2025年高二物理上學(xué)期模塊三光測(cè)試一、光的傳播與幾何光學(xué)基礎(chǔ)光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播，這一特性是幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。日常生活中的小孔成像、影子形成、日食和月食等現(xiàn)象均為光的直線傳播所致。當(dāng)光源為點(diǎn)光源時(shí)，物體后形成的暗區(qū)為本影；若光源為擴(kuò)展光源，則會(huì)形成本影和半影。例如，月球進(jìn)入地球的本影區(qū)域時(shí)可觀察到月全食，而進(jìn)入半影區(qū)域時(shí)則形成月偏食。光在真空中的傳播速度為恒定值c=3×10?m/s，在介質(zhì)中的傳播速度v=c/n，其中n為介質(zhì)的折射率，由于n>1，故光在介質(zhì)中的傳播速度總小于真空中的速度。光的反射遵循反射定律：反射光線、入射光線和法線共面，反射角等于入射角，且光路具有可逆性。平面鏡成像是反射現(xiàn)象的典型應(yīng)用，其成像特點(diǎn)為正立、等大、虛像，像與物關(guān)于鏡面對(duì)稱。在作圖時(shí)，可利用對(duì)稱性確定像的位置，再補(bǔ)畫光路圖。例如，人眼通過(guò)平面鏡觀察物體時(shí)，所見(jiàn)范圍與將點(diǎn)光源置于人眼位置經(jīng)平面鏡反射照亮的范圍相同。光的折射現(xiàn)象發(fā)生在兩種介質(zhì)的界面處，折射定律可表示為sini/sinr=n，其中i為入射角，r為折射角，n為介質(zhì)的折射率。折射率是反映介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的物理量，其大小取決于介質(zhì)本身及光的頻率。不同介質(zhì)對(duì)同一頻率光的折射率不同，如金剛石的折射率為2.42，水的折射率為1.33。光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，當(dāng)入射角增大到某一臨界值C，折射角達(dá)到90°，此時(shí)發(fā)生全反射，臨界角C滿足sinC=1/n。全反射現(xiàn)象在光導(dǎo)纖維、蜃景等現(xiàn)象中有著重要應(yīng)用。二、光的波動(dòng)性光的干涉現(xiàn)象證明了光具有波動(dòng)性。產(chǎn)生穩(wěn)定干涉的條件是兩列光的頻率相同、振動(dòng)方向相同且相位差恒定。楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是光的干涉的經(jīng)典案例，實(shí)驗(yàn)中單色光通過(guò)單縫后形成線光源，再通過(guò)雙縫形成相干光源，在光屏上產(chǎn)生明暗相間的條紋。亮條紋對(duì)應(yīng)光程差為波長(zhǎng)的整數(shù)倍（δ=kλ，k=0,1,2,...），暗條紋對(duì)應(yīng)光程差為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍（δ=(2k+1)λ/2，k=0,1,2,...）。條紋間距Δx與雙縫間距d、雙縫到光屏的距離L及光的波長(zhǎng)λ有關(guān)，滿足Δx=Lλ/d。當(dāng)用白光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，中央為白色亮條紋，兩側(cè)為彩色條紋，且波長(zhǎng)越長(zhǎng)的光條紋間距越大。薄膜干涉是另一種常見(jiàn)的干涉現(xiàn)象，由薄膜前后表面反射的兩列光疊加形成。例如，肥皂膜在陽(yáng)光下呈現(xiàn)彩色條紋，就是由于不同厚度處的反射光發(fā)生干涉所致。薄膜干涉在實(shí)際中有諸多應(yīng)用，如增透膜和增反膜的制備：在光學(xué)元件表面鍍一層厚度為λ/4的薄膜，可使反射光干涉相消，從而增強(qiáng)透射光；若鍍膜厚度為λ/2，則可增強(qiáng)反射光。此外，利用空氣劈尖干涉可檢測(cè)平面的平整度，當(dāng)被測(cè)平面存在凹陷時(shí)，干涉條紋會(huì)向劈尖尖端彎曲。光的衍射現(xiàn)象是指光繞過(guò)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。單縫衍射中，中央條紋最寬最亮，兩側(cè)條紋寬度逐漸減??；圓孔衍射會(huì)形成明暗相間的同心圓環(huán)。衍射光柵是由大量等寬等間距的平行狹縫組成的光學(xué)元件，其衍射條紋具有亮度高、條紋窄、間距大的特點(diǎn)，常用于光譜分析。光的偏振現(xiàn)象表明光是橫波。自然光通過(guò)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(guò)偏振片后的強(qiáng)度變化，即I=I?cos2θ，其中θ為偏振光振動(dòng)方向與偏振片透振方向的夾角。