选择性必修一 · 第4章 光

人教版高中物理 · 辽宁高考复习专用
本章以光的波动性为主线:光的折射与全反射、干涉、衍射、偏振, 并含两个必做实验——测玻璃折射率(插针法)与用双缝干涉测波长。折射率计算、临界角、Δx=lλ/d是辽宁高考必考内容。
辽宁新高考 · 物理(黑吉辽蒙卷)几何光学+波动光学

① 本章辽宁高考重点概览

考点辽宁常见考法热度标签
光的折射定律、折射率n=sinθ₁/sinθ₂=c/v;视深、光路计算★★★★★必考重点
全反射与临界角sinC=1/n;光纤、棱镜、条件判断★★★★★模型难点
光的干涉(双缝)Δx=lλ/d;条纹间距与色光判断★★★★★模型难点
薄膜干涉增透膜厚度、检查平面平整度★★★必考重点
光的衍射、偏振明显衍射条件;偏振说明光是横波★★★必考重点
实验:测折射率插针法操作、数据处理、误差分析★★★★实验热点
实验:双缝干涉测波长装置、Δx测量、λ计算★★★★实验热点

② 章节学习目标

物理观念

  • 建立光的折射模型;认识光的波动性(干涉、衍射是波特有的现象)

科学思维

  • 会用折射定律、n=c/v、sinC=1/n进行计算与全反射判断
  • 掌握双缝干涉条纹间距公式并会分析条纹变化
  • 理解干涉、衍射、偏振的条件与意义

科学探究

  • 完成测玻璃折射率、双缝干涉测光波长实验,会数据处理与误差分析

本章物理模型清单

  1. 光的折射(光路)模型
  2. 全反射棱镜/光纤模型
  3. 双缝干涉模型 Δx=lλ/d
  4. 薄膜干涉模型(增透膜d=λ/4)
  5. 插针法测折射率模型

③ 情景回顾

情景一·池水变浅

清澈游泳池看起来比实际浅,插入水中的筷子在水面处"弯折"。光从水射入空气时发生了什么?
→ 光的折射

情景二·光纤通信

细如发丝的玻璃纤维能把光信号"锁"在芯内传到千里之外,光为什么不从侧壁射出?
→ 全反射

情景三·肥皂泡彩色

肥皂泡、水面油膜在阳光下呈现彩色条纹;镜头常呈紫红色(增透膜)。
→ 薄膜干涉

情景四·3D电影

看3D电影要戴偏光眼镜,摘下眼镜画面重影;旋转镜片画面变暗。
→ 光的偏振

④ 核心知识点讲解

4.1 光的折射

  • 折射定律(斯涅尔定律):折射光线与入射光线、法线在同一平面内,折射光线和入射光线分居法线两侧;入射角正弦与折射角正弦之比为常数。
  • 折射率:光从真空射入某介质发生折射时,入射角θ₁正弦与折射角θ₂正弦之比,叫这种介质的绝对折射率n。
n = sinθ₁ / sinθ₂ = c / v
理解要点:①c为真空中光速(3.0×10⁸m/s),v为光在该介质中速度,n=c/v,故n>1、v<c;②折射率由介质本身性质和光的频率决定;③光从空气进入介质可近似用真空公式;④光从介质射入真空时 sinθ(真空)/sinθ(介质)=n,角度关系对调使用。
  • 光密介质/光疏介质:相对而言n大的为光密介质。光从光疏→光密,折射角小于入射角(靠近法线);反之折射角大于入射角。
  • 现象:池水"变浅"、水中筷子"弯折"、海市蜃楼(折射与全反射)、日出时太阳实际还在地平线下。
空气玻璃n>1 θ₁ θ₂ 法线 入射光折射光(θ₂<θ₁)
图4-1 光从空气斜射入玻璃:靠近法线折射,n=sinθ₁/sinθ₂

4.2 光的全反射(核心)

