高考物理一輪復習 第十三章 振動與波 光學 相對論 第3講 光的折射 全反射課件

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1、課標版課標版 物理物理第3講光的折射全反射一、光的折射一、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 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 n12= 。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1的正弦與折射角2的正弦之比,叫做這種介質(zhì)的折射率。12sinsin教材研讀教材研讀發(fā)生改變發(fā)生改變(2)表達式 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

2、質(zhì)與光密介質(zhì)兩種介質(zhì)相比較,折射率大的介質(zhì)叫 介質(zhì),折射率小的介質(zhì)叫 介質(zhì)。12sinsincv光密光密 光疏光疏自測自測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。( )(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)二、全反射二、全反射1.定義:光從 射向 ,當入射角增大到某一角度時, 光線將消失,只剩下 光線的現(xiàn)象。2.條件(1)光從 介質(zhì)射向 介質(zhì)。(2)入射角 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

3、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)象的應用(1)解釋現(xiàn)象:如水中的氣泡看起來特別亮。(2)光導纖維1n光密介質(zhì)光密介質(zhì)光疏介質(zhì)光疏介質(zhì)折射折射反射反射光密光密光疏光疏大于等于大于等于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。自測自測2光導纖維由“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率B.內(nèi)芯的折射率小于包層的折射率C.不同頻率的可

4、見光從同一根光導纖維的一端傳輸?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纖維的一端傳輸?shù)搅硪欢怂玫臅r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用考點一折射定律及折射率的應用1.對

5、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,1總是真空中的光線與法線間的夾角,2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。12sinsin考點突破考點突破典例典例1 (2

6、015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=。3(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

7、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。3sin60sinr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。2sinsinir3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準。(3)利用折射定律、折射率公式求解。1-1 (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。當出射角i和入射角i相等時,

8、出射光線相對于入射光線偏轉(zhuǎn)的角度為。已知棱鏡頂角為,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,當出射角與入射角相等時,AB面上的折射角與AC面上的入射角相等,設(shè)為r,sin2sin2sin2sin2sinsin()2 sinsin()2 由幾何關(guān)系可知+=180,2r+=180,得=2r,而=2(i-r),得i=,由折射定律得n=,選項A正確。2sinsinirsin2sin2考點二對全反射現(xiàn)象的理解和應用考點二對全反射現(xiàn)象的理解和應用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

9、,但在全反射現(xiàn)象中,只發(fā)生反射,不發(fā)生折射。當折射角等于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成的復色光射向圓心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

10、=。2 332(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=C2C1,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合光。211n32(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=,求得sin r=,sinsinri63由幾何知識可得:tan r=,解得AP1=5 cm

11、,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。1RAP22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準。(4)以剛好發(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

12、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 B.只能從圓弧 射出14531NF1NGC.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。11G H1H M53351NG1G M考點三光的色散考點三光的色散1.光速與波長、頻率的關(guān)系光速v與波長、頻率f的關(guān)系為v=f。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.各種色光的比較顏色紅橙黃綠藍靛紫頻率低高同一介質(zhì)中折射率小大同一介質(zhì)中速

13、度大小波長大小臨界角大小通過棱鏡的偏折角小大典例典例3 2015課標,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,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

14、確;根據(jù)n=知vavb,A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x=知光的波長越長,干涉條紋間距越大,E錯誤。cvld3-1 (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a、b,該玻璃對單色光a、b的折射率分別為na、nb,則( )A.anb B.ab,nanbC.ab,nab,nanb答案 B由圖可知b光偏折程度大,則nab,B項正確?？键c四折射定律與全反射的綜合應用考點四折射定律與全反射的綜合應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。基本思路如下:1

15、.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)系式應熟練掌握。典例典例4 2013課標,34(2),9分圖示為一光導纖維(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代表端面。已知光在真空中的傳播速度為c。()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上的入射角應滿足的條件;()求光線

16、從玻璃絲的AB端面?zhèn)鞑サ搅硪欢嗣嫠璧淖铋L時間。答案 ()sin i ()解析 ()設(shè)光線在端面AB上C點(如圖)的入射角為i,折射角為r,由折射定律有sin i=n sin r設(shè)該光線射向玻璃絲內(nèi)壁D點的入射角為,為了使該光線可在此光導纖維中傳播,應有21n 2Lnc式中,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 =1由幾何關(guān)系得+r=90由式得sin i()光在玻璃絲中傳播速度的大小為v=光速在玻璃絲軸線方向的分量為vz=v sin 光線從玻璃絲端面AB傳播到其另一端面所需時間為21n cnT=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

17、長,由式得Tmax=zLv2Lnc4-1 (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=。(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。333由折射定律有n=其中=60,n=得折射角=30由幾何關(guān)系得cos 30=sinsin3PMPQcos 60=得PQ=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

18、(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=15,BC邊長為2L,該介質(zhì)的折射率為。求:PMPO3312132()入射角i;()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 ()45 ()L解析 ()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6243622csin C=代入數(shù)據(jù)得C=45設(shè)光線在BC面上的折射角為r,由幾何關(guān)系得r=30由折射定律得n=1nsinsinir聯(lián)立式,代入數(shù)據(jù)得i=45()在OPB中,根據(jù)正弦定理得=設(shè)所用時間為t,光線在介質(zhì)中的速度為v,得=vtv=聯(lián)立式,代入數(shù)據(jù)得t=Lsin75OPsin45LOPcn622c