【步步高】年高考物理大一輪 第十二章 第3課時(shí) 光的折射　全反射 新人教版選修34

第3課時(shí)　光的折射　全反射 導(dǎo)學(xué)目標(biāo) 1.掌握光的折射定律，理解折射率的概念.2.理解全反射的概念，掌握全反射產(chǎn)生的條件． 一、光的折射定律和折射率 [基礎(chǔ)導(dǎo)引] 如圖1所示，一個(gè)儲油桶的底面直徑與高均為d.當(dāng)桶內(nèi)沒有油時(shí)，從某點(diǎn)A恰能看到桶底邊緣的某點(diǎn)B.當(dāng)桶內(nèi)油的深度等于桶高的一半時(shí)，仍沿AB方向看去，恰好看到桶底上的點(diǎn)C，C、B兩點(diǎn)相距.求油的折射率和光在油中傳播的速度． 圖1 [知識梳理] 1．折射現(xiàn)象 光從一種介質(zhì)斜射進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)傳播方向________的現(xiàn)象． 2．折射定律(如圖2所示) (1)內(nèi)容：折射光線與入射光線、法線處在____________內(nèi)，折 射光線與入射光線分別位于法線的兩側(cè)；入射角的正弦與折射 角的正弦成______比． 圖2 (2)表達(dá)式：＝n. (3)在光的折射現(xiàn)象中，光路是____的． 3．折射率 (1)物理意義：折射率是一個(gè)反映介質(zhì)的__________的物理量，折射率大，說明光線從空氣射入到該介質(zhì)時(shí)________，反之偏折?。? (2)定義式：n＝，不能說n與sin θ1成正比、與sin θ2成反比．折射率是由介質(zhì)本身的________和光的頻率決定的． (3)計(jì)算公式：n＝，因?yàn)関<c，所以任何介質(zhì)的折射率都大于____． (4)當(dāng)光從真空(或空氣)射入某種介質(zhì)時(shí)，入射角大于折射角；當(dāng)光由介質(zhì)射入真空(或空氣)時(shí)，入射角小于折射角． 二、全反射和臨界角 [基礎(chǔ)導(dǎo)引] 如圖3所示，在潛水員看來，岸上的所有景物都出現(xiàn)在一個(gè)倒立的圓錐里，為什么？這個(gè)圓錐的頂角是多大？(sin 48.8＝) 圖3 [知識梳理] 1．全反射 (1)條件：①光從________介質(zhì)射入________介質(zhì)． ②入射角______________臨界角． (2)現(xiàn)象：折射光完全消失，只剩下反射光． 2．臨界角：折射角等于90時(shí)的入射角，用C表示，sin C＝______. 3．應(yīng)用 (1)全反射棱鏡． (2)光導(dǎo)纖維． 三、光的色散、棱鏡 [知識梳理] 1．光的色散：含有多種顏色的光被分解為單色光的現(xiàn)象． 2．光譜：含有多種顏色的光被分解后，各種色光按其波長的有序排列． 3．棱鏡 (1)含義：截面是__________的玻璃儀器，可以使光發(fā)生色散，白光的色散表明各色光在同一介質(zhì)中的__________不同． (2)三棱鏡對光線的作用：改變光的傳播方向，使復(fù)色光發(fā)生色散. 考點(diǎn)一　折射率的理解 考點(diǎn)解讀 1．某種介質(zhì)的折射率是指光從真空或空氣進(jìn)入該介質(zhì)時(shí)入射角的正弦值與折射角的正弦值之比．如果是從該介質(zhì)進(jìn)入空氣或真空，則入射角的正弦值與折射角的正弦值之比等于折射率的倒數(shù)． 2．折射率的大小反映了介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)和入射光的頻率：(1)折射率越大，說明介質(zhì)對光的偏折作用越大，光線偏離原來傳播方向的程度越厲害．(2)介質(zhì)對光的折射率越大，說明該光在介質(zhì)中的傳播速度越小．(3)相對于同一介質(zhì)，折射率越大的光，其頻率越大． 3．