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几何光学、物理光学、原子物理考点例
近几年的考题中都贯穿着一个信息：物理光学考查的重点是光的干涉和衍射、光电效应现象及其规律、光子说、光的电磁说、电磁波谱、光电管及其应用、光的波粒二象性。 本章内容，大多是同学们在生活中不太热悉的，知识点多，内容抽象，且知识定量的少，定性多，需要记忆的信息量大，但高考考卷中占分比例小，难度不大，因此会造成考生麻痹轻敌，复习时投入精力过少，基本概念不清、理解记忆程度差，造成考试时不必要的失误。 在今后的高考中，本章内容在题量、难度和占分比例上不会有大幅度变动，占分比例基本不变，主要题型为选择题。
二. 夯实基础知识 几何光学以光的直线传播为基础，主要研究光在两个均匀介质分界面处的行为规律及其应用 。 从知识要点可分为四方面：一是概念；二是规律；三为光学器件及其光路控制作用和成像；四是光学仪器及应用。 （一）光的反射 1. 反射定律 2. 平面镜：对光路控制作用；平面镜成像规律、光路图及观像视场。
（二）光的折射 1. 折射定律 2. 全反射、临界角。全反射棱镜（等腰直角棱镜）对光路控制作用。 3. 色散。棱镜及其对光的偏折作用、现象及机理 应用注意： 1. 解决平面镜成像问题时，要根据其成像的特点（物、像关于镜面对称），作出光路图再求解。平面镜转过α角，反射光线转过2α 2. 解决折射问题的关键是画好光路图，应用折射定律和几何关系求解。 3. 研究像的观察范围时，要根据成像位置并应用折射或反射定律画出镜子或遮挡物边缘的光线的传播方向来确定观察范围。 4. 无论光的直线传播，光的反射还是光的折射现象，光在传播过程中都遵循一个重要规律：即光路可逆。
（三）光导纤维 全反射的一个重要应用就是用于光导纤维（简称光纤）。光纤有内、外两层材料，其中内层是光密介质，外层是光疏介质。光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界面，都要求入射角大于临界角，从而发生全反射。这样使从一个端面入射的光，经过多次全反射能够没有损失地全部从另一个端面射出。 （四）光的干涉 光的干涉的条件是有两个振动情况总是相同的波源，即相干波源。（相干波源的频率必须相同）。形成相干波源的方法有两种：（1）利用激光（因为激光发出的是单色性极好的光）。（2）设法将同一束光分为两束（这样两束光都来源于同一个光源，因此频率必然相等）。下面4个图分别是利用双缝、利用楔形薄膜、利用空气膜、利用平面镜形成相干光源的示意图。
（五）干涉区域内产生的亮、暗纹 1. 亮纹：屏上某点到双缝的光程差等于波长的整数倍，即δ= nλ（n=0，1，2，……） 2. 暗纹：屏上某点到双缝的光程差等于半波长的奇数倍，即δ= 相邻亮纹（暗纹）间的距离
（六）衍射 注意关于衍射的表述一定要准确。（区分能否发生衍射和能否发生明显衍射） 1. 各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射。 2. 发生明显衍射的条件是：障碍物（或孔）的尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还小。
（七）光的电磁说 1. 麦克斯韦根据电磁波与光在真空中的传播速度相同，提出光在本质上是一种电磁波——这就是光的电磁说，赫兹用实验证明了光的电磁说的正确性。 2. 电磁波谱。波长从大到小排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。各种电磁波中，除可见光以外，相邻两个波段间都有重叠。 各种电磁波的产生机理分别是：无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；伦琴射线是原子的内层电子受到激发后产生的；γ射线是原子核受到激发后产生的（伴随α、β衰变而产生）。 3. 各种电磁波的产生、特性及应用。
