高考物理-光的折射-全反射课件

,总纲目录考点详解,栏目索引,第,3,讲光的折射 全反射,总纲目录,考点一折射定律 折射率,考点二全反射,考点三光的色散,考点四 折射定律与全反射的综合应用,1.折射现象:,光从一种介质进入另一种介质时,在界面上光路,发生改变,的现象。,考点一折射定律折射率,2.折射定律:,折射光线与入射光线、法线在同一平面内,折射光线与入,射光线分别位于法线的两侧;入射角的正弦与折射角的正弦成正比,即,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,1,的正弦与折射角,2,的正弦之比,叫做这种介质的折射率。,(2)表达式,n,=,。,(3)决定因素:由介质本身及光的频率共同决定。,(4)折射率与光速的关系,介质的折射率等于光在真空中的速度与在该介质中的速度之比,即,n,=,。,(5)光疏介质与光密介质,两种介质相比较,折射率大的介质叫,光密,介质,折射率小的介质叫,光疏,介质。,1.对折射率的理解,(1)公式,n,=,中,不论是光从真空射入介质,还是从介质射入真空,1,总,是真空中的光线与法线间的夹角,2,总是介质中的光线与法线间的夹角。,(2)折射率与介质的密度没有关系,光密介质不是指密度大的介质。,(3)折射率的大小不仅与介质本身有关,还与光的频率有关。同一种介,质中,频率越大的色光折射率越大,传播速度越小。,(4)同一种色光,在不同介质中虽然波速、波长不同,但频率相同。,2.,光路的可逆性,:,在光的折射现象中,光路是可逆的。如果让光线逆着原,来的折射光线射到界面上,光线就会逆着原来的入射光线射出。,例1,2016课标,34(2),10分如图,在注满水的游泳池的池底有一点光,源,A,它到池边的水平距离为3.0 m。从点光源,A,射向池边的光线,AB,与竖,直方向的夹角恰好等于全反射的临界角,水的折射率为,。,()求池内的水深;,()一救生员坐在离池边不远处的高凳上,他的眼睛到池面的高度为2.0,m。当他看到正前下方的点光源,A,时,他的眼睛所接受的光线与竖直方,向的夹角恰好为45,。求救生员的眼睛到池边的水平距离(结果保留1位,有效数字)。,答案,()2.6 m()0.7 m,解析,()如图,设到达池边的光线的入射角为,i,。依题意,水的折射率,n,=,光线的折射角,=90,。由折射定律有,n,sin,i,=sin,由几何关系有,sin,i,=,式中,l,=3 m,h,是池内水的深度。联立式并代入题给数据得,h,=,m,2.6 m ,()设此时救生员的眼睛到池边的水平距离为,x,。依题意,救生员的视,线与竖直方向的夹角为,=45,。由折射定律有,n,sin,i, =sin,式中,i,是光线在水面的入射角。设池底点光源,A,到水面入射点的水平,距离为,a,。由几何关系有,sin,i,=,x,+,l,=,a,+,h,式中,h,=2 m。联立式得,x,=,m,0.7 m ,1.(2016四川理综,5,6分)某同学通过实验测定半圆形玻璃砖的折射,率,n,。如图甲所示,O,是圆心,MN,是法线,AO,、,BO,分别表示某次测量时光,线在空气和玻璃砖中的传播路径。该同学测得多组入射角,i,和折射角,r,作出sin,i,-sin,r,图像如图乙所示。则,(),B,A.光由,A,经,O,到,B,n,=1.5,B.光由,B,经,O,到,A,n,=1.5,C.光由,A,经,O,到,B,n,=0.67,D.光由,B,经,O,到,A,n,=0.67,2.(2018山东济南模拟)如图所示,某透明材料制成的半球形光学元件直,立放置,其直径与水平光屏垂直接触于,M,点,球心,O,与,M,间的距离为10,cm。