右图可知本题有两种情况必须考虑。 第一种情况: 内小车从A运动到 第一种情况:2.5s内小车从 运动到 1 内小车从 运动到A

2π π × 2 .5 = = 15° 60 12

则: V1 =

10 ? 10 × 3 2.5

3 = 1.69m / s

第二种情况: 内小车从B运动到 第二种情况:2.5s内小车从 运动到 1 内小车从 运动到B

则: V2 = 10 5 ? 10 ÷ 2.5 = 2.92m / s

(

)

例题八
? 可用如图装置测量光电效应中产生的光电子的荷质比。 可用如图装置测量光电效应中产生的光电子的荷质比。 M和N是相距为 的两平行金属板,其中 是锌板,紫 是相距为d的两平行金属板 是锌板, 和 是相距为 的两平行金属板,其中N是锌板 外线照射N板产生的光电子是向各个方向运动的 板产生的光电子是向各个方向运动的。 外线照射 板产生的光电子是向各个方向运动的。所 以电流计有一定的示数, 以电流计有一定的示数,如果移动变阻器的滑动端使 电压表示数增大,问电流计示数如何变化? 电压表示数增大,问电流计示数如何变化?如果电流 计的示数为零时电压表的示数为U 且断开电键K并 计的示数为零时电压表的示数为 0。且断开电键 并 之间加一垂直纸面向内的磁感应强度为B的匀强 在MN之间加一垂直纸面向内的磁感应强度为 的匀强 之间加一垂直纸面向内的磁感应强度为 磁场时,电流计的示数恰为零。 磁场时,电流计的示数恰为零。试根据上述信息求出 电子的荷质比。 电子的荷质比。

例题分析与解答
? 对光电子来说所加电压是反向电压,所以电压表示数 对光电子来说所加电压是反向电压, 增大则电流表示数减小。 增大则电流表示数减小。 ? 据题意 EKm=U0e=mVm2/2 时电流表读数为零

Vm =

2U 0 e

m

加了磁场后, 时电流表读数为零, 加了磁场后,R=mVm/eB=d/2时电流表读数为零 时电流表读数为零 综合此两式得

2U 0 e m d e 8U 0 m m = , = 2 2. eB 2 m d B

作业1、
? ? ? ? 光线在玻璃和空气的分界面上发生全反射的条件是[ 光线在玻璃和空气的分界面上发生全反射的条件是 B ] A、光从玻璃射到分界面上,入射角足够小 、光从玻璃射到分界面上, B、光从玻璃射到分界面上,入射角足够大 、光从玻璃射到分界面上, C、光从空气射到分界面上,入射角足够小 、光从空气射到分界面上,

? D、光从空气射到分界面上,入射角足大 、光从空气射到分界面上,

发生全反射有两个必要条件 一是必须从光疏介质射向光密介质 二是必须入射角大于临界角

作业2、
? 如图所示两块同样的玻璃直角三棱镜 如图所示两块同样的玻璃直角三棱镜ABC, 两者的 , 两者的AC面 面 是平行放置的,在它们之间是未知的透明介质。 是平行放置的,在它们之间是未知的透明介质。一单色细 光束O垂直于 面入射,在图示的出射光线中[ 垂直于AB面入射 光束 垂直于 面入射,在图示的出射光线中 B ] ? A、1、2、3(彼此平行)中的任一条都有可能 、 、 、 (彼此平行) ? B、4、5、6(彼此平行)中的任一条都有可能 、 、 、 (彼此平行) ? C、7、8、9(彼此平行)中的任一条都有可能 、 、 、 (彼此平行) ? D、只能是4、6中的某一条 、只能是 、 中的某一条
设未知介质的折射率小于玻璃的折射率则光路图如右 设未知介质的折射率小于玻璃的折射率则光路图如右 未知介质的折射率大于玻璃的折射率时出 射光线就是4 射光线就是

若未知介质的折射率等于玻璃的折射率呢? 若未知介质的折射率等于玻璃的折射率呢?