各種色光的比較 顏色 紅 橙 黃 綠 藍(lán) 靛 紫 頻率ν 低―→高 同一介質(zhì)中折射率 小―→大 同一介質(zhì)中速度 大―→小 波長 大―→小 臨界角 大―→小 通過棱鏡的偏折角 小―→大 典例剖析 例1 為測量一塊等腰直角三棱鏡ABD的折射率，用一束激光沿平 行于BD邊的方向射向直角邊AB邊，如圖4所示．激光束進(jìn)入棱 圖4 鏡后射到另一直角邊AD邊時(shí)，剛好能發(fā)生全反射．該棱鏡的折射 率為多少？ 圖5 跟蹤訓(xùn)練1　如圖5所示，一貯液池高為H，某人手持手電筒 向池中照射時(shí)，光斑落在左邊池壁上a處，已知a與池底 相距h.現(xiàn)保持手電筒照射方向不變，當(dāng)池中注滿液體后光 斑恰好落在出液口處，此時(shí)液面上的光斑與左邊池壁相 距L，問： (1)液體的折射率； (2)若光在空氣中的速度為c，則光在液體中的速度為多大？ 考點(diǎn)二　全反射現(xiàn)象的理解與應(yīng)用 考點(diǎn)解讀 1．光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)是相對而言的．同一種介質(zhì)，相對于其他不同的介質(zhì)，可能是光密介質(zhì)，也可能是光疏介質(zhì)． 2．光從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)時(shí)，入射角大于折射角；光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，入射角小于折射角． 3．如果光線從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)，則無論入射角多大，都不會發(fā)生全反射現(xiàn)象． 4．光導(dǎo)纖維 (1)結(jié)構(gòu)：光導(dǎo)纖維(簡稱光纖)，是一種透明的玻璃纖維絲，由內(nèi)芯和外套兩層組成，內(nèi)芯的折射率大于外套的折射率，即內(nèi)芯是光密介質(zhì)，外套是光疏介質(zhì)． (2)原理：光在光纖的內(nèi)芯中傳播，每次射到內(nèi)、外層的界面上時(shí)，都要求入射角大于臨界角，從而發(fā)生全反射． 典例剖析 例2　如圖6所示，一束截面為圓形(半徑為R)的平行白光垂直射向 一玻璃半球的平面，經(jīng)折射后在屏幕S上形成一個(gè)圓形彩色亮 區(qū)．已知玻璃半球的半徑為R，屏幕S至球心的距離為d(d>3R)， 不考慮光的干涉和衍射，試問： 圖6 (1)在屏幕S上形成的圓形亮區(qū)的最外側(cè)是什么顏色？ (2)若玻璃半球?qū)?1)中色光的折射率為n，請你求出圓形亮區(qū)的最大半徑． 方法歸納　此類問題涉及光的折射、光的色散和全反射現(xiàn)象，綜合性比較強(qiáng)． (1)各種色光中紫光折射率最大，紅光折射率最小，故由折射形成的彩色光帶中紫光偏折角最大． (2)利用sin C＝判斷臨界角，找出臨界光線，畫出光路圖是解答問題的關(guān)鍵． 圖7 跟蹤訓(xùn)練2　在某科技館內(nèi)放置了一個(gè)高大的半圓柱形透明物體，其 俯視圖如圖7所示，O為半圓的圓心．甲、乙兩同學(xué)為了估測該透 明體的折射率，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)．他們分別站在A、O處時(shí)，相互 看著對方，然后兩人貼著柱體慢慢向一側(cè)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)B、C處時(shí)， 甲剛好看不到乙．已知半圓柱體的半徑為R，OC＝0.6R， BC⊥OC，則半圓柱形透明物體的折射率為多少？ 考點(diǎn)三　光的折射對光路的控制 考點(diǎn)解讀 1．玻璃磚對光路的控制 兩平面平行的玻璃磚，出射光線和入射光線平行，且光線發(fā)生了側(cè)移，如圖8所示． 圖8 2．三棱鏡對光路的控制(1)光密三棱鏡：光線兩次折射均向底面偏 折，偏折角為δ，如圖9所示． (2)光疏三棱鏡：光線兩次折射均向頂角偏折． 圖9 (3)全反射棱鏡(等腰直角棱鏡)，如圖10所示． 　