分析高考試題 淺談光學(xué)復(fù)習(xí)

成金德

(浙江省義烏市立德書院,浙江 義烏 322000)

從近幾年的高考試題分析來看,光學(xué)基本上是一個選擇題或者是一個份量不重的計算題.正因為如此,光學(xué)在中學(xué)物理中所占教學(xué)課時較少,學(xué)習(xí)的知識也比較簡單.光學(xué)知識算不上教學(xué)重點內(nèi)容,它在高考中的地位與綜合性強、能有效考查學(xué)生的分析能力和綜合能力的力學(xué)、電學(xué)相比也無法相提并論.現(xiàn)在,光學(xué)這道試題作為必拿題、搶分題,必須拿穩(wěn)、拿準(zhǔn).由于光學(xué)涉及知識點較多,有些知識還比較抽象,不少學(xué)生在高考中并不能確保有效解答.為此,本文就如何有效復(fù)習(xí)光學(xué)知識作些探討.

1 剖析考查特點

從近幾年高考中考查光學(xué)的情況分析,試題主要集中在以下八種題型.因此,理解和掌握以下題型很有必要.

1.1 考查光的折射

光的折射現(xiàn)象是考查光學(xué)最頻繁最熱門的知識,一方面,有關(guān)光的折射現(xiàn)象的問題能考查學(xué)生的綜合能力,尤其是數(shù)學(xué)能力,即需要熟練應(yīng)用幾何學(xué)知識;另一方面,與折射現(xiàn)象相聯(lián)系的知識點較多,容易命制妙題.

例1(2022年全國甲卷)如圖1所示,邊長為a的正方形ABCD為一棱鏡的橫截面,M為AB邊的中點.在截面所在的平面,一光線自M點射入棱鏡,入射角為60°,經(jīng)折射后在BC邊的N點恰好發(fā)生全反射,反射光線從CD邊的P點射出棱鏡,求棱鏡的折射率以及P、C兩點之間的距離.

圖1 例1題圖

分析光射到M界面時發(fā)生了折射,設(shè)折射角為θ,由折射定律得:sin60° =nsinθ

經(jīng)M界面折射后的光在BC邊的N點恰好發(fā)生全反射,設(shè)臨界角為C,由全反射知識得:

由幾何關(guān)系可得:C= 90° -θ

1.2 考查全反射

全反射作為幾何光學(xué)中的一個重要知識點,考查的頻度較高.全反射問題往往與光的折射聯(lián)系在一起,解答此類問題的關(guān)鍵在于分析發(fā)生全反射的臨界條件.

圖2 例2題圖

分析若從D點射向界面AB的光經(jīng)折射后恰好射向C點,設(shè)入射角為θ1,折射角為θ2,如圖3所示.

圖3 例2分析示意圖(a)

根據(jù)光的折射定律得:sinθ1=nsinθ2

設(shè)光從DB范圍入射經(jīng)折射后在BC邊上的入射角為θ′,則有:θ′=30°+θ2

代入數(shù)據(jù)解得:θ2=30°,θ′=60°

顯然,nsinθ′=3/2>1

可見,射向DB范圍的光折射后在BC邊上將發(fā)生全反射,反射光線垂直射到AC邊,AC邊上全部有光射出.

設(shè)光從AD范圍入射經(jīng)折射后在AC邊上的入射角為θ″,如圖4所示,則有:

圖4 例2分析示意圖(b)

θ″=90°-θ2=60°

顯然有:nsinθ″=3/2>1

可見,射向AD范圍的光折射后在AC邊上發(fā)生全反射,反射光線垂直射到BC邊上.設(shè)BC邊上有光線射出的部分為CF,則有:

CF=ACsin30°

1.3 考查光的色散

頻率不同的光相對于同一種介質(zhì)折射率不同,因此,由不同頻率的光經(jīng)介質(zhì)折射后將產(chǎn)生色散現(xiàn)象.頻率大的光在同一介質(zhì)中折射率大.頻率不同的光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時,光的頻率保持不變,但波長和波速都發(fā)生變化.

例3(2021年北京)如圖5所示的平面內(nèi),光束a經(jīng)圓心O射入半圓形玻璃磚,出射光為b、c兩束單色光.下列說法正確的是( ).

