高考物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)題匯編及解答引言光學(xué)是高考物理的核心模塊之一，而光學(xué)實(shí)驗(yàn)則是考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力、邏輯思維能力及科學(xué)探究素養(yǎng)的關(guān)鍵載體。高考中，光學(xué)實(shí)驗(yàn)題多以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為背景，聚焦實(shí)驗(yàn)原理、步驟排序、數(shù)據(jù)處理及誤差分析等內(nèi)容，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和綜合性。本文將對高考?？嫉墓鈱W(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)匯編，結(jié)合典型例題解析，總結(jié)解答技巧，助力考生提升實(shí)驗(yàn)題解題能力。一、光的折射定律實(shí)驗(yàn)（插針法測定玻璃折射率）1.實(shí)驗(yàn)原理插針法的核心是利用“兩點(diǎn)確定一條直線”的原理，通過大頭針確定入射光線與折射光線的路徑，進(jìn)而測量入射角\(\theta_1\)（入射光線與法線的夾角）和折射角\(\theta_2\)（折射光線與法線的夾角），根據(jù)光的折射定律計(jì)算玻璃折射率：\[n=\frac{\sin\theta_1}{\sin\theta_2}\]2.常見題型及解答技巧（1）實(shí)驗(yàn)步驟排序：關(guān)鍵邏輯：先固定玻璃磚，再插入射側(cè)大頭針，后插折射側(cè)大頭針。正確順序：①放玻璃磚并畫界面；②插入射側(cè)P?、P?（間距適當(dāng)大）；③插折射側(cè)P?、P?（擋住P?、P?的像）；④取玻璃磚畫光路。易錯(cuò)點(diǎn)：避免先插針再放玻璃磚，或折射側(cè)大頭針未擋住入射側(cè)像。（2）光路圖繪制：法線與界面垂直（用虛線表示）；入射光線、折射光線通過大頭針位置（用實(shí)線表示）；玻璃磚的兩個(gè)界面平行（矩形玻璃磚）。（3）數(shù)據(jù)處理：用刻度尺和量角器測量\(\theta_1\)、\(\theta_2\)；計(jì)算\(\sin\theta_1\)、\(\sin\theta_2\)，取多次測量的平均值作為\(n\)的結(jié)果；避免直接用角度比值計(jì)算（折射定律是正弦值的比）。（4）誤差分析：若P?、P?插得太近，折射光線方向偏差，\(\theta_2\)偏大，\(n\)偏小；若玻璃磚移動(dòng)，光路圖繪制錯(cuò)誤，誤差增大；若\(\theta_1\)太?。ㄈ?lt;30°），\(\sin\theta_1\)變化不明顯，誤差增大（建議\(\theta_1\)取30°-60°）。3.例題及解析例題（2021年全國乙卷）：某同學(xué)用插針法測定玻璃的折射率，實(shí)驗(yàn)步驟如下：①用圖釘將白紙固定在木板上，在白紙上畫一條直線AB作為玻璃磚的一個(gè)界面，畫一條線段AO作為入射光線，過O點(diǎn)作AB的垂線NN'作為法線；②將玻璃磚放在白紙上，使玻璃磚的一邊與AB重合，畫出玻璃磚的另一條邊CD；③在AO線上插兩枚大頭針P?、P?，使它們之間的距離適當(dāng)大一些；④從玻璃磚的CD一側(cè)透過玻璃磚觀察P?、P?的像，調(diào)整視線方向，使P?的像被P?的像擋住，然后在CD一側(cè)插入兩枚大頭針P?、P?，使P?擋住P?、P?的像，P?擋住P?和P?、P?的像；⑤取走玻璃磚，連接P?P?