4. 实验证明：物体辐射出的电磁波中辐射最强的波长λm和物体温度T之间满足关系 λm T = b（b为常数）。可见高温物体辐射出的电磁波频率较高。在宇宙学中，可以根据接收到的恒星发出的光的频率，分析其表面温度。
（八）光的偏振 1. 光的偏振也证明了光是一种波，而且是横波。各种电磁波中电场E的方向、磁场B的方向和电磁波的传播方向之间，两两互相垂直。 2. 光波的感光作用和生理作用主要是由电场强度E引起，因此将E的振动称为光振动。 3. 自然光。太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫自然光。 4. 偏振光。自然光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，叫偏振光。自然光射到两种介质的界面上，如果光的入射方向合适，使反射和折射光之间的夹角恰好是90°，这时，反射光和折射光就都是偏振光，且它们的偏振方向互相垂直。我们通常看到的绝大多数光都是偏振光。
（九）光电效应 1. 在光的照射下物体发射电子的现象叫光电效应。（下图装置中，用弧光灯照射锌版，有电子从锌版表面飞出，使原来不带电的验电器带正电。）光效应中发射出来的电子叫光电子。
2. 光电效应的规律。① 各种金属都存在极限频率ν0，只有ν≥ν0才能发生光电效应；② 光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入光的频率增大而增大；③ 当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比；④ 瞬时性（光电子的产生不超过10－9s）。 3. 爱因斯坦的光子说。光是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量E跟光的频率 4. 爱因斯坦光电效应方程：Ek= h
（十）康普顿效应 在研究电子对X射线的散射时发现：有些散射波的波长比入射波的波长略大。康普顿认为这是因为光子不仅有能量，也具有动量。实验结果证明这个设想是正确的。因此康普顿效应也证明了光具有粒子性。
（十一）光的波粒二象性 干涉、衍射和偏振以无可辩驳的事实表明光是一种波；光电效应和康普顿效应又用无可辩驳的事实表明光是一种粒子；因此现代物理学认为：光具有波粒二象性。
（十二）正确理解波粒二象性 波粒二象性中所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义。波粒二象性中所说的粒子，是指其不连续性，是一份能量。 1. 个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性。 2. 3. 光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现为粒子性。 4. 由光子的能量E=h 由以上两式和波速公式c=λ
（十三）由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得出物质波（德布罗意波）的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长λ=
