高考物理一轮复习 2.1光的折射 全反射课件 沪科版选修3-4.ppt

第二章光第1讲光的折射全反射 知识点1光的折射定律 折射率 思维激活1 多选 如图所示 光在真空和介质的界面MN上发生偏折 那么下列说法正确的是 A 光是从真空射向介质B 介质的折射率为1 73C 光在介质中的传播速度为1 73 108m sD 反射光线与折射光线成60 角 解析 选B C 因为折射角大于入射角 所以光是从介质射向真空中 选项A错误 根据折射率公式n 所以n 1 73 选项B正确 再由折射率n 代入数据得v 1 73 108m s 选项C正确 反射光线与折射光线成90 角 选项D错误 知识梳理 1 折射现象 光从一种介质斜射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 内 折射光线与入射光线分别位于法线的 入射角的正弦与折射角的正弦成正比 2 表达式 n12 式中n12是比例常数 3 在光的折射现象中 光路是 的 同一平面 两侧 可逆 3 折射率 1 定义 光从真空射入某种介质发生折射时 的正弦与 的正弦的比值 2 定义式 n 不能说n与 成正比 与 成反比 折射率由介质本身的光学性质和光的频率决定 3 物理意义 折射率仅反映介质的光学特性 折射率大 说明光从真空射入到该介质时 反之偏折小 4 计算公式 n 因v c 故任何介质的折射率总 选填 大于 或 小于 1 入射角 折射角 sin 1 sin 2 偏折大 大于 知识点2全反射 光导纤维 思维激活2 多选 如图所示 ABCD是两面平行的透明玻璃砖 AB面和CD面平行 它们分别是玻璃和空气的界面 设为界面 和界面 光线从界面 射入玻璃砖 再从界面 射出 回到空气中 如果改变光到达界面 时的入射角 则 A 只要入射角足够大 光线在界面 上可能发生全反射现象B 只要入射角足够大 光线在界面 上可能发生全反射现象C 不管入射角多大 光线在界面 上都不可能发生全反射现象D 不管入射角多大 光线在界面 上都不可能发生全反射现象 解析 选C D 在界面 上 光由空气中进入玻璃砖 是由光疏介质进入光密介质 不管入射角多大 都不发生全反射现象 则选项C正确 在界面 上 光由玻璃砖进入空气 是由光密介质进入光疏介质 但是 由于界面 和界面 平行 光由界面 进入玻璃砖后再到达界面 在界面 上的入射角等于在界面 上的折射角 因此入射角总是小于临界角 所以也不会发生全反射现象 故选项D正确 知识梳理 1 全反射 1 条件 光从光密介质射入 入射角 临界角 2 现象 折射光完全消失 只剩下 3 临界角 折射角等于90 时的入射角 用C表示 sinC 光疏介质 大于或等于 反射光 2 光导纤维 原理 利用 光的全反射 微点拨1 应用折射定律的三点注意 1 入射角 反射角和折射角是相对应的光线与法线的夹角 2 应用公式n 时 一定要明确哪个角在分子上 哪个角在分母上 3 光发生折射时 折射角不一定小于入射角 2 全反射现象中的三点提醒 1 当发生全反射时 仍遵循光的反射定律及光路的可逆性 2 介质的折射率越大 临界角越小 越容易发生全反射 3 当入射角达到临界角时 折射光线的强度减弱到零 反射光的能量等于入射光的能量 考点1折射定律及折射率的应用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 折射率由介质本身性质决定 与入射角的大小无关 3 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 光疏介质不是指密度小的介质 拓展延伸 4 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 5 同一种色光 在不同介质中虽然波速 波长不同 但频率相同 6 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传播速度的大小v 