1、陕西西安 2019年高三物理二轮练习专项 6第 1讲振动与波、光学(一)振动与波、光学知识网络考点预测波速及其相互关系，特别是波的图象与振动图象的关系，一般以选择题的形式出现，试题信息量大、综合性强，一道题往往考查多个概念和规律其中波的图象，可以综合考查对波的理解能力、推理能力和空间想象能力高考对光学部分的考查主要有：光的折射现象，全反射；光的干涉、衍射和偏振现象；平面镜成像的作图方法；双缝干涉实验测定光的波长；光电效应现象要点归纳一、振动与波单摆(1)特点：单摆是理想模型；单摆的回复力由重力沿圆弧方向的分力提供，当最大摆角 10时，单摆的振动可看做简谐运动，其振动周期 T2 Lg(2)应用：
2、计时器；测定重力加速度 g， g 4 2LT2二、振动图象与波动图象的区别与联系振动图象 波动图象图象研究对象 一个质点 所有质点物理意义横轴上各点表示各个时刻，图象表示一个质点各个时刻的位移情况横轴上各点表示质点的平衡位置，图象表示某一时刻各个质点的位移情况图象形成的物理过程 相当于顺序“扫描”的结果 相当一次“拍照”的结果直接得出振幅、周期 直接得出振幅、波长可以算出频率 据波速、波长和频率(周期)的关系求其中一个量所能提供的信息可以判断出位移、加速度、回复力间的变化关系 振动方向和传播方向的关系三、机械波与电磁波机械波 电磁波对象 研究力学现象 研究电磁现象周期性变化的物理量 位移随时间
3、和空间做周期性变化 电场 E和磁场 B随时间和空间做周期性变化传播传播需要介质，波速与介质有关，与频率无关，分横波和纵波两种，传播机械能传播不需要介质，在真空中波速总是 c，在介质中传播时，波速与介质及频率都有关系电磁波都是横波，传播电磁能特性 v ，都会发生反射、折射、干涉、衍射、多普勒效应T产生 由质点(波源)的振动产生无线电波由振荡电路产生光也是电磁波的一种，由原子能级跃迁发出四、平面镜成像1平面镜改变光的传播方向，而不改变光的性质2平面镜成像的特点：等大、正立、虚像，物、像关于镜面对称3成像作图要规范化射向平面镜的入射光线和反射光线要用实线，并且要用箭头标出光的传播方向反射光线的反向延
4、长线只能用虚线，虚线上不能标箭头镜中的虚像是物体射到平面镜上所有光线的反射光线反向延长后相交形成的在成像作图中，可以只画两条光线来确定像点法线既与界面垂直，又是入射光线与反射光线夹角的平分线平面镜转过一个微小的角度 ，法线也随之转过角度 ，当入射光线的方向不变时，反射光线则偏转 2 五、光的折射定律1折射率：光从真空射入某种介质发生折射时，入射角 1的正弦与折射角 2的正弦之比为定值 n，叫做这种介质的折射率，表示为 n 实验和研究证明，某种介sin 1sin 2质的折射率等于光在真空中的传播速度 c跟光在这种介质中的传播速度 v之比，即 n cv2折射现象中光路是可逆的六、全反射和临界角1全
5、反射的条件：(1)光从光密介质射向光疏介质；(2)入射角大于或等于临界角2临界角：使折射角等于 90时的入射角，某种介质的临界角 C用 sin C 计算1n七、用折射定律分析光的色散现象在分析、计算光的色散时，要掌握好折射率 n的应用及有关数学知识，着重理解两点：光的频率(颜色)由光源决定，与介质无关；在同一介质中，频率越大的光的折射率越大，再应用 n 等知识，就能准确而迅速地判断有关色光在介质中的传播速度、波cv 0长、入射光线与折射光线的偏折程度等问题八、光的波动性1光的干涉(1)干涉条件：两束光的频率相同，并有稳定的相位差(2)双缝干涉：两列光波到达某点的路程差为波长的整数倍时，该处的光
6、互相加强，出现亮条纹；当到达某点的路程差为半波长的奇数倍时，该处的光互相削弱，出现暗条纹相邻两条亮条纹(或暗条纹)的间距 x Ld(3)薄膜干涉：从薄膜前后表面反射的两列波叠加产生的干涉应用：检查平面的平整度、增透膜等2光的衍射发生明显衍射的条件：障碍物的尺寸跟光的波长相近或比光的波长还小光的衍射条纹和干涉条纹不同泊松亮斑是光的衍射引起的3光的电磁说麦克斯韦提出“光是一种电磁波”的假设，赫兹用实验验证了电磁说的正确性九、光的粒子性1光电效应(1)现象：在光的照射下物体发射电子(光电子)的现象(2)规律：任何金属都存在极限频率，只有用高于极限频率的光照射金属时，才会发生光电效应在入射光的频率大于