偏振現(xiàn)象在3D電影、偏振眼鏡、應(yīng)力分析等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。三、光的粒子性與光的本性光電效應(yīng)現(xiàn)象揭示了光的粒子性。當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，金屬中的電子吸收光子能量后逸出，形成光電子。光電效應(yīng)具有以下規(guī)律：存在截止頻率，只有入射光頻率大于截止頻率時(shí)才能產(chǎn)生光電效應(yīng)；光電子的最大初動(dòng)能隨入射光頻率的增大而線性增大，與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)；光電子的產(chǎn)生具有瞬時(shí)性。愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程為Ek=hν-W?，其中h為普朗克常量，ν為入射光頻率，W?為金屬的逸出功。光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性，而個(gè)別光子的行為則表現(xiàn)出粒子性。光在傳播過(guò)程中主要表現(xiàn)為波動(dòng)性，在與物質(zhì)相互作用時(shí)主要表現(xiàn)為粒子性。光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，波動(dòng)性越顯著；頻率越高，粒子性越顯著。四、光學(xué)器件與應(yīng)用透鏡是重要的光學(xué)器件，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。凸透鏡成像規(guī)律可通過(guò)作圖法或公式法分析，成像公式為1/f=1/u+1/v，其中f為焦距，u為物距，v為像距。當(dāng)物距u>2f時(shí)，成倒立、縮小的實(shí)像；當(dāng)f<u<2f時(shí)，成倒立、放大的實(shí)像；當(dāng)u<f時(shí)，成正立、放大的虛像。凹透鏡始終成正立、縮小的虛像。透鏡成像在照相機(jī)、投影儀、放大鏡等光學(xué)儀器中有著廣泛應(yīng)用。光的色散是指復(fù)色光通過(guò)棱鏡分解為單色光的現(xiàn)象，其原因是同一介質(zhì)對(duì)不同頻率光的折射率不同，頻率越高，折射率越大，偏折角越大。白光通過(guò)棱鏡后分解為紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種色光，其中紅光波長(zhǎng)最長(zhǎng)，折射率最小，紫光波長(zhǎng)最短，折射率最大。在同種介質(zhì)中，紅光的傳播速度最大，紫光的傳播速度最小，因此紅光的臨界角大于紫光的臨界角。五、典型問(wèn)題分析（一）折射率與光速的關(guān)系已知玻璃的折射率為1.5~1.8，水的折射率為1.33，根據(jù)v=c/n可知，光在水中的傳播速度大于在玻璃中的傳播速度。例如，紅光在水中的速度v水=c/1.33≈2.26×10?m/s，在玻璃中的速度v玻璃=c/1.5≈2×10?m/s。（二）雙縫干涉條紋間距的計(jì)算在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，若使用波長(zhǎng)為λ的單色光，雙縫間距為d，雙縫到光屏的距離為L(zhǎng)，則條紋間距Δx=Lλ/d。當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置置于折射率為n的介質(zhì)中時(shí)，光的波長(zhǎng)變?yōu)棣?=λ/n，條紋間距也相應(yīng)變?yōu)棣'=Δx/n。例如，將空氣中的雙縫干涉裝置放入折射率n=2的介質(zhì)中，條紋間距變?yōu)樵瓉?lái)的1/2。（三）全反射條件的應(yīng)用水下點(diǎn)光源發(fā)出的a、b兩種光，在水面上形成光亮區(qū)域，中間小圓區(qū)域兩種光均能射出，外環(huán)狀區(qū)域只有b光射出。這表明a光發(fā)生全反射的臨界角較小，根據(jù)sinC=1/n可知，a光的折射率較大，即n?>n?。在水中，a光的傳播速度v?=c/n?小于b光的傳播速度v?=c/n?。由于a光的波長(zhǎng)較短，通過(guò)同一雙縫干涉裝置時(shí)，a光的條紋間距較小。（四）薄膜干涉的應(yīng)用利用薄膜干涉可檢查平面的平整度。將標(biāo)準(zhǔn)平面與被測(cè)平面之間形成楔形空氣薄層，用單色光照射，若被測(cè)平面平整，則干涉條紋為平行直線；若某處凹陷，則對(duì)應(yīng)條紋向楔形尖端彎曲。此外，在光學(xué)元件表面鍍膜可改變其反射和透射特性，如增透膜