2025年高二物理上學(xué)期復(fù)習(xí)卷三（光）一、幾何光學(xué)基礎(chǔ)1.1光源與光的傳播光源是能自行發(fā)光的物體，分為點(diǎn)光源和擴(kuò)展光源兩類。點(diǎn)光源是理想化模型，實(shí)際光源可視為無數(shù)點(diǎn)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(shí)。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(xué)家羅默通過觀測(cè)木星衛(wèi)星的掩食現(xiàn)象首次測(cè)量出光速，而法國(guó)人裴索則在地面上利用旋轉(zhuǎn)齒輪法實(shí)現(xiàn)了光速的實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(shí)，需注意光線并非實(shí)際存在的實(shí)體，而是為簡(jiǎn)化問題引入的理想模型。當(dāng)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向通常會(huì)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(xué)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(shí)，常采用"虛像法"，即認(rèn)為反射光線的反向延長(zhǎng)線交于像點(diǎn)，利用幾何對(duì)稱關(guān)系簡(jiǎn)化計(jì)算。平面鏡成像就是反射定律的典型應(yīng)用，其成像特點(diǎn)為：成正立等大的虛像，像與物關(guān)于鏡面對(duì)稱。當(dāng)物體與平面鏡之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，像的移動(dòng)速度與物體速度存在關(guān)聯(lián)：若物體垂直鏡面運(yùn)動(dòng)，像速與物速大小相等方向相反；若物體沿鏡面平行運(yùn)動(dòng)，像速與物速完全相同。對(duì)于多個(gè)平面鏡組合成像問題，需依次分析每個(gè)鏡面的反射過程，注意像的虛實(shí)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(xué)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(duì)于同一種介質(zhì)，折射率還與光的頻率有關(guān)，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(dāng)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(shí)，將不會(huì)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(duì)于光疏介質(zhì)的相對(duì)折射率。全反射現(xiàn)象在光導(dǎo)纖維、全反射棱鏡等光學(xué)器件中有著廣泛應(yīng)用。1.4透鏡成像規(guī)律透鏡是幾何光學(xué)中最重要的光學(xué)元件之一，分為凸透鏡和凹透鏡兩類。凸透鏡對(duì)光線有會(huì)聚作用，凹透鏡對(duì)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(jìn)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(duì)于凸透鏡，f為正值；對(duì)于凹透鏡，f為負(fù)值。凸透鏡成像規(guī)律可總結(jié)為：當(dāng)物距u>2f時(shí)，成倒立縮小的實(shí)像，像距f<v<2f，應(yīng)用于照相機(jī)；當(dāng)u=2f時(shí)，成倒立等大的實(shí)像，v=2f，可用于測(cè)量焦距；當(dāng)f<u<2f時(shí)，成倒立放大的實(shí)像，v>2f，應(yīng)用于投影儀；當(dāng)u=f時(shí)，不成像，平行光出射；當(dāng)u<f時(shí)，成正立放大的虛像，像與物同側(cè)，應(yīng)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(shí)，應(yīng)采用逐次成像法，即先計(jì)算第一個(gè)透鏡的成像結(jié)果，將該像作為第二個(gè)透鏡的物，再計(jì)算第二個(gè)透鏡的成像，依次類推。需要注意的是，當(dāng)像位于第二個(gè)透鏡的物方焦平面內(nèi)側(cè)時(shí)，該像為虛物，物距應(yīng)取負(fù)值。二、物理光學(xué)基礎(chǔ)2.1光的波動(dòng)性光的波動(dòng)性可通過干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象得到證實(shí)。光的干涉是指兩列相干光波相遇時(shí)，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(shí)驗(yàn)是最早證明光波動(dòng)性的實(shí)驗(yàn)，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(zhǎng)。該公式表明，條紋間距與波長(zhǎng)成正比，因此用白光做實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)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(zhǎng)相當(dāng)或更小。單縫衍射圖樣的特點(diǎn)是中央有一條寬而亮的主極大條紋，兩側(cè)對(duì)稱分布著明暗相間的次級(jí)條紋，且條紋寬度逐漸減小。圓孔衍射則會(huì)形成明暗相間的環(huán)狀條紋，這一現(xiàn)象限制了光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)。