高考物理一轮复习 专题十五 光学、电磁波与相对论 第1讲 光的折射、全反射课件

专题十五 光学、电磁波与相对论考点内容要求热点考向光的折射定律1.本章考查的热点有光的折射定律、折射率的计算、全反射的应用等，题型有选择、填空、计算等，难度中等偏下，光的折射与全反射的综合，以计算题的形式考查的居多；2.对于光学部分，分析几何光学中的折射、全反射和临界角问题时，应注意与实际应用的联系，作出正确的光路图；3.电磁波和相对论部分，以考查基本概念及对规律的简单理解为主，不可忽视任何一个知识点；4.对本专题的两个实验，高考时直接考查的频率不高，但复习时不能忽略，要注意对实验原理、器材、步骤、数据处理方法、误差分析等的理解.说明：光的干涉限于双缝干涉、薄膜干涉折射率全反射、光导纤维光的干涉、衍射和偏振现象电磁波的产生电磁波的发射、传播和接收电磁波谱狭义相对论的基本假设质能关系实验十五：测定玻璃的折射率实验十六：用双缝干涉测量光的波长第1讲光的折射、全反射考点 1光的折射定律1. 折射现象：光从一种介质进入另一种介质时传播方向_的现象.改变2.折射定律(1)内容：折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的_；入射角的正弦与_成正比.两侧折射角的正弦sin 1sin 2n21(1、2 分别为入射角和折射角，n12(2)表达式：是比例常数).考点 2折射率入射角的正弦折射角的正弦1.定义：光从真空射入某种介质发生折射时，_与_之比，叫做这种介质的折射率.的频率决定.1光密光疏3.计算公式：n_，因为 vc，所以任何介质的折射率都大于_.对两种介质来说，若 n1n2 ，则折射率为 n1 的介质称为_介质，折射率为 n2 的介质称为_介质.4.物理意义：折射率是表示光从一种介质进入另一种介质时，发生_的物理量，与入射角1 及折射角2 的大小无关.偏折程度2.定义式：n_.折射率由介质本身的光学性质和光考点 3全反射1.定义：光从光密介质入射到光疏介质的分界面上时，当_增大到某一角度时，折射光线消失，只剩下反射光线的现象.入射角光密光疏大于或等于2.条件：光从_介质射向_介质；入射角_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_.1n4.应用：全反射棱镜、_.光导纤维考点 4光的色散、棱镜单色光黄蓝1.光的色散：含有多种颜色的光被分解为_的现象叫做光的色散.白光通过三棱镜会分解为红、橙、_、绿、_、靛、紫七种单色光.2.光谱：含有多种颜色的光被分解后，各种色光按其波长的_排列.有序3.棱镜三角形折射率(1)定义：截面是_的玻璃仪器，可以使光发生色散，白光的色散表明各色光在同一介质中的_不同.(2)三棱镜对光线的作用：改变光的传播方向，使复色光发生色散.【基础自测】1.(多选)直线 P1P2 过均匀玻璃球球心 O，细光束 a、b 平行且关于 P1P2 对称，由空气射入玻璃球的光路如图 15-1-1 所示，a、b 光相比()A.玻璃对 a 光的折射率较大B.玻璃对 a 光的临界角较大C.b 光在玻璃中的传播速度较小图 15-1-1D.b 光在玻璃中的传播时间较短E.b 光更容易发生全反射答案：BCE乙所示.则下列说法错误的是( )2.(多选，2016 年四川卷)某同学通过实验测定半圆形玻璃砖的折射率 n.如图 15-1-2 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，作出的 sin i-sin r 图象如图甲乙图 15-1-2. .A.光由 A 经 O 到 B，n1.5B.光由 B 经 O 到 A，n1.5C.光由 A 经 O 到 B，n0.67D.光由 B 经 O 到 A，n0.67E.增大入射角，光有可能发生全反射答案：ACD3.半径为 R、介质折射率为 n 的透明圆柱体，过其轴线 OO的截面如图 15-1-3 所示.位于截面所在的平面内的一细束光线，以角 i0 由 O 点入射，折射光线由上边界的 A 点射出.当光线在 O点的入射角减小至某一值时，折射光线在上边界的 B 点恰好发生全反射.求 A、B 两点间的距离.图 15-1-3解：如图 D52 所示，当光线在 O 点的入射角为 i0 时，设折射角为 r0，由折射定律得sin i0sin r0n设 A 点与左端面的距离为 dA，由几何关系得图 D52若折射光线恰好发生全反射，则在 B 点的入射角恰好为临界角 C，设 B 点与左端面的距离为 dB，由折射定律得4.(2016 年新课标卷) 如图 15-1-4 所示，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(1)求池内的水深.图 15-1-4(2)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(计算结果保留 1 位有效数字).解：(1)如图 D53 所示，设到达池边的光线的入射角为 i，有nsin isin 由几何关系有式中，l3 m，h 是池内水的深度，联立式并代入题给数据解得图 D53(2)设此时救生员的眼睛到池边的距离为 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nsin isin 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，由几何关系有项目平行玻璃砖三棱镜圆柱体(球)结构玻璃砖上、下表面是平行的横截面为三角形的三棱镜横截面是圆热点 1折射现象与折射率热点归纳平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制：项目平行玻璃砖三棱镜圆柱体(球)对光线的作用通过平行玻璃砖的光线不改变传播方向，但要发生侧移通过三棱镜的光线经两次折射后，出射光线向棱镜底面偏折圆界面的法线是过圆心的直线，经过两次折射后向圆心偏折应用测定玻璃的折射率全反射棱镜，改变光的传播方向改变光的传播方向(续表)考向 1平行玻璃砖对光路的控制【典题 1】人造树脂是常用的眼镜镜片材料.