專題16光學(xué)01光的反射和折射一、光的反射1.定義：光從第1種介質(zhì)射到它與第2種介質(zhì)的分界面時，一部分光會返回到第1種介質(zhì)的現(xiàn)象。2.圖示：3.反射定律：反射光線與入射光線、法線處在同一平面內(nèi)，反射光線與入射光線分別位于法線的兩側(cè)。反射角等于入射角。【注意】對于每一條入射光線，反射光線是唯一的，在反射現(xiàn)象中光路是可逆的?！靖櫽?xùn)練】（2024·重慶·高考真題）某同學(xué)設(shè)計(jì)了一種測量液體折射率的方案。容器過中心軸線的剖面圖如圖所示，其寬度為16cm，讓單色光在此剖面內(nèi)從空氣入射到液體表面的中心。調(diào)整入射角，當(dāng)反射光與折射光垂直時，測出豎直器壁上的反射光點(diǎn)與液體表面的距離h，就能得到液體的折射率n。忽略氣壁厚度，由該方案可知（

）二、光的折射1.定義：光由一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的界面上將發(fā)生光的傳播方向改變的現(xiàn)象叫光的折射。2.圖示：折射定律：(1)內(nèi)容：如圖所示，折射光線與入射光線、法線處在同一平面內(nèi)，折射光線與入射光線分別位于法線的兩側(cè)；入射角的正弦與折射角的正弦成正比。(2)表達(dá)式：eq\f(sinθ1,sinθ2)＝n12(n12為比例常數(shù))。4.光路可逆性在光的反射和折射現(xiàn)象中，光路都是可逆的。如果讓光線逆著出射光線射到界面上，光線就會逆著原來的入射光線出射。【跟蹤訓(xùn)練】（2025·甘肅定西·模擬預(yù)測）平行玻璃磚橫截面如圖所示，一束由紅、紫兩種單色光組成的復(fù)色光從點(diǎn)射入玻璃磚，光束在玻璃磚內(nèi)分成、兩束單色光。下列說法正確的是（）A．光為紫光B．光在玻璃磚中發(fā)生全反射的臨界角較小C．光在玻璃磚中的傳播速度較大D．若用光照射某金屬表面能發(fā)生光電效應(yīng)，則用光照射該金屬也一定能發(fā)生光電效應(yīng)三、折射率與光學(xué)介質(zhì)1.折射率：光從真空射入某種介質(zhì)發(fā)生折射時，入射角的正弦與折射角的正弦之比，叫這種介質(zhì)的折射率。n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)?！咀⒁狻浚赫凵渎逝c速度的關(guān)系式：n＝eq\f(c,v)。因?yàn)関<c，所以任何介質(zhì)的折射率都大于1。說明：①關(guān)系式n＝eq\f(c,v)中的n是指介質(zhì)相對于真空的折射率，即絕對折射率。補(bǔ)充：對折射率的理解：（2）折射率的大小不僅與介質(zhì)本身有關(guān)，還與光的頻率有關(guān)：①同一種介質(zhì)中，頻率越大的光折射率越大，傳播速度越小；②同一種光，在不同介質(zhì)中雖然波速、波長不同，但頻率相同。（3）折射率由介質(zhì)本身性質(zhì)決定，與入射角的大小無關(guān)。（4）折射率與介質(zhì)的密度沒有關(guān)系，光密介質(zhì)不是指密度大的介質(zhì)。（5）同一種介質(zhì)中，頻率越大的色光折射率越大，傳播速度越小。2．光密介質(zhì)與光疏介質(zhì)介質(zhì)光密介質(zhì)光疏介質(zhì)折射率大小光速小大相對性若n甲＞n乙，則甲相對乙是光密介質(zhì)；若n甲＜n乙，則甲相對乙是光疏介質(zhì)02光的干涉、衍射和偏振一、光的干涉1.