  • 全反射:光从光密介质射向光疏介质时,折射角大于入射角;当入射角增大到某一角度使折射角达到90°(折射光完全消失),光全部被反射回原介质的现象。
  • 临界角C:折射角等于90°时的入射角。
sinC = 1/n (介质→真空或空气)
全反射条件(缺一不可):①光从光密介质射向光疏介质;②入射角≥临界角C。光从光疏→光密(如空气→水)不会发生全反射。
  • 应用:光导纤维(内芯n大、外套n小,光在内芯与外套界面反复全反射,传光与图像、通信);全反射棱镜(等腰直角棱镜使光偏转90°/180°,用于潜望镜、双筒望远镜);钻石高折射率临界角小易全反射故闪亮;海市蜃楼。
【难点深挖】光纤中入射角与临界角

光纤内芯折射率n₁大于包层n₂,光在端面由空气进入内芯后射到侧壁,只有侧壁处入射角大于临界角C(sinC=n₂/n₁,相对折射率)的光才能被约束传播。计算时要先在端面用一次折射定律,再在侧壁判全反射,分清两个界面、两个角。

4.3 光的干涉(核心)

  • 杨氏双缝干涉实验:单色光通过单缝(线光源)再照射到两条相距很近的双缝S₁、S₂,S₁、S₂成为两个振动情况总是相同的相干光源,在屏上叠加形成明暗相间、等间距的干涉条纹。
  • 干涉条件:两束光频率相同、振动方向相同、相位差恒定(杨氏用"一分为二"的双缝获得相干光)。
Δx = l λ / d

Δx:相邻两条亮纹(或暗纹)中心间距;l:双缝到屏距离;d:双缝间距;λ:光的波长。

条件(路程差Δs)条纹
Δs = kλ(k=0,1,2…)亮条纹(中央为亮纹)
Δs = (2k+1)λ/2暗条纹
结论:①干涉条纹是等间距、明暗相间的平行条纹;②l、d不变时,波长λ越长条纹间距Δx越大(红光间距>蓝光);③白光做实验中央为白色亮纹、两侧为彩色条纹(同级红光在外、紫光在内);④d越小、l越大,条纹越稀疏越易测量。

薄膜干涉

  • 原理:光照射薄膜,从膜的前、后两个表面反射的两束光叠加发生干涉(同一束光分出,天然相干)。膜厚不同→不同位置路程差不同→明暗/彩色条纹。
  • 应用:①增透膜:镜头表面镀膜,使膜厚d≈λ/4(光在膜中波长的1/4,注意半波损失在两束反射光间的影响按教材表述),反射光因干涉减弱从而减少反射、增加透射(镜头残留反射呈紫红色说明增透的是绿光);②检查平面平整程度:标准样板与待检面间形成空气劈尖,干涉条纹弯曲处对应表面凹凸;③肥皂泡、油膜彩色。
单缝 双缝S₁S₂ 屏 l Δx 等间距明暗条纹
图4-2 双缝干涉:相邻亮纹间距Δx=lλ/d

4.4 光的衍射

  • 衍射现象:光离开直线路径绕到障碍物阴影里的现象。如单缝衍射(缝很窄时光在屏上形成中间宽亮、两侧明暗相间且逐渐变窄变暗的条纹)、圆孔衍射(明暗同心圆环)、泊松亮斑(不透光小圆板阴影中心出现亮斑)。
  • 明显衍射条件:障碍物或孔、缝的尺寸跟光的波长相差不多,或比波长更小。
衍射条纹≠干涉条纹:单缝衍射条纹中间最宽最亮、两侧条纹窄且间距不等、亮度递减;双缝干涉条纹是等宽等间距、亮度相近的明暗条纹。干涉和衍射是波的特有现象,光的干涉、衍射证明光具有波动性。

4.5 光的偏振 激光

  • 偏振:自然光包含在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光且各方向强度相同;通过偏振片后只留下沿特定方向振动的光,叫偏振光。光的偏振表明光波是横波(纵波不能偏振)。
  • 应用:偏光眼镜(消除水面/路面反射眩光)、3D电影(左右眼各接收一个偏振方向的画面)、摄影偏振滤光镜、液晶显示。
  • 激光:相干性好、平行度好、亮度高;应用:光纤通信、激光测距(激光雷达)、激光切割/焊接、医用激光刀、光盘读写、全息照相。

