例谈联系实际的光学问题的三个考查角度

【摘要】近几年，联系实际的物理情境成为高考命题的热点.本文结合几则例题，探讨联系实际的光学问题的三个考查角度，以提高学生解决光学实际问题的能力.

【关键词】光学问题；高中物理；解题技巧

近几年，联系实际的物理情境成为高考命题的热点.光学知识在生活中有着广泛的应用，基于此，本文结合几则例题，尝试说明联系实际的光学问题考查的三个角度.

1联系实际，考查折射率的测量

折射率是光学中最重要的物理量，是联系几何光学和物理光学的纽带，因此折射率的测量历来是高考考查的重点.联系实际的折射率的测量，通常以设计不同的光路图及测量方法等进行考查.

例1如图1所示，储油桶的底面直径与高均为d.当桶内没有油时，从某点A恰能看到桶底边缘的点B.当桶内装满油时，仍沿AB方向看去，恰好看到桶底上的点C，C、B两点相距d3.光在空气中的传播速度可视为真空中的光速c.则（）

（A）桶内油的折射率为22613.

（B）桶内油的折射率为264.

（C）光在桶内油中传播的速度为132c.

（D）来自C点的光射向油面时一定会出现全反射现象.

解析由题意可知，当桶内没有油时，到达B点光线的入射角为tanθ1=dd=1，即θ1=45°.桶的当装满油时，如图2所示，到达C点的光线的折射角为tanθ2=d－d3d=23，利用数学知识，求得sinθ1=22，sinθ2=21313，筒内油的折射率为n=sinθ1sinθ2=264，选项（A）错误、选项（B）正确；根据v=cn，求得v=22613c，选项（C）错误；当桶内装满油时，仍从AB方向看去，恰好看到桶底的点C，根据光路的可逆性可知，当光从C点射向油面时一定不会出现全反射现象，选项（D）错误，故选（B）.

2联系实际，考查光的干涉

近几年，物理中光学的考查增多，考查光的干涉的定性分析和定量计算以及实验多次在高考中出现.联系实际的光的干涉的考查，一般从相干光源的不同产生方式角度进行.

例2激光陀螺仪广泛应用于民航飞机等交通工具.将其原理结构简化为如图3所示模型：由激光器发出的A、B两束激光，经完全对称的两个通道（图中未画出）在光电探测器处相遇，产生干涉条纹.如果整个装置本身具有绕垂直纸面的对称轴转动的角速度，那么沿两个通道的光的路程差就会发生变化，同时光电探测器能检测出干涉条纹的变化，根据此变化就可以测出整个装置的旋转角速度.某次测试时，整个装置从静止开始，绕垂直纸面的对称轴，顺时针方向逐渐加速旋转，最后转速稳定，这个过程中光电探测器的中央位置C处检测出光强经过了强→弱→强→弱→强的变化过程.根据上述材料，结合所学知识，判断下列说法正确的是（）

（A）A束激光的频率大于B束激光的频率.

（B）整个装置加速转动过程中，A束激光到达光电探测器的路程逐渐变大.

（C）整个装置加速转动过程中，C处始终没有出现干涉明条纹.

（D）整个装置加速转动过程中，两束激光的路程差变化了2个波长.

解析由于两束激光出现干涉现象，说明两个光束的频率相等，选项（A）错误；由于整个装置顺时针方向转动，因此整个装置加速转动过程中，A束激光到达光电探测器的路程逐渐变小，选项（B）错误；整个装置加速转动过程中，当C处出现强光时就是干涉明条纹，选项（C）错误；由于C处出现了强→弱→强→弱→强的变化，因此两束激光的路程差依次为0，12λ，λ，3λ2，2λ，因此变化了2个波长，选项（D）正确.

3联系实际，考查全反射

全反射问题既是几何光学中的重点和难点，又在实际的光学问题中应用广泛，因此，一般的几何光学问题都牵涉全反射.解决该类问题，关键在于抓住发生全反射的临界角.

例3一位潜水爱好者在水下活动时，利用激光器向岸上救援人员发射激光信号，设激光光束与水面夹角为α，如图4所示.他发现只有当α大于41°时，岸上救援人员才能收到他发出的激光光束，已知sin41°≈74，试求：

（1）水的折射率；

（2）若此时潜水爱好者离水面的距离为7m，则激光笔能照亮的水面面积是多少？

解析（1）由题意可知，全反射的临界角为C=90°－41°=49°，由题意有sin41°≈74，

则sin49°=cos41°=1－sin241°=34，

则水的折射率为n=1sinC=1sin49°=43.

（2）当α大于41°时，岸上救援人员才能收到他发出的激光光束，则根据几何知识有tan41°=dr，

所以激光笔能照亮的水面区域的半径为

r=dtan41°=dsin41°cos41°=7×73m=73m，

则激光笔能照亮的水面面积为S=πr2=499π.

4结语

几何光学是最早的物理学，生活中的光学问题遍地都是，因此，结合身边的生活场景命制的物理试题比比皆是.联系实际的几何光学试题是近几年高考的热点，这部分内容的考查，要求学生一是要能建立物理模型，把生活场景转化为物理模型；二是要掌握好相关的物理知识和方法，熟练地解决实际问题.