定義：在兩列光波疊加的區(qū)域，某些區(qū)域相互加強(qiáng)，出現(xiàn)亮條紋，某些區(qū)域相互減弱，出現(xiàn)暗條紋，且加強(qiáng)區(qū)域和減弱區(qū)域相互間隔的現(xiàn)象。2.產(chǎn)生干涉的條件：兩束光的頻率相同、相位差恒定、振動方向相同3．楊氏雙縫干涉(1)原理如圖所示。有光源、單縫、雙縫和光屏。單縫的作用：獲得一個線光源，使光源有唯一的頻率和振動情況，也可用激光直接照射雙縫。雙縫的作用：將一束光分成兩束頻率相同且振動情況完全一致的相干光。(2)形成亮、暗條紋的條件①單色光：形成明暗相間的條紋，中央為亮條紋。光的路程差|PS1－PS2|＝r2－r1＝kλ＝2k·eq\f(λ,2)(k＝0,1,2,3，…)，光屏上出現(xiàn)亮條紋。光的路程差|PS1－PS2|＝r2－r1＝(2k－1)·eq\f(λ,2)(k＝1,2,3，…)，光屏上出現(xiàn)暗條紋?！咀⒁狻縦＝0時，PS1＝PS2，此時P點(diǎn)位于屏上的O處，為亮條紋，此處的條紋叫中央亮條紋或零級亮條紋。②白光：光屏上出現(xiàn)彩色條紋，且中央亮條紋是白色(填寫顏色)。③條紋間距公式：Δx＝eq\f(l,d)λ。【注意】雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，屏幕上相鄰亮條紋和相鄰暗條紋是等間距的，這個間距與光的波長、屏幕到雙縫的距離和雙縫的間距有關(guān)。波長越長，屏幕到雙縫的距離越大，雙縫的間距越小，干涉條紋的間距越寬。（3）亮暗紋的時間關(guān)系亮條紋：Δt＝nT(n＝0,1,2,3，…)；暗條紋：Δt＝(2n＋1)·eq\f(T,2)(n＝0,1,2,3，…)．式中Δt表示兩列光波到同一點(diǎn)的時間差。T＝eq\f(1,f)為光波的周期。補(bǔ)充：對雙縫干涉的理解在單色光的干涉條紋中，兩相鄰明紋或暗紋間的距離是相等的，不同色光的條紋間距不相等。雙縫干涉的條件是必須有相干光源，且雙縫間的間距必須很小。光源不同部位發(fā)出的光不一定具有相同的頻率和恒定的相位差，所以一般情況很難觀察到光的干涉現(xiàn)象，楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)采用將一束光“一分為二”的方法獲得相干光源。4．薄膜干涉(1)形成原因：如圖所示，豎直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形。光照射到薄膜上時，從膜的前表面AA′和后表面BB′分別反射回來，形成兩列頻率相同的光波，并且疊加。(2)明暗條紋的判斷方法：兩個表面反射回來的兩列光波的路程差Δr等于薄膜厚度的2倍，光在薄膜中的波長為λ。在P1、P2處，Δr＝nλ(n＝1,2,3，…)，薄膜上出現(xiàn)亮條紋。在Q處，Δr＝(2n＋1)eq\f(λ,2)(n＝0,1,2,3，…)，薄膜上出現(xiàn)暗條紋。(3)應(yīng)用：干涉法檢查平面如圖所示，兩板之間形成一楔形空氣膜，用單色光從上向下照射，如果被檢查平面是平整光滑的，我們會觀察到平行且等間距的明暗相間的條紋；若被檢查平面不平整，則干涉條紋發(fā)生彎曲。【跟蹤訓(xùn)練】（2025·江蘇常州·二模）電子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)曾被物理學(xué)家們評選為“十大最美物理實(shí)驗(yàn)”。