（十四）天然放射现象 原子序数大于83的所有天然存在的元素的原子核都不稳定，能自发地变为别种元素的原子核 ，同时放出射线。 1. 三种射线的比较。 α射线：氦原子核（ β射线：高速电子流（ γ射线：波长极短的电磁波，它的电离本领很弱，贯穿本领最强。 2. 衰变规律。 α衰变： β衰变： 3. 衰变快慢描述（半衰期） 放射线元素的原子核有半数发生衰变需要的时间，半衰期与元素所处的物理、化学状态无关 。 4. 原子核的人工转变、原子核的组成 原子核的人工转变是原子核在其它粒子作用下转变成另一种原子核的变化。 （1）质子的发现（卢瑟福） （2）中子的发现（查德威克） （3）原子核的组成：由质子和中子组成。核电荷数＝质子数、质量数＝质子数+中子数。原子核反应遵守质量数和电荷数守恒。 （4）放射性同位素：人工放射性的发现： 5. 核能、重核的裂变和轻核的聚变。 （1）核力、核能。质量亏损、爱因斯坦的质能方程。 （2）重核的裂变和轻核的聚变：二者是释放核能的二种方法。 （3）聚变产生的条件是：温度达到几百万度以上，所以聚变又叫热核反应。 6. 本章应将动量守恒、圆运动等知识与磁场力、核衰变规律综合起来，来进一步提高解决问题能力。 7. 在认识核子结合为核、核分裂为核子过程中的质量变化、能量变化后，应将两个守恒定律与质能方程综合起来形成定量计算。
（十五）玻尔原子模型 能级 1. 定态假设：原子处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中的原子是稳定的。 2. 能级跃迁：原子从一状态跃迁到另一状态，要辐射（或吸收）一定频率的光子，即 3. 轨道能量量子化： 4. 能级的概念：原子的各个定态的能量值，称为原子的能级。原子处于最低能级时，电子在离核最近的轨道上运动，这种状态称为基态。 原子从低能级跃迁到高能级，要吸收能量，从高能级跃迁到低能级，要辐射能量，相应能量差为
（十六）光谱： 1. 分类：发射光谱 线状谱和吸收光谱都属原子光谱，同种物质线状谱中的明线和吸收光谱中的暗线一一对应，都属原子的特征谱线。 2. 观察：所用器材是光谱管和分光镜，熟记它的原理结构图。 3. 光谱分析：可用明线谱也可用吸收光谱。
（十七）物质波： 德布罗意波：
（十八）原子的核式结构：
（十九）原子的放射现象 1. 天然放射现象：某些元素自发放射某些射线的现象称为天然放射现象，这些元素称为放射性元素。天然放射现象的发现，使人类认识到原子核内部具有复杂的结构。 2. 三种射线的本质和特征： （1） （2） （3） 3. 放射性元素的衰变：放射性元素自发放出某种射线而变成新核的过程。 （1）衰变规律： （2）衰变方程：质量数和电荷数都守恒。 （3）半衰期的概念：放射性元素有半数发生了衰变所用的时间，是描述衰变快慢的物理量。公式： 4. 原子核的人工转变： （1）原子核是由质子和中子组成的，使核子结合在一起的力是核力。 （2）中子、质子和正电子的发现。 英国卢瑟福发现质子的核反应方程是： 查德威克发现中子的核反应方程是： 居里夫妇发现正电子的核反应方程是：
（二十）核能： 1. 质量亏损：核反应前后物质的质量之差称质量亏损。 2. 爱因斯坦的质能方程： 3. 核反应和核子结合为核时释放的能量：质量亏损为 4. 核裂变和核聚变。 （1）重核的裂变：重核俘获中子后，分裂为中等质量核的过程。为了使裂变的链式反应容易发生，最好利用纯铀 （2）轻核的聚变：轻核结合为质量较大的原子核的过程，轻核聚变又叫热核反应，它要温度达到几百万度以上才能发生反应。
（二十一）求核能的几种方法 在重核的裂变、轻核的聚变、放射性衰变以及某些人工核反应中，都伴随着巨大的核能释放，如何计算这些核能呢？下边介绍几种方法，供同学们参考。 1. 直接用 [例1]（94全国高考题）一个铀核衰变为钍核时释放出一个 解析：
故 2. 用 运用此法时只须求出质量亏损 [例2]（89全国高考）中子的质量为 解析： 由于 必须注意，质量亏损指的是原子核的质量亏损而不是原子的质量亏损，由于很多习题（包括课本上的练习题）都是用原子的质量或原子量来代替原子核的质量来计算质量亏损的，因此很多同学在解题过程中就错认为原子的质量就是原子核的质量而导致计算错误。实际上课本上的这种代替是由于电子的质量在相减中可以消去。若是在相减过程中电子的质量不能消去，则计算原子核的质量亏损时用原子质量减原子核（或核子）质量时，还须减去相应电子的质量才能得出正确的结果。当然，由于原子的质量与原子核的质量差别不大，如果题目交代了用原子的质量近似地代替原子核的质量，那我们也可以不考虑电子的质量。 3. 根据每个核反应方程式中所标明的核能予以计算 运用此法时，首先要找出参加反应的核的个数，这就要应用阿伏伽德罗常数 [例3] 解析：因一个铀核裂变所放出的能量
