七、激光
特点
性质
应用
相干性
只有频率相同、相位差恒定、偏振方向一致的光才是相干光。
激光是一种人工产生的相干光，具有高度的相干性
光纤通信
平行度
激光的平行度非常好，在传播很远的距离后仍能保持一定的强度
精确的测距；读取光盘上记录的信息等
高亮度
它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量
用激光束切割、焊接；医学上可以用激光做“光刀”；激发核反应等
【思考判断】
1.无论是折射光路，还是全反射光路，都是可逆的（√）
2.光发生反射现象时一定伴随着折射现象（×）
3.光从空气射入水中，光的传播速度一定增大（×）
4.折射率跟折射角的正弦成正比（×）
5.只要入射角足够大，就能发生全反射（×）
6.若光从空气中射入水中，它的传播速度一定减小（√）
7.已知介质对某单色光的临界角为C，则该介质的折射率等于
（√）
8.密度大的介质一定是光密介质（×）
9.光的颜色取决于折射率（×）
10只有频率相同的两列光波才能产生干涉（√）
11.在双缝干涉实验中，双缝的作用是使白光变成单色光（×）
12阳光下茂密的树荫中地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的（×）
13.自然光是偏振光（×）
考点一 光的反射与折射（－/c）
[要点突破]
1.对折射定律的理解
（1）在折射现象中，当入射角为0°时，折射角也为0°，这是折射中的一种特殊情况。
（2）光发生折射时，折射角不一定小于入射角。
（3）公式n＝
中，不论是光从光疏介质射入光密介质，还是从光密介质射入光疏介质，θ1总是光疏介质中的光线与法线的夹角，θ2总是光密介质中的光线与法线的夹角。
2.对折射率的理解
（1）折射率由介质本身性质和光的频率决定，与入射角的大小无关。
（2）折射率与介质的密度没有关系，光密介质不是指密度大的介质。
（3）同一种介质中，频率越大的色光折射率越大，传播速度越小。
[典例剖析]
【例】（多选）（2015·浙江10月选考）为了从坦克内部观察外部目标，在厚度为20cm的坦克壁上开了一个直径为12cm的孔，若在孔内分别安装由同一材料制成的如图所示的三块玻璃，其中两块玻璃的厚度相同。
坦克内的人在同一位置通过玻璃能看到的外界的角度范围是（ ）
A.图甲的大于图乙的B.图甲的小于图丙的
C.图乙的小于图丙的D.图乙的等于图丙的
解析 光在玻璃和空气的界面发生折射，假设眼睛在左下角观察，观察到外界的范围比没有玻璃时大。
如图所示，当玻璃的厚度变小时（竖虚线表示玻璃左边位置），观察到外界的范围也变小，且观察范围与玻璃的位置无关，只与玻璃的厚度有关，选项A、D正确。
答案 AD
[针对训练]
如图所示，一束单色光从空气入射到棱镜的AB面上，经AB和AC两个面折射后从AC面进入空气。
当出射角i′和入射角i相等时，出射光线相对于入射光线偏转的角度为θ。
已知棱镜顶角为α，则计算棱镜对该色光的折射率表达式为（ ）
A.
B.
C.
D.