圖10 ①當(dāng)光線從一直角邊垂直射入時(shí)，在斜邊發(fā)生全反射，從另一直角邊垂直射出(如圖10甲)． ②當(dāng)光線垂直于斜邊射入時(shí)，在兩直角邊發(fā)生全反射后又垂直于斜邊射出(如圖10乙)，入射光線和出射光線互相平行． 特別提醒　不同顏色的光的頻率不同，在同一種介質(zhì)中的折射率、光速也不同，發(fā)生全反射現(xiàn)象的臨界角也不同． 典例剖析 圖11 例3　雨過天晴，人們?？吹教炜罩谐霈F(xiàn)彩虹，它是由陽光照射 到空中彌漫的水珠上時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象．在說明這個(gè)現(xiàn)象時(shí)，需要 分析光線射入水珠后的光路，一細(xì)束光線射入水珠，水珠可視 為一個(gè)半徑為R＝10 mm的球，球心O到入射光線的垂直距離 為d＝8 mm，水的折射率為n＝4/3. (1)在圖11中畫出該束光線射入水珠后，第一次從水珠中射出的光路圖． (2)求這束光線從射向水珠到第一次射出水珠，光線偏轉(zhuǎn)的角度． 跟蹤訓(xùn)練3　如圖12所示，A、B、C為等腰棱鏡，a、b兩束不同頻率 的單色光垂直AB邊射入棱鏡，兩束光在AB面上的入射點(diǎn)到OC的距 離相等，兩束光折射后相交于圖中的P點(diǎn)，以下判斷正確的是 (　　) A．在真空中，a光光速大于b光光速 B．在真空中，a光波長大于b光波長 圖12 C．a(chǎn)光通過棱鏡的時(shí)間大于b光通過棱鏡的時(shí)間 D．a(chǎn)、b兩束光從同一介質(zhì)射入真空的過程中，a光發(fā)生全反射的臨界角大于b光發(fā)生全反射的臨界角 　　　　　　　　　　　　15.平行玻璃磚模型 例4　如圖13所示，兩塊相同的玻璃等腰三棱鏡ABC置于空 氣中，兩者的AC面相互平行放置，由紅光和藍(lán)光組成的 細(xì)光束平行于BC面從P點(diǎn)射入，通過兩棱鏡后，變?yōu)閺? a、b兩點(diǎn)射出的單色光，對于這兩束單色光 (　　) 圖13 A．紅光在玻璃中傳播速度比藍(lán)光大 B．從a點(diǎn)射出的為紅光，從b點(diǎn)射出的為藍(lán)光 C．從a、b兩點(diǎn)射出的單色光不平行 D．從a、b兩點(diǎn)射出的單色光仍平行，且平行于BC 建模感悟　平時(shí)碰到的兩面平行的玻璃磚往往是清清楚楚畫出來的，是“有形”的，其折射率大于周圍介質(zhì)的折射率，這時(shí)光線的側(cè)移方向也是我們熟悉的．而該題中，未知介質(zhì)形成的兩面平行的“玻璃磚”并未勾勒出來，倒是其兩側(cè)的介質(zhì)(三棱鏡)被清楚地勾勒出來了，而且前者的折射率未必大于后者．這就在一定程度上掩蓋了兩面平行的“玻璃磚”的特征．因此我們不僅要熟悉光學(xué)元件的光學(xué)特征，而且要會靈活地運(yùn)用，將新的情景轉(zhuǎn)化為我們熟知的模型． 跟蹤訓(xùn)練4　如圖14所示為兩塊同樣的玻璃直角三棱鏡ABC，兩者的AC面是平行放置的，在它們之間是均勻的未知透明介質(zhì)．一單色細(xì)光束O垂直于AB面入射，在圖示的出射光線中，下列說法正確的是 (　　) 圖14 A．1、2、3(彼此平行)中的任一條都有可能 B．4、5、6(彼此平行)中的任一條都有可能 C．7、8、9(彼此平行)中的任一條都有可能 D．只能是4、6中的某一條 A組　折射定律的理解及應(yīng)用 圖15 1．(2010全國Ⅱ20)頻率不同的兩束單色光1和2以相同的入射角從同 一點(diǎn)射入一厚玻璃板后，其光路如圖15所示，下列說法正確的是 (　　) A．單色光1的波長小于單色光2的波長 B．在玻璃中單色光1的傳播速度大于單色光2的傳播速度 C．單色光1通過玻璃板所需的時(shí)間小于單色光2通過玻璃板所需的時(shí)間 D．單色光1從玻璃到空氣的全反射臨界角小于單色光2從玻璃到空氣的全反射臨界角 2．半徑為R的玻璃圓柱體，截面如圖16所示，圓心為O，在同一 截面內(nèi)，兩束相互垂直的單色光射向圓柱面的A、B兩點(diǎn)，其 中一束沿AO方向