光的偏振現(xiàn)象證實(shí)了光是橫波，自然光經(jīng)過偏振片后成為偏振光，其振動(dòng)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(qiáng)度變化規(guī)律，即I=I?cos2θ，其中θ為偏振光振動(dòng)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(yīng)力分析等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。2.2光的粒子性光的粒子性可通過光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等現(xiàn)象得到證實(shí)。光電效應(yīng)是指光照射金屬表面時(shí)，金屬中的電子吸收光能而逸出表面的現(xiàn)象。其實(shí)驗(yàn)規(guī)律包括：存在截止頻率，只有當(dāng)入射光頻率大于截止頻率時(shí)才會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)；光電子的最大初動(dòng)能與入射光強(qiáng)度無關(guān)，僅隨入射光頻率的增大而增大；光電效應(yīng)的產(chǎn)生具有瞬時(shí)性，無論光強(qiáng)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(yīng)，他認(rèn)為光由大量光量子（光子）組成，每個(gè)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(dāng)光子照射金屬時(shí)，電子吸收一個(gè)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(dòng)能，即愛因斯坦光電效應(yīng)方程：E?=hν-W?。截止頻率ν?=W?/h，當(dāng)ν<ν?時(shí)，無論光強(qiáng)多大，都無法產(chǎn)生光電效應(yīng)?？灯疹D效應(yīng)是指X射線照射物質(zhì)時(shí)，部分散射光的波長(zhǎng)變長(zhǎng)的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象進(jìn)一步證實(shí)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(yīng)表明光子不僅具有能量，還具有動(dòng)量，光子動(dòng)量p=h/λ。2.3光的波粒二象性光既具有波動(dòng)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(dòng)性，如干涉、衍射現(xiàn)象；在與物質(zhì)相互作用時(shí)，光主要表現(xiàn)出粒子性，如光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)。光的波粒二象性是量子力學(xué)的基本概念之一，不能用經(jīng)典物理學(xué)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(guān)系式為：E=hν（能量與頻率的關(guān)系，體現(xiàn)粒子性與波動(dòng)性的聯(lián)系）和p=h/λ（動(dòng)量與波長(zhǎng)的關(guān)系）。這兩個(gè)公式將光的粒子性物理量（能量E、動(dòng)量p）與波動(dòng)性物理量（頻率ν、波長(zhǎng)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(duì)現(xiàn)代科技產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，基于光的波動(dòng)性發(fā)展了激光技術(shù)、光纖通信等；基于光的粒子性發(fā)展了光電檢測(cè)、量子通信等。理解光的波粒二象性不僅是學(xué)好光學(xué)的關(guān)鍵，也是進(jìn)入量子物理世界的基礎(chǔ)。三、光學(xué)應(yīng)用與拓展3.1光的色散與光譜光的色散是指復(fù)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(dāng)白光通過三棱鏡時(shí)，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(lán)、靛、紫七種色光，形成連續(xù)光譜。紅光波長(zhǎng)最長(zhǎng)，折射率最小，偏折角最??；紫光波長(zhǎng)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(xué)組成的方法。原子光譜是由原子中的電子在不同能級(jí)間躍遷時(shí)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(dú)特的明線光譜，因此可用于元素識(shí)別。太陽(yáng)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(duì)應(yīng)太陽(yáng)大氣層中存在的元素吸收特定波長(zhǎng)的光而形成。通過分析太陽(yáng)光譜中的暗線，可確定太陽(yáng)大氣的化學(xué)成分。光譜分析技術(shù)在天體物理、化學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。3.2激光技術(shù)基礎(chǔ)激光是受激輻射放大的光，具有單色性好、相干性強(qiáng)、方向性好和亮度高等特點(diǎn)。