【三年高考兩年模擬】2017年高考物理新課標(biāo)一輪第十三章-振動與波-光學(xué)-相對論-第3講-光的折射-全反射

1、課標(biāo)版 物理,第3講　光的折射　全反射,一、光的折射1.折射現(xiàn)象:光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時,在界面上光路①　      的現(xiàn)象。2.折射定律:折射光線與入射光線、法線在同一平面內(nèi),折射光線與入射光線分別位于法線的兩側(cè);入射角的正弦與折射角的正弦成正比,即②    n12=?    

2、。3.折射率(1)定義:光從真空射入某種介質(zhì)發(fā)生折射時,入射角θ1的正弦與折射角θ2的正弦之比,叫做這種介質(zhì)的折射率。,發(fā)生改變,,(2)表達式③    n=?    。(3)決定因素:由介質(zhì)本身及光的頻率共同決定。(4)折射率與光速的關(guān)系介質(zhì)的折射率等于光在真空中的速度與在該介質(zhì)中的速度之比,即n=?。(5)光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)兩種介質(zhì)相比較

3、,折射率大的介質(zhì)叫④　    介質(zhì),折射率小的介質(zhì)叫⑤　     介質(zhì)。,,光密,光疏,自測1    (辨析題)(1)光的傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象叫光的折射。?(　    )(2)無論是折射光路,還是全反射光路都是可逆的。?(　   

4、0;)(3)在同一種介質(zhì)中,光的頻率越大,折射率越大。?(　    )(4)密度大的介質(zhì)一定是光密介質(zhì)。?(　    )?答案    (1)?    (2)√    (3)√    (4)?,,

5、二、全反射1.定義:光從①　     射向②　     ,當(dāng)入射角增大到某一角度時,③　     光線將消失,只剩下④　     光線的現(xiàn)象。2.條件(1)光從⑤　   

6、  介質(zhì)射向⑥　     介質(zhì)。(2)入射角⑦　     臨界角。3.臨界角:折射角等于90°時的入射角。若光從光密介質(zhì)(折射率為n)射向真空或空氣時,發(fā)生全反射的臨界角為C,則 sin C =?。4.全反射現(xiàn)象的應(yīng)用(1)解釋現(xiàn)象:如水中的氣泡看起來特別亮。(2)光導(dǎo)纖維,光密介質(zhì)

7、,光疏介質(zhì),折射,反射,光密,光疏,大于等于,a.構(gòu)造:它由內(nèi)芯和外套兩層組成,內(nèi)芯的折射率比外套的大,光傳播時在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射。b.光纖通信的主要優(yōu)點是容量大、衰減小、抗干擾性強等。自測2　光導(dǎo)纖維由“內(nèi)芯”和“包層”兩個同心圓柱體組成,其中心部分是內(nèi)芯,內(nèi)芯以外的部分為包層,光從一端進入,從另一端射出。下列說法正確的是?(　    )?A.內(nèi)芯的折射率大于包層的折射

8、率,B.內(nèi)芯的折射率小于包層的折射率C.不同頻率的可見光從同一根光導(dǎo)纖維的一端傳輸?shù)搅硪欢怂玫臅r間相同D.若紫光以如圖所示角度入射時,恰能在內(nèi)芯和包層分界面上發(fā)生全反射,則改用紅光以同樣角度入射時,也能在內(nèi)芯和包層分界面上發(fā)生全反射?答案    A　因光導(dǎo)纖維是依據(jù)全反射原理工作的,可知內(nèi)芯的折射率大于包層的折射率,選項A正確B錯誤;不同頻率的可見光從同一根光導(dǎo)纖維的一端傳輸?shù)搅硪?/p>

9、端所用的時間不相同,選項C錯誤;若紫光以如圖所示角度入射時,恰能在內(nèi)芯和包層分界面上發(fā)生全反射,則改用紅光以同樣角度入射時,由于紅光的臨界角大于紫光的臨界角,所以紅光不能在內(nèi)芯和包層分界面上發(fā)生全反射,選項D錯誤。,,考點一　折射定律及折射率的應(yīng)用?1.對折射率的理解(1)公式n=?中,不論是光從真空射入介質(zhì),還是從介質(zhì)射入真空,θ1總是真空中的光線與法線間的夾角,θ2總是介質(zhì)中的光線與法線間的夾角。(2)折射率由介質(zhì)本