⑤ 模型陷阱 VS 物理真相

❌ 错误直觉

入射角越大折射率n越大。

✅ 物理真相

折射率n是介质的固有属性(n=c/v),与入射角无关;变的是折射角,sinθ₁/sinθ₂的比值恒为n。不能把公式当"n随角度变"。

❌ 错误直觉

光从空气射入水中也可能全反射。

✅ 物理真相

全反射只发生在光从光密介质射向光疏介质(水→空气)且入射角≥临界角时;光疏→光密折射角始终小于入射角,不可能全反射。

❌ 错误直觉

双缝间距d越大,条纹间距Δx越大。

✅ 物理真相

由Δx=lλ/d,d在分母上:d越大Δx越小(条纹越密);l越大、λ越长Δx越大。红光波长比紫光长,红光干涉条纹更宽。

❌ 错误直觉

单缝衍射条纹和双缝干涉条纹都是等间距的。

✅ 物理真相

双缝干涉条纹等宽、等间距、亮度相近;单缝衍射条纹中央最宽最亮,两侧条纹窄、间距不等、亮度迅速减弱。看条纹分布先区分两种图样。

❌ 错误直觉

增透膜厚度等于光在真空中波长的1/4。

✅ 物理真相

增透膜厚度约为光在膜中波长的1/4(λ膜=λ真空/n膜),使前后表面反射光路程差为半波长而干涉相消;计算时注意区分膜中波长与真空中波长及半波损失。

❌ 错误直觉

偏振片能把任何光都变暗,偏振与波动性无关。

✅ 物理真相

自然光通过旋转的偏振片亮度基本不变(各方向分量对称),偏振光通过时随偏振片旋转亮度变化;偏振现象证明光是横波。两偏振片透振方向垂直时透射光几乎为零。

⑥ 本章重难点总结

逻辑主线

几何光学:折射定律n=sinθ₁/sinθ₂=c/v → 特殊折射:全反射sinC=1/n(光纤);波动光学:干涉(双缝Δx=lλ/d、薄膜)、衍射、偏振(横波证据)→两个光学实验

必背清单

  1. n=sinθ₁/sinθ₂=c/v,n由介质和光频率决定
  2. 全反射两条件:光密→光疏、入射角≥C;sinC=1/n
  3. 双缝干涉Δx=lλ/d;亮纹Δs=kλ、暗纹Δs=(2k+1)λ/2
  4. 红光λ长→Δx大;白光干涉中央白、两侧彩
  5. 薄膜干涉:增透膜d≈λ膜/4;劈尖查平面
  6. 衍射:缝孔尺寸与λ相近;衍射条纹中宽边窄不等距
  7. 偏振说明光是横波;激光三特点:相干好、平行好、亮度高
【综合命题视角】

辽宁卷常以选择题考"折射率+全反射"光路判断(如棱镜、半圆柱玻璃),以实验题考插针法与双缝干涉数据处理;光学可与机械波干涉衍射横向类比(同属波的叠加)。计算题中"两个界面两次折射/全反射"模型(光射入玻璃球、光纤)是区分度题型,务必逐界面画光路、标清角度(角是与法线夹角,不是与界面夹角)。

⑦ 易错点辨析

说法判断说明
n随入射角改变✗n是介质属性n=c/v
空气→水能全反射✗只能光密→光疏
d越大条纹越疏✗Δx∝1/d,d越大越密
衍射条纹等间距✗中央宽两侧窄;干涉才等间距
偏振证明光是纵波✗偏振证明光是横波
光从真空进入介质频率变大✗f不变,v变小、λ变短(λ=v/f)
【审题坑清单】
  • 角度坑:入射角、折射角、临界角都是与法线的夹角;给与界面夹角要先换算(90°减)
  • 方向坑:判全反射先看光的传播方向(光密→光疏?)
  • 单位坑:Δx、d、l统一为米,λ结果常换算nm(1nm=10⁻⁹m)
  • 半波损失坑:薄膜干涉注意反射光半波损失对明暗条件的影响(按教材给定情境)
  • 条纹移动坑:装置从空气浸入水(λ变短)条纹间距变小
  • 实验坑:插针法中入射角不宜过小(否则作图误差大),大头针间距适当大些定线准