4. 由动量守恒，根据反应后部分粒子的速度或能量，求出整个反应所释放的能量。 [例4] 已知静止的某核 解析：设
【模拟试题】 1.（01全国）如图所示，两块同样的玻璃直角三棱镜ABC，两者的AC面是平行放置的，在它们之间是均匀的未知透明介质。一单色细光束O垂直于AB面入射，在图示的出射光线中（ ） A. 1、2、3（彼此平行）中的任一条都有可能 B. 4、5、6（彼此平行）中的任一条都有可能 C. 7、8、9（彼此平行）中的任一条都有可能 D. 只能是4、6中的某一条
2. 如图所示，一束红光和一束蓝光平行射到同一个三棱镜上，经折射后交于光屏上的同一个点M，若用n1、n2分别表示三棱镜对红光、蓝光的折射率，下列说法中正确的是（ ） A. n1<n2，a为红光，b为蓝光 B. n1<n2，a为蓝光，b为红光 C. n1>n2，a为红光，b为蓝光 D. n1>n2，a为蓝光，b为红光
3. 已知光线穿过介质Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ时的光路图如图所示，下面说法中正确的是（ ） A. 介质Ⅱ是光密介质 B. 介质Ⅰ的折射率最大 C. 介质Ⅲ的折射率比Ⅰ大 D. 光在介质Ⅲ中光速最小
4. 红黄绿三种单色光以相同的入射角从水中射向空气，若黄光恰能发生全反射，则（ ） A. 绿光也一定能发生全反射 B. 红光也一定能发生全反射 C. 红、绿光都能发生全反射 D. 红、绿光都不能发生全反射 5. 如图所示，点光源S发出白光，经三棱镜分光，人在AC一侧沿折射后出射光线的反方向观察S，可看到（ ） A. 一个白光点 B. 光点上部是红色，下部是紫色 C. 光点上部是紫色，下部是红色 D. 看不到S的像
6. 如图所示，a，b，c是三块折射率不同的透明平板玻璃，彼此平行放置，且有na<nb<nc，一束单色平行光线由空气以入射角i射到介质a中，当光线由介质c下表面射到空气中时，折射角为r，则有（ ） A. i>r B. i<r C. i=r D. 无法确定
7. 某同学为了研究光的色散，设计了如下实验：在墙角放置一个盛水的容器，其中有一块与水平面成45°角放置的平面镜M，如图所示，一细束白光斜射向水面，经水折射向平面镜，被平面镜反射经水面折射后照在墙上，该同学可在墙上看到（ ） A. 上紫下红的彩色光带 B. 上红下紫的彩色光带 C. 外红内紫的环状光带 D. 一片白光
8. 一束红光与一束紫光以适当的入射角射向半圆形玻璃砖，其出射光线都是由圆心O点沿OP方向射出，如图所示，则（ ） A. AO是红光，它穿过玻璃砖所需的时间短 B. AO是紫光，它穿过玻璃砖所需的时间长 C. BO是红光，它穿过玻璃砖所需的时间长 D. BO是紫光，它穿过玻璃砖所需的时间短
9. 两只深度和形状相同的圆筒形井，一口是枯井，一口是水井（水面在井口之下）如图所示，两井底正中间都各有一只青蛙，则下列说法中正确的是（ ） A. 枯井中青蛙觉得井口比较大，水井中青蛙看到井外的范围比较小。 B. 枯井中青蛙觉得井口比较大，水井中青蛙看到井外的范围比较大 C. 枯井中青蛙觉得井口比较小，水井中青蛙看到井外的范围比较大 D. 两只青蛙觉得井口一样大，水井中青蛙看到井外的范围比较大
10.（05辽宁）一束复色光由空气射向一块平行平面玻璃砖，经折射分成两束单色光a、b。已知a光的频率小于b光的频率。下列哪个光路图可能是正确的（ ）
11. 如图所示，一种光导纤维内芯折射率 A. C.
