2025年高二物理上學期復習卷三（光）一、幾何光學基礎1.1光源與光的傳播光源是能自行發(fā)光的物體，分為點光源和擴展光源兩類。點光源是理想化模型，實際光源可視為無數(shù)點光源的集合。光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播，這一規(guī)律可通過小孔成像、影的形成、日食和月食等現(xiàn)象證實。光在真空中的傳播速度為宇宙極限速度，大小為c=3×10?m/s，丹麥天文學家羅默通過觀測木星衛(wèi)星的掩食現(xiàn)象首次測量出光速，而法國人裴索則在地面上利用旋轉(zhuǎn)齒輪法實現(xiàn)了光速的實驗室測量。光線是表示光傳播方向的幾何線，光束則是通過一定截面的光線集合。在描述光的傳播時，需注意光線并非實際存在的實體，而是為簡化問題引入的理想模型。當光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，傳播方向通常會發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為光的折射；若傳播方向改變后仍在原介質(zhì)中，則稱為光的反射。1.2光的反射定律反射定律是幾何光學的基本規(guī)律之一，其內(nèi)容可表述為：反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)；反射光線和入射光線分別位于法線兩側(cè)；反射角等于入射角。該定律適用于所有反射現(xiàn)象，無論是鏡面反射還是漫反射。在解決反射問題時，常采用"虛像法"，即認為反射光線的反向延長線交于像點，利用幾何對稱關系簡化計算。平面鏡成像就是反射定律的典型應用，其成像特點為：成正立等大的虛像，像與物關于鏡面對稱。當物體與平面鏡之間存在相對運動時，像的移動速度與物體速度存在關聯(lián)：若物體垂直鏡面運動，像速與物速大小相等方向相反；若物體沿鏡面平行運動，像速與物速完全相同。對于多個平面鏡組合成像問題，需依次分析每個鏡面的反射過程，注意像的虛實交替變化。1.3光的折射定律與折射率折射定律（斯涅爾定律）指出：折射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)；折射光線和入射光線分別位于法線兩側(cè)；入射角的正弦與折射角的正弦之比為一常數(shù)，即n?sinθ?=n?sinθ?。其中n?和n?分別是入射介質(zhì)和折射介質(zhì)的折射率，該常數(shù)也等于光在兩種介質(zhì)中傳播速度之比，即n?/n?=v?/v?。折射率是表征介質(zhì)光學性質(zhì)的重要物理量，其定義式為n=c/v，即介質(zhì)折射率等于光在真空中的速度與在該介質(zhì)中的速度之比。由于光在任何介質(zhì)中的傳播速度都小于真空中的速度，因此任何介質(zhì)的折射率都大于1。對于同一種介質(zhì)，折射率還與光的頻率有關，頻率越高，折射率越大，這也是光的色散現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因。全反射是一種特殊的折射現(xiàn)象，當光從光密介質(zhì)（折射率較大）射向光疏介質(zhì)（折射率較?。?，且入射角大于臨界角時，將不會發(fā)生折射，所有光線全部反射回原介質(zhì)。臨界角C滿足sinC=1/n，其中n為光密介質(zhì)相對于光疏介質(zhì)的相對折射率。全反射現(xiàn)象在光導纖維、全反射棱鏡等光學器件中有著廣泛應用。1.4透鏡成像規(guī)律透鏡是幾何光學中最重要的光學元件之一，分為凸透鏡和凹透鏡兩類。凸透鏡對光線有會聚作用，凹透鏡對光線有發(fā)散作用，其成像規(guī)律可通過光路圖或公式法進行分析。透鏡成像公式為1/f=1/u+1/v，其中f為透鏡焦距，u為物距，v為像距。對于凸透鏡，f為正值；對于凹透鏡，f為負值。凸透鏡成像規(guī)律可總結(jié)為：當物距u>2f時，成倒立縮小的實像，像距f<v<2f，應用于照相機；當u=2f時，成倒立等大的實像，v=2f，可用于測量焦距；當f<u<2f時，成倒立放大的實像，v>2f，應用于投影儀；當u=f時，不成像，平行光出射；當u<f時，成正立放大的虛像，像與物同側(cè)，應用于放大鏡。凹透鏡則始終成正立縮小的虛像。