激光的產(chǎn)生需要滿足三個(gè)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(jí)的粒子數(shù)多于低能級(jí)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(shí)實(shí)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(yīng)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(shù)、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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；在科研上用于激光冷卻、激光光譜學(xué)等；在軍事上用于激光制導(dǎo)、激光武器等。激光技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了現(xiàn)代科技的進(jìn)步。3.3光的波粒二象性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證除了光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)外，電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是證明微觀粒子具有波動(dòng)性的重要實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)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(dòng)性。德布羅意提出物質(zhì)波假說，認(rèn)為一切實(shí)物粒子都具有波動(dòng)性，其波長(zhǎng)λ=h/p，其中p為粒子動(dòng)量，這一假說已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。光的波粒二象性的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)是單光子干涉實(shí)驗(yàn)，當(dāng)光子一個(gè)一個(gè)地通過雙縫時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間曝光后仍能形成干涉條紋，表明單個(gè)光子也具有波動(dòng)性，其自身與自身發(fā)生干涉。這一實(shí)驗(yàn)揭示了微觀世界的概率性本質(zhì)，即光子在空間各點(diǎn)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(xué)中的一個(gè)重要現(xiàn)象，指兩個(gè)或多個(gè)量子系統(tǒng)之間存在的非局域關(guān)聯(lián)。在光學(xué)中，可通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生糾纏光子對(duì)，這些光子對(duì)的偏振態(tài)存在量子關(guān)聯(lián)。量子糾纏現(xiàn)象已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，并在量子通信、量子計(jì)算等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。四、光學(xué)計(jì)算與解題技巧4.1幾何光學(xué)計(jì)算在解決幾何光學(xué)問題時(shí)，關(guān)鍵是正確繪制光路圖，利用幾何關(guān)系和光學(xué)定律建立方程。對(duì)于反射問題，常利用"物像對(duì)稱"關(guān)系簡(jiǎn)化計(jì)算；對(duì)于折射問題，需應(yīng)用折射定律n?sinθ?=n?sinθ?，結(jié)合三角函數(shù)關(guān)系求解。在涉及多個(gè)界面的折射問題中，應(yīng)逐次應(yīng)用折射定律，注意各界面的法線方向。全反射臨界角的計(jì)算是幾何光學(xué)的重要考點(diǎn)，公式為sinC=1/n，其中n為相對(duì)折射率。當(dāng)光從介質(zhì)1射向介質(zhì)2時(shí)，相對(duì)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(dǎo)纖維中，光在纖芯和包層界面發(fā)生全反射，從而實(shí)現(xiàn)光的長(zhǎng)距離傳輸。透鏡成像的計(jì)算主要應(yīng)用透鏡成像公式1/f=1/u+1/v和放大率公式m=|v/u|。在計(jì)算前需明確透鏡類型（凸透鏡或凹透鏡），確定焦距的正負(fù)；根據(jù)物體位置確定物距的正負(fù)（實(shí)物為正，虛物為負(fù)）；計(jì)算出像距后，根據(jù)其正負(fù)判斷像的虛實(shí)（正為實(shí)像，負(fù)為虛像）。對(duì)于多透鏡系統(tǒng)，應(yīng)采用逐次成像法，注意前一透鏡的像作為后一透鏡的物時(shí)，物距的計(jì)算應(yīng)以第二個(gè)透鏡的光心為原點(diǎn)。4.2物理光學(xué)計(jì)算光的干涉計(jì)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(shí)，可計(jì)算光的波長(zhǎng)。薄膜干涉中，光程差的計(jì)算需考慮兩束反射光的額外光程差（當(dāng)光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)，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(dāng)Δ=kλ時(shí)，出現(xiàn)亮條紋；當(dāng)Δ=(2k+1)λ/2時(shí)，出現(xiàn)暗條紋，其中k=0,1,2,...。光電效應(yīng)的計(jì)算主要應(yīng)用愛因斯坦光電效應(yīng)方程E?=hν-W?，其中E?=eUc，Uc為遏止電壓。