2 平行玻璃砖 三棱镜和圆柱体 球 对光路的控制 题组通关方案 典题1 2011 新课标全国卷 一半圆柱形透明物体横截面如图所示 底面AOB镀银 图中粗线 O表示半圆截面的圆心 一束光线在横截面内从M点入射 经过AB面反射后从N点射出 已知光线在M点的入射角为30 MOA 60 NOB 30 求 1 光线在M点的折射角 2 透明物体的折射率 典题解析 1 如图 透明物体内部的光路为折线MPN Q M点相对于底面EF对称 Q P N三点共线 设在M点处 光的入射角为i 折射角为r OMQ PNF 根据题意有 30 由几何关系得 PNO PQO r 于是 r 60 r 由 式得r 15 2 根据折射率公式有 答案 1 15 2 典题2 2014 宝鸡模拟 如图所示 半径为R的半圆柱形玻璃砖某一截面的圆心为O点 有两条光线垂直于水平柱面射入玻璃砖中 其中一条光线通过圆心O 另一条光线通过A点 且OA 这两条光线射出玻璃砖后相交于一点 该点到O点的距离为R 求玻璃砖的折射率 典题解析 作出光路图 OBD为法线 则sin ABO ABO 30 设两条出射光线交点为S 根据几何关系有OC Rcos30 所以 CS OS OC BSC 30 SBD 60 由折射定律 答案 加固训练 1 一半径为R的球体放置在水平桌面上 球体由折射率为的透明材料制成 现有一束位于过球心O的竖直平面内的光线 平行桌面射到球体表面上 折射入球体后再从竖直表面射出 如图所示 已知入射光线与桌面的距离为 求出射角 解析 设入射光线与球体的交点为C 连接OC OC即为入射点的法线 因此 图中的角 1为入射角 过C点作球体水平表面的垂线 垂足为B 依题意 COB 1 又由 OBC知sin 1 设光线在C点的折射角为 2 由折射定律得 由 式得 2 30 由几何关系知 光线在球体的竖直表面上的入射角 3为30 由折射定律得因此sin 解得 60 答案 60 2 2014 乌鲁木齐模拟 如图所示 三棱镜截面为等腰三角形 两底角均为30 高为h 两束频率相同的单色光垂直于底边射到该棱镜上 经AC BC一次折射后两束出射光线交于一点 出射光线间夹角为30 若两束入射光之间的距离是三角形底边的一半 求 1 三棱镜的折射率 2 两束光在三棱镜中运动的时间之和 不考虑反射 解析 1 作出光路图如图所示 两束光从棱镜射出后 出射光线相对入射光线均偏折15 故折射角r 45 由光路图可知入射角i 30 由n 解得n 2 单色光在棱镜中的传播速度v 由几何关系可得两束光在棱镜中传播的距离之和h1 h2 AA tan30 BB tan30 AA BB tan30 传播时间t 解得t 答案 1 2 2 学科素养升华 应用光的折射定律解题的一般思路 1 根据入射角 折射角及反射角之间的关系 作出比较完整的光路图 2 充分利用光路图中的几何关系 确定各角之间的联系 根据折射定律求解相关的物理量 折射角 折射率等 3 注意在折射现象中 光路是可逆的 考点2光的折射 全反射的综合应用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 拓展延伸 2 求解全反射现象中光的传播时间的一般思路 1 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 即v 2 全反射现象中 光的传播路程应结合光路图与几何关系进行确定 3 利用t 求解光的传播时间 3 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 2 应用sinC 确定临界角 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 题组通关方案 典题3 2013 新课标全国卷 图示为一光导纤维 可简化为一长玻璃丝 的示意图 玻璃丝长为L 折射率为n AB代表端面 已知光在真空中的传播速度为c 