例談聯系實際的光學問題的三個考查角度

【摘要】近幾年，聯系實際的物理情境成為高考命題的熱點.本文結合幾則例題，探討聯系實際的光學問題的三個考查角度，以提高學生解決光學實際問題的能力.

【關鍵詞】光學問題；高中物理；解題技巧

近幾年，聯系實際的物理情境成為高考命題的熱點.光學知識在生活中有著廣泛的應用，基于此，本文結合幾則例題，嘗試說明聯系實際的光學問題考查的三個角度.

1聯系實際，考查折射率的測量

折射率是光學中最重要的物理量，是聯系幾何光學和物理光學的紐帶，因此折射率的測量歷來是高考考查的重點.聯系實際的折射率的測量，通常以設計不同的光路圖及測量方法等進行考查.

例1如圖1所示，儲油桶的底面直徑與高均為d.當桶內沒有油時，從某點A恰能看到桶底邊緣的點B.當桶內裝滿油時，仍沿AB方向看去，恰好看到桶底上的點C，C、B兩點相距d3.光在空氣中的傳播速度可視為真空中的光速c.則（）

（A）桶內油的折射率為22613.

（B）桶內油的折射率為264.

（C）光在桶內油中傳播的速度為132c.

（D）來自C點的光射向油面時一定會出現全反射現象.

解析由題意可知，當桶內沒有油時，到達B點光線的入射角為tanθ1=dd=1，即θ1=45°.桶的當裝滿油時，如圖2所示，到達C點的光線的折射角為tanθ2=d－d3d=23，利用數學知識，求得sinθ1=22，sinθ2=21313，筒內油的折射率為n=sinθ1sinθ2=264，選項（A）錯誤、選項（B）正確；根據v=cn，求得v=22613c，選項（C）錯誤；當桶內裝滿油時，仍從AB方向看去，恰好看到桶底的點C，根據光路的可逆性可知，當光從C點射向油面時一定不會出現全反射現象，選項（D）錯誤，故選（B）.

2聯系實際，考查光的干涉

近幾年，物理中光學的考查增多，考查光的干涉的定性分析和定量計算以及實驗多次在高考中出現.聯系實際的光的干涉的考查，一般從相干光源的不同產生方式角度進行.

例2激光陀螺儀廣泛應用于民航飛機等交通工具.將其原理結構簡化為如圖3所示模型：由激光器發出的A、B兩束激光，經完全對稱的兩個通道（圖中未畫出）在光電探測器處相遇，產生干涉條紋.如果整個裝置本身具有繞垂直紙面的對稱軸轉動的角速度，那么沿兩個通道的光的路程差就會發生變化，同時光電探測器能檢測出干涉條紋的變化，根據此變化就可以測出整個裝置的旋轉角速度.某次測試時，整個裝置從靜止開始，繞垂直紙面的對稱軸，順時針方向逐漸加速旋轉，最后轉速穩定，這個過程中光電探測器的中央位置C處檢測出光強經過了強→弱→強→弱→強的變化過程.根據上述材料，結合所學知識，判斷下列說法正確的是（）

（A）A束激光的頻率大于B束激光的頻率.

（B）整個裝置加速轉動過程中，A束激光到達光電探測器的路程逐漸變大.

（C）整個裝置加速轉動過程中，C處始終沒有出現干涉明條紋.

（D）整個裝置加速轉動過程中，兩束激光的路程差變化了2個波長.

解析由于兩束激光出現干涉現象，說明兩個光束的頻率相等，選項（A）錯誤；由于整個裝置順時針方向轉動，因此整個裝置加速轉動過程中，A束激光到達光電探測器的路程逐漸變小，選項（B）錯誤；整個裝置加速轉動過程中，當C處出現強光時就是干涉明條紋，選項（C）錯誤；由于C處出現了強→弱→強→弱→強的變化，因此兩束激光的路程差依次為0，12λ，λ，3λ2，2λ，因此變化了2個波長，選項（D）正確.

3聯系實際，考查全反射

全反射問題既是幾何光學中的重點和難點，又在實際的光學問題中應用廣泛，因此，一般的幾何光學問題都牽涉全反射.解決該類問題，關鍵在于抓住發生全反射的臨界角.

例3一位潛水愛好者在水下活動時，利用激光器向岸上救援人員發射激光信號，設激光光束與水面夾角為α，如圖4所示.他發現只有當α大于41°時，岸上救援人員才能收到他發出的激光光束，已知sin41°≈74，試求：

（1）水的折射率；

（2）若此時潛水愛好者離水面的距離為7m，則激光筆能照亮的水面面積是多少？

解析（1）由題意可知，全反射的臨界角為C=90°－41°=49°，由題意有sin41°≈74，

則sin49°=cos41°=1－sin241°=34，

則水的折射率為n=1sinC=1sin49°=43.

（2）當α大于41°時，岸上救援人員才能收到他發出的激光光束，則根據幾何知識有tan41°=dr，

所以激光筆能照亮的水面區域的半徑為

r=dtan41°=dsin41°cos41°=7×73m=73m，

則激光筆能照亮的水面面積為S=πr2=499π.

4結語

幾何光學是最早的物理學，生活中的光學問題遍地都是，因此，結合身邊的生活場景命制的物理試題比比皆是.聯系實際的幾何光學試題是近幾年高考的熱點，這部分內容的考查，要求學生一是要能建立物理模型，把生活場景轉化為物理模型；二是要掌握好相關的物理知識和方法，熟練地解決實際問題.