一束激光与该元件的直径成30,角射向圆心,O,结果在光屏上出现,间距为,d,=40 cm的两个光斑,请完成光路图并求该透明材料的折射率。,答案,光路图见解析,解析,光屏上的两个光斑分别是激光经光学元件反射与折射的光线形,成的,其光路图如图所示,依题意,R,=10,cm,据反射定律与几何关系知,反射光线形成的光斑,P,1,与,M,点间的距离为,d,1,=,R,tan 30,激光束的入射角,i,=60,设其折射角为,由几何关系可,知,折射光线形成的光斑,P,2,与,M,点间距为,d,2,=,据题意有:,d,1,+,d,2,=,d,联立各式并代入数据解得:tan,=,即,=30,折射率,n,=,=,=,。,方法技巧,解决光的折射问题的一般思路,(1)根据题意画出正确的光路图。,(2)利用几何关系确定光路中的边、角关系,要注意入射角、折射角均,以法线为标准。,(3)利用折射定律、折射率公式求解。,1.定义:,光从,光密介质,射向,光疏介质,当入射角增大到某一角度,时,折射,光线将消失,只剩下,反射,光线的现象。,考点二全反射,2.条件,(1)光从,光密,介质射向,光疏,介质。,(2)入射角,大于等于,临界角。,3.临界角:,折射角等于90,时的入射角。若光从光密介质(折射率为,n,)射,向真空或空气时,发生全反射的临界角为,C,则 sin,C,=,。,4.全反射现象的应用,(1)解释现象:如水中的气泡看起来特别亮。,(2)光导纤维,a.构造:它由内芯和外套两层组成,内芯的折射率比外套的大,光传播时,在内芯与外套的界面上发生全反射。,b.光纤通信的主要优点是容量大、衰减小、抗干扰性强等。,1.,在光的反射和全反射现象中,均遵循光的反射定律;光路均是可逆的。,2.,当光射到两种介质的界面上时,往往同时发生光的折射和反射现象,但,在全反射现象中,只发生反射,不发生折射。当折射角等于90,时,实际上,就已经没有折射光了。,3.,全反射现象可以从能量的角度去理解,:,当光由光密介质射向光疏介质,时,在入射角逐渐增大的过程中,反射光的能量逐渐增强,折射光的能量,逐渐减弱,当入射角等于临界角时,折射光的能量已经减弱为零,这时就,发生了全反射。,例2,2016课标,34(2),10分如图,玻璃球冠的折射率为,其底面镀,银,底面的半径是球半径的,倍;在过球心,O,且垂直于底面的平面(纸面),内,有一与底面垂直的光线射到玻璃球冠上的,M,点,该光线的延长线恰,好过底面边缘上的,A,点。求该光线从球面射出的方向相对于其初始入,射方向的偏角。,答案,150,解析,设球半径为,R,球冠底面中心为,O,连接,O,、,O,则,OO,AB,。令,OAO,=,有,cos,=,=,即,=30,由题意,MA,AB,所以,OAM,=60,设图中,N,点为光线在球冠内底面上的反射点,所考虑的光线的光路图如,图所示。设光线在,M,点的入射角为,i,、折射角为,r,在,N,点的入射角为,i,反,射角为,i,玻璃折射率为,n,。由于,OAM,为等边三角形,有,i,=60,由折射定律有sin,i,=,n,sin,r,代入题给条件,n,=,得,r,=30,作底面在,N,点的法线,NE,由于,NE,AM,有,i,=30,根据反射定律,有,i,=30,连接,ON,由几何关系知,MAN,MON,故有,MNO,=60,由式得,ENO,=30,于是,ENO,为反射角,NO,为反射光线。这一反射光线经球面再次折射,后不改变方向。所以,经一次反射后射出玻璃球冠的光线相对于入射光,线的偏角,为,=180,-,ENO,=150,1.