1 为使光线能从玻璃丝的AB端面传播到另一端面 求光线在端面AB上的入射角应满足的条件 2 求光线从玻璃丝的AB端面传播到另一端面所需的最长时间 典题解析 1 设光线在端面AB上C点的入射角为i 折射角为r 由折射定律有sini nsinr 设光线射向玻璃丝内壁D点的入射角为 为了使该光线可在光导纤维中传播 应有 式子中 是光线在玻璃丝内发生全反射时的临界角 它满足nsin 1 由几何关系得 r 90 由 式得sini 2 光在玻璃丝中传播速度的大小为v 光速在玻璃丝轴线方向的分量为vz vsin 光线从玻璃丝端面AB传播到其另一个端面所需时间为T 光线在玻璃丝中传播 在刚好发生全反射时 光线从端面AB传播到其另一端面所需时间最长 由 式得答案 1 入射角应满足sini 2 典题4 2013 新课标全国卷 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 1 求三棱镜的折射率 2 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 典题解析 1 光路如图所示 设光线在P点的入射角为i 折射角为r 因光线平行AC射入 所以i 60 由折射定律得 对于P处折射有sini nsinr 对于M处折射有nsinr sini 所以r r 又OO AC MNC r ANP MNC r 根据三角形的外角等于不相邻的两内角之和 得r 30 所以n 2 发生全反射的临界角C满足sinC 由图可知 在N处反射的入射角i 60 即sini 所以入射角i C 符合发生全反射的条件 在AC边没有光线透出 答案 1 2 见典题解析 加固训练 1 2012 海南高考 一玻璃三棱镜 其横截面为等腰三角形 顶角 为锐角 折射率为 现在横截面内有一光线从其左侧面上半部射入棱镜 不考虑棱镜内部的反射 若保持入射线在过入射点的法线的下方一侧 如图 且要求入射角为任何值的光线都会从棱镜的右侧面射出 则顶角 可在什么范围内取值 解析 设入射光线经玻璃折射时 入射角为i 折射角为r 射至棱镜右侧面的入射角为 根据折射定律有sini nsinr 由几何关系得 r 当i 0时 由 式知r 0 有最大值 m 如图 由 式得 m 同时 m应小于玻璃对空气的全反射临界角 即sin m 由 式和题给条件可得 棱镜顶角 的取值范围为0 45 答案 0 45 2 2011 山东高考 如图所示 扇形AOB为透明柱状介质的横截面 圆心角 AOB 60 一束平行于角平分线OM的单色光由OA射入介质 经OA折射的光线恰平行于OB 1 求介质的折射率 2 折射光线中恰好射到M点的光线 选填 能 或 不能 发生全反射 解析 1 由题意画出光路图如图所示 可得入射角 1 60 折射角 2 30 由折射定律可得此介质的折射率为 2 由题意画出恰好经过M点的折射光线如图所示 可得出此时射向M点的入射角为180 30 90 30 30 全反射的临界角故不能发生全反射 答案 1 2 不能 学科素养升华 解答全反射类问题的技巧 1 解答全反射类问题时 要抓住发生全反射的两个条件 光必须从光密介质射入光疏介质 入射角大于或等于临界角 2 利用好光路图中的临界光线 准确地判断出恰好发生全反射的光路图是解题的关键 且在作光路图时尽量与实际相符 考点3光的色散1 光的色散 1 现象 一束白光通过三棱镜后在屏上会形成彩色光带 深化理解 2 成因 棱镜材料对不同色光的折射率不同 对红光的折射率最小 红光通过棱镜后的偏折程度最小 对紫光的折射率最大 紫光通过棱镜后的偏折程度最大 从而产生色散现象 2 各种色光的比较 题组通关方案 典题5 2013 海南高考 如图 三棱镜的横截面为直角三角形ABC A 30 AC平行于光屏MN 与光屏的距离为L 棱镜对红光的折射率为n1 对紫光的折射率为n2 一束很细的白光由棱镜的侧面AB垂直射入 直接到达AC面并射出 画出光路示意图 