光的折射全反射色散LI

高三物理高考复习 第 14章 光 学 第 1讲 光的折射 全反射和色散 基础知识梳理 一、光的折射与折射率 1光的折射 光从 进入 时，传播方向发生改变的现象称 为光的折射现象 一种介质 另一种介质 基础知识梳理 2光的折射定律 折射光线与入射光线、法线处在 ；折射光线和入射光线分 别位于 的两侧；入射角的正弦与 折射角的正弦成 同一平面内 法线 正比 基础知识梳理 3折射率 (1)定义：光从真空射入某种介 质发生折射时，入射角的正弦与折 射角的正弦之比，叫做这种介质的 绝对折射率，简称折射率 (2) 表达式： n . sinisin 基础知识梳理 (3)物理意义 折射率是表示光线从一种介质 进入另一种介质时，发生 程 度的物理量，与入射角 i及折射角 大小 关 偏折 无 基础知识梳理 (4)折射率和光速的关系 折射率和光在介质中传播的速度有关， 式中 c m/s， n为介质的折射率，总大 于 1，故光在介质中的传播速度必 真空中的 光速 (5)在光的折射现象中，光路是 的 当 c 为真空中光速， v 为介质中光速时 n c v . 3.0 108 小于 可逆 基础知识梳理 二、全反射 1光密介质与光疏介质 介质项目 光密介质 光疏介质 折射率 大 小 光速 小 大 相对性 若 n甲 n乙 ，则甲是 介质 若 n 甲 n乙 ，则甲是 介质 光密 光疏 基础知识梳理 2.全反射现象：光从 光密 介质入射到 介质的分界面上时，光 反射回 介质 的现象 3临界角：折射角等于 90 时的入射角 叫做临界角用公式表示为： sin C 1 n . 光疏 全部 光密 基础知识梳理 4发生全反射的条件 (1)光由 介质射向 介质 (2)入射角 临界角 5.光导纤维：实际用的光导纤维是非 常细的特制玻璃丝，直径只有几微米到一 百微米之间，在内芯和外套的界面上发生 全反射，如图 14 2 1所示 光密 光疏 图 14 2 1 基础知识梳理 三、棱镜 1棱镜对光线的作用 让一束单色光从空气射向玻璃棱 镜的一个侧面，经过两次折射而从另 一侧面射出时，将向棱镜的 方向 偏折如图 14 2 2所示 底面 图 14 2 2 基础知识梳理 (1)两次折射后，后来的传播方 向和原来传播方向间的夹角 即为偏 折角 (2)在入射角相同的情况下，偏 折角度 跟棱镜材料的折射率有关， 折射率越 ，偏折角越 大 大 基础知识梳理 (3)光线通过三棱镜后向底面偏 折，通过三棱镜看物体，看到的是物 体的虚像，向棱镜的 方向偏移， 如图 14 2 3所示 顶角 图 14 2 3 基础知识梳理 2全反射棱镜 横截面是等腰直角三角形的棱镜， 它在光学仪器里，常用来代替平面镜， 改变光的传播方向，如图 14 2 4所 示，其能量损失更小，效果更好 图 14 2 4 基础知识梳理 (3)如图丙所示，光线平行 AC面射入，光线在 AC面发生全反射，射出后方向不变，发生侧移 (1)如图甲所示，光线垂直 AB面射入，光线在 AC面发生全反射，光线方向改变了 90 . (2)如图乙所示，光线垂直 AC面射入，光线在 AB、 BC面发生全反射，光线方向改变了 180 . 基础知识梳理 3.光的色散 (1)定义：白光通过三 棱镜后，在光屏上形成一 条彩色光带 光谱，这 就是光的色散，如图 14 2 5所示，光谱中红光在 最上端，紫光在最下端， 中间是橙、黄、绿、蓝、 靛等色光 图 14 2 5 基础知识梳理 (2)光的色散现象说明白光是复色光， 是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫 7种单 色光组成 (3)光的色散现象表明，各种色光通过 棱镜红光偏折最小，紫光偏折最大 (4)同一种介质对不同色光的折射率 n 不同，对红光的折射率 ，对紫光的 折射率 最小 最大 基础知识梳理 的光速 ，紫光的光速 ，但各 种颜色的光在真空中光速都是 3.0 108 m/s. 