并延長交CD于O'點(diǎn)，連接OO'；⑥測量入射角\(\theta_1\)和折射角\(\theta_2\)，計(jì)算折射率\(n\)。（1）上述步驟中，遺漏的重要步驟是______；（2）若實(shí)驗(yàn)中測得\(\theta_1=45°\)，\(\theta_2=30°\)，則玻璃的折射率\(n=\)______。解析：（1）遺漏的步驟：步驟②中，畫出玻璃磚的另一條邊CD后，應(yīng)沿CD邊再畫一條直線作為玻璃磚的另一個(gè)界面（確保玻璃磚的兩個(gè)界面平行，準(zhǔn)確確定折射光線的出射點(diǎn)）。（2）計(jì)算折射率：\[n=\frac{\sin\theta_1}{\sin\theta_2}=\frac{\sin45°}{\sin30°}=\frac{\sqrt{2}/2}{1/2}=\sqrt{2}\approx1.41\]答案：（1）沿CD邊畫玻璃磚的另一個(gè)界面；（2）1.41（或\(\sqrt{2}\)）。二、全反射實(shí)驗(yàn)（研究全反射的條件）1.實(shí)驗(yàn)原理全反射的兩個(gè)必要條件：①光從光密介質(zhì)（如玻璃）進(jìn)入光疏介質(zhì)（如空氣）；②入射角大于等于臨界角（\(\theta\geqC\)）。臨界角與折射率的關(guān)系：\[\sinC=\frac{1}{n}\]實(shí)驗(yàn)裝置：通常采用半圓形玻璃磚（直徑面與白紙接觸，圓心為入射點(diǎn)），讓光沿半徑方向入射到圓弧面（光疏介質(zhì)），改變?nèi)肷浣怯^察反射光與折射光的變化。2.常見題型及解答技巧（1）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析：入射角增大時(shí)，折射光強(qiáng)度減弱，反射光強(qiáng)度增強(qiáng)；當(dāng)入射角達(dá)到臨界角\(C\)時(shí)，折射光消失，反射光變?yōu)槿瓷涔猓◤?qiáng)度最大）。（2）臨界角測量：通過改變?nèi)肷浣?，找到折射光消失時(shí)的最小入射角（即臨界角\(C\)），利用\(n=\frac{1}{\sinC}\)計(jì)算折射率。（3）全反射條件驗(yàn)證：需強(qiáng)調(diào)“光密→光疏”和“入射角≥C”缺一不可。例如，光從空氣進(jìn)入玻璃（光疏→光密），無論入射角多大都不會(huì)發(fā)生全反射。3.例題及解析例題（2022年浙江卷）：用半圓形玻璃磚研究全反射現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示（圓心為O，直徑AB在水平面上，圓弧面在上方）。一束光從空氣沿直徑AB方向入射到O點(diǎn)，進(jìn)入玻璃磚后沿半徑OC方向傳播到圓弧面的C點(diǎn)。逐漸增大∠AOC（入射角），觀察到的現(xiàn)象是（）A.折射光的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)B.反射光的強(qiáng)度逐漸減弱C.當(dāng)∠AOC達(dá)到某一角度時(shí)，折射光消失D.當(dāng)∠AOC達(dá)到90°時(shí)，折射光消失解析：光從玻璃（光密）進(jìn)入空氣（光疏），入射角為∠AOC（圓弧面的法線是OC的垂線，故入射角等于∠AOC）。A、B錯(cuò)誤：入射角增大時(shí)，折射光強(qiáng)度減弱，反射光強(qiáng)度增強(qiáng)；C正確：當(dāng)∠AOC達(dá)到臨界角\(C\)時(shí)，折射光消失（全反射）；D錯(cuò)誤：\(\sinC=1/n<1\)，故\(C<90°\)，折射光消失時(shí)∠AOC<90°。答案：C。三、光的干涉實(shí)驗(yàn)（一）雙縫干涉測波長1.