⑧ 科学探究板块

实验一:测量玻璃的折射率(插针法)

1. 原理与器材

原理:n=sinθ₁/sinθ₂。器材:两面平行的玻璃砖、白纸、木板、大头针四枚、量角器(或刻度尺+圆规)、铅笔。

2. 实验步骤

  1. 白纸铺板上,画直线aa′表示玻璃砖上界面,画法线NN′和入射光线AO;
  2. 玻璃砖一边对齐aa′放好,描出另一界面bb′;
  3. 在AO线上竖直插两枚大头针P₁、P₂;
  4. 在玻璃砖另一侧(出射侧)观察,调整视线使P₁、P₂的像被挡住,先插P₃挡住P₁、P₂的像,再插P₄挡住P₃和P₁、P₂的像;
  5. 移去砖和大头针,过P₃、P₄作出射光线交bb′于O′,连接OO′为玻璃砖内折射光线;
  6. 用量角器测θ₁、θ₂,算n=sinθ₁/sinθ₂;或用圆规以O为圆心作单位圆,由两交点向法线作垂线,用两线段长度之比得sinθ₁/sinθ₂(减小角度测量误差)。
【误差与注意】
  • 大头针要竖直,P₁与P₂、P₃与P₄间距适当大些以减小光路方向误差;入射角宜在30°~60°,过小折射角小测量相对误差大,过大则反射光强、出射光弱且侧移大;
  • 玻璃砖要厚些、界面必须画准,实验中玻璃砖不能移动;手不能摸毛面;
  • 玻璃砖两面平行时,出射光线与入射光线平行(发生侧移)——可作为检验;
  • 误差来源:界面画线偏移、大头针位置、角度测量。多次测量取平均。

实验二:用双缝干涉测量光的波长

1. 装置(顺序不能错)

光源→滤光片(得单色光)→单缝→双缝→遮光筒→屏(测量头)。光源、各缝中心大致在遮光筒轴线上;单缝与双缝相互平行且间距约5~10cm。

2. 测量与计算

  • 用测量头(目镜+游标尺/螺旋测微装置)测出n条亮纹间距离a,则相邻条纹间距Δx=a/(n−1);
  • 已知双缝间距d、双缝到屏距离l,由Δx=lλ/d得 λ = d·Δx / l。
【辽宁高考变式与误差】
  • 换用红光(λ变长)条纹间距变大、条纹变疏;测n条条纹间距再除以(n−1)减小Δx误差;
  • 分划板刻线与条纹不平行、读数视差是常见误差;若把单缝双缝装反或不平行则条纹模糊/无条纹;
  • 白光实验中央亮纹白色、两侧彩色,加滤光片后才有单色等间距条纹;
  • 变式:装置浸入水中(光速变小波长变短,Δx变小)、增大l(Δx变大)、增大d(Δx变小)。

⑨ 配套习题

【例1】折射率与光速基础巩固必考重点

某单色光从真空射入某玻璃,入射角θ₁=60°时折射角θ₂满足sinθ₂≈0.577。求:(1)该玻璃对此光的折射率n(保留三位有效数字,取sin60°≈0.866);(2)光在该玻璃中的传播速度v;(3)光从该玻璃射向空气发生全反射的临界角C(sin41.8°≈0.667)。

查看答案与解析

答案:(1)n=1.50;(2)v=2.0×10⁸m/s;(3)C≈41.8°

(1):n=sinθ₁/sinθ₂=0.866/0.577≈1.50。
(2):由n=c/v,v=c/n=3.0×10⁸/1.50=2.0×10⁸m/s。
(3):sinC=1/n=1/1.50≈0.667,故C≈41.8°。
常见错因:①把sin角的比值颠倒;②v=cn而非c/n;③临界角公式记成sinC=n;④角度用度直接代入而不是正弦值。
【例2】全反射条件判断中档综合模型难点

一直角等腰玻璃棱镜折射率n=√2,一束光垂直射到一条直角边上进入棱镜,射到斜边(斜面)。(1)求玻璃对空气的临界角C;(2)判断光在斜面上是发生全反射还是折射射出,说明理由并求反射光传播方向相对入射光偏转的角度。

