高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十三章 振動與波 光學(xué) 相對論 第3講 光的折射 全反射課件

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1、課標(biāo)版課標(biāo)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(jìn)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(dá)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(dāng)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(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(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(jìn)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(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(yīng)用考點一折射定律及折射率的應(yīng)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(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(biāo)準(zhǔn)。(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(jìn)入空氣。當(dāng)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(dá)式為( )A.B.C.D.答案 A由圖可知,當(dāng)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(yīng)用考點二對全反射現(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

9、,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(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

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(fù)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(biāo)準(zhǔn)。(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(dá)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(jìn)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(lán)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(biāo),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(dá)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(yīng)用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

15、.判斷光線是從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì),還是從光密介質(zhì)進(jìn)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(yīng)用光路的可逆原理畫出光路圖,然后結(jié)合幾何知識進(jìn)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。典例典例4 2013課標(biāo),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(yīng)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(dǎo)纖維中傳播,應(yīng)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(dá)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