實(shí)驗(yàn)原理雙縫干涉的核心規(guī)律：單色光通過雙縫時(shí)，在光屏上形成等間距的亮暗相間條紋，亮紋（或暗紋）間距為：\[\Deltax=\frac{L}z3jilz61osys\lambda\]其中，\(L\)為雙縫到光屏的距離，\(d\)為雙縫間距，\(\lambda\)為入射光波長。通過測量\(\Deltax\)、\(L\)、\(d\)，可計(jì)算波長：\[\lambda=\frac{d\Deltax}{L}\]2.常見題型及解答技巧（1）實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)節(jié)：關(guān)鍵是使“光源、濾光片、單縫、雙縫、光屏”共線，且單縫與雙縫平行（保證雙縫處的光振動(dòng)方向一致，產(chǎn)生穩(wěn)定干涉）。（2）條紋間距測量：\(\Deltax\)是相鄰兩條亮紋（或暗紋）中心的距離，需用刻度尺測量多組（如5條亮紋之間的距離，除以4得到\(\Deltax\)），取平均值減小誤差。（3）誤差分析：若\(\Deltax\)測?。ㄎ磳?zhǔn)條紋中心），則\(\lambda\)偏小；若\(L\)測小（雙縫到光屏距離錯(cuò)誤），則\(\lambda\)偏小；若\(d\)測大（雙縫間距錯(cuò)誤），則\(\lambda\)偏大。3.例題及解析例題（2023年全國甲卷）：某同學(xué)用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置測量紅光波長，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：相鄰5條亮紋的中心距離\(\Deltas=4.50\text{mm}\)；雙縫間距\(d=0.20\text{mm}\)；雙縫到光屏的距離\(L=1.00\text{m}\)。計(jì)算紅光的波長\(\lambda\)（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。解析：相鄰5條亮紋之間有4個(gè)間距，故：\[\Deltax=\frac{\Deltas}{4}=\frac{4.50\text{mm}}{4}=1.125\text{mm}=1.125×10?3\text{m}\]代入公式：\[\lambda=\frac{d\Deltax}{L}=\frac{0.20×10?3\text{m}×1.125×10?3\text{m}}{1.00\text{m}}=2.25×10??\text{m}\approx2.3×10??\text{m}\]答案：2.3×10??m（或230nm）。（二）薄膜干涉（肥皂膜、牛頓環(huán)）1.實(shí)驗(yàn)原理薄膜干涉是薄膜上下表面反射光的疊加現(xiàn)象，光程差滿足：亮紋：\(\delta=2nd+\frac{\lambda}{2}=k\lambda\)（\(k=0,1,2…\)）；暗紋：\(\delta=2nd+\frac{\lambda}{2}=(2k+1)\frac{\lambda}{2}\)（\(k=0,1,2…\)）。其中，\(n\)為薄膜折射率，\(d\)為薄膜厚度，\(\frac{\lambda}{2}\)為半波損失（若薄膜上下表面反射均有半波損失，則抵消）。2.常見題型及解答技巧（1）條紋形狀：肥皂膜：水平條紋（同一水平高度的薄膜厚度相同）；牛頓環(huán)（空氣膜）：同心圓環(huán)（同一半徑的空氣膜厚度相同）。（2）條紋移動(dòng)：肥皂膜下端變薄時(shí)，同一厚度的薄膜向頂端移動(dòng)，條紋向頂端移動(dòng)；牛頓環(huán)的透鏡被輕壓時(shí)，空氣膜厚度減小，條紋向中心移動(dòng)（同一級亮紋對應(yīng)的厚度減小，半徑減小）。（3）應(yīng)用：檢查平面平整度：將標(biāo)準(zhǔn)平面與待測平面接觸，形成空氣膜。