7、金属的极限频率的情况下，从光照射到金属上到金属逸出光电子的过程，几乎是瞬时的光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，与光的强度无关单位时间内逸出的光电子数与入射光的强度成正比2光电效应方程： mvm2 h W123光子说：即空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份的能量等于h ( 为光子的频率)，每一份叫做一个光子4光的波粒二象性：光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性，因此光具有波粒二象性5物质波：任何一个运动的物体(小到电子大到行星)都有一个波与它对应，波长 (p为物体的动量)hp热点、重点、难点一、简谐运动的动力学问题图 61例 1 如图 61 所示，一个
8、弹簧振子在光滑水平面上的 A、 B两点之间做简谐运动当振子经过最大位移处( B点)时，有块胶泥落在它的上面，并随其一起振动，那么后来的振动与原来相比较( )A振幅的大小不变 B加速度的最大值不变C速度的最大值变小 D弹性势能的最大值不变【解析】当振子经过最大位移处( B点)时，胶泥落在它的上面，在此过程中，胶泥减少的重力势能全部转变为内能，振子(含胶泥)在 B点的速度仍为零，则其仍以 O点为平衡位置做简谐运动，且振幅的大小不变于是，最大回复力和最大弹性势能不变由于质量增大，则其最大加速度变小，在平衡位置的速度(即最大速度)变小综上可知，选项A、C、D 正确答案 ACD【点评】解决此题的关键在于
9、正确理解简谐运动的特征，了解简谐运动中各个物理量的变化，找到“振幅的大小不变”这一突破口，进而分析求解简谐运动具有以下规律在平衡位置：速度最大、动能最大、动量最大，位移最小、回复力最小、加速度最小、势能最小在位移大小等于振幅处：速度最小、动能最小、动量最小，位移最大、回复力最大、加速度最大、势能最大振动中的位移 x都是以平衡位置为起点的，方向从平衡位置指向末位置，大小为这两位置间的直线距离加速度与回复力的变化一致，在两个“端点”最大，在平衡位置为零，方向总是指向平衡位置二、简谐运动的图象、波的图象例 2 一列简谐横波以 1 m/s的速度沿绳子由 A向 B传播，质点 A、 B间的水平距离为 3
10、m，如图 62 甲所示若 t0 时质点 A刚从平衡位置开始向上振动，其振动图象如图 62 乙所示，则 B点的振动图象为图 62 丙中的( )图 62【解析】由题意知， vT4 m故 lAB ，经过 t T3 s 时间 B点开始振动34 34又由波的传播特性可知，每点开始振动的方向与振源的起振方向相同，故知 B点的振动图象为 B答案 B【点评】本例虽然只要求 B的振动图象，但解析过程必须弄清楚波的传播过程，可画出 t3 s 时刻以及 t3 s t时刻 AB方向波的图象图 62 丁所示图 62 丁例 3 两列振幅、波长均相同的简谐横波，以相同的速率沿相反方向在同一介质中传播图 63 所示为某一时刻
11、两波的波形图，其中实线为向右传播的波，虚线为向左传播的波， a、 b、 c、 d、 e为五个等距离的质点则在两列波传播的过程中，以下说法中正确的选项是( )图 63A质点 a、 b、 c、 d、 e始终静止不动B质点 b、 d始终静止不动C质点 a、 c、 e始终静止不动D质点 a、 c、 e以振幅 2A做简谐运动【解析】由波的叠加原理可知，图示时刻质点 a、 b、 c、 d、 e的位移都为零其中两列波在 a、 c、 e上引起的振动方向相同，在 b、 d两点引起的振动方向总是相反，故 b、 d始终静止不动， a、 c、 e以振幅 2A做简谐运动答案 BD【点评】两列波传播至某点时，两列波引起的