通過測(cè)量不同頻率ν的入射光對(duì)應(yīng)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(jì)算普朗克常量h和逸出功W?。截止頻率ν?=W?/h，當(dāng)入射光頻率ν<ν?時(shí)，無論光強(qiáng)多大，都不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。光的波長(zhǎng)、頻率和波速之間的關(guān)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(zhǎng)，由于v=c/n，因此λ'=λ/n，即光在介質(zhì)中的波長(zhǎng)為真空中波長(zhǎng)的1/n倍。在計(jì)算光的顏色時(shí)，需注意光的顏色由頻率決定，與波長(zhǎng)無關(guān)，當(dāng)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，頻率不變，波長(zhǎng)改變。4.3解題技巧與常見錯(cuò)誤分析在解決光學(xué)問題時(shí)，常見錯(cuò)誤包括：光路圖繪制不準(zhǔn)確，導(dǎo)致幾何關(guān)系錯(cuò)誤；混淆折射率的定義式n=c/v和相對(duì)折射率n??=n?/n?；在全反射問題中，錯(cuò)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(jì)算中，物距、像距和焦距的正負(fù)號(hào)規(guī)則應(yīng)用錯(cuò)誤；在干涉和衍射問題中，忽略半波損失對(duì)光程差的影響。為避免這些錯(cuò)誤，解題時(shí)應(yīng)注意：仔細(xì)審題，明確物理過程，正確繪制光路圖；牢記光學(xué)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(hào)規(guī)則，如透鏡成像中的"實(shí)正虛負(fù)"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(xí)，總結(jié)解題規(guī)律，提高解題能力。在處理綜合性光學(xué)問題時(shí)，應(yīng)將復(fù)雜問題分解為若干簡(jiǎn)單問題，逐一解決。例如，在分析光的干涉和衍射現(xiàn)象時(shí)，首先確定是干涉還是衍射，再選擇相應(yīng)的公式和規(guī)律；在分析光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)時(shí)，明確兩種效應(yīng)的區(qū)別和聯(lián)系，正確應(yīng)用相關(guān)公式。同時(shí)，要注意物理思想和方法的應(yīng)用，如模型法、等效法、假設(shè)法等，提高解題的靈活性和準(zhǔn)確性。五、光學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)5.1基本光學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)定玻璃的折射率實(shí)驗(yàn)是幾何光學(xué)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，常用插針法確定光路，通過測(cè)量入射角和折射角，利用折射定律計(jì)算折射率n=sinθ?/sinθ?。為減小誤差，應(yīng)使入射角適當(dāng)大些，但不宜過大，以保證折射角的測(cè)量精度；同時(shí)，大頭針應(yīng)豎直插立，且間距適當(dāng)大些，以減小確定光路方向的誤差。雙縫干涉測(cè)光的波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)利用雙縫干涉條紋間距公式Δx=Lλ/d，通過測(cè)量條紋間距Δx、雙縫到屏的距離L和雙縫間距d，計(jì)算光的波長(zhǎng)λ=Δx·d/L。實(shí)驗(yàn)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(cè)量頭的分劃板對(duì)齊；用測(cè)量頭測(cè)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(cè)量光的波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置包括光源、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒、光屏和測(cè)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(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)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(yīng)實(shí)驗(yàn)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置由光電管、光源、濾色片、變阻器和電源等組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將光電管接入電路，用單色光照射陰極，調(diào)節(jié)陽(yáng)極電壓，測(cè)量光電流與電壓的關(guān)系，得到伏安特性曲線。通過測(cè)量不同頻率的入射光對(duì)應(yīng)的遏止電壓，可驗(yàn)證愛因斯坦光電效應(yīng)方程，并測(cè)定普朗克常量。實(shí)驗(yàn)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(yīng)適當(dāng)，以保證光照強(qiáng)度適中；測(cè)量遏止電壓時(shí)，應(yīng)緩慢調(diào)節(jié)電壓，仔細(xì)觀察電流表示數(shù)的變化，確定電流剛好為零