若條紋平行等間距，則平面平整；若條紋彎曲，向凸起方向彎曲，說明待測平面有凸起（凸起處的空氣膜厚度比周圍小，對應(yīng)的條紋向厚度大的方向移動(dòng)）。3.例題及解析例題（2020年全國Ⅰ卷）：用單色光照射肥皂膜，觀察到肥皂膜上出現(xiàn)明暗相間的條紋，下列說法正確的是（）A.條紋是光的衍射現(xiàn)象B.條紋是肥皂膜上下表面反射光的干涉結(jié)果C.條紋的間距與肥皂膜的厚度無關(guān)D.條紋的亮度與肥皂膜的厚度無關(guān)解析：A.衍射現(xiàn)象是光繞過障礙物傳播，條紋為中央寬、兩側(cè)窄（錯(cuò)誤）；B.肥皂膜條紋是上下表面反射光的干涉結(jié)果（正確）；C.條紋間距由相鄰亮紋對應(yīng)的厚度差決定（\(\Deltad=\frac{\lambda}{2n}\)），與厚度變化率有關(guān)（錯(cuò)誤）；D.亮度與反射光的疊加強(qiáng)度有關(guān)，厚度不同則光程差不同，亮度不同（錯(cuò)誤）。答案：B。四、光的衍射實(shí)驗(yàn)（單縫衍射）1.實(shí)驗(yàn)原理光的衍射是光繞過障礙物（如單縫、圓孔）傳播的現(xiàn)象，明顯衍射的條件是：\[d\approx\lambda\text{或}d<\lambda\]單縫衍射條紋的特點(diǎn)：①中央亮紋最寬、最亮；②兩側(cè)亮紋對稱分布，亮度逐漸減弱；③亮紋間距不等（中央亮紋間距最大，向兩側(cè)逐漸減?。?.常見題型及解答技巧（1）衍射條件判斷：紅光（\(\lambda\approx600\text{nm}\)）照射寬為0.1mm（100μm）的單縫：\(d>\lambda\)但差距不大，能看到較明顯衍射；紅光照射寬為1cm（____μm）的單縫：\(d>>\lambda\)，衍射不明顯（看不到條紋）。（2）條紋變化分析：單縫變窄（\(d\)減?。貉苌錀l紋變寬（衍射現(xiàn)象更明顯）；波長變長（如紅光換綠光）：衍射條紋變窄（\(\lambda\)減小，衍射現(xiàn)象減弱）；光屏遠(yuǎn)離單縫（\(L\)增大）：衍射條紋變寬（條紋間距與\(L\)成正比）。（3）干涉與衍射的區(qū)別：干涉條紋：等間距、等亮度（如雙縫干涉）；衍射條紋：中央寬、兩側(cè)窄，亮度遞減（如單縫衍射）。3.例題及解析例題（2021年浙江卷）：關(guān)于單縫衍射，下列說法正確的是（）A.單縫越寬，衍射條紋越明顯B.單色光的波長越長，衍射條紋越明顯C.衍射條紋中央亮紋的寬度與單縫寬度成正比D.衍射條紋的亮度與單縫寬度無關(guān)解析：A.單縫越窄（\(d\)越?。苌湓矫黠@（錯(cuò)誤）；B.波長越長（\(\lambda\)越大），衍射越明顯（正確）；C.中央亮紋寬度\(\Deltax=\frac{2L\lambda}z3jilz61osys\)，與\(d\)成反比（錯(cuò)誤）；D.單縫越寬，透過的光越多，條紋亮度越大（錯(cuò)誤）。答案：B。五、光的偏振實(shí)驗(yàn)（觀察偏振現(xiàn)象）1.實(shí)驗(yàn)原理光的偏振是橫波的特有現(xiàn)象（縱波無偏振），偏振片（起偏器）只允許某一方向（偏振化方向）的光振動(dòng)通過。實(shí)驗(yàn)規(guī)律：自然光（如陽光）通過起偏器后，變?yōu)槠窆猓ㄕ駝?dòng)方向與起偏器的偏振化方向一致）；偏振光通過檢偏器時(shí)，透射光強(qiáng)度隨檢偏器的旋轉(zhuǎn)而變化：偏振化方向平行時(shí)，強(qiáng)度最大；偏振化方向垂直時(shí)，強(qiáng)度最?。◣缀鯙榱悖?.常見題型及解答技巧（1）偏振現(xiàn)象判斷：通過偏振片旋轉(zhuǎn)觀察透射光強(qiáng)度變化：若強(qiáng)度周期性變化（亮→暗→亮），則入射光為偏振光；若強(qiáng)度不變，則入射光為自然光（自然光的振動(dòng)方向隨機(jī)，通過起偏器后變?yōu)槠窆?