2019年度高考物理一轮复习 第十四章 机械振动与机械波 光 电磁波与相对论 第3讲 光的折射 全反射课件.ppt

第十四章机械振动与机械波光电磁波与相对论 第3讲光的折射全反射 过好双基关 一 光的折射定律折射率1 折射定律 1 内容 如图1所示 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两侧 入射角的正弦与折射角的正弦成比 2 表达式 n 3 在光的折射现象中 光路是的 图1 同一平面 正 可逆 2 折射率 1 折射率是一个反映介质的的物理量 2 定义式 n 3 计算公式 n 因为v c 所以任何介质的折射率都 4 当光从真空 或空气 射入某种介质时 入射角折射角 当光由介质射入真空 或空气 时 入射角折射角 光学性质 大于1 小于 大于 3 折射率的理解 1 折射率由性质决定 与入射角的大小无关 2 折射率与介质的没有关系 光密介质不是指密度大的介质 3 同一种介质中 频率越大的色光折射率越 传播速度越 介质本身 密度 大 小 答案 自测1如图2所示 MN是空气与某种液体的分界面 一束红光由空气射到分界面 一部分光被反射 一部分光进入液体中 当入射角是45 时 折射角为30 则以下说法正确的是A 反射光线与折射光线的夹角为120 B 该液体对红光的折射率为C 该液体对红光的全反射临界角为45 D 当紫光以同样的入射角从空气射到分界面时 折射角也是30 图2 二 全反射光导纤维1 定义 光从光密介质射入光疏介质 当入射角增大到某一角度时 折射光线将全部 只剩下反射光线的现象 2 条件 1 光从光密介质射入光疏介质 2 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sinC 介质的折射率越大 发生全反射的临界角越 消失 大于或等于 小 4 光导纤维光导纤维的原理是利用光的 如图3所示 全反射 图3 答案 自测2教材P53第1题 多选 光从介质a射向介质b 如果要在a b介质的分界面上发生全反射 那么必须满足的条件是A a是光密介质 b是光疏介质B 光在介质a中的速度必须大于在介质b中的速度C 光的入射角必须大于或等于临界角D 必须是单色光 研透命题点 命题点一折射定律和折射率的理解及应用 基础考点自主悟透 1 对折射率的理解 1 折射率的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 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 3 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发生折射 例1 2017 全国卷 34 2 如图4 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 答案 解析 图4 解析如图 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 将从圆柱体底面中心C点反射 设光线在半球面的入射角为i 折射角为r 由折射定律有sini nsinr 由正弦定理有 由几何关系 入射点的法线与OC的夹角为i 由题设条件和几何关系有 由 式和题给数据得 变式1 2017 全国卷 34 2 一直桶状容器的高为2l 底面是边长为l的正方形 容器内装满某种透明液体 过容器中心轴DD 垂直于左右两侧面的剖面图如图5所示 容器右侧内壁涂有反光材料 其他内壁涂有吸光材料 在剖面的左下角处有一点光源 已知由液体上表面的D点射出的两束光线相互垂直 求该液体的折射率 答案 解析 图5 答案1 55 解析设从光源发出直接射到D点的光线的入射角为i1 折射角为r1 在剖面内作光源相对于反光壁的镜像对称点C 连接C D 交反光壁于E点 由光源射向E点的光线 反射后沿ED射向D点 光线在D点的入射角为i2 折射角为r2 如图所示 设液体的折射率为n 由折射定律有nsini1 sinr1 nsini2 sinr2 由题意知r1 r2 90 联立 式得 由几何关系可知 联立 式得n 1 55 命题点二全反射现象的理解和综合分析 能力考点师生共研 1 分析综合问题的基本思路 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 应熟练掌握跟折射率有关的所有关系式 例2 2017 全国卷 34 2 如图6 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 