在分析透鏡組合問題時，應采用逐次成像法，即先計算第一個透鏡的成像結(jié)果，將該像作為第二個透鏡的物，再計算第二個透鏡的成像，依次類推。需要注意的是，當像位于第二個透鏡的物方焦平面內(nèi)側(cè)時，該像為虛物，物距應取負值。二、物理光學基礎2.1光的波動性光的波動性可通過干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象得到證實。光的干涉是指兩列相干光波相遇時，在空間形成穩(wěn)定的明暗相間條紋的現(xiàn)象。楊氏雙縫干涉實驗是最早證明光波動性的實驗，其干涉條紋間距公式為Δx=Lλ/d，其中L為雙縫到屏的距離，d為雙縫間距，λ為光的波長。該公式表明，條紋間距與波長成正比，因此用白光做實驗時會觀察到彩色條紋。光的衍射是指光繞過障礙物傳播的現(xiàn)象，發(fā)生明顯衍射的條件是障礙物或孔的尺寸與光的波長相當或更小。單縫衍射圖樣的特點是中央有一條寬而亮的主極大條紋，兩側(cè)對稱分布著明暗相間的次級條紋，且條紋寬度逐漸減小。圓孔衍射則會形成明暗相間的環(huán)狀條紋，這一現(xiàn)象限制了光學儀器的分辨本領。光的偏振現(xiàn)象證實了光是橫波，自然光經(jīng)過偏振片后成為偏振光，其振動方向與偏振片的透振方向一致。馬呂斯定律描述了偏振光通過檢偏器后的強度變化規(guī)律，即I=I?cos2θ，其中θ為偏振光振動方向與檢偏器透振方向的夾角。光的偏振現(xiàn)象在3D電影、液晶顯示、應力分析等領域有廣泛應用。2.2光的粒子性光的粒子性可通過光電效應、康普頓效應等現(xiàn)象得到證實。光電效應是指光照射金屬表面時，金屬中的電子吸收光能而逸出表面的現(xiàn)象。其實驗規(guī)律包括：存在截止頻率，只有當入射光頻率大于截止頻率時才會產(chǎn)生光電效應；光電子的最大初動能與入射光強度無關，僅隨入射光頻率的增大而增大；光電效應的產(chǎn)生具有瞬時性，無論光強多弱，只要頻率大于截止頻率，就立即產(chǎn)生光電子。愛因斯坦的光量子假說成功解釋了光電效應，他認為光由大量光量子（光子）組成，每個光子的能量為E=hν，其中h為普朗克常量，h=6.63×10?3?J·s，ν為光的頻率。當光子照射金屬時，電子吸收一個光子的能量，其中一部分用于克服金屬的逸出功W?，剩余部分轉(zhuǎn)化為電子的最大初動能，即愛因斯坦光電效應方程：E?=hν-W?。截止頻率ν?=W?/h，當ν<ν?時，無論光強多大，都無法產(chǎn)生光電效應?？灯疹D效應是指X射線照射物質(zhì)時，部分散射光的波長變長的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象進一步證實了光的粒子性。康普頓散射公式為Δλ=λ'-λ=h/m?c(1-cosθ)，其中m?為電子靜止質(zhì)量，θ為散射角。該效應表明光子不僅具有能量，還具有動量，光子動量p=h/λ。2.3光的波粒二象性光既具有波動性，又具有粒子性，這種雙重性質(zhì)稱為光的波粒二象性。在傳播過程中，光主要表現(xiàn)出波動性，如干涉、衍射現(xiàn)象；在與物質(zhì)相互作用時，光主要表現(xiàn)出粒子性，如光電效應、康普頓效應。光的波粒二象性是量子力學的基本概念之一，不能用經(jīng)典物理學的波或粒子概念來完全描述。描述光的波粒二象性的基本關系式為：E=hν（能量與頻率的關系，體現(xiàn)粒子性與波動性的聯(lián)系）和p=h/λ（動量與波長的關系）。這兩個公式將光的粒子性物理量（能量E、動量p）與波動性物理量（頻率ν、波長λ）通過普朗克常量h聯(lián)系起來，揭示了微觀世界的基本規(guī)律。光的波粒二象性對現(xiàn)代科技產(chǎn)生了深遠影響，基于光的波動性發(fā)展了激光技術、光纖通信等；基于光的粒子性發(fā)展了光電檢測、量子通信等。理解光的波粒二象性不僅是學好光學的關鍵，也是進入量子物理世界的基礎。三、光學應用與拓展3.1光的色散與光譜光的色散是指復色光分解為單色光的現(xiàn)象，其本質(zhì)是不同頻率的光在介質(zhì)中的折射率不同。當白光通過三棱鏡時，由于不同色光的折射率不同，折射角也不同，從而將白光分解為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種色光，形成連續(xù)光譜。