解析 如图所示，设AB面上的折射角为γ，AC面上的入射角为γ′，由于i′＝i，由光的折射定律及光路可逆知γ′＝γ，又设两法线的夹角为β，则由几何关系得：
γ＋γ′＋β＝180°，又由α＋β＝180°，则解得：
γ＝
，又由几何关系得：
γ＋γ′＋θ＝i＋i′，解得：
i＝
，则棱镜对该色光的折射率n＝
＝
，故A正确。
答案 A
考点二 光的全反射（－/b）
[要点突破]
1.对全反射的理解
（1）光路可逆：
光的反射和全反射现象均遵循光的反射定律，光路是可逆的。
（2）从传播角度理解：
光线射向两种介质的界面时，往往同时发生反射和折射现象。
当入射角等于临界角时，折射角等于90°，实际上折射光线已经消失了。
（3）从能量角度理解：
当光从光密介质射入光疏介质时，在入射角逐渐增大的过程中，反射光线的能量逐渐增强，折射光线的能量逐渐减弱，当入射角等于临界角时，折射光线的能量减小到零，恰好发生全反射。
2.全反射的应用
（1）解释生活中的现象：
炎热的夏天，远处柏油马路上特别明亮；海市蜃楼等。
（2）全反射棱镜：
截面是等腰直角三角形的棱镜。
（3）光导纤维：
由内芯和外套两层组成，内芯的折射率大于外套的折射率。
[典例剖析]
【例】（多选）（2017·湖北八校第一次联考）频率不同的两束单色光1和2以相同的入射角从同一点射入一厚玻璃板后，其光路如图所示，下列说法正确的是（ ）
A.单色光1的频率大于单色光2的频率
B.在玻璃中单色光1的传播速度大于单色光2的传播速度
C.可能单色光1是红光，单色光2是蓝光
D.无论怎样增大入射角，单色光1和2都不可能在此玻璃板下表面发生全反射
解析 由n＝
可知，单色光1的折射率大一些，单色光1的频率大于单色光2的频率，A正确；由v＝
知，在玻璃中单色光1的传播速度小于单色光2的传播速度，B错误；因为红光的折射率小于蓝光，所以C错误；从空气射向玻璃板的单色光一定能从玻璃中射出，D正确。
答案 AD
【方法总结】
解决全反射问题的一般方法
（1）确定光是从光密介质进入光疏介质。
（2）应用sinC＝
确定临界角。
（3）根据题设条件，判定光在传播时是否发生全反射。
（4）如发生全反射，画出入射角等于临界角时的临界光路图。
（5）运用几何关系或三角函数关系以及反射定律等进行分析、判断、运算，解决问题。
[针对训练]
1.（2017·台州模拟）一束光由空气射向半圆柱体玻璃砖，O点为该玻璃砖截面的圆心，如图所示中能正确描述其光路的是（ ）
解析 光束沿玻璃砖半径射向O点，在界面处入射角大于临界角时，发生全反射，小于临界角时，在空气中的折射角大于入射角，A选项正确，C选项错误；当光束由空气射向玻璃砖时，由发生全发射的条件可知，B选项错误；在玻璃中的折射角小于入射角，D选项错误。
答案 A
2.某种介质对空气的折射率是
，一束光从该介质射向空气，入射角是60°，则下列光路图中正确的是（图中Ⅰ为空气，Ⅱ为介质）（ ）
解析 由题意知，光由光密介质射向光疏介质，由sinC＝
＝
，得C＝45°＜θ1＝60°，故在两介质的界面上会发生全反射，只有反射光线，没有折射光线，故选项D正确。
答案 D
考点三 光的干涉（－/c） 光的衍射和偏振（－/b）
[要点突破]
1.单缝衍射与双缝干涉的比较
两种现象
比较项目
单缝衍射
双缝干涉
不同点
条纹宽度
条纹宽度不等，中央最宽
条纹宽度相等
条纹间距
各相邻条纹间距不等
各相邻条纹等间距
亮度情况
中央条纹最亮，两边变暗
条纹清晰，亮度基本相等
相同点
干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹
2.光的偏振现象
自然光与偏振光的比较
自然光（非偏振光）
偏振光
光的来源
直接从光源发出的光
①自然光通过偏振片后的光
②自然光被界面反射或折射后的反射光或折射光
光的振动方向
在垂直于光的传播方向的平面内，光沿一切方向振动，且沿各个方向振动的光波的强度相同
在垂直于光的传播方向的平面内，光沿一个特定方向振动
联系
自然光通过偏振片后或被界面反射、折射后就转变为偏振光
[典例剖析]