如圖所示，從相干電子輻射源射出的電子束經(jīng)過兩個靠得很近的雙縫后，在顯微鏡的光屏上出現(xiàn)了干涉條紋。已知光屏上第3級亮紋到狹縫s1和s2的距離分別為l1和l2，電子的質(zhì)量為m，真空中光速為c，普朗克常量為h，不考慮相對論效應(yīng)。則從相干電子輻射源射出的單個電子的（）二、光的衍射1.定義：光通過很小的狹縫(或圓孔)時，明顯地偏離了直線傳播的方向，在屏上應(yīng)該出現(xiàn)陰影的區(qū)域出現(xiàn)明條紋或亮斑，應(yīng)該屬于亮區(qū)的地方也會出現(xiàn)暗條紋或暗斑的現(xiàn)象。2.條件：只有當(dāng)障礙物的尺寸與光的波長相差不多，甚至比光的波長還小的時候，衍射現(xiàn)象才會明顯。3.圖樣特點(diǎn)：衍射時產(chǎn)生的明暗條紋或光環(huán)。4.分類（1）單縫衍射：單色光通過狹縫時，在屏幕上出現(xiàn)明暗相間的條紋，中央為亮條紋，中央條紋最寬最亮，其余條紋變窄變暗；白光通過狹縫時，在屏上出現(xiàn)彩色條紋，中央為白條紋。（2）圓孔衍射：光通過小孔時(孔很小)在屏幕上會出現(xiàn)明暗相間的圓環(huán)。（3）圓盤衍射（泊松亮斑）：障礙物的衍射現(xiàn)象．在單色光傳播途中，放一個較小的圓形障礙物，會發(fā)現(xiàn)在陰影中心有一個亮斑，這就是著名的泊松亮斑。（4）衍射光柵（結(jié)構(gòu)由許多等寬的狹縫等距離排列起來形成的光學(xué)儀器）：衍射圖樣特點(diǎn)與單縫衍射相比，衍射條紋的寬度變窄，亮度增加?！靖櫽?xùn)練】（2025·甘肅白銀·模擬預(yù)測）如圖甲所示，用單色光照射厚紙板上的圓孔，在紙板后邊的光屏上得到如圖乙所示的圓形光斑。下列方法有助于在光屏上看到明顯衍射條紋的是（）A．增大光的強(qiáng)度B．增大光的頻率C．減小圓孔的直徑D．減小紙板到光屏的距離三、光的偏振1.偏振：光波只沿某一特定的方向振動。2.自然光：由太陽、電燈等普通光源發(fā)出的光，它包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，而且沿各個方向振動的光波的強(qiáng)度都相同，這樣的光叫做自然光。3.偏振光：在垂直于光的傳播方向的平面上，只沿著某個特定的方向振動的光?！咀⒁狻浚汗獾钠褡C明光是橫波。5．光的偏振(3)偏振光的形成①讓自然光通過偏振片形成偏振光。②讓自然光在兩種介質(zhì)的界面發(fā)生反射和折射，反射光和折射光可以成為部分偏振光或完全偏振光。(4)偏振光的應(yīng)用：加偏振濾光片的照相機(jī)鏡頭、液晶顯示器、立體電影、消除車燈眩光等。補(bǔ)充：自然光與偏振光的比較光自然光偏振光振動方向自然光在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，沿所有方向振動偏振光在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，沿某一特定的方向振動經(jīng)過偏振片的現(xiàn)象自然光通過偏振片后變成偏振光，后面的屏是明亮的，轉(zhuǎn)動偏振片時，偏振光的振動方向隨之變化，但屏上亮度不變。如下圖所示。偏振光經(jīng)過偏振片時，若光的振動方向與偏振片的透振方向平行，屏是亮的；若光的振動方向與偏振片的透振方向垂直，屏是暗的；若既不平行也不垂直，屏的亮度介于兩者之間，隨著振動方向與透振方向的夾角變大，亮度逐漸變暗。如下圖所示。產(chǎn)生方式太陽、電燈等直接發(fā)出的光是自然光。