紅光波長最長，折射率最小，偏折角最??；紫光波長最短，折射率最大，偏折角最大。光譜分析是利用物質(zhì)的特征光譜來鑒別物質(zhì)和確定其化學組成的方法。原子光譜是由原子中的電子在不同能級間躍遷時發(fā)射或吸收特定頻率的光形成的，分為發(fā)射光譜和吸收光譜。發(fā)射光譜又分為連續(xù)光譜和明線光譜，明線光譜是原子的特征光譜，每種元素都有其獨特的明線光譜，因此可用于元素識別。太陽光譜是典型的吸收光譜，在連續(xù)光譜的背景上出現(xiàn)許多暗線，這些暗線對應太陽大氣層中存在的元素吸收特定波長的光而形成。通過分析太陽光譜中的暗線，可確定太陽大氣的化學成分。光譜分析技術在天體物理、化學分析、環(huán)境監(jiān)測等領域有著廣泛應用。3.2激光技術基礎激光是受激輻射放大的光，具有單色性好、相干性強、方向性好和亮度高等特點。激光的產(chǎn)生需要滿足三個條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、諧振腔反饋和閾值條件。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是指在激活介質(zhì)中，處于高能級的粒子數(shù)多于低能級的粒子數(shù)，這是產(chǎn)生激光的前提；諧振腔由兩塊反射鏡組成，可使光子在腔內(nèi)多次反射，形成光振蕩，同時實現(xiàn)方向和頻率的選擇；閾值條件是指激光增益必須大于損耗，以保證激光的持續(xù)輸出。激光的應用極為廣泛，在工業(yè)上用于激光切割、焊接和打孔；在醫(yī)療上用于激光手術、激光治療；在通信上用于光纖通信，具有容量大、抗干擾能力強等優(yōu)點；在科研上用于激光冷卻、激光光譜學等；在軍事上用于激光制導、激光武器等。激光技術的發(fā)展極大地推動了現(xiàn)代科技的進步。3.3光的波粒二象性的實驗驗證除了光電效應和康普頓效應外，電子雙縫干涉實驗是證明微觀粒子具有波動性的重要實驗。該實驗將電子束通過雙縫，在屏上觀察到與光的雙縫干涉相似的條紋，表明電子也具有波動性。德布羅意提出物質(zhì)波假說，認為一切實物粒子都具有波動性，其波長λ=h/p，其中p為粒子動量，這一假說已被實驗證實。光的波粒二象性的一個重要實驗是單光子干涉實驗，當光子一個一個地通過雙縫時，長時間曝光后仍能形成干涉條紋，表明單個光子也具有波動性，其自身與自身發(fā)生干涉。這一實驗揭示了微觀世界的概率性本質(zhì)，即光子在空間各點出現(xiàn)的概率由波函數(shù)的平方?jīng)Q定。量子糾纏是量子力學中的一個重要現(xiàn)象，指兩個或多個量子系統(tǒng)之間存在的非局域關聯(lián)。在光學中，可通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生糾纏光子對，這些光子對的偏振態(tài)存在量子關聯(lián)。量子糾纏現(xiàn)象已被實驗證實，并在量子通信、量子計算等領域有著重要應用。四、光學計算與解題技巧4.1幾何光學計算在解決幾何光學問題時，關鍵是正確繪制光路圖，利用幾何關系和光學定律建立方程。對于反射問題，常利用"物像對稱"關系簡化計算；對于折射問題，需應用折射定律n?sinθ?=n?sinθ?，結(jié)合三角函數(shù)關系求解。在涉及多個界面的折射問題中，應逐次應用折射定律，注意各界面的法線方向。全反射臨界角的計算是幾何光學的重要考點，公式為sinC=1/n，其中n為相對折射率。當光從介質(zhì)1射向介質(zhì)2時，相對折射率n=n?/n?，若n?<n?，則可能發(fā)生全反射，臨界角C=arcsin(n?/n?)。在光導纖維中，光在纖芯和包層界面發(fā)生全反射，從而實現(xiàn)光的長距離傳輸。透鏡成像的計算主要應用透鏡成像公式1/f=1/u+1/v和放大率公式m=|v/u|。在計算前需明確透鏡類型（凸透鏡或凹透鏡），確定焦距的正負；根據(jù)物體位置確定物距的正負（實物為正，虛物為負）；計算出像距后，根據(jù)其正負判斷像的虛實（正為實像，負為虛像）。對于多透鏡系統(tǒng)，應采用逐次成像法，注意前一透鏡的像作為后一透鏡的物時，物距的計算應以第二個透鏡的光心為原點。4.2物理光學計算光的干涉計算主要涉及雙縫干涉和薄膜干涉。雙縫干涉的條紋間距公式Δx=Lλ/d，在已知條紋間距、雙縫間距和雙縫到屏的距離時，可計算光的波長。