并标出红光和紫光射在光屏上的位置 求红光和紫光在光屏上的位置之间的距离 典题解析 光路如图所示 红光和紫光在AC面上的入射角相同 设为i 折射角分别为r1和r2 它们射到屏上的位置离O点的距离分别为d1和d2 由折射定律得 n1sini sinr1 n2sini sinr2 由几何关系得i A d1 Ltanr1 d2 Ltanr2 联立以上各式并利用题给条件得 红光和紫光在光屏上的位置之间的距离为答案 见典题解析 典题6 多选 2013 天津高考 固定的半圆形玻璃砖的横截面如图 O点为圆心 OO 为直径MN的垂线 足够大的光屏PQ紧靠玻璃砖右侧且垂直于MN 由A B两种单色光组成的一束光沿半径方向射向O点 入射光线与OO 夹角 较小时 光屏NQ区域出现两个光斑 逐渐增大 角 当 时 光屏NQ区域A光的光斑消失 继续增大 角 当 时 光屏NQ区域B光的光斑消失 则 A 玻璃砖对A光的折射率比对B光的大B A光在玻璃砖中传播速度比B光的大C 时 光屏上只有1个光斑D 时 光屏上只有1个光斑 典题解析 选A D 由题可知A光在玻璃砖中的临界角为 玻璃砖对A光的折射率为nA B光在玻璃砖中的临界角为 玻璃砖对B光的折射率为nB 由于 nB A正确 由波速公式v 可判断vA vB B错误 当 时 A光发生全反射 B光没有发生全反射 光屏上有两个光斑 当 时 A光和B光都发生全反射 光屏PN区域只有一个光斑 C错 D对 加固训练 1 2011 安徽高考 实验表明 可见光通过三棱镜时各色光的折射率n随着波长 的变化符合科西经验公式 其中A B C是正的常量 太阳光进入三棱镜后发生色散的情形如图所示 则 A 屏上c处是紫光B 屏上d处是红光C 屏上b处是紫光D 屏上a处是红光 解析 选D 太阳光中红光波长最长 紫光波长最短 则紫光折射率最大 红光折射率最小 所以紫光偏折程度最大 对应屏上d处 红光偏折程度最小 对应屏上a处 2 2011 福建高考 如图 半圆形玻璃砖置于光屏PQ的左下方 一束白光沿半径方向从A点射入玻璃砖 在O点发生反射和折射 折射光在光屏上呈现七色光带 若入射点由A向B缓慢移动 并保持白光沿半径方向入射到O点 观察到各色光在光屏上陆续消失 在光带未完全消失之前 反射光的强度变化以及光屏上最先消失的光分别是 A 减弱 紫光B 减弱 红光C 增强 紫光D 增强 红光 解析 选C 由于入射点由A向B缓慢移动 入射角增大 部分色光发生全反射 因此反射光增强 折射光减弱 A B错 紫光折射率大 临界角小 因此在光屏上最先消失的是紫光 C对 D错 学科素养升华 光的色散问题的求解技巧弄清楚光的颜色由光的频率决定 同一种介质对不同色光的折射率不同 组成白光的各种单色光中 红光频率最小 紫光频率最大 在不同介质中 光的频率不变 画出光路图 结合折射定律进行分析 考点4测定玻璃的折射率1 实验原理 用插针法找出与入射光线AO对应的出射光线O B 确定出O 点 画出折射光线OO 然后测量出角 1和 2 代入公式计算玻璃的折射率 2 实验器材 白纸 图钉 大头针 直尺 铅笔 量角器 平木板 长方形玻璃砖 解题技巧 3 实验过程 1 铺白纸 画线 如图所示 将白纸用图钉按在平木板上 先在白纸上画出一条直线aa 作为界面 过aa 上的一点O画出界面的法线MN 并画一条线段AO作为入射光线 把玻璃砖平放在白纸上 使它的长边跟aa 对齐 画出玻璃砖的另一条长边bb 2 插针与测量 在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1 P2 透过玻璃砖观察大头针P1 P2的像 调整视线的方向 直到P1的像被P2挡住 再在观察的这一侧依次插两枚大头针P3 P4 使P3挡住P1 P2的像 P4挡住P1 P2的像及P3 记下P3 P4的位置 移去玻璃砖 连接P3 P4并延长交bb 于O 连接OO 即为折射光线 入射角 1 AOM 折射角 2 O ON 用量角器测出入射角和折射角 