例析2006年高考题中的光学问题

光学是物理学的一个重要分支，在实际的生与生活中有广泛应用。光学问题虽然在高考试题的比重不大，但几乎年年都有涉及，不可忽视。其光的反射定律与折射定律、棱镜的色散以及全反出现的几率较高。光的本性部分与近代物理学的展有着紧密的联系，且涉及较多物理学的重要验，比如光的干涉与衍射、光电效应等。近年来，光本性部分在高考命题中有分量加重的趋势。

下面对2006年高考题中的光学问题进行一简单的分类例析。

1 光的反射与折射

例1（天津卷第15题）空气中两条光线a和b从方框左侧入射，分别从方框下方和上方射出，其框外光线如图1所示。方框内有两个折射率n＝1．5的玻璃全反射棱镜。图2给出了两棱镜四种放置式的示意图，其中能产生图1效果的是（　）

分析与解：光线首先直接进入玻璃棱镜，不发生偏转，然后以45°入射角到玻璃与空气的交界面，由于sin45°>，所以发生全反射。我们可以作出图3所示的光路图，由此可判断B为正确答案。

例2（广东卷第7题）两束不同频率的单色光a、b从空气射入水中，发生了图4所示的折射现象（A>B）。下列结论中正确的是（　）

A．光束b的频率比光束a低

B．在水中的传播速度，光束a比光束b小

C．水对光束a的折射率比水对光束b的折射率小

D．若光束从水中射向空气，则光束b的临界角比光束a的临界角大

分析与解：由知b的折射率较大，则b的频率较大，在同种介质中传播速度较小，对同种介质的临界角较小。所以选项C正确。有些考生弄不清光的折射率、频率、光速、临界角的对应关系，从而得出错误的答案。

例3（北京卷第16题）水的折射率为n，距水面深h处有一个点光源，岸上的人看到水面被该光源照亮的圆形区域的直径为（　）

A．2htan（arcsin）

B．2htan（arcsinn）

C．2htan（arccos）

D．2hcot（arccosn）

分析与解：光从水中进入空气中，当入射角大于临界角时发生全反射。作出如图5所示的光路图，其中角C为全反射的临界角，sinC＝。由几何关系知，d＝2htanC＝2htan（arcsin）。所以选项A正确。

说明　解决几何光学问题要养成作光路图的习惯。许多问题都是可以根据光学规律作出示意图，再运用数学知识求解。全反射现象在考题出现的几率非常大，要熟悉全反射的产生条件以及临界角的计算。

2 直接比较各种单色光的频率、折射率、光速……

例4（全国卷I第15题）红光和紫光相比（　）

A．红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较大

B．红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较大

C．红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较小

D．红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较小

分析与解：正确选项为B。说明作为常识，应该记住各种单色光对应的频率、折射率的大小顺序。单色光按红、橙、黄、绿……的顺序，频率依次增大，对同种介质折射律增大，临界角减小，在同种介质中的速度减小，光子能量增大。记住了该顺序及对应关系，对许多问题就迎刃而解，比如今年重庆卷的第20题和广东卷第7题。

3 光的本性

例5（上海卷第6题）人类对光的本性的认识经历了曲折的过程。下列关于光的本性的陈述符合科学规律或历史事实的是（　）

A．牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的

B．光的双缝干涉实验显示了光具有波动性

C．麦克斯韦预言了光是一种电磁波

D．光具有波粒两象性

分析与解：爱因斯坦的光子和牛顿的微粒除了都是粒子之外，并无任何相同之处。光子不是牛顿所描绘的那种遵循经典力学运动定律的微粒。光的双缝干涉实验是证明光具有波动性的最重要的实验之一。正确选项为BCD。

说明　对它本性的认识过程是近代物理发展的重要事件，近代物理部分中的典型史实以及经典的实验要求大家必须牢记。这也是体现学生情感、态度、价值观的题型。

4 对光电效应的理解

例6（四川卷第15题）现有a、b、c三束单色光，其波长关系为λ_a>λ_b>λ_c，用b光束照射某种金属时，恰能发生光电效应。若分别用a光束和c光束照射该金属，则可以断定（　）

A．a光束照射时，不能发生光电效应

B．c光束照射时，不能发生光电效应

C．a光束照射时，释放出的光电子数目最多

D．c光束照射时，释放出的光电子的最大初动能最小

分析与解：由于b光束照射该金属时，恰能发生光电效应，则b光对应的频率为该金属的极限频率。因λ_a>λ_b>λ_c，得ν_a<ν_b<ν_c，所以c光可使该金属发生光电效应而a光不行。正确答案为A。

例7（全国卷II第19题）已知能使某金属产生光电效应的极限频率为ν₀，则（　）

A．当用频率为2ν₀的单色光照射该金属时，一定能产生光电子

B．用频率为2ν₀的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为hν₀

C．当照射光的频率ν大于ν₀时，若M增大，则逸出功增大

D．当照射光的频率ν大于ν₀时，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍

分析与解：由于2ν₀大于极限频率，一定能产生光电子，所以A正确。逸出功只与该金属本身有关，与照射光的频率无关，所以C错。由逸出功W＝hν₀以及光电效应方程mv²／2＝hν-W，可得B正确D错。

例8（上海卷第3题）利用光电管产生光电流的电路如图所示。电源的正极应接在_______端（填“a”或“b”）；若电流表读数为8μA，则每秒从光电管阴极发射的光电子至少是_______个（已知电子电量为1．6×10^-19C）

分析与解：该题主要考查了光电管的应用。要使电子加速，应在A极接高电势，故a端为电源正极。由I＝ne/t，得n＝It/e＝5×10¹³。说明光电效应在证实光的量子性方面有着重要的地位。20世纪初爱因斯坦提出了光子说，认为光具有粒子粒，从而解释了光电效应。光子说（每个光子能量E＝hν）、光电效应方程（E_K＝hν-W）是经常考查的重点内容。