薄膜干涉中，光程差的計算需考慮兩束反射光的額外光程差（當光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時，反射光有半波損失，即額外光程差λ/2），總光程差Δ=2nd+λ/2（或Δ=2nd，視具體情況而定），當Δ=kλ時，出現(xiàn)亮條紋；當Δ=(2k+1)λ/2時，出現(xiàn)暗條紋，其中k=0,1,2,...。光電效應的計算主要應用愛因斯坦光電效應方程E?=hν-W?，其中E?=eUc，Uc為遏止電壓。通過測量不同頻率ν的入射光對應的遏止電壓Uc，可繪制Uc-ν圖像，其斜率為h/e，截距為-W?/e，由此可計算普朗克常量h和逸出功W?。截止頻率ν?=W?/h，當入射光頻率ν<ν?時，無論光強多大，都不會產(chǎn)生光電效應。光的波長、頻率和波速之間的關系為c=λν，在真空中，c=3×10?m/s；在介質(zhì)中，v=λ'ν，其中λ'為光在介質(zhì)中的波長，由于v=c/n，因此λ'=λ/n，即光在介質(zhì)中的波長為真空中波長的1/n倍。在計算光的顏色時，需注意光的顏色由頻率決定，與波長無關，當光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，頻率不變，波長改變。4.3解題技巧與常見錯誤分析在解決光學問題時，常見錯誤包括：光路圖繪制不準確，導致幾何關系錯誤；混淆折射率的定義式n=c/v和相對折射率n??=n?/n?；在全反射問題中，錯誤判斷光的傳播方向，將光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)顛倒；在透鏡成像計算中，物距、像距和焦距的正負號規(guī)則應用錯誤；在干涉和衍射問題中，忽略半波損失對光程差的影響。為避免這些錯誤，解題時應注意：仔細審題，明確物理過程，正確繪制光路圖；牢記光學基本規(guī)律和公式，注意各物理量的物理意義和單位；掌握符號規(guī)則，如透鏡成像中的"實正虛負"原則；注意區(qū)分相似概念，如光的反射和折射、干涉和衍射、橫波和縱波等；通過多做練習，總結(jié)解題規(guī)律，提高解題能力。在處理綜合性光學問題時，應將復雜問題分解為若干簡單問題，逐一解決。例如，在分析光的干涉和衍射現(xiàn)象時，首先確定是干涉還是衍射，再選擇相應的公式和規(guī)律；在分析光電效應和康普頓效應時，明確兩種效應的區(qū)別和聯(lián)系，正確應用相關公式。同時，要注意物理思想和方法的應用，如模型法、等效法、假設法等，提高解題的靈活性和準確性。五、光學實驗基礎5.1基本光學實驗測定玻璃的折射率實驗是幾何光學的基礎實驗，常用插針法確定光路，通過測量入射角和折射角，利用折射定律計算折射率n=sinθ?/sinθ?。為減小誤差，應使入射角適當大些，但不宜過大，以保證折射角的測量精度；同時，大頭針應豎直插立，且間距適當大些，以減小確定光路方向的誤差。雙縫干涉測光的波長實驗利用雙縫干涉條紋間距公式Δx=Lλ/d，通過測量條紋間距Δx、雙縫到屏的距離L和雙縫間距d，計算光的波長λ=Δx·d/L。實驗中需使用單色光源，如鈉光燈，以獲得清晰的干涉條紋；調(diào)節(jié)雙縫與單縫平行，使干涉條紋與測量頭的分劃板對齊；用測量頭測量多條條紋的總間距，再求平均條紋間距，以減小誤差。用雙縫干涉測量光的波長實驗裝置包括光源、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒、光屏和測量頭。單縫的作用是產(chǎn)生線光源，雙縫的作用是產(chǎn)生相干光，濾光片的作用是獲得單色光。實驗時應先調(diào)節(jié)光源、單縫、雙縫和光屏共軸，再調(diào)節(jié)單縫和雙縫平行，使干涉條紋清晰明亮。5.2光電效應實驗光電效應實驗裝置由光電管、光源、濾色片、變阻器和電源等組成。實驗時，將光電管接入電路，用單色光照射陰極，調(diào)節(jié)陽極電壓，測量光電流與電壓的關系，得到伏安特性曲線。通過測量不同頻率的入射光對應的遏止電壓，可驗證愛因斯坦光電效應方程，并測定普朗克常量。實驗中需注意：保持光電管的清潔，避免陰極被污染；光源與光電管的距離應適當，以保證光照強度適中；測量遏止電壓時，應緩慢調(diào)節(jié)電壓，仔細觀察電流表示數(shù)的變化，確定電流剛好為零