查出它们的正弦值 将数据填入表格中 改变入射角 1 重复实验步骤 列表记录相关测量数据 4 数据处理 计算每次的折射率n 求出平均值 5 注意事项 1 玻璃砖应选用厚度 宽度较大的 2 大头针要插得竖直 且间隔要大些 3 入射角不宜过大或过小 一般在15 75 之间 4 玻璃砖的折射面要画准 不能用玻璃砖界面代替直尺画界线 5 实验过程中 玻璃砖和白纸的相对位置不能改变 题组通关方案 典题7 2014 衡水模拟 如图所示的装置可以测量棱镜的折射率 ABC表示待测直角棱镜的横截面 棱镜的顶角为 紧贴直角边AC的是一块平面镜 一光线SO射到棱镜的AB面上 适当调整SO的方向 当SO与AB成 角时 从AB面射出的光线与SO重合 则棱镜的折射率n为多少 典题解析 画出光路图 入射角i 90 折射角 由折射定律得n 答案 典题8 2012 江苏高考 测定玻璃的折射率 实验中 在玻璃砖的一侧竖直插两个大头针A B 在另一侧再竖直插两个大头针C D 在插入第四个大头针D时 要使它 如图是在白纸上留下的实验痕迹 其中直线a a 是描在纸上的玻璃砖的两个边 根据该图可算得玻璃的折射率n 计算结果保留两位有效数字 典题解析 插第四个大头针D时 应使它挡住C及A B的像 连接A B并延长交直线a于一点O 连接C D并延长交直线a 于一点O 连接O O 以O为圆心 作辅助圆交AB于E 交OO 于G 分别过E G作法线的垂线 垂足为F H 用刻度尺量出EF GH的长度 则折射率n 1 8 答案 挡住C及A B的像1 8 1 6 1 9都算对 加固训练 1 如图所示 用三棱镜做测定玻璃折射率的实验 先在白纸上放好三棱镜 在棱镜的一侧插上两枚大头针P1和P2 然后在棱镜的另一侧观察 调整视线使P1的像被P2的像挡住 接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3 P4 使P3挡住P1 P2的像 P4挡住P3和P1 P2的像 在纸上标出的大头针位置和三棱镜轮廓如图所示 1 在图上画出所需的光路 2 为了测出棱镜玻璃的折射率 需要测量的量是 在图上标出它们 3 计算折射率的公式是n 解析 1 如图所示 画出通过P1 P2的入射光线 交AC面于O 画出通过P3 P4的出射光线交AB面于O 连接OO 则光线OO 就是入射光线P1P2在三棱镜中的折射光线 2 在所画的图上注明入射角 1和折射角 2 并画出虚线部分 方法一 用量角器量出 1和 2 方法二 用直尺测出线段EF OE GH OG的长度 方法三 以入射点O为圆心 以适当长R为半径画圆 交入射光线于I 交折射光线 或折射光线的延长线 于J 过I J两点分别向法线NN 作垂线交法线于I J 点 用直尺量出II 和JJ 的长 3 方法一 方法二 因为sin 1 sin 2 方法三 因为sin 1 sin 2 则n 答案 见解析 2 某同学利用 插针法 测定玻璃的折射率 所用的玻璃砖两面平行 正确操作后 作出的光路图及测出的相关角度如图所示 1 此玻璃的折射率计算式为n 用图中的 1 2表示 2 如果有几块宽度大小不同的平行玻璃砖可供选择 为了减小误差 应选用宽度 选填 大 或 小 的玻璃砖来测量 解析 1 由折射率公式可得 2 玻璃砖的宽度越大 出射光线的侧移量越大 玻璃砖中折射光线的误差越小 所以应选用宽度大的玻璃砖来测量 答案 1 或 2 大 学科素养升华 求折射率的四种方法 1 计算法 用量角器测量入射角 1和折射角 2 算出不同入射角时的 并取平均值 2 图像法 改变不同的入射角 1 测出不同的折射角 2 作sin 1 sin 2图像 如图所示 其斜率就是玻璃的折射率 3 辅助线段法 如图所示 作辅助线 且垂直于 量出作辅助线且垂直于量出即可求出 4 单位圆法 以入射点O为圆心 以适当长度R为半径画圆 交入射光线OA于E点 交折射光线OO 于E 点 过E作NN 的垂线EH 过E 作NN 的垂线E H 如图所示