【例】如图所示的4种明暗相间的条纹分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及黄光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样（黑色部分表示亮条纹）。
在下面的4幅图中从左往右排列，亮条纹的颜色依次是（ ）
A.红黄蓝紫B.红紫蓝黄
C.蓝紫红黄D.蓝黄红紫
解析 双缝干涉条纹是等间距的，而单缝衍射条纹除中央亮条纹最宽、最亮之外，两侧条纹亮度、宽度都逐渐减小，因此1、3为双缝干涉条纹，2、4为单缝衍射条纹。
双缝干涉条纹的宽度（即相邻亮、暗条纹间距）Δx＝
λ，红光波长比蓝光波长长，则红光干涉条纹间距大于蓝光干涉条纹间距，即1、3分别对应于红光和蓝光。
而在单缝衍射中，当单缝宽度一定时，波长越长，衍射越明显，即中央条纹越宽越亮，2、4分别对应于紫光和黄光。
综上所述，1、2、3、4四个图中亮条纹的颜色依次是：
红、紫、蓝、黄，B正确。
答案 B
[针对训练]
1.（多选）在杨氏双缝干涉实验中，如果（ ）
A.用白光作为光源，屏上将呈现黑白相间的条纹
B.用红光作为光源，屏上将呈现红黑相间的条纹
C.用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上将呈现彩色干涉条纹
D.用紫光作为光源，遮住其中一条狭缝，屏上将呈现间距不等的条纹
解析 因白光为复色光，所以用白光作光源时，屏上将呈现彩色条纹，A错误；用红光作光源时，屏上将呈现红黑相间的条纹，B正确；红光、紫光频率不同，因而不能产生干涉，C错误；遮住其中一条狭缝时，将产生单缝衍射现象，D正确。
答案 BD
2.光的偏振现象说明光是横波。
下列现象中不能反映光的偏振特性的是（ ）
A.一束自然光相继通过两个偏振片，以光束为轴旋转其中一个偏振片，透射光的强度发生变化
B.一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是90°时，反射光是偏振光
C.日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景像更清晰
D.通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹
解析 在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定方向振动的光是偏振光，A、B选项反映了光的偏振特性，C是偏振现象的应用，D是光的衍射现象。
答案 D
考点四 光的颜色、色散（－/b） 激光（－/a）
[要点突破]
1.光的颜色由光源的频率决定，与介质无关，与波长无关，波速由介质和光的频率共同决定。
2.白光由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色光组成，七种色光的特性差异可以用下表表示出来。
各种色光
红橙黄绿青蓝紫
频率
小→大
波长
长→短
折射率
小→大
波速（介质中）
大→小
双缝干涉时所产生的条纹间距
大→小
薄膜干涉时所产生的条纹间距
大→小
经三棱镜折射时偏向角大小
小→大
[典例剖析]
【例】如图，半圆形玻璃砖置于光屏PQ的左下方。
一束白光沿半径方向从A点射入玻璃砖，在O点发生反射和折射，折射光在白光屏上呈现七色光带。
若入射点由A向B缓慢移动，并保持白光沿半径方向入射到O点，观察到各色光在光屏上陆续消失。
在光带未完全消失之前，反射光的强度变化以及光屏上最先消失的光分别是（ ）
A.减弱，紫光B.减弱，红光
C.增强，紫光D.增强，红光
解析 光线从光密介质到光疏介质，入射角增大则反射光的强度增强；因紫色光的折射率最大，发生全反射的临界角最小，故紫光最先发生全反射，在光屏上最先消失，故选C。
答案 C
[针对训练]
1.（多选）（2017·宁波模拟）如图，一束光沿半径方向射向一块半圆柱形玻璃砖，在玻璃砖底面上的入射角为θ，经折射后射出a、b两束光线。
则（ ）
A.在玻璃中，a光的传播速度小于b光的传播速度
B.在真空中，a光的波长小于b光的波长
C.玻璃砖对a光的折射率小于对b光的折射率
D.若改变光束的入射方向使θ角逐渐变大，则折射光线a首先消失