10、身的性質(zhì)決定,與入射角的大小無關(guān)。(3)折射率與介質(zhì)的密度沒有關(guān)系,光密介質(zhì)不是指密度大的介質(zhì)。(4)折射率的大小不僅與介質(zhì)本身有關(guān),還與光的頻率有關(guān)。同一種介質(zhì)中,頻率越大的色光折射率越大,傳播速度越小。(5)同一種色光,在不同介質(zhì)中雖然波速、波長不同,但頻率相同。2.光路的可逆性:在光的折射現(xiàn)象中,光路是可逆的。如果讓光線逆著原來的折射光線射到界面上,光線就會逆著原來的入射光線射出。,典例1  

11、60; (2015河南開封模擬)半徑為R的玻璃圓柱體,截面如圖所示,圓心為O,在同一截面內(nèi),兩束相互垂直的單色光射向圓柱面的A、B兩點,其中一束沿AO方向,∠AOB=30°,若玻璃對此單色光的折射率n=?。,(1)試作出兩條光線從射入到第一次射出的光路途徑,并求出B光第一次射出圓柱面時的折射角(當(dāng)光線射向柱面時,如有折射光線則不考慮反射光線)并作出光路圖。(2)求兩條光線經(jīng)圓柱體后第一次射出的光線的交點(或

12、反向延長線的交點)與A點的距離。?答案    (1)見解析    (2)(?-1)R?解析    (1)A光過圓心,射入和射出玻璃圓柱體方向始終不變,射出玻璃圓柱體的折射角為0。B光從B點射入,設(shè)折射角為r,第一次在C點射出,設(shè)B光第一次射出圓柱面時的折射角為i2,由折射定律,n=?,解得r=30

13、6;。,,由折射定律,n=?,解得i2=60°。光路圖如圖所示。?(2)設(shè)B光從C點射出光線反向延長線交A光于D點,由圖可知,∠DOC為直角,DA=R tan 60°-R=(?-1)R。,解決光的折射問題的一般思路(1)根據(jù)題意畫出正確的光路圖。(2)利用幾何關(guān)系確定光路中的邊、角關(guān)系,要注意入射角、折射角均以法線為標(biāo)準(zhǔn)。(3)利用折射定律、折射率公式求解。,1-1   

14、 (2015安徽理綜,18,6分)如圖所示,一束單色光從空氣入射到棱鏡的AB面上,經(jīng)AB和AC兩個面折射后從AC面進入空氣。當(dāng)出射角i'和入射角i相等時,出射光線相對于入射光線偏轉(zhuǎn)的角度為θ。已知棱鏡頂角為α,則計算棱鏡對該色光的折射率表達式為?(　    ),A.?B.?C.?D.??答案    A　由圖可知,當(dāng)出射角與入

15、射角相等時,AB面上的折射角與AC面上的入射角相等,設(shè)為r,,,由幾何關(guān)系可知α+β=180°,2r+β=180°,得α=2r,而θ=2(i-r),得i=?,由折射定律得n=?=?,選項A正確。,考點二　對全反射現(xiàn)象的理解和應(yīng)用1.在光的反射和全反射現(xiàn)象中,均遵循光的反射定律;光路均是可逆的。2.當(dāng)光射到兩種介質(zhì)的界面上時,往往同時發(fā)生光的折射和反射現(xiàn)象,但在全反射現(xiàn)象中,只發(fā)生反射,不發(fā)生折射。當(dāng)折射角

16、等于90°時,實際上就已經(jīng)沒有折射光了。3.全反射現(xiàn)象可以從能量的角度去理解:當(dāng)光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時,在入射角逐漸增大的過程中,反射光的能量逐漸增強,折射光的能量逐漸減弱,當(dāng)入射角等于臨界角時,折射光的能量已經(jīng)減弱為零,這時就發(fā)生了全反射。,典例2　如圖所示,為某種透明介質(zhì)的截面圖,△AOC為等腰直角三角形,BC為半徑R=10 cm的四分之一圓弧,AB與水平屏幕MN垂直并接觸于A點。由紅光和紫光兩種單色光組