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 答案 解析 图6 解析如图甲 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 i ic 设n是玻璃的折射率 由全反射临界角的定义有nsinic 1 由几何关系有 联立 式并利用题给条件 得 2 距光轴的入射光线经球面折射后与光轴的交点到O点的距离 答案 解析 答案2 74R 解析如图乙 设与光轴相距的光线在球面B点发生折射时的入射角和折射角分别为i1和r1 由折射定律有nsini1 sinr1 设折射光线与光轴的交点为C 在 OBC中 由正弦定理有 由几何关系有 C r1 i1 联立 式及题给条件得 变式2 2016 全国卷 34 2 如图7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 0m 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 1 求池内的水深 答案 解析 图7 解析光由A射向B恰好发生全反射 光路如图甲所示 甲 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 0m 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 解析 答案0 7m 解析光由A点射入救生员眼中光路图如图乙所示 乙 设 BE x 由几何关系得 由几何关系得 救生员到池边的水平距离为 BC 2m x 0 7m 变式3 2014 新课标全国 34 2 一个半圆柱形玻璃砖 其横截面是半径为R的半圆 AB为半圆的直径 O为圆心 如图8所示 玻璃的折射率为n 1 一束平行光垂直射向玻璃砖的下表面 若光线到达上表面后 都能从该表面射出 则入射光束在AB上的最大宽度为多少 答案 解析 图8 答案见解析 解析在O点左侧 设从E点射入的光线进入玻璃砖后在上表面的入射角恰好等于全反射的临界角 则OE区域的入射光线经上表面折射后都能从玻璃砖射出 如图甲 由全反射条件有sin 由几何关系有OE Rsin 由对称性可知 若光线都能从上表面射出 光束的宽度最大为l 2OE 联立 式 代入已知数据得l R 2 一细束光线在O点左侧与O相距R处垂直于AB从下方入射 求此光线从玻璃砖射出点的位置 答案 解析 答案见解析 60 光线在玻璃砖内会发生三次全反射 最后由G点射出 如图乙 由反射定律和几何关系得 射到G点的光有一部分被反射 沿原路返回到达C点射出 1 平行玻璃砖 三棱镜和圆柱体 球 对光路的控制 命题点三光路控制和色散 能力考点师生共研 特别提醒不同颜色的光的频率不同 在同一种介质中的折射率 光速也不同 发生全反射现象的临界角也不同 2 光的色散及成因 1 含有多种颜色的光被分解为单色光的现象称为光的色散 2 含有多种颜色的光从一种介质进入另一种介质 由于介质对不同色光的折射率不同 各种色光的偏折程度不同 所以产生光的色散 3 各种色光的比较 答案 解析 图9 得 1 30 2 37 由分析可知 恰好分开时 x d tan37 tan30 变式4如图10所示 一束宽度为d的平行光射向截面为正三角形的玻璃三棱镜 入射光与AB界面夹角为45 玻璃的折射率n 光束通过三棱镜后到达与BC界面平行的光屏PQ 求光屏PQ上光斑的宽度D 答案 解析 图10 解析设AB面的入射角为 折射角为 光线射到BC边时由几何关系可知入射角 30 得 45 变式5单色细光束射到折射率n 的透明球面 光束在过球心的平面内 入射角i 45 研究经折射进入球内后 又经内表面反射一次 再经球面折射后射出的光线 如图11所示 图上已画出入射光和出射光 1 在图上大致画出光线在球内的路径和方向 答案 解析 图11 答案见解析图 解析光线从入射到出射的光路如图所示 入射光线AB经玻璃折射后 折射光线为BC 又经球内壁反射后 反射光线为CD 再经折射后 折射出的光线为DE OB OD为球的半径 即为法线 2 求入射光与出射光之间的夹角 答案 解析 答案30 4r 2i 把r 30 i 45 代入得 30 课时作业 1 多选 如图1所示 有一束平行于等边三棱镜截面ABC的单色光从空气射入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 则下列说法正确的是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 波长变短D 光从空气进入棱镜 