自然光經(jīng)偏振片后都是偏振光，自然光射到兩種介質(zhì)的交界面上，使反射光和折射光之間的夾角恰好是90°，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直?！靖櫽?xùn)練】（2025·江蘇泰州·二模）有一種魔術(shù)道具稱為“穿墻而過”。其結(jié)構(gòu)是兩片塑料偏振片卷起來，中間兩偏振片重疊區(qū)域給觀眾感覺為一塊“擋板”，如圖甲所示。當(dāng)圓筒中的小球從B端滾向A端，居然穿過了“擋板”，如圖乙所示，則可以實(shí)現(xiàn)的是（）A．兩偏振片的透振方向相同B．兩偏振片的透振方向相垂直C．兩偏振片同時旋轉(zhuǎn)90°“擋板”會消失D．將一片塑料偏振片旋轉(zhuǎn)90°“擋板”依然存在四、光的色散1.定義：白光通過三棱鏡后，出射光束變?yōu)榧t、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種色光的光束，這種現(xiàn)象叫做光的色散。2.成因：棱鏡材料對不同色光的折射率不同，對紅光的折射率最小，紅光通過棱鏡后的偏折程度最小，對紫光的折射率最大，紫光通過棱鏡后的偏折程度最大，從而產(chǎn)生色散現(xiàn)象。補(bǔ)充：光的本性發(fā)展簡史1.微粒說：以牛頓為代表，認(rèn)為光是沿直線高速傳播的粒子流。2.波動說：以惠更斯為代表，認(rèn)為光是某種振動以波的形式向外傳播。3.電磁說：麥克斯韋認(rèn)為光是一種電磁波。5.光的波粒二象性(長期爭論后達(dá)成的共識)【跟蹤訓(xùn)練】（2025·遼寧·一模）唐人張志和在《玄真子·濤之靈》中寫道：“雨色映日而為虹……背日噴乎水，成虹霓之狀?！睆奈锢韺W(xué)的角度來看，彩虹是因陽光照射到空中的小水滴，發(fā)生折射、色散及反射形成的。如圖所示，一細(xì)束太陽光從P點(diǎn)射入球形水滴后，經(jīng)一次反射有M、N兩條出射光線。下列說法正確的是（）A．從P點(diǎn)射入時M光的折射角比N光的大B．在水滴中，M光的傳播速度小于N光的傳播速度C．M光的波動性較N光更顯著D．用同一裝置做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，M光相鄰干涉亮條紋間距比N光的大五、激光：1.產(chǎn)生：激光是原子受激發(fā)輻射產(chǎn)生的光，發(fā)光的方向、頻率、偏振方向均相同，兩列相同激光相遇可以發(fā)生干涉。2.特點(diǎn)：①單色性好，頻率單一，相干性好；②具有極好的平行性，幾乎是一束方向不變、發(fā)散角很小的平行光；③亮度高，激光可以在很小的空間和很短的時間內(nèi)集中很大的能量。3.應(yīng)用：光纖通信；激光測距；激光武器等?！靖櫽?xùn)練】（2025·北京昌平·二模）我國智能駕駛汽車進(jìn)入快速發(fā)展期。某車載雷達(dá)系統(tǒng)可以發(fā)出激光和超聲波（頻率高于20kHz的聲波）信號，下列說法正確的是（）A．激光與超聲波都是橫波B．激光與超聲波都是縱波C．激光與超聲波都能發(fā)生衍射D．激光與超聲波都可在真空中傳播全反射1.定義：光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，當(dāng)入射角增大到某一角度，使折射角達(dá)到90°時，折射光完全消失，只剩下反射光的現(xiàn)象。