17、成的復(fù)色光射向圓心O,在AB分界面上的入射角i=45°,結(jié)果在水平屏幕MN上出現(xiàn)兩個亮斑,已知該介質(zhì)對紅光和紫光的折射率分別為n1=?,n2=?。,(1)判斷在AM和AN兩處產(chǎn)生亮斑的顏色;(2)求兩個亮斑間的距離。?答案    (1)見解析    (2)(5?+10) cm?解析    (1)設(shè)紅

18、光和紫光的臨界角分別為C1、C2,sin C1=?=?,解得C1=60°,同理C2=45°,因i=45°=C2<C1,所以紫光在AB面發(fā)生全反射,而紅光在AB面一部分折射,一部分反射,且由幾何關(guān)系可知,反射光線與AC垂直。所以在AM處產(chǎn)生的亮斑為紅色,在AN處產(chǎn)生的亮斑為紅色與紫色的復(fù)合光。,,(2)光路圖如圖所示?設(shè)折射角為r,兩個光斑分別為P1、P2,根據(jù)折射定律n1=?,求

19、得sin r=?,,由幾何知識可得:tan r=?,解得AP1=5? cm,由幾何知識可得△OAP2為等腰直角三角形,解得AP2=10 cm,所以P1P2=(5?+10) cm。,解答全反射類問題的技巧(1)根據(jù)題意畫出光的折射或恰好發(fā)生全反射的光路圖。(2)作圖時找出具有代表性的光線,如符合邊界條件的臨界光線等。(3)利用平面幾何知識分析線、角關(guān)系,找出入射角、折射角或臨界角。注意入射角、折射角均以法線為標(biāo)準(zhǔn)。,(4)以

20、剛好發(fā)生全反射的光線為比較對象,來判斷光線是否發(fā)生全反射,從而畫出其他光線的光路圖。,2-1　圖是一個?圓柱體棱鏡的截面圖,圖中E、F、G、H將半徑OM分成5等份,虛線EE1、FF1、GG1、HH1平行于半徑ON,ON邊可吸收到達其上的所有光線。已知該棱鏡的折射率n=?,若平行光束垂直入射并覆蓋OM,則光線?(　    )?A.不能從圓弧 ?射出　   &

21、#160;B.只能從圓弧 ?射出,C.能從圓弧 ?射出　    D.能從圓弧 ?射出?答案    B　因折射率n=?,其臨界角C=arcsin ?=37°。由幾何關(guān)系知沿GG1的光線恰好發(fā)生全反射,只有從OG射入的光線可從圓弧?射出,而從GM射入的光線在?上發(fā)生全反射,選B。,,考點三　光的色散?1.光速與波長、頻率的關(guān)系光速v與波長λ

22、、頻率f的關(guān)系為v=λf。光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時,頻率不變,波長改變,光速改變。2.各種色光的比較,典例3    [2015課標(biāo)Ⅱ,34(1),5分](多選)如圖,一束光沿半徑方向射向一塊半圓柱形玻璃磚,在玻璃磚底面上的入射角為θ,經(jīng)折射后射出a、b兩束光線。則　　    。?A.在玻璃中,a光的傳播速度小于b光的傳播速度B.在真空中,a

23、光的波長小于b光的波長,C.玻璃磚對a光的折射率小于對b光的折射率D.若改變光束的入射方向使θ角逐漸變大,則折射光線a首先消失E.分別用a、b光在同一個雙縫干涉實驗裝置上做實驗,a光的干涉條紋間距大于b光的干涉條紋間距?答案    ABD　從光路圖看,入射角相同,a光的折射角較大,所以玻璃磚對a光的折射率較大,a光的頻率較大,波長較短,B正確,C不正確;根據(jù)n=?知va<vb,A

24、正確;隨著入射角增大,a光的折射角先達到90°,D正確;在同一個雙縫干涉實驗裝置上做實驗,由Δx=?λ知光的波長越長,干涉條紋間距越大,E錯誤。,,3-1    (2015福建理綜,13,6分)如圖,一束光經(jīng)玻璃三棱鏡折射后分為兩束單色光a、b,波長分別為λa、λb,該玻璃對單色光a、b的折射率分別為na、nb,則?(　    )?A.