12.（03上海）爱因斯坦由光电效应的实验规律，猜测光具有粒子性，从而提出光子说，从科学研究的方法来说，这属于（ ） A. 等效替代 B. 控制变量 C. 科学假说 D. 数学归纳 13.（03上海）在下图的光电管的实验中，发现用一定频率的A单色光照射光电管时，电流表指针会发生偏转，而用另一频率的B单色光照射时不发生光电效应，那么（ ） A. A光的频率大于B光的频率 B. B光的频率大于A光的频率 C. 用A光照射光电管时流过电流表 G的电流方向是a流向b D. 用A光照射光电管时流过电流表G的电流方向是b流向a
14. 用绿光做双缝干涉实验，在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹，相邻两条绿条纹间的距离为Δx。下列说法中正确的有（ ） A. 如果增大单缝到双缝间的距离，Δx 将增大 B. 如果增大双缝之间的距离，Δx 将增大 C. 如果增大双缝到光屏之间的距离，Δx将增大 D. 如果减小双缝的每条缝的宽度，而不改变双缝间的距离，Δx将增大 15. 平行光通过小孔得到的衍射图样和泊松亮斑比较，下列说法中正确的有（ ） A. 在衍射图样的中心都是亮斑 B. 泊松亮斑中心亮点周围的暗环较宽 C. 小孔衍射的衍射图样的中心是暗斑，泊松亮斑图样的中心是亮斑 D. 小孔衍射的衍射图样中亮、暗条纹间的间距是均匀的，泊松亮斑图样中亮、暗条纹间的间距是不均匀的 16. 下图是伦琴射线管的结构示意图。电源E给灯丝K加热，从而发射出热电子，热电子在K、A间的强电场作用下高速向对阴极A飞去。电子流打到A极表面，激发出高频电磁波，这就是X射线。下列说法中正确的有（ ） A. P、Q间应接高压直流电，且Q接正极 B. P、Q间应接高压交流电 C. K、A间是高速电子流即阴极射线，从A发出的是X射线即一种高频电磁波 D. 从A发出的X射线的频率和P、Q间的交流电的频率相同
17. 有关偏振和偏振光的下列说法中正确的有（ ） A. 只有电磁波才能发生偏振，机械波不能发生偏振 B. 只有横波能发生偏振，纵波不能发生偏振 C. 自然界不存在偏振光，自然光只有通过偏振片才能变为偏振光 D. 除了从光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光都是偏振光 18. 夜晚汽车前灯发出的强光将迎面驶来的汽车司机照射得睁不开眼，严重影响行车安全。若考虑将汽车前灯玻璃改用偏振玻璃，使射出的灯光变为偏振光，同时汽车前窗玻璃也采用偏振玻璃，其透偏方向正好与灯光的振动方向垂直，但还要能看清自己车灯发出的光所照亮的物体。假设所有的汽车前窗玻璃和前灯玻璃均按同一要求设置。如下措施中可行的是（ ） A. 前窗玻璃的透振方向是竖直的，车灯玻璃的透振方向是水平的 B. 前窗玻璃的透振方向是竖直的，车灯玻璃的透振方向是竖直的 C. 前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向是斜向左上45° D. 前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是斜向右上45° 19. 如图所示，让太阳光或白炽灯光通过偏振片P和Q，以光的传播方向为轴旋转偏振片P或Q，可以看到透射光的强度会发生变化，这是光的偏振现象。这个实验表明（ ） A. 光是电磁波 B. 光是一种横波 C. 光是一种纵波 D. 光是概率波
20. 下图是研究光的双缝干涉用的示意图，挡板上有两条狭缝S1、S2，由S1和S2发出的两列波到达屏上时会产生干涉条纹，已知入射激光的波长为 A.