說明：入射角增大的過程中，折射光的能量減少，反射光的能量增加，當(dāng)發(fā)生全反射時，反射光的能量最強(qiáng)。2.條件：①光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)。②入射角大于或等于臨界角。3.臨界角：折射角等于90°時的入射角。若光從光密介質(zhì)(折射率為n)射向真空或空氣時，發(fā)生全反射的臨界角為C，由n＝eq\f(sin90°,sinC)，得sinC＝eq\f(1,n)。介質(zhì)的折射率越大，發(fā)生全反射的臨界角越小。4．應(yīng)用：(1)全反射棱鏡(2)光導(dǎo)纖維說明：內(nèi)芯相對于外套為光密介質(zhì)，內(nèi)芯的折射率大于外套的折射率。(1)求玻璃磚的折射率；(2)在該橫截面沿圓弧任意改變?nèi)肷潼c(diǎn)的位置和入射方向，使激光能在圓心O點(diǎn)發(fā)生全反射，求入射光線與x軸之間夾角的范圍。01光學(xué)現(xiàn)象的幾種應(yīng)用1.薄膜干涉的應(yīng)用（1）增透膜：增透膜的厚度為透射光在薄膜中波長的四分之一的奇數(shù)倍，使薄膜前后兩面的反射光的路程差為薄膜中波長的一半的奇數(shù)倍，故反射光疊加后減弱，透射光的強(qiáng)度增強(qiáng)。（2）利用薄膜干涉檢測平整度：如圖甲所示，兩板之間形成一個空氣薄層，用單色光從上向下照射，如果被檢測表面是平滑的，得到的干涉圖樣必是等間距的。如果某處凹下，則對應(yīng)亮紋(或暗紋)向左彎曲，如圖乙所示；如果某處凸起來，則對應(yīng)亮條紋(或暗條紋)向右彎曲，如圖丙所示。2.偏振光的應(yīng)用：應(yīng)用于照相機(jī)鏡頭、立體電影、消除車燈眩光等。【跟蹤訓(xùn)練】（2025·天津?yàn)I海新·三模）對圖中所列光學(xué)現(xiàn)象的認(rèn)識，正確的是（）A．甲圖中，用激光水平射向塑料瓶小孔，觀察到光的傳播路徑沿水流方向是光的全反射現(xiàn)象B．乙圖中，用白光照射不透明的小圓盤，在圓盤陰影中心出現(xiàn)亮斑是光的折射現(xiàn)象C．丙圖中，用3D眼鏡看3D電影感受到的立體影像是利用了光的偏振現(xiàn)象D．丁圖中，陽光下吹出的肥皂泡呈現(xiàn)出彩色花紋是光的全反射現(xiàn)象02光的折射和全反射的綜合應(yīng)用1.應(yīng)用光的折射和全反射解決問題的兩個技巧：(1)解答全反射類問題時，要抓住發(fā)生全反射的兩個條件：①光必須從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)；②入射角大于或等于臨界角。(2)利用好光路圖中的臨界光線，準(zhǔn)確地判斷出恰好發(fā)生全反射的光路圖是解題的關(guān)鍵，且在作光路圖時盡量與實(shí)際相符。2.應(yīng)用光的折射和全反射解決問題的四個注意：(1)明確哪種是光密介質(zhì)、哪種是光疏介質(zhì)。同一種介質(zhì)，相對于其他不同的介質(zhì)，可能是光密介質(zhì)，也可能是光疏介質(zhì)。(2)如果光線從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)，則無論入射角多大，都不會發(fā)生全反射現(xiàn)象。(3)光的反射、折射和全反射現(xiàn)象，光路均是可逆的。(4)當(dāng)光射到兩種介質(zhì)的界面上時，往往同時發(fā)生光的折射和反射現(xiàn)象，但在全反射現(xiàn)象中，只發(fā)生反射，不發(fā)生折射。