解析 由题图可知，a光的折射角大于b光的折射角，根据折射定律可以判断出玻璃砖对a光的折射率大于对b光的折射率，故C错误；根据n＝
可知，在玻璃中，a光的传播速度小于b光的传播速度，故A正确；a光的频率大于b光的频率，根据λ＝
可知，在真空中a光的波长小于b光的波长，故B正确；若改变光束的入射方向使θ角逐渐变大，因为a光的折射率大，则折射光线a首先消失，故D正确。
答案 ABD
2.（多选）下列说法正确的是（ ）
A.激光可用于测距
B.激光能量十分集中，只可用于加工金属材料
C.外科研制的“激光刀”可以有效地减少细菌的感染
D.激光可用于全息照相，有独特的特点
解析 激光平行度好，即使在传播了很远的距离之后，它仍保持一定的强度，此特点可用于激光测距，选项A正确；激光的亮度高，能量十分集中，可用于金属加工、激光医疗、激光美容、激光武器等，选项B错误；激光具有很高的相干性，可用于全息照相，由于它记录了光的相位信息，所以看起来跟真的一样，立体感较强，选项D正确；由于激光亮度高、能量大，在切割皮肤的同时，也能杀灭细菌，所以选项C正确。
答案 ACD
1.直线P1P2过均匀玻璃球球心O，细光束a、b平行且关于P1P2对称，由空气射入玻璃球的光路如图所示，a、b光相比（ ）
A.玻璃对a光的折射率较大
B.玻璃对a光的临界角较小
C.b光在玻璃中的传播速度较小
D.b光在玻璃中的传播时间较短
解析 从光路图可以看出，a、b两束光的入射角相等，b光的折射角更小一些，由此可知nb>na，A错误；由sinC＝
可知，玻璃对a光的临界角较大，B错误；由n＝
可知，b光在玻璃中的传播速度较小，C正确；b光在玻璃中的传播速度较小，且它在玻璃中传播的距离较长，所以在玻璃中的传播时间较长，D错误。
答案 C
2.关于全反射，下列叙述中正确的是（ ）
A.发生全反射时仍有折射光线，只是折射光线非常弱
B.光从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现象
C.光从光密介质射向光疏介质时，可能不发生全反射现象
D.光从光疏介质射向光密介质时，可能发生全反射现象
解析 发生全反射时折射光线的能量为零，折射光线消失，所以选项A错误；发生全反射的条件是光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于或等于临界角，二者缺一不可，所以选项B、D错误，C正确。
答案 C
3.（多选）抽制高强度纤维细丝可用激光监控其粗细，如图所示，激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板的同样宽度的窄缝规律相同。
观察光束经过细丝后在光屏上所产生的条纹即可判断细丝粗细的变化，下列叙述中正确的是（ ）
A.这里应用的是光的衍射现象
B.这里应用的是光的干涉现象
C.如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗
D.如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细
解析 由于是激光束越过细丝即绕过障碍物，所以是光的衍射现象，当抽制的丝变细的时候，丝的直径较接近激光的波长，条纹间距就大，A、D正确。
答案 AD
4.（多选）在信息技术迅猛发展的今天，光盘是存储信息的一种重要媒介。
光盘上的信息通常是通过激光束来读取的。
若激光束不是垂直投射到盘面上，则光线在通过透明介质层时会发生偏折而改变行进的方向，如图所示。
下列说法中正确的是（ ）
A.图中光束①是红光②是蓝光
B.在光盘的透明介质层中，光束②比①传播速度更快
C.若光束①②先后通过同一单缝衍射装置，光束①的中央亮纹比②的窄
D.若光束①②先后通过同一双缝干涉装置，光束①的条纹宽度比②的大
解析 从图中可知①光的偏折角大，所以①光的折射率较大，而蓝光的折射率大于红光的折射率，所以①光是蓝光，②是红光，故A错误；根据公式n＝
可得折射率越大，在该介质中传播速度越小，故光束②比①传播速度更快，B正确；蓝光的折射率大，频率大，知蓝光的波长小，波长越长，衍射现象越明显，所以①得到的中央亮纹比②的中央亮纹窄，故C正确；蓝光的折射率大于红光的折射率，而蓝光的波长小于红光的波长，干涉条纹的间距与波长成正
