2024年高考物理总复习：几何光学
复习要点
1、掌握光的直线传播规律。了解各种频率的光在真空中传播速度均为C=3×108m/s；在介质中的传播速度v 2、了解光的反射现象，掌握光的反射定律，能够运用光的反射定律解决光的反射问题。 3、了解光的折射现象，掌握光的折射定律，能够运用光的折射定律解决光的折射问题。了解折射率概念，掌握折射率与光速间的关系。 4、了解光的全反射现象，掌握发生全反射现象的充要条件。 5、熟悉平面镜、棱镜、平行玻璃砖等光学器件对光路的控制特征。了解光的色散现象。 6、掌握画反射光路与折射光路的方法，能够运用画光路的方法解决有关成像的问题和确定观察范围的问题。 二、难点剖析 1、光的传播规律 （1）光的直线传播规律、光速 光在同种均匀介质中总是沿直线传播。 各种频率的光在真空中传播速度均为 C=3×108m/s 各种频率的光在介质中的传播速度均小于在真空中的传播速度，即 v 同一种频率的光在不同介质中传播速度一般不同；不同频率的光在同一种介质中传播速度一般也不同。在同一种介质中，频率越低的光其传播速度越大。 （2）光在射到两种介质的界面上后返回原介质时，其传播规律遵循所谓的反射定律。反射定律的基本内容包含如下三个要点： ①反射光线、法线、入射光线共面； ②反射光线与入射光线分居法线两侧； ③反射角等于入射角，即i=i’ （3）光在射到两种介质的界面上后从第一种介质进入第二种介质时，其传播规律遵循所谓的折射定律。折射定律的基本内容包含如下三个要点； ①折射光线、法线、入射光线共面； ②折射光线与入射光线分居法线两侧； ③入射角与折射角的正弦值之比恰等于第二与第一两种介质的折射率之比，即 sinin2?。 sinrn1特别是当光从空气（折射率为1）射入折射率为n的介质中时，上式变为 （4）折射率 ①折射率与光速间关系为n?sini?n sinrc v②由于不同频率的光在同一种介质中传播速度不同，所以，同一种介质对不同频率的光的折射率也不同。由此可知：折射率反映的不仅仅是介质的属性，而应该是反映了光与介质的光属性间的某种关系。 2、光的全反射现象 第 1 页 共 8 页 （1）光密介质与光疏介质 如果有三种介质，其折射率的关系为 n1 那么第2种介质相对于第1种介质是光密介质，但相对于第3种介质则是光疏介质。 （2）全反射现象 光从光密介质射向光疏介质时，当入射角足够大而使折射光线消失的现象称为全反射现象。 （3）全反射现象的充要条件 必要条件：从光密介质射向光疏介质 充分条件：入射角大于临界角 （4）临界角 使折射角等于90°时的入射角。当光从折射率为n的介质射向空气时，发生全反射现象的临界角C可由下式求得 C?arcsin 3、各光学元件对光路的控制特征 （1）光束经平面镜反射后，其会聚（或发散）的程度将不发生改变。这正是反射定律中“反射角等于入射角”及平面镜的反射面是“平面”所共同决定的。 （2）光束射向三棱镜，经前、后表面两次折射后，其传播光路变化的特征是：向着底边偏折，若光束由复色光组成，由于不同色光偏折的程度不同，将发生所谓的色散现象。 （3）光束射向前、后表面平行的透明玻璃砖，经前、后表面两次折射后，其传播光路变化的特征是；传播方向不变，只产生一个侧移。 （4）光束射向透镜，经前、后表面两次折射后，其传播光路变化的特征是：凸透镜使光束会聚，凹透镜使光束发散。 4、各光学镜的成像特征 物点发出的发散光束照射到镜面上并经反射或折射后，如会聚于一点，则该点即为物点经镜面所成的实像点；如发散，则其反向延长后的会聚点即为物点经镜面所成的虚像点。因此，判断某光学镜是否能成实（虚）像，关键看发散光束经该光学镜的反射或折射后是否能变为会聚光束（可能仍为发散光束）。 （1）平面镜的反射不能改变物点发出的发散光束的发散程度，所以只能在异侧成等等大的、正立的虚像。 ★（2）凹透镜的折射只能使物点发出的发散光束的发散程度提高，所以只能在同侧成缩小的、正立的虚像。 ★（3）凸透镜的折射既能使物点发出的发散光束仍然发散，又能使物点发出的发散光束变为聚光束，所以它既能成虚像，又能成实像。 其具体的成像特征可如下表所示： u>2f u=2f 2f>u>f u=2f u 几何光学是借用“几何”知识来研究光的传播问题的，而光的传播路线又是由光的基本传播规律来确定。所以，对于几何光学问题，只要能够画出光路图，剩下的就只是“几何问题”了。而几何光学中 第 2 页 共 8 页 1n异侧 异侧 异侧 倒立 倒立 倒立 缩小 等大 放大 不成像 放大 实像 实像 实像 虚像 的光路通常有如下两类： （1）“成像光路”——一般来说画光路应依据光的传播规律，但对成像光路来说，特别是对薄透镜的成像光路来说，则是依据三条特殊光线来完成的。这三条特殊光线通常是指：平行于主轴的光线经透镜后必过焦点；过焦点的光线经透镜后必平行于主轴；过光心的光线经透镜后传播方向不变。 （2）“视场光路”——即用光路来确定观察范围。这类光路一般要求画出所谓的“边缘光线”，而一般的“边缘光线”往往又要借助于物点与像点的一一对应关系来帮助确定。 三、典型例题 例1：下列有关光的陈述中正确的是（ ） A、人能使用双眼估测物体的位置利用的是光的直线传播规律 B、大孔不成像，说明光通过大孔不是直线传播的 C、位于月球本影区的人，能看到月全食 D、光总是直线传播的，光在真空中传播的速度最大 分析：此例所涉及到的光现象均与光的直线传播规律相关，分析时应注意到相应的条件。 解答：从物体上发出的两条光线分别到达人的两眼，而根据两条光线的反向交点，就可确定物体的位置；大孔之所以不成像是因为大孔可看成由许多小孔组成，每一个小孔所成的像重叠在一起造成的；位于月球本影区的人看到的是日全食；当月球在地球的本影里才发生月全食；光只有在同种均匀介质中才是直线传播的，选项B、C、D都不正确，只选A。 例2：如图23-1所示，在竖直平面xOy上，人眼位于x轴上+3坐标点H，一平面镜位于图示位置，平面镜两端坐标为N（-1，3）与M（0，3），那么当一发光点P从坐标原点沿x轴负方向运动过程中，当P点在以下哪个区域中运动时，人眼可以从平面镜中观察到P的像（ ） A、0至-1区间 B、-1至3区间 C、0至-∞区间 D、-3至-5区间 分析：注意到反射光路是可逆的。 解答：以人眼为光源找出镜中的像A，过A向镜边缘作直线交x轴于B、C点，补画出入射线HM、HN。根据光路可逆，则B、C范围即人眼可视P点像的范围。答案应是-3至-5区间，应选D。 例3：假设地球表面不存在气层，那么人们观察到日出时刻与实际存在大气层的情况相比（ ） A、将提前 B、将延后 C、在某些地区将提前，在另一些地区将延后 D、不变 分析：注意到大气层不均匀的特性 解答：由几何光学知识可知，有大气层时，由于地表大气层不均匀，太阳光线经大气折射后向下弯曲，如图23-2所示，地球上观察者看到日出的太阳要比实际位置高，也就是当太阳还在地平线以下时就可以看到太阳的像；而没有大气层时，太阳光线沿直线传播，当太阳在地平线以下时是看不到太阳的。故有大气层时可提前看到日出。 例4：abc为全反射棱镜，它的主截面是等腰直角三角形，如图23-3所示。一束白光垂直入射到ac面上，在ab面上发生全反射，若光线入射点O的位置不变，改变光线的入射方向（不考虑bc面反射的光线）（ ） 第 3 页 共 8 页 图23-1 图23-2 图23-13
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