如图 15-1-5 所示，光线射在一人造树脂立方体上，经折射后，射在桌面上的P 点.已知光线的入射角为 30，OA5 cm，AB20 cm，BP12 cm，求该人造树脂材料的折射率 n.图 15-1-5考向 2三棱镜对光路的控制【典题 2 】(2017 年广东茂名高三第一次质量监测) 如图15-1-6 所示，等边三角形 ABC 为某透明玻璃三棱镜的截面图，三棱镜的折射率为 .在截面上一束足够强的细光束从 AB 边中点与 AB 边成 30入射角由真空射入三棱镜，求：(1)光从 AB 边入射时的折射角？(2)BC 边的出射光线与 AB 边的入射光线的夹角为多大？图 15-1-63解：(1)光射入三棱镜的光路如图 D54 所示，i160由折射定律： nsin i1sin r1代入数据解得 r130.(2)由折射定律得sin i2sin r21n图 D54代入数据解得 r260设它与入射光线夹角为，由几何关系得(i1r1)(r2i2) 由以上关系解得60.考向 3透明球对光的控制【典题 3】(2017 年江苏卷)人的眼球可简化为如图 15-1-7所示的模型，折射率相同、半径不同的两个球体共轴，平行光束宽度为 D，对称地沿轴线方向射入半径为 R 的小球，会聚在聚角.(示意图未按比例画出)图 15-1-7考向 4组合体对光路的控制【典题 4】(2017 年新课标卷)如图 15-1-8 所示，一玻璃工件的上半部是半径为 R 的半球体，O 点为球心；下半部是半径为 R、高为 2R 的圆柱体，圆柱体底面镀有反射膜.有一平行于中心轴 OC 的光线从半球面射入，该光线与 OC 之间的距离为 0.6R.已知最后从半球面射出的光线恰好与入射光线平行(不考虑多次反射).求该玻璃的折射率.图 15-1-8解：如图 D55 所示，根据光路的对称性和光路可逆性，与入射光线相对于 OC 轴对称的出射光线一定与入射光线平行.这样，从半球面射入的折射光线，将从圆柱体底面的中心 C 点反射.图 D55设光线在半球面的入射角为 i，折射角为 r.由折射定律有sin insin r热点 2全反射现象的理解及应用热点归纳1.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.2.解决全反射问题的一般方法：(1)确定光是从光密介质进入光疏介质.(3)根据题设条件，判定光在传播时是否发生全反射.(4)如发生全反射，画出入射角等于临界角时的临界光路图.(5)运用几何关系或三角函数关系以及反射定律等进行分析、判断、运算，解决问题.3.求解全反射现象中光的传播时间的一般思路：考向 1全反射中的临界问题【典题 5】(2017 年广东惠州模拟)如图 15-1-9 所示，一束平行光以 45的入射角照射到半径为 R 的半圆柱形玻璃砖的上表面上，已知玻璃砖对平行光的折射率为 .则圆柱面上光线能够射出的区域所对的圆心角是多少？图 15-1-92解：作出光路图，如图 D56 所示，由折射定律，有：图 D56nsin isin r即有EAO45此时EOA75因 EA 与 OB 平行，所以EAOAOB45如果光线 FC 刚好在 C 点发生全反射，则有FCO45此时FOC15故知圆柱面上光线能够射出的区域所对的圆心角180EOAFOC180751590.考向 2折射定律与全反射综合热点归纳求解光的折射与全反射的综合问题时，要抓住折射定律和发生全反射的条件这两个关键.基本思路如下：(1)判断光线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.(4)折射率 n 是讨论折射和全反射问题的重要物理量，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.【典题 6】(2017 年新课标卷)如图 15-1-10 所示，一半径为 R 的玻璃半球，O 点是半球的球心，虚线 OO表示光轴(过球心 O 与半球底面垂直的直线).已知玻璃的折射率为 1.5.现有一束平行光垂直入射到半球的底面上，有些光线能从球面射出(不考虑被半球的内表面反射后的光线).求：图 15-1-10(1)从球面射出的光线对应的入射光线到光轴距离的最大值.的距离.解：(1)如图 15-1-11 所示，从底面上 A 处射入的光线，在球面上发生折射时的入射角为 i，当 i 等于全反射临界角 ic 时，对应入射光线到光轴的距离最大，设最大距离为 l.ii0设 n 是玻璃的折射率，由全反射临界角的定义有nsin ic1图 15-1-11【迁移拓展】如图 15-1-12 所示，三棱镜的横截面为直角三角形 ABC，A30，B60.一束平行于 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：(1)三棱镜的折射率.(2)在三棱镜的 AC 边是否有光线逸出？写出分析过程.(不考虑多次反射)图 15-1-12解：(1)光路图如图 D57 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、折射角依题意也为 i.图 D57由几何关系知 i60由折射定律有 sin insin rnsin rsin i由式得 rrOO为过 M 点的法线，C 为直角，OOAC，由几何关系有MNCr由反射定律可知PNAMNC联立式得PNAr由几何关系得 r30联立式得 n .3(2)设在 N 点的入射角为 i，由几何关系得 i60此三棱镜的全反射临界角满足 nsin C1由式得 iC此光线在 N 点发生全反射，三棱镜的 AC 边没有光线透出.