12、振动“步调”相同时，干涉加强；引起的振动“步调”相反时，干涉减弱，不应仅考虑波峰、波谷的相遇振动加强的点与振动减弱的点有规律地相互间隔注：干涉图样不是固定不动的，加强的点在做更大振幅的振动三、平面镜成像问题例 4 某物体左右两侧各有一竖直放置的平面镜，两平面镜相互平行，物体距离左镜 4 m，右镜 8 m，如图 64 甲所示物体在左镜所成的像中从右向左数的第三个像与物体的距离是2017 年高考全国理综卷( )图 64 甲A24 m B32 m C40 m D48 m【解析】物体在左镜中所成的各像如图 64 乙所示，可知左镜中从右向左的第三个像是第一个像在右镜中的像再在左镜中成的像，即看见像时为光
13、线在左镜反射一次后在右镜反射一次再在左镜反射一次进入眼睛，由平面镜成像的对称性可得： d32 m图 64 乙答案 B【点评】光线经过平面镜反射进入眼睛，眼睛逆着光线确定光源，感觉光是从“虚像”发出四、光的折射与全反射光学器材是由透明介质制成的，当光线从空气照射到这些透明体的表面时，折射进入透明体，然后再发生其他的光学现象解这类问题用到的光学知识主要是反射定律、折射定律、全反射知识和数学中的几何知识1视深问题例 5 某水池的实际深度为 h，若某人垂直水面往下看时，水池的视深为多少？(设水的折射率为 n) 【解析】如下图，作两条从水底 S发出的折射光线，一条垂直射出水面，另一条入射角很小(眼睛对光
14、点的张角很小)，这两条折射光线反向延长线的交点 S 就是看到的 S的像在 AS O中，tan AOh在 ASO中，tan AOh则 tan tan hh因为 、 很小，所以 sin tan ，sin tan 得： h h sin sin hn答案 hn【点评】此题考查光的折射定律在实际中的应用正确画出光路图，并运用近似理论是求解此类问题的关键2巧妙运用光路图解题和光学作图问题(1)解决几何光学的基本方法是：画出光路图，理解有关概念，灵活运用数学知识求解在反射和折射现象中， “光路可逆”是解决较复杂问题常用的思想方法注意：光路图的作法必须遵循反射和折射定律(2)由于同一介质对不同色光的折射率不同
15、，导致光的色散现象利用光的折射定律解决的问题主要有“视深”和棱镜等正确画出光路图是求解此类问题的关键(3)作图法是解决几何光学问题的主要方法之一完成光路图的依据是光的传播规律，作图时常常要运用逆向思维先由像确定反射光线，再确定入射光线解题中常常要巧用光路可逆规律分析问题，在实像的位置换上物点，必定在原来物点处成像，即像、物互换另外，涉及有关范围的问题，确定有关边界光线是解决问题的关键例 6 图 65 甲所示为一个储油圆柱桶，其底面直径与桶高相等当桶中无油时，贴着桶的上边缘上的 A点恰能看到桶底边缘上的 B处；当桶内油的深度等于桶高的一半时，眼所处的位置不变，在桶外沿 AB方向看去，恰能看到桶底
16、上的 C点，且 BC的距离是桶底直径的四分之一( A、 B、 C三点在同一竖直平面内，且 BC在同一条直径线上)据此可估算出该油的折射率 n和光在这种油中的传播速度 v分别为(已知真空中的光速 c310 8 m/s)( )图 65 甲A1.6、1.910 8 m/s B2.0、1.610 8 m/sC2.2、2.210 8 m/s D1.6、1.610 8 m/s【解析】当油的深度为桶高的一半时，眼睛看见 C点的光路图如图 65 乙所示，可得：图 65 乙n 1.6sin isin r又因为 ncv可得 v1.910 8 m/s答案 A【点评】准确地画出光路图是解决几何光学问题的关键例 7 一