，再通過檢偏器時(shí)強(qiáng)度變化）。（2）生活中的偏振應(yīng)用：偏振太陽鏡：過濾水面、路面反射的水平偏振光（偏振化方向?yàn)榇怪狈较颍瑴p弱反射光）；立體電影：兩臺(tái)攝像機(jī)用垂直偏振片拍攝，放映時(shí)用同樣偏振片的眼鏡，使左右眼看到不同畫面，產(chǎn)生立體效果。3.例題及解析例題（2022年全國丙卷）：下列現(xiàn)象中，屬于光的偏振現(xiàn)象的是（）A.雨后天空出現(xiàn)彩虹B.肥皂膜上出現(xiàn)彩色條紋C.通過偏振眼鏡看水面，反射光減弱D.通過放大鏡看物體，物體變大解析：A.彩虹是光的折射（色散）現(xiàn)象；B.肥皂膜條紋是光的干涉現(xiàn)象；C.偏振眼鏡減弱反射光（偏振光）是光的偏振現(xiàn)象；D.放大鏡是光的折射（凸透鏡成像）現(xiàn)象。答案：C。六、光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)（驗(yàn)證光電效應(yīng)規(guī)律）1.實(shí)驗(yàn)原理光電效應(yīng)是光照射金屬表面時(shí)，光電子逸出的現(xiàn)象，遵循愛因斯坦光電效應(yīng)方程：\[h\nu=eU_c+W_0\]其中：\(h\)：普朗克常量；\(\nu\)：入射光頻率；\(e\)：電子電荷量；\(U_c\)：截止電壓（使光電流為零的反向電壓，此時(shí)光電子的最大初動(dòng)能\(E_{kmax}=eU_c\)）；\(W_0\)：金屬的逸出功（\(W_0=h\nu_0\)，\(\nu_0\)為截止頻率，即能產(chǎn)生光電效應(yīng)的最小頻率）。實(shí)驗(yàn)裝置：光電管（陽極A、陰極K）、電源（正向/反向）、電流表（測光電流）、電壓表（測AK間電壓）。2.常見題型及解答技巧（1）實(shí)驗(yàn)規(guī)律驗(yàn)證：截止頻率：用不同頻率的光照射，當(dāng)\(\nu<\nu_0\)時(shí)，無論光強(qiáng)多大，都沒有光電流（瞬時(shí)性）；最大初動(dòng)能與頻率的關(guān)系：用相同強(qiáng)度、不同頻率的光照射，測截止電壓\(U_c\)，繪制\(U_c-\nu\)圖像（線性關(guān)系），斜率為\(h/e\)，截距為\(-W_0/e\)；飽和電流與光強(qiáng)的關(guān)系：用相同頻率、不同強(qiáng)度的光照射，光強(qiáng)越大，飽和電流越大（單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)越多）。（2）數(shù)據(jù)處理：\(U_c-\nu\)圖像的斜率\(k=\frac{h}{e}\)，故普朗克常量：\[h=ek\]（3）誤差分析：電流表零點(diǎn)未調(diào)準(zhǔn)，導(dǎo)致光電流測量誤差；光電管的暗電流（無光照時(shí)的電流）未消除，導(dǎo)致\(U_c\)測量偏?。ò惦娏鞯窒糠止怆娏鳎菇刂闺妷航档停?。3.例題及解析例題（2023年浙江卷）：某同學(xué)用光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置測量普朗克常量\(h\)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表（\(e=1.6×10?1?\text{C}\)）：入射光頻率\(\nu\)（×101?Hz）5.06.07.08.09.0截止電壓\(U_c\)（V）0.400.801.201.602.00（1）繪制\(U_c-\nu\)圖像（略），求圖像的斜率\(k\)；（2）計(jì)算普