红光发生全反射的临界角 ，紫光 的临界角 由 n cv 可知，在同一种介质中，红光 由 sin C 1 n 可知，在同一种介质中， 最大 最小 最小 最大 一、对折射率的理解 1折射率是用光线从真空斜射入介 质，入射角正弦与折射角正弦之比定义 的，由于光路可逆，入射角、折射角随 光路可逆而 “换位 ”因此，在应用时折 射率可记忆为 的夹角，介质角为介质中光线与法线的 夹角 ) 课堂互动讲练 n sin ( 真空角 ) sin ( 介质角 ) .( 真空角为真空中光线与法线 课堂互动讲练 2折射率大小不仅反映了介质对 光的折射本领，也反映了光在介质中 3折射率的大小不仅与介质本身 有关，还与折射光的频率有关，同一 种介质，对频 率大的光折射率大，对频率小的 光折射率小 4同一种色光，在不同介质中虽 然波速、波长不同，但频率不变 传播速度的 大小 v cn . 4各种色光的比较 颜色 红 橙 黄 绿 蓝 靛 紫 频率 低 高 同一介质折射率 小 大 同一介质中速度 大 小 波长 大 小 临界角 大 小 1如图 14 2 6所示，一 细束红光和一细束蓝光平行射 到同一个三棱镜上，经折射后 交于光屏上的同一个点 M，若用 n1和 n2分别表示三棱镜对红光和 蓝光的折射率，下列说法中正 确的是 ( ) 课堂互动讲练 即时应用 A n1 n2， a为红光， b为蓝光 B n1 n2， a为蓝光， b为红光 C n1 n2， a为红光， b为蓝光 D n1 n2， a为蓝光， b为红光 图 14 2 6 解析： 选 B.由 图可知， b光线经 过三棱镜后的偏折 角较小，因此折射 率较小，是红 光故 B正确 【 例 】 如图所示 ,a、 b两束不同的单色光平行地从空气 射入水中 ,发生折射 ,则下述结论正确的是 ( ) A.水对光束 a的折射率较大 B.水中光束 b的速度较小 C.光束 a的频率较大 D.若从水中射向空气 ,发生全反射 光束 a的临界角较光束 b的临界角 大 答案 BD 3+2P177-【 例 】 课堂互动讲练 解析 平行的单色光束 a、 b射到水面上 ,入射角 i相同 ,由 n= ,所以 navb,故 B正确 ;由于同一介质中 ,频率高的色光传播 速度小 ,所以光束 a的频率较光束 b的频率小 ,故 C错误 ; 若光束从水中射向空气 ,由 sinC= ,光束 a的临界角 较光束 b的临界角大 ,故 D正确 . ,sinisinr ,cn v 1 n 答案 BD 课堂互动讲练 课堂互动讲练 二、光的折射、全反射的理解和应用 1全反射现象的理解 (1)光线射向两种介质的界面上，会同 时发生光的反射和折射 (2)若光从光密介质射入光疏介质，折 射角就大于入射角 课堂互动讲练 (3)当折射角等于 90 时，实际上就已经 没有折射光线了，这时的入射角为临界角 C，当入射角 1大于等于临界角 C时，折射光 线消失，发生全反射现象 (如图 14 2 7) 图 14 2 7 课堂互动讲练 2.光的折射和全反射综合问题 (1)首先要根据折射或全反射画出光路图 (2)对不同的介质界面要具体问题具体分 析，如平行玻璃砖、圆形玻璃砖、三棱镜等 (3)作图时要找出具有代表性的光线，如符 合边界条件或全反射临界条件的光线 (4)要注意利用光路的可逆性、对称性，寻 找三角形全等、相似等几何关系 课堂互动讲练 1作出光路图，要注意找出符合 边界条件或恰好发生全反射的光线 2注意折射和全反射在日常生活 和科学技术中的应用，如光纤通信问 题 特别提醒 【 例 】 (2011年福州预测卷 )如图 14 2 2所 示， AB为一直光导纤维， AB之间距离为 s，使一光脉冲 信号从光导纤维中间入射，射入后在光导纤维与空 气的界面上恰好发生全反射，由 A点传输到 B点所 用时间为 t，求光导纤维所用材料的折射率 n. 光的全反射规律的应用 图 14 2 2 3+2P179-【 例 3】 课堂互动讲练 【思路点拨】 解决此题明确两点： ( 1) 在光导纤维内光恰好发生全反射， n 1 s i n C . ( 2) 光在传输过程中要抓住速度分解的思想 解题样板规范步骤，该得的分一分不丢！ 