17、束单色光斜射到厚平板玻璃的一个表面上，经两次折射后从玻璃板另一个表面射出，出射光线相对于入射光线侧移了一段距离在以下情况下，出射光线侧移距离最大的是2017 年高考全国理综卷( )A红光以 30的入射角入射B红光以 45的入射角入射C紫光以 30的入射角入射D紫光以 45的入射角入射【解析】如下图，由题意可知， O2A为偏移距离 x，有： x sin(i r)dcos rnsin isin r若为同一单色光，即 n值相同当 i增大时， r也增大，但 i比 r增大得快，sin(i r)0 且增大， 0 且增大，故 A、C 选项错误dcos r若入射角相同，则： x dsin i(1 )cos i
18、n2 sin2i即当 n增大， x也增大，应选项 B错误、D 正确答案 D【点评】某束单色光照到介质表面，当入射角增大时，折射角也增大，但入射角比折射角增大得快一束复色光经过平板玻璃也会发生色散现象，即射出光的边缘出现彩色，只是当玻璃较薄时这个现象不太明显例 8 一足够大的水池内盛有某种透明液体，液体的深度为 H，在水池的底部中央放一点光源，其中一条光线以 30的入射角射到液体与空气的界面上，它的反射光线与折射光线的夹角为 105，如图 66 甲所示，则可知( )图 66 甲A液体的折射率为 2B液体的折射率为22C整个水池表面都有光射出D液体表面亮斑的面积为 H2【解析】由题意知 i r18
19、010575r753045故折射率 n sin rsin i 2该液体的临界角 Carcsin 451n可得液体表面亮斑的半径如图 66 乙所示， r H图 66 乙故亮斑面积为：S H2答案 AD【点评】利用反射定律、折射定律和几何知识，解出折射角是解此题的关键五、干涉、衍射与偏振1干涉与衍射的比较光的干涉与衍射现象是光的波动性的表现，也是光具有波动性的证据两者的区别是：光的干涉现象只有在符合一定条件下才发生；而光的衍射现象却总是存在的，只有明显与不明显之分光的干涉现象和衍射现象在屏上出现的都是明暗相间的条纹，但双缝干涉时条纹间隔均匀，从中央到两侧的明纹亮度不变化；而单缝衍射的条纹间隔不均匀
20、，中央明纹又宽又亮，从中央向两侧，条纹宽度减小，明纹亮度显著减弱2光的偏振横波的振动矢量垂直于波的传播方向振动时，偏于某个特定方向的现象叫偏振纵波只能沿着波的传播方向振动，所以不可能有偏振，光的偏振现象证明光是横波光的偏振现象在科技、生活中的应用有：照相机镜头上的偏振片、立体电影等例 9 图 67 所示为一竖直的肥皂膜的横截面，用单色光照射薄膜，在薄膜上产生明暗相间的条纹，以下说法正确的选项是( )图 67A薄膜上的干涉条纹是竖直的B薄膜上的干涉条纹是水平的C用蓝光照射薄膜所产生的干涉条纹的间距比用红光照射时的小D干涉条纹是由于光线在薄膜前后两表面反射形成的两列光波叠加的结果【解析】光从肥皂膜
21、的前后表面反射形成相干光，其路程差与薄膜厚度有关；在重力作用下，肥皂膜形成上薄下厚的楔形，在同一水平面上厚度相等，形成亮纹(或暗纹)因此，干涉条纹应是水平的又因蓝光的波长小于红光的波长，所以用蓝光照射薄膜所产生的干涉条纹的间距较红光的小综上所述，选项 B、C、D 正确答案 BCD【点评】此题主要考查的是薄膜干涉形成的原因，以及干涉条纹与入射光波长之间的关系六、光电效应的规律与应用例 10 如图 68 所示，用导线将验电器与洁净锌板连接，触摸锌板使验电器指示归零用紫外线照射锌板，验电器指针发生明显偏转，接着用毛皮摩擦过的橡胶棒接触锌板，发现验电器的指针张角减小，此现象说明锌板带_(填“正”或“负”)电；若改用红外线重复以上实验，结果发现验电器指针根本不会发生偏转，说明金属锌的极限频率_(填“大于”或“小于”)红外线的频率2017 年高考上海物理卷图 68【解析】因锌板被紫外线照射后发生光电效应，验电器指针带正电荷而偏转；毛皮摩擦过的橡胶棒带负电，与锌板接触时，电子与验电器指针上的正电荷中和，而使张角减小；用红外线照射锌板时，验电器指针的偏角不变，锌板未发生光电效应，说明锌板的极限频率大于红外线的频率答案 正 大于【点评】光电效应在物理学史上具有较重要的意义，需要熟记其现象、清楚地理解其产生的机制