作业3、
? 假设地球表面不存在大气层, 那么人们观察到的日出时 假设地球表面不存在大气层 , 刻与实际存在大气层的情况相比, [ B ] 刻与实际存在大气层的情况相比, ? A.将提前 . ? B.将延后 . ? C.在某些地区将提前,在另一些地区将延后 .在某些地区将提前, ? D.不变 .
P是刚日出的地方,P的左方还没风日出 是刚日出的地方, 的左方还没风日出 是刚日出的地方 存在大气层的情况下的光路图如右 在有大气的情况下K处已 在有大气的情况下 处已 经看到日出, 经看到日出, 如果没有大气则K要转到 如果没有大气则 要转到P 要转到 处时才能看到日出。 处时才能看到日出。 K P 太阳光

作业4、
? ? ? ? 已知介质对某单色光的临界角为θ,则 [ B C] 已知介质对某单色光的临界角为 则 A.该介质对此单色光的折射率为 该介质对此单色光的折射率为sin(1/θ); 该介质对此单色光的折射率为 ; B.此单色光在该介质中的传播速度等于 此单色光在该介质中的传播速度等于Csinθ(C是真空中的光速 是真空中的光速) 此单色光在该介质中的传播速度等于 是真空中的光速 C.此单色光在该介质中的波长是在真空中波长的 此单色光在该介质中的波长是在真空中波长的sinθ倍; 此单色光在该介质中的波长是在真空中波长的 倍

D.此单色光在该介质中的频率是在真空中频率的 此单色光在该介质中的频率是在真空中频率的1/sinθ。 此单色光在该介质中的频率是在真空中频率的 。

1 sin θ = n=1/sin θ=C/V n C λ0 1 , λn = λ0 sin θ . = = V λn sin θ

V=Csin θ

作业5、
? 在双缝干涉实验中 以白光为光源,在屏幕上观察到了彩色干涉条纹 若在双缝 在双缝干涉实验中,以白光为光源 在屏幕上观察到了彩色干涉条纹 以白光为光源 在屏幕上观察到了彩色干涉条纹,若在双缝 中的一缝前放一红色滤光片(只能透过红光 另一缝前放一绿色滤光片(只能透 只能透过红光),另一缝前放一绿色滤光片 中的一缝前放一红色滤光片 只能透过红光 另一缝前放一绿色滤光片 只能透 过绿光),这时 这时[ 过绿光 这时 C ] ? A、只有红色和绿色的双缝干涉条纹 其它颜色的双缝干涉条纹消失 、只有红色和绿色的双缝干涉条纹,其它颜色的双缝干涉条纹消失 ? B、红色和绿色的双缝干涉条纹消失 其它颜色的双缝干涉条纹依然存在 、红色和绿色的双缝干涉条纹消失,其它颜色的双缝干涉条纹依然存在 ? C、任何颜色的双缝干涉条纹都不存在 但屏上仍有光亮 、任何颜色的双缝干涉条纹都不存在,但屏上仍有光亮 ? D、屏上无任何光亮 、

红光与绿光相遇, 红光与绿光相遇,因频率不同而不能产生干涉现象 如果把放绿色滤光片的缝用不透明板盖没屏上会出现什么现象? 如果把放绿色滤光片的缝用不透明板盖没屏上会出现什么现象? 绿色滤光片的缝用不透明板盖没屏上会出现什么现象

作业6、
? 图为 射线管的结构示意图,K为灯丝电源, 要使 射线 图为X射线管的结构示意图, 为灯丝电源 要使X射线 为灯丝电源, 射线管的结构示意图 管发出射线,须在P、 两电极间加上几万伏的直流高压 管发出射线,须在 、Q两电极间加上几万伏的直流高压 电[ D ] ? A、高压电源正极应接在 点,X射线从 极发出 射线从K极发出 、高压电源正极应接在P点 射线从 ? B、高压电源正极应接在 点,X射线从 极发出 射线从A极发出 、高压电源正极应接在P点 射线从 ? C、高压电源正极应接在 点,X射线从 极发出 射线从K极发出 、高压电源正极应接在Q点 射线从 ? D、高压电源正极应接在Q点,X射线从A极发出 、高压电源正极应接在Q 射线从A
因高速运动的电子撞击A极而产生 射线 因高速运动的电子撞击 极而产生X射线 极而产生

作业7、
? ? ? ? ? 下列关于光的说法中正确的是 [BD ] A、在真空中红光波长比紫光波长短。 、在真空中红光波长比紫光波长短。 B、红光光子能量比紫光光子能量小。 、红光光子能量比紫光光子能量小。 C、红光和紫光相遇时能产生干涉现象 、 D、红光照射某金属时有电子向外发射,紫光照射该 、红光照射某金属时有电子向外发射, 金属时一定也有电子向外发射。 金属时一定也有电子向外发射。