比，则若①光、②光先后通过同一双缝干涉装置，前者得到的条纹比后者的窄。
故D错误。
答案 BC
5.如图所示为两等腰三角形玻璃棱镜，其中ab∥a′b′，ac∥a′c′，bc∥b′c′，一入射光线由空气经两玻璃棱镜折射后射出来，下列关于出射光线的说法正确的是（ ）
A.一定是光线2B.一定是光线3
C.可能是光线1、4D.可能是光线1、3
解析 由图可知：
ab∥a′b′，可将aba′b′等效为平行玻璃砖，出射光线平行于入射光线，因而出射光线不可能是光线4、5、6，入射光线AO经棱镜abc折射，出射光线向底边bc偏折，再将aca′c′视为平行玻璃砖，光线由密→疏→密将向a′方向侧移，如图所示。
所以从a′b′射出的光线向a′侧移，故选B。
答案 B
[基础过关]
1.（多选）2013年9月12日国务院办公厅下发文件《大气污染防治行动计划》，以改善人们的生活环境。
其中雾霾天气严重影响人们的身体健康，发生雾霾天气时能见度只有几米，天气变黄变暗，这是由于这种情况下（ ）
A.只有波长较短的一部分光才能到达地面
B.只有波长较长的一部分光才能到达地面
C.只有频率较大的一部分光才能到达地面
D.只有频率较小的一部分光才能到达地面
解析 根据光发生明显衍射的条件，发生雾霾天气时，只有波长较长、频率较小的一部分光发生衍射绕过空气中的颗粒物到达地面，选项A、C错误，B、D正确。
答案 BD
2.（多选）如图所示，电灯S发生的光先后经过偏振片A和B，人眼在P处迎着入射光方向，看不到光亮，则（ ）
A.图中a光为偏振光
B.图中b光为偏振光
C.以SP为轴将B转过180°后，在P处将看到光亮
D.以SP为轴将B转过90°后，在P处将看到光亮
解析 从电灯直接发出的光为自然光，则A错误；它通过A偏振片后，即变为偏振光，则B正确；设通过A的光沿竖直方向振动，若B偏振片只能通过沿水平方向振动的偏振片，则P点无光亮，将B转过90°时，偏振光的振动方向与B偏振片的透振方向平行，偏振光就能通过偏振片，在P处就可看到光亮，D项正确，C错误。
答案 BD
3.（2017·湖州模拟）让激光照到VCD机、CD机或计算机的光盘上，就可以读出盘上记录的信息，经过处理后还原成声音或图象，这是利用激光的（ ）
A.平行度好，可以会聚到很小的一点上
B.相干性好，可以很容易形成干涉图样
C.亮度高，可以在很短时间内集中很大的能量
D.波长长，很容易发生明显的衍射现象
解析 激光的特点之一是方向性好，它可以会聚到一个很小的点上，DVD、VCD、CD唱机或电脑上的光驱及刻录设备就利用了激光的这一特点，选项A正确，B、C、D错误。
答案 A
4.关于薄膜干涉，下列说法中正确的是（ ）
A.只有厚度均匀的薄膜，才会发生干涉现象
B.只有厚度不均匀的楔形薄膜，才会发生干涉现象
C.厚度均匀的薄膜会形成干涉条纹
D.观察肥皂液膜的干涉现象时，观察者应和光源在液膜的同一侧
解析 当光从薄膜的一侧照射到薄膜上时，只要前后两个面反射回来的光波的路程差满足振动加强的条件，就会出现明条纹，满足振动减弱的条件就会出现暗条纹。
这种情况在薄膜厚度不均匀时才会出现；当薄膜厚度均匀时，不会出现干涉条纹，但也发生干涉现象，如果是单色光照射，若满足振动加强的条件，整个薄膜前方都是亮的，否则整个薄膜的前方都是暗的；如果是复色光照射，某些颜色的光因干涉而减弱，另一些颜色的光会因干涉而加强，减弱的光透过薄膜，加强的光被反射回来，这时会看到薄膜的颜色呈某种单色光的颜色，但不形成干涉条纹。
答案 D
5.某同学用单色光进行双缝干涉实验，在屏上观察到如图甲所示的条纹，仅改变一个实验条件后，观察到的条纹如乙图所示。
他改变的实验条件可能是（ ）
A.减小光源到单缝的距离
B.减小双缝之间的距离
C.减小双缝到光屏之间的距离
D.换用频率更高的单色光源
解析 在双缝干涉中，相邻明条纹间的距离Δx＝
λ，由题图知干涉条纹间距变宽，故可增大l、λ或减小d。
根据c＝λν知要增大
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