如图是一个,圆柱体棱镜的截面图,图中,E,、,F,、,G,、,H,将半径,OM,分成,5等份,虚线,EE,1,、,FF,1,、,GG,1,、,HH,1,平行于半径,ON,ON,边可吸收到达其上,的所有光线。已知该棱镜的折射率,n,=,若平行光束垂直入射并覆盖,OM,则光线,(),A.不能从圆弧 射出B.只能从圆弧 射出,C.能从圆弧,射出D.能从圆弧,射出,B,答案,B因折射率,n,=,=,则临界角,C,=37,。由几何关系知沿,GG,1,的光线恰好发生全反射,只有从,OG,射入的光线可从圆弧,射出,而从,GM,射入的光线在,上发生全反射,选B。,2.有一顶角为直角的玻璃砖,放在空气中,一光束射入玻璃砖的一个侧,面,如图所示,然后投射到它的另一个侧面。若该光束在玻璃砖中发生,全反射的临界角为42,。问:,(1)这束光线否从另一侧面射出?,(2)若光能从侧面射出,则玻璃砖的折射率,n,应满足什么条件?,答案,(1)不能(2),n,解析,(1)光路图如图所示,由于临界角,C,=42,无论第一次入射的入射,角,1,多大,均有折射角,且,2,48,入射,角,1,C,发生全反射,故光不能从另一侧射出。,(2)在,AB,边入射时,根据折射定律得,=,n,解得sin,2,=,=,在,AC,边入射时,光线射出的条件是,1,C,其中sin,C,=,入射角,1,=90,-,2,联立解得sin,1,=cos,2,即,解得,n,。,方法技巧,解答全反射类问题的技巧,(1)根据题意画出光的折射或恰好发生全反射的光路图。,(2)作图时找出具有代表性的光线,如符合边界条件的临界光线等。,(3)利用平面几何知识分析线、角关系,找出入射角、折射角或临界,角。注意入射角、折射角均以法线为标准。,(4)以刚好发生全反射的光线为比较对象,来判断光线是否发生全反射,从而画出其他光线的光路图。,考点三光的色散,1.光的色散,含有多种颜色的光被分解为单色光的现象叫做光的色散,如图所示,光谱中,红光,在最上端,紫光,在最下端,中间是橙、黄、绿、青、蓝等色光。,2.白光的组成,光的色散现象说明白光是,复色,光,是由红、橙、黄、绿、青、蓝、,紫7种单色光组成的。,1.光速与波长、频率的关系,光速,v,与波长,、频率,f,的关系为,v,=,f,。光从一种介质进入另一种介质时,光速改变,波长改变,频率不变。,2.各种色光的比较,颜色,红橙黄绿青蓝紫,频率,低高,同一介质中折射率,小大,同一介质中速度,大小,波长,大小,临界角,大小,通过棱镜的偏折角,小大,例3,如图所示,宽为,a,的平行光束从空气斜射到平行玻璃砖上表面,入,射角为60,光束中包含两种波长的光,玻璃砖对这两种光的折射率分别,为,n,1,=,、,n,2,=,光束从玻璃砖下表面出射时恰好分成不重叠的两束,求玻璃砖的厚度,d,。(已知sin 37,=0.6,cos 37,=0.8,结果可用根式表示),答案,解析,画出光路图如图所示,根据光的折射定律有,n,1,=,n,2,=,得,1,=30,2,=37,由分析可知,两种光恰好分开时有,x,=,d,(tan 37,-tan 30,),又有,x,=,解得,d,=,=,1.如图所示,一束可见光穿过平行玻璃砖后,变为,a,、,b,两束单色光。如果,光束,b,是蓝光,则光束,a,可能是,(),A.红光B.黄光C.绿光D.紫光,D,答案,D由题图可知,可见光穿过玻璃砖后,发生了色散,其中,a,光的侧,移距离大于,b,光的侧移距离,说明玻璃对,a,光的折射率大于对,b,光的折射,率,同种介质对红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的折射率依次增大,由于,b,光是蓝光,故只有D选项符合题意。,2.