七色光中紫光的频率最高 紫光光子的能量最大 真空中紫光的波长最小。 真空中紫光的波长最小。

作业8、
? 光电效应实验的装置如图所示 , 则下面说法中正确的 光电效应实验的装置如图所示, 是[ AD ] ? A、用紫外光照射锌板,验电器指针会发生偏转 、用紫外光照射锌板, ? B、用红色光照射锌板,验电器指针会发生偏转 、用红色光照射锌板, ? C、锌板带的是负电荷 、 ? D、使验电器指针发生偏转的是正电荷 、

作业9、
? 如图所示为一显示薄膜干涉现象的实验装置,P是附有肥 如图所示为一显示薄膜干涉现象的实验装置, 是附有肥 皂膜的铁丝圈, 是一点燃的酒精灯 往火焰上洒些盐后, 是一点燃的酒精灯。 皂膜的铁丝圈,S是一点燃的酒精灯。往火焰上洒些盐后, 在肥皂膜上观察到的干涉图象应是下图中的 [ D ]

A

B

C

D

这里观察到的实际上是薄膜干涉现象

作业10、
? 图中 表示一直立的平面镜,P1P2是水平放置的米尺 有刻度的一 图中AB表示一直立的平面镜 是水平放置的米尺(有刻度的一 表示一直立的平面镜 面朝着平面镜),MN是屏 三者互相平行 屏MN上的 表示一条竖 是屏,三者互相平行 上的ab表示一条竖 面朝着平面镜 是屏 三者互相平行.屏 上的 直的缝(即 、 之间是透光的 某人眼睛紧贴米尺上的小孔S(其位 之间是透光的.)某人眼睛紧贴米尺上的小孔 直的缝 即a、b之间是透光的 某人眼睛紧贴米尺上的小孔 其位 置见图),可通过平面镜看到米尺的一部分刻度 可通过平面镜看到米尺的一部分刻度。 置见图 可通过平面镜看到米尺的一部分刻度。试在本题的图上 用三角板作图求出可看到的部位,并在 用三角板作图求出可看到的部位 并在P1P2上把这部分涂以标志。 并在 因光路可逆,可以把S作为光源 因光路可逆,可以把 作为光源 先作S 的虚像S 先作 的虚像 1 再画经过Sa的光线 再画经过 的光线 要画恰好经过b的反射光线 要画恰好经过 的反射光线 K 应该先联结S , 交于K, 应该先联结 1b,与AB交于 ,与 交于 P1P2交于 ,再联结 就是它的入射 交于D,再联结SK就是它的入射 光线。 光线。 CD就是眼睛可以看到的部分。 就是眼睛可以看到的部分。 就是眼睛可以看到的部分 C D

S1

作业11、
? 在折射率为 、 厚度为 的玻璃平板上方的空气中有一 在折射率为n、厚度为d的玻璃平板上方的空气中有一 点光源S, 发出的光线SA以角度 点光源 , 从 S发出的光线 以角度 入射到玻璃板上 发出的光线 以角度θ入射到玻璃板上 表面,经过玻璃板后从下表面射出,如右图所示。 表面 , 经过玻璃板后从下表面射出 , 如右图所示 。 若 沿此光线传播的光从光源到玻璃板上表面的传播时间 与在玻璃板中的传播时间相等,点光源S到玻 到玻璃上表面 与在玻璃板中的传播时间相等,点光源 到玻璃上表面 的垂直距离l应是多少 应是多少? 的垂直距离 应是多少

l ÷C = t cos θ d C ÷ =t cos γ n
cos θ sin θ l = dn , cos γ = 1 ? . 2 cos γ n
2

γ

l=

dn cos θ n 2 ? sin 2 θ

2

.

作业12、
? 如图所示,一储油圆桶,底面直径与桶高均为d.当桶 如图所示,一储油圆桶,底面直径与桶高均为 . 内无油时,从某点A恰能看到桶底边缘上的某点 恰能看到桶底边缘上的某点B. 内无油时,从某点 恰能看到桶底边缘上的某点 .当 桶内油的深度等于桶高一半时, 点沿AB方向看去 桶内油的深度等于桶高一半时,在A点沿 方向看去, 点沿 方向看去, 看到桶底上的C点 相距d/4。 看到桶底上的 点,C、B相距 。由此求油的折射率 、 相距 n和光在油中传播的速度。(结果可用根式表示) 和光在油中传播的速度。(结果可用根式表示) 和光在油中传播的速度。(结果可用根式表示 先画光路图

sin i n= sin γ
d2 d2 1 . + = 16 4 5
d/4 d/2 i d/2 γ d/2

由图知

2 d sin i = , sin γ = / 2 4

10 C n= ,V = = 6 10 × 107 m / s . 2 n


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