圖5 例3題圖

A.這是光的干涉現(xiàn)象

B.在真空中光束b的波長大于光束c的波長

C.玻璃磚對光束b的折射率大于對光束c的折射率

D.在玻璃磚中光束b的傳播速度大于光束c的傳播速度

1.4 考查光的輻射

光源向四周均勻介質(zhì)中輻射光子時,光子將以球面波的形式背離光源勻速射向四周,在Δt時間內(nèi)從光源輻射出的光子,經(jīng)時間t,這些光子將均勻分布在半徑為R=vt的薄球殼上,若Δt很小,則這些光子可以認(rèn)為分布在半徑為R=vt的球面上.

例4(2022年全國乙卷)一點光源以113 W的功率向周圍所有方向均勻地輻射波長約為6×10- 7m的光,在離點光源距離為R處每秒垂直通過每平方米的光子數(shù)為3×1014個.普朗克常量為h=6.63×10-34J·s.R約為( ).

A.1×102m B.3×102m

C.6×102m D.9×102m

分析頻率為ν的光子的能量為:E=hν

由波速公式知:c=λν

光子以球面波的形式傳播,以光源為圓心的球面上的光子數(shù)相同.則在距光源的距離為R處,所對應(yīng)的球面的面積為:S= 4πR2

解以上各式得:R≈ 3×102m,可見,選項ACD錯誤,選項B正確.

1.5 考查光的干涉

光的干涉也是考試的一個熱點內(nèi)容,考查主要涉及光的干涉的條件和規(guī)律,有時也會與其他知識相聯(lián)系.

例5(2022年山東)某同學(xué)采用圖6所示的實驗裝置研究光的干涉與衍射現(xiàn)象,狹縫S1,S2的寬度可調(diào),狹縫到屏的距離為L.同一單色光垂直照射狹縫,實驗中分別在屏上得到了圖7,圖8所示圖樣.下列描述正確的是( ).

圖6 例5題圖

圖7 圖樣(a) 圖8 圖樣(b)

A.圖7是光的雙縫干涉圖樣,當(dāng)光通過狹縫時,也發(fā)生了衍射

B.遮住一條狹縫,另一狹縫寬度增大,其他條件不變,圖8中亮條紋寬度增大

C.照射兩條狹縫時,增加L,其他條件不變,圖7中相鄰暗條紋的中心間距增大

D.照射兩條狹縫時,若光從狹縫S1、S2到屏上P點的路程差為半波長的奇數(shù)倍,P點處一定是暗條紋

1.6 光的波粒二象性

例6(2019年11月浙江)處于較高能級的氫原子向較低能級躍遷時,能輻射出a、b兩種可見光,a光照射某金屬表面時有光電子逸出,b光照射該金屬表面時沒有光電子逸出,則( ).

A.以相同的入射角射向一平行玻璃磚,a光的側(cè)移量小于b光的

B.垂直入射到同一單縫衍射裝置,a光的衍射中央亮條紋寬度小于b光的

D.a光子的動量大于b光子的

1.7 考查光電效應(yīng)

頻率不同的光照射到同一金屬表面上時,產(chǎn)生的光電子的最大初動能不同,利用此關(guān)系將幾何光學(xué)和物理光學(xué)聯(lián)系起來,這樣,既考查了幾何光學(xué),又考查了光電效應(yīng).

例7(2019年天津)如圖9為a、b、c三種光在同一光電效應(yīng)裝置中測的光電流和電壓的關(guān)系．由a、b、c組成的復(fù)色光通過三棱鏡時,下述光路圖中正確的是( ).

圖9 例7題圖

1.8 考查綜合應(yīng)用

由光的折射定律出發(fā),結(jié)合有關(guān)物理情景,可以構(gòu)成一個綜合性的物理問題,這樣,不僅考查了光學(xué)知識,又考查了與之相關(guān)的其他知識.

圖10 例8題圖

(1)tanθ的值;

(2)B位置到水面的距離H.

分析(1)設(shè)小球作平拋運動的時間為t,根據(jù)平拋運動的規(guī)律可得:

2 有效整合知識

在組織高考備考復(fù)習(xí)中,對于光學(xué)這部分內(nèi)容,我們必須牢牢把握以下的“六五四三”.

2.1 六種現(xiàn)象

2.1.1現(xiàn)象

2.1.2色散現(xiàn)象

2.1.3干涉現(xiàn)象

兩列或幾列光波在某空間相遇時相互疊加,使某些區(qū)域振動加強,另一些區(qū)域振動削弱,形成穩(wěn)定的強弱分布的現(xiàn)象叫做光的干涉.產(chǎn)生干涉的條件是頻率相同、相位差恒定、振動方向相同的兩列或幾列光波.對雙縫干涉來說,當(dāng)兩個光源與光屏上某點的距離之差等于光的波長的整數(shù)倍時,兩列光波在該點振動加強,即出現(xiàn)亮紋的地方;當(dāng)兩個光源與光屏上某點的距離之差等于光的半波長的奇數(shù)倍時,兩列光波在該點振動削弱,即出現(xiàn)暗紋的地方.