21. 1905年，爱因斯坦先后发表了五篇关于光量子，布朗运动和狭义相对论等具有划时代意义的论文，为纪念这位二十世纪最伟大的物理学家，联合国教科文组织大会于2005年1月13——15日在巴黎总部正式宣布“2005——国际物理年”开始。以下关于光子说和光电效应现象的说法中正确的是（ ） ① 在不同介质中，同种色光的光子能量是不同的 ② 任何介质中蓝光光子的频率要比红光光子频率大。 ③ 入射光子的频率小于某种金属的极限频率时，若延长该光的光照时间，可使金属板上有电子逸出。 ④ 入射光的波长小于某种金属的极限波长时，电子逸出金属板后有剩余动能。 A. ①② B. ①③ C. ②④ D. ③④ 22. 联合国确定2005年为“国际物理年”，以纪念爱因斯坦在物理学的许多领域所作出的杰出贡献，例如阐明布朗运动、建立狭义相对论并推广为广义相对论、提出光的量子理论并完满地解释光电效应等。关于光电效应的下列说法，正确的是（ ） A. 用一定频率的单色光照射几种不同金属表面，若均能发生光电效应，则从不同金属表面逸出的光电子的最大初动能不同 B. 用不同频率的单色光照射同一种金属表面，若均能发生光电效应，则从金属表面逸出的光电子的最大初动能不同 C. 用一定频率的单色光照射某种金属表面不能发生光电效应，若增加光照射时间，则可能发生光电效应 D. 用一定频率的单色光照射某种金属表面不能发生光电效应，若增加光的亮度，则可能发生光电效应 23. 在防治“非典”期间，机场、车站等交通出入口使用了红外线热像仪，通过红外线遥感可检测经过它时的发热病人，从而有效控制“非典”的扩散。这是利用了红外线的下列哪些特性（ ） A. 红外线波长比可见光长，由于衍射容易透过人体而检查到内脏 B. 红外线频率低，有很强的杀菌作用 C. 一切物体都能发出红外线，而且物体在不同温度下发射的红外线的频率和强度不同 D. 红外线光子能量低，不易对人体产生伤害 24. 频率为 A. 虽改变原来的运动方向，但频率保持不变 B. 光子将从电子处获得能量，因而频率将增大 C. 散射后的光子运动方向将与电子运动方向在一条直线上，但方向相反 D. 由于电子受到碰撞，散射后的光子频率低于入射光子的频率 25. 把一个曲率半径很大的凸透镜的弯曲表面压在另一个玻璃平面上，让单色光从上方射入（图甲），这时可以看到亮暗相间的同心圆（图乙）。这个现象是牛顿首先发现的，这些同心圆叫做牛顿环，为了使同一级圆环的半径变大（例如从中心数起的第二道圆环），则应（ ） ① 将凸透镜的曲率半径变大 ② 将凸透镜的曲率半径变小 ③ 改用波长更长的单色光照射 ④ 改用波长更短的单色光照射 A. ①③ B. ①④ C. ②③ D. ②④
26. 历史上，为了说明光的性质，牛顿提出了光的微粒说，惠更斯提出了光的波动说，如今人们对光的性质有了更进一步的认识，下面四幅示意图中所表示的实验中能说明光具有波动性的是（ ）
27. 德国物理学家弗兰克林和赫兹进行过气体原子激发的实验研究。如图（1）他们在一只阴极射线管中充进要考察的汞蒸气。阴极发射出的电子受阴极K和栅极R之间的电压UR加速，电子到达栅极R时，电场做功eUR。此后电子通过栅极R和阳极A之间的减速电压UA。通过阳极的电流如图（2）所示，随着加速电压增大，阳极电流在短时间内也增大。但是到达一个特定的电压值UR后，观察到电流突然减小。在这个电压值上，电子的能量刚好能够激发和它们碰撞的原子。参加碰撞的电子交出其能量，速度减小，因此到达不了阳极,阳极电流减小。eUR即为基态气体原子的激发能。得到汞原子的各条能级比基态高以下能量值：4.88eV，6.68eV，8.78eV，10.32eV。若一个能量为7.97eV电子进入汞蒸气后测量它的能量大约是（ ） A. 4.88eV或7.97eV B. 4.88eV或 6.68eV C. 2.35eV 或7.97eV D. 1.29eV或3.09eV或7.97eV
28. 关于原子结构及其能量，下列说法正确的是（ ） A. 玻尔理论认为氢原子的电子在一系列不连续的轨道上绕核做圆周运动 B. 德布罗意波理论认为氢原子的电子运动没有确定的轨道，遵循概率波规律 C. 红外线照射任何物质都不可能直接产生可见光 D. 原子只能吸收光子的能量
【试题答案】
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