25、λanb　    B.λa>λb,naλb,na>nb,答案    B　由圖可知b光偏折程度大,則naλb,B項正確。,,考點四　折射定律與全反射的綜合應(yīng)用?　　求解光的折射與全反射的綜合問題時,要抓住折射定律和發(fā)生全反射的條件這兩個關(guān)鍵?；舅悸啡缦?1.判斷光線是從光疏介質(zhì)進入光密介質(zhì),還是從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì),2.判斷入射角是否

26、大于臨界角,明確是否發(fā)生全反射現(xiàn)象。3.畫出反射、折射或全反射的光路圖,必要時還可應(yīng)用光路的可逆原理畫出光路圖,然后結(jié)合幾何知識進行推斷和求解相關(guān)問題。4.折射率n是討論折射和全反射問題的重要物理量,是聯(lián)系各物理量的橋梁,對跟折射率有關(guān)的所有關(guān)系式應(yīng)熟練掌握。,典例4    [2013課標(biāo)Ⅰ,34(2),9分]圖示為一光導(dǎo)纖維(可簡化為一長玻璃絲)的示意圖,玻璃絲長為L,折射率為n,AB

27、代表端面。已知光在真空中的傳播速度為c。?(ⅰ)為使光線能從玻璃絲的AB端面?zhèn)鞑サ搅硪欢嗣?求光線在端面AB上的入射角應(yīng)滿足的條件;,(ⅱ)求光線從玻璃絲的AB端面?zhèn)鞑サ搅硪欢嗣嫠璧淖铋L時間。?答案    (ⅰ)sin i≤?    (ⅱ)??解析    (ⅰ)設(shè)光線在端面AB上C點(如圖)的入射角為i,

28、折射角為r,由折射定律有sin i=n sin r?①?設(shè)該光線射向玻璃絲內(nèi)壁D點的入射角為α,為了使該光線可在此光導(dǎo)纖維中傳播,應(yīng)有α≥θ?②,,式中,θ是光線在玻璃絲內(nèi)發(fā)生全反射時的臨界角,它滿足n sin θ=1?③由幾何關(guān)系得α+r=90°?④由①②③④式得sin i≤??⑤(ⅱ)光在玻璃絲中傳播速度的大小為v=??⑥光速在玻璃絲軸線方向的分量為vz=v sin α?⑦光線從玻璃絲端面AB

29、傳播到其另一端面所需時間為,T=??⑧光線在玻璃絲中傳播,在剛好發(fā)生全反射時,光線從端面AB傳播到其另一端面所需的時間最長,由②③⑥⑦⑧式得Tmax=??⑨,4-1    (2015山東濰坊模擬)半徑為R的玻璃半圓柱體,橫截面如圖所示,圓心為O,底邊水平。一束單色光豎直向下射向圓柱面,入射點為P,入射角為60°,經(jīng)折射后射向底邊的Q點(圖中未畫出)。已知玻璃的折射率n=?。

30、(1)求P、Q間的距離;(2)光線PQ能否在Q點發(fā)生全反射??答案    (1)?R    (2)不能?解析    (1)畫出光路圖,如圖所示。,,由折射定律有n=?其中α=60°,n=?得折射角β=30°由幾何關(guān)系得cos 30°=,cos 60°=?得PQ=?

31、R。(2)由幾何關(guān)系知,在底面上Q點,入射角為30°,sin 30°=?<?,故不能發(fā)生全反射。4-2    [2014山東理綜,38(2)]如圖,三角形ABC為某透明介質(zhì)的橫截面,O為BC邊的中點,位于截面所在平面內(nèi)的一束光線自O(shè)以角i入射,第一次到達AB邊恰好發(fā)生全反射。已知θ=15°,BC邊長為2L,該介質(zhì)的折射率為?。求:,(ⅰ)入射角i;

32、(ⅱ)從入射到發(fā)生第一次全反射所用的時間(設(shè)光在真空中的速度為c,可能用到:sin 75°=?或tan 15°=2-?)。?答案    (ⅰ)45°    (ⅱ)?L?解析    (ⅰ)根據(jù)全反射規(guī)律可知,光線在AB面上P點的入射角等于臨界角C,由折射定律得,,sin C=??①