2.1.4衍射現(xiàn)象

光在傳播過程中,遇到障礙物或小孔時,光將偏離直線傳播的路徑而繞到障礙物后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象.當(dāng)障礙物的尺寸跟光的波長相比差不多,甚至比光的波長還小的時候,才會產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象.對于白光的單縫衍射圖樣是中間為寬且亮的白色條紋,兩側(cè)是窄且暗的彩色條紋,最靠近中央白色條紋的是紫光,遠(yuǎn)離中央白色條紋的是紅光.

2.1.5偏振現(xiàn)象

光是一種橫波.橫波只沿某一方向振動,稱為波的偏振現(xiàn)象,光的偏振是橫波特有的現(xiàn)象.太陽、電燈等普通光源發(fā)出的光是一種自然光,它包含著垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光,而且沿著各個方向振動的光波的強度都相同.晚上開車對面車燈的眩光消除、立體電影、拍攝諸如櫥窗內(nèi)景物技術(shù)等都應(yīng)用了偏振現(xiàn)象.光的干涉、衍射和偏振都說明光具有波動性.

2.1.6光電效應(yīng)現(xiàn)象

光照到金屬表面上,從金屬表面打出光電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng).光電效應(yīng)有四條規(guī)律:對于某種金屬存在極限頻率;從金屬表面上打出的光電子的最大初動能與入射光的頻率有關(guān);打出的光電子數(shù)與入射光的強度成正比;發(fā)生光電效應(yīng)具有瞬時性.光電效應(yīng)說明光具有粒子性.

2.2 五項關(guān)系

2.2.1頻率與波長的關(guān)系

由波速公式c=λν可以看出,在真空中,各種色光的速度都等于c,則頻率越大的光波長將越小,即λ紅>λ橙>λ黃>λ綠>λ藍(lán)>λ靛>λ紫.

2.2.2波速與介質(zhì)的關(guān)系

2.2.3折射率與頻率的關(guān)系

從白光經(jīng)三棱鏡二次折射后發(fā)生光的色散現(xiàn)象可以看出,頻率越大的光(如紫光)偏折越大,即頻率越大的光相對同一介質(zhì),其折射率越大,即n紅

2.2.5入射光子的能量與光電子最大動能的關(guān)系為Ek=hν-W.

2.3 四類區(qū)別

2.3.1光的衍射圖樣和雙縫干涉圖樣的區(qū)別.

干涉圖樣的條紋寬度基本相等,衍射圖樣的條紋寬度不等,中央亮紋最寬;干涉圖樣的條紋間距相等,衍射圖樣的條紋間距不等;干涉圖樣的條紋亮度基本相等,衍射圖樣的條紋亮度不等,中央亮紋最亮.

2.3.2雙縫干涉和單縫衍射的區(qū)別

兩種現(xiàn)象都是波疊加的結(jié)果,只是干涉條紋是有限的幾束光的疊加,而衍射條紋是極多且復(fù)雜的相干光的疊加.光的干涉在一定的條件下才能發(fā)生,如相干光的頻率要相等,而光的衍射現(xiàn)象卻總是存在的,只有明顯和不明顯之分[1].

2.3.3光電子和光子的區(qū)別

2.3.4雙縫干涉和棱鏡使白光色散的區(qū)別

雙縫干涉是光的干涉現(xiàn)象,棱鏡色散是光的折射現(xiàn)象. 在雙縫干涉中紅光的相鄰亮紋間距最大,紫光最小;棱鏡色散中紅光偏折角最小,紫光最大.

2.4 三個概念

2.4.1折射率

2.4.2臨界角

2.4.3極限頻率

當(dāng)光照射到某種金屬表面時,恰好能發(fā)生光電效應(yīng),則此時入射光的頻率叫做這種金屬的極限頻率.只有當(dāng)入射光的頻率大于或等于極限頻率,才能使這種金屬發(fā)生光電效應(yīng).極限頻率滿足hν極限=W逸.

3 結(jié)束語

總之,只要把握高考方向,弄清光學(xué)要點,有效整合知識,加強有效練習(xí),拿下光學(xué)這道題應(yīng)該游刃有余.