光信号由 A 点进入光导纤维后，沿 AO 方向照射到 O 点，此时入射角 恰好等于临界角光在此介质中的 速度为 v ，而沿水平方向的分速度为 v s i n ，沿水平方 向传播的距离为 s . 课堂互动讲练 设介质的折射率为 n ，则有 s in s in C 1 n ( 2 分 ) n c v ( 2 分 ) t s v s in ( 2 分 ) 由以上三式解得 t s c n 1 n sn 2 c ， ( 2 分 ) 所以 n ct s . ( 2 分 ) 课堂互动讲练 【 规律总结 】 分析光的全反射、临界角问题的 一般思路： (1)画出恰好发生全反射的光路 (2)利用几何知识分析线、角关系，找出临界角 (3)以刚好发生全反射的光线为比较对象来判断光 路是否发生全反射，从而画出其他光线的光路图 【答案】 ct s 课堂互动讲练 课堂互动讲练 三、平行玻璃砖与三棱镜比较 课堂互动讲练 课堂互动讲练 课堂互动讲练 在运用光的折射定律作光路图 和解决实际问题时，必须注意是否 发生全反射，若不发生全反射，要 同时考虑反射和折射，若发生了全 反射，则不能画折射光线 特别提醒 (2009年高考浙江卷 )如图 14 2 9所示，有一束 平行于等边三棱镜截面 ABC的单色光从空气射向 E 点，并偏折到 F点已知入射方向与边 AB的夹角为 30 ， E、 F分别为边 AB、 BC的中点，则 ( ) 课堂互动讲练 即时应用 A该棱镜的折射率为 B光在 F点发生全反射 C光从空气进入棱 镜，波长变小 D从 F点出射的光束与 入射到 E点的光束平行 图 14 2 9 3 答案： AC 课堂互动讲练 解析： 选 AC .由几何关系可知，入射角 1 60 ， 折射角 2 30 .由折射定律 n sin 1 sin 2 3 2 1 2 3 ， A 选 项正确；在 BC 界面上，入射角为 30 ，临界角的正 弦值为 sin C 1 n 3 3 课堂互动讲练 sin30 ，即 C 30 ，所以在 F 点，不会发生全 反射， B 选项错误；光从空气进入棱镜，频率 f 不变，波速 v 减小，所以 v f 减小， C 选项正确； 由上述计算结果，作出光路图 ( 图略 ) ，可知 D 选 项错误 abc为一全反射棱镜，它的主截面是等腰直 角三角形，如图 14 2 10所示一束白光垂直 入射到 ac面上，在 ab面上发生全反射，若光线入 射点 O的位置保持不变，改变光线的入射方向 (不 考虑自 bc面反射的光线 )，则： 高频考点例析 【 例 】 (1)使入射光按图中所示的顺时 针方向逐渐偏转，如果有色光射出 ab面，则哪种色光首先射出？ (2)使入射光按图中所示的逆时 针方向逐渐偏转，哪种色光首先射 出 ab面？ 图 14 2 10 【 解析 】 (1)白光垂直入射 ac面后直射到 ab面， 入射角为 45 ，发生全反射说明棱镜的临界角 C45 ，这是对从红光到紫光的所有色光说的当 入射光顺时针偏转时，在 ac面上发生色散，不同色 光折射不同，红光偏折小，紫光偏折大，如图 14 2 11所示，射到 ab 图 14 2 11 课堂互动讲练 面上时红光入射角小，紫光入射角大，但它们 都小于 45 .另一方面，棱镜对红光的临界角比 紫光的临界角大因此，入射光顺时针逐渐偏 转时，在 ab面上红光的入射角将首先小于临界 角而射出 ab面 (2)如果入射光逆时针偏转，则经 ab面上的 红光、紫光的入射角都大于 45 ，都发生全反 射而不可能从 ab面射出 【 答案 】 (1)红光 (2)都不能射出 ab面 课堂互动讲练 【 例 】 如图所示 ,a、 b两束不同的单色光平行地从空气 射入水中 ,发生折射 , 则下述结论正确的是 ( ) A.水对光束 a的折射率较大 B.水中光束 b的速度较小 C.光束 a的频率较大 D.若从水中射向空气 ,发生 全反射光束 a的临界角较 光束 b的临界角大 答案 BD 3+2P180-【 例 5】 课堂互动讲练 【 规律总结 】 (1)七种色光发生 折射时，紫光偏折最大，红光偏折最 小； (2)发生全反射时紫光的临界角最 小，红光的临界角最大 课堂互动讲练