波速变小E 从F点出射的光束与入射到E点的光束平行 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 图1 由几何关系可知 在BC边上的入射角小于临界角 不会发生全反射 B错 三棱镜两次折射使得光线都向底边偏折 不会与入射到E点的光束平行 故E错误 1 2 3 4 5 6 7 8 2 如图2所示 光导纤维由内芯和包层两个同心圆柱体组成 其中心部分是内芯 内芯以外的部分为包层 光从一端进入 从另一端射出 下列说法正确的是A 内芯的折射率大于包层的折射率B 内芯的折射率小于包层的折射率C 不同频率的可见光从同一根光导纤维的一端传输到另一端所用的时间相同D 若紫光以如图所示角度入射时 恰能在内芯和包层分界面上发生全反射 则改用红光以同样角度入射时 也能在内芯和包层分界面上发生全反射 答案 图2 1 2 3 4 5 6 7 8 3 一束复色光由空气斜射向一块平行平面玻璃砖 经折射分成两束单色光a b 已知a光的频率小于b光的频率 下列光路图正确的是 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 解析两种单色光射入玻璃砖时的折射角小于入射角 据此可排除选项A B 已知a光的频率小于b光的频率 那么a光在玻璃砖中的折射率较小 入射角相同时 折射角较大 选项D正确 1 2 3 4 5 6 7 8 4 2015 重庆理综 11 1 虹和霓是太阳光在水珠内分别经过一次和两次反射后出射形成的 可用白光照射玻璃球来说明 两束平行白光照射到透明玻璃球后 在水平的白色桌面上会形成MN和PQ两条彩色光带 光路如图3所示 M N P Q点的颜色分别为A 紫 红 红 紫B 红 紫 红 紫C 红 紫 紫 红D 紫 红 紫 红 答案 图3 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 解析玻璃对红光的折射率最小 对紫光的折射率最大 由折射定律和反射定律可知M点为紫色 N点为红色 P点为红色 Q点为紫色 故A项正确 1 2 3 4 5 6 7 8 答案 解析 答案45 图4 得C 45 1 2 3 4 5 6 7 8 答案 解析 答案45 30 2 A点处光线的入射角和折射角 1 2 3 4 5 6 7 8 解析由题给条件画出光路图 如图所示 得i 45 1 2 3 4 5 6 7 8 6 2017 湖南长沙四县三月模拟 如图5所示 将半径为R的透明半球体放在水平桌面上方 O为球心 直径恰好水平 轴线OO 垂直于水平桌面 位于O点正上方某一高度处的点光源S发出一束与OO 夹角 60 的单色光射向半球体上的A点 光线通过半球体后刚好垂直射到桌面上的B点 已知O B R 光在真空中传播速度为c 不考虑半球体内光的反射 求 1 透明半球体对该单色光的折射率n 图5 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 解析光从光源S射出经半球体到达水平桌面的光路如图 得 COD 60 由几何知识知 COD 60 故 由几何知识得 60 1 2 3 4 5 6 7 8 2 该光在半球体内传播的时间 答案 解析 由几何关系知AC AO 且ACsin AO O B 1 2 3 4 5 6 7 8 7 2017 河北冀州2月模拟 在真空中有一正方体玻璃砖 其截面如图6所示 已知它的边长为d 在AB面上方有一单色点光源S 从S发出的光线SP以60 入射角从AB面中点射入 当它从侧面AD射出时 出射光线偏离入射光线SP的偏向角为30 若光从光源S到AB面上P点的传播时间和它在玻璃砖中传播的时间相等 求点光源S到P点的距离 答案 图6 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 由几何关系有 90 60 30 联立以上各式并代入数据得 45 60 1 2 3 4 5 6 7 8 设点光源到P点的距离为L 有L ct 1 2 3 4 5 6 7 8 答案 解析 图7 答案150 1 2 3 4 5 6 7 8 解析设图中N点为光线在球冠内底面上的反射点 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 由几何关系知 OAM为等边三角形 则 i 60 由折射定律有sini nsinr r 30 1 2 3 4 5 6 7 8 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 2 3 4 5 6 7 8