查看答案与解析

答案:(1)C=45°;(2)全反射,光偏转90°

(1):sinC=1/n=1/√2≈0.707,C=45°。
(2):光垂直直角边入射时方向不变进入棱镜;等腰直角棱镜斜面与直角边成45°,光(沿平行于另一直角边方向)射到斜面时,光线与斜面夹角45°,故与法线夹角(入射角)=45°。
入射角45°=C,达到临界角,且光由玻璃(光密)射向空气(光疏),发生全反射;反射角=入射角=45°,反射光沿另一直角边方向射出,相对进入棱镜的入射光偏转90°。
常见错因:①把光线与斜面夹角45°当成与法线夹角时漏掉换算(本题恰相等是等腰直角棱镜的特殊性);②不验证"光密→光疏"方向;③临界角算成sinC=√2;④认为只要角度大就全反射而忽视介质方向条件。
【例3】双缝干涉测波长中档综合实验热点

用双缝干涉装置测某单色光波长,已知双缝间距d=0.20mm,双缝到屏距离l=1.0m。用测量头测得第1条到第6条亮纹中心间的距离a=15.0mm。(1)求相邻亮纹间距Δx;(2)求该光波长λ(以nm为单位,1nm=10⁻⁹m);(3)若仅把滤光片换为波长更长的红光,条纹间距如何变化?

查看答案与解析

答案:(1)Δx=3.0mm;(2)λ=600nm;(3)条纹间距变大、条纹变疏

(1):6条亮纹间有5个间距,Δx=a/(6−1)=15.0/5=3.0mm=3.0×10⁻³m。
(2):λ=d·Δx/l=(0.20×10⁻³)×(3.0×10⁻³)/1.0=6.0×10⁻⁷m=600nm。
(3):Δx=lλ/d,l、d不变,λ变大则Δx变大,相邻亮纹间距增大、条纹变稀疏。
常见错因:①把6条条纹间距数当成6(应为5),Δx算成2.5mm;②mm、m单位不换算;③d=0.20mm错写成2×10⁻³m(应为2.0×10⁻⁴m);④λ单位忘记换nm;⑤误认为换红光条纹变密。
【例4】光学现象辨析(高考选择)高考难度必考重点

(多选)下列关于光现象的说法正确的是(   )

A. 光导纤维利用光在内芯与包层界面的全反射传递信号
B. 光的干涉和衍射现象说明光具有波动性,光的偏振说明光是横波
C. 照相机镜头增透膜利用薄膜干涉,膜厚约为光在真空中波长的一半
D. 单缝衍射图样中,中央亮纹最宽最亮,两侧亮纹变窄且间距相等
查看答案与解析

答案:AB

A:光纤内芯n大于包层n,光在界面反复全反射而被约束传播,A正确。
B:干涉、衍射是波特有的现象,证明光的波动性;只有横波才能偏振,偏振证明光是横波,B正确。
C:增透膜厚度约为光在膜中波长的1/4(使反射光干涉相消),不是真空中波长的一半,C错。
D:单缝衍射中央亮纹最宽最亮正确,但两侧亮纹间距不相等(越来越窄、越来越密),"间距相等"是双缝干涉特征,D错。
常见错因:增透膜厚度与波长关系记混(1/4且在膜中);把衍射条纹与干涉条纹"等间距"特征混淆。

⑩ 章节思维导图

光
  • 几何光学
    • 折射定律 n=sinθ₁/sinθ₂=c/v
    • 光密/光疏;视深、筷子弯折
    • 全反射 sinC=1/n(密→疏、i≥C)
    • 光纤、全反射棱镜、海市蜃楼
  • 波动光学
    • 干涉:双缝Δx=lλ/d;薄膜(增透膜λ膜/4)
    • 衍射:中宽边窄、明显衍射条件
    • 偏振:光是横波;激光特点与应用
  • 实验
    • 插针法测折射率(P₁P₂P₃P₄)
    • 双缝干涉测波长 λ=dΔx/l

⑪ 复习自检清单

4.1 光的折射

4.2 全反射

4.3-4.5 干涉衍射偏振

实验与模型

高考陷阱识别

已掌握 0 / 24 项