全反射問題的解題要點(diǎn)(1)求該透明體對單色光的折射率；(2)該截面內(nèi)另一單色光從邊上的點(diǎn)（未畫出）垂直射入該透明體，恰好在上表面發(fā)生兩次全反射后到達(dá)點(diǎn)，求單色光在該介質(zhì)中的臨界角，并分析點(diǎn)在的左側(cè)還是右側(cè)；(3)若該截面內(nèi)整個上均有垂直于的單色光射入介質(zhì)，不考慮在上的反射，求上表面有光射出部分的弧長。01干涉和衍射中幾種光現(xiàn)象的判斷(1)單縫衍射：①單色光的衍射圖樣中間為寬且亮的單色條紋，兩側(cè)是明暗相間的條紋，條紋寬度比中央窄且暗；單色光的波長越長，單縫越窄，中央亮紋越寬。②白光的衍射圖樣中間為寬且亮的白條紋，兩側(cè)是漸窄且暗的彩色條紋，其中最靠近中央的色光是紫光、離中央最遠(yuǎn)的是紅光如圖所示，這是光在衍射時的色散。(2)圓孔衍射：①單色光的衍射圖樣如圖所示，中央是大且亮的圓形光斑，周圍分布著明暗相間的不等距的同心圓環(huán)，且越靠外，亮圓環(huán)越窄越暗。②白光的衍射圖樣，中央是大且亮的白色亮斑，周圍是不等間距的彩色的同心圓環(huán)(3)圓盤衍射(泊松亮斑)：如圖所示，當(dāng)光照到不透明的半徑很小的小圓盤上時，對于一定的波長，在適當(dāng)?shù)木嚯x上，圓盤的陰影中心出現(xiàn)亮斑，在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環(huán)。（4）雙縫干涉：在兩列光波疊加的區(qū)域，某些區(qū)域相互加強(qiáng)，出現(xiàn)亮條紋，某些區(qū)域相互減弱，出現(xiàn)暗條紋，且加強(qiáng)區(qū)域和減弱區(qū)域相互間隔。單色光照射時，形成明暗相間的等間距的干涉條紋。補(bǔ)充：單縫衍射和圓孔衍射的對比單縫衍射圓孔衍射單色光中央為亮且寬的條紋，兩側(cè)為明暗相間的條紋，且越靠近兩側(cè)，亮條紋的亮度越弱，寬度越?、僦醒胧谴笄伊恋膱A形亮斑，周圍分布著明暗相間的同心圓環(huán)，且越靠外，圓形亮條紋的亮度越弱，寬度越?、诹镰h(huán)或暗環(huán)間的距離隨圓孔半徑的增加而減小白光中央為亮且寬的白色條紋，兩側(cè)為亮度逐漸變暗、寬度逐漸變窄的彩色條紋，其中最靠近中央的色光是紫光、離中央最遠(yuǎn)的是紅光中央是大且亮的白色亮斑，周圍是不等間距的彩色的同心圓環(huán)補(bǔ)充：單縫衍射與雙縫干涉的比較兩種現(xiàn)象單縫衍射雙縫干涉不同點(diǎn)圖樣特點(diǎn)圖樣條紋寬度條紋寬度不等，中央最寬條紋寬度相等條紋中心間距兩相鄰亮條紋中心間距不等兩相鄰亮條紋中心間距相等亮度情況中央條紋最亮，兩側(cè)條紋逐漸變暗條紋清晰，亮度基本相等發(fā)生條件產(chǎn)生明顯衍射的條件：障礙物或孔、縫的尺寸與光的波長差不多或比光的波長更小兩束光頻率相同、相位差恒定、振動方向相同相同點(diǎn)干涉、衍射都是波特有的現(xiàn)象，波長越長越明顯；干涉、衍射都形成明暗相間的條紋，從本質(zhì)上看都屬于光波的疊加，干涉是從雙縫通過兩列頻率相同的光波在屏上疊加形成的，衍射是由來自單縫上不同位置的光在屏上疊加形成的【跟蹤訓(xùn)練】（2025·山東濟(jì)南·二模）圖甲和圖乙是紅、藍(lán)兩種單色光用同樣的儀器形成的單縫衍射圖樣，圖丙和圖丁是紅、藍(lán)兩種單色光用同樣的儀器形成的雙縫干涉圖樣。甲、乙、丙、丁四幅圖樣中用紅光形成圖樣的是（）A．甲、丙 B．乙、丁 C．