(2015福建理综,13,6分)如图,一束光经玻璃三棱镜折射后分为两束单,色光,a,、,b,波长分别为,a,、,b,该玻璃对单色光,a,、,b,的折射率分别为,n,a,、,n,b,则,(),A.,a,n,b,B.,a,b,n,a,n,b,C.,a,b,n,a,b,n,a,n,b,B,答案,B由图可知,b,光偏折程度大,则,n,a,b,B项正确。,B,考点四折射定律与全反射的综合应用,1.光的折射与全反射的综合问题的求解思路,(1)判断光是从光疏介质进入光密介质还是从光密介质进入光疏介质。,(2)判断入射角是否大于临界角,明确是否发生全反射现象。,(3)画出反射、折射或全反射的光路图,必要时还可应用光路的可逆原,理画出光路图,然后结合几何知识进行推断和求解相关问题。,2.求解全反射现象中光的传播时间的思路,(1)在全反射现象中,光在同种均匀介质中的传播速度不发生变化,v,= 。,(2)在全反射现象中,光的传播路程应结合光路图中的几何关系进行确,定。,(3)利用,t,=,求解光的传播时间。,3.,折射率,n,是讨论折射和全反射问题时重要的物理量,是联系各物理量,的桥梁,对跟折射率有关的所有关系式应熟练掌握。,例4,如图,三棱镜的横截面为直角三角形,ABC,A,=30,B,=60,。一,束平行于,AC,边的光线自,AB,边的,P,点射入三棱镜,在,AC,边发生反射后从,BC,边的,M,点射出。若光线在,P,点的入射角和在,M,点的折射角相等。,()求三棱镜的折射率;,()在三棱镜的,AC,边是否有光线透出?写出分析过程。(不考虑多次反,射),答案,(),()没有光线透出;分析过程见解析,解析,()光路图如图所示,图中,N,点为光线在,AC,边发生反射的入射,点。设光线在,P,点的入射角为,i,、折射角为,r,在,M,点的入射角为,r,依题意,折射角也为,i,有,i,=60,由折射定律有,sin,i,=,n,sin,r,n,sin,r,=sin,i,由式得,r,=,r,OO,为过,M,点的法线,C,为直角,OO,AC,。由几何关系有,MNC,=,r,由反射定律可知,PNA,=,MNC,联立式得,PNA,=,r,由几何关系得,r,=30,联立式得,n,=,()设在,N,点的入射角为,i,由几何关系得,i,=60,此三棱镜的全反射临界角满足,n,sin,C,=1,由,式得,i,C,此光线在,N,点发生全反射,三棱镜的,AC,边没有光线透出。,1.半径为,R,的玻璃半圆柱体,横截面如图所示,圆心为,O,底边水平。一束,单色光竖直向下射向圆柱面,入射点为,P,入射角为60,经折射后射向底,边的,Q,点(图中未画出)。已知玻璃的折射率,n,=,。,(1)求,P,、,Q,间的距离;,(2)光线,PQ,能否在,Q,点发生全反射?,答案,(1),R,(2)不能,解析,(1)画出大致光路图,如图所示。,由折射定律有,n,=,其中,=60,n,=,得折射角,=30,由几何关系得,cos 30,=,cos 60,=,得,PQ,=,R,。,(2)由几何关系知,在底边上,Q,点,入射角为30,sin 30,=,C,则光在,CD,边会发生全反射,所以不能从,CD,边射出。,方法技巧,求解光的折射、全反射问题的四点提醒,(1)光密介质和光疏介质是相对而言的。同一种介质,相对于其他不同,的介质,可能是光密介质,也可能是光疏介质。,(2)如果光线从光疏介质进入光密介质,则无论入射角多大,都不会发生,全反射现象。,(3)在光的反射和全反射现象中,均遵循光的反射定律,光路均是可逆,的。,(4)当光射到两种介质的界面上时,往往同时发生光的折射和反射现象,但在全反射现象中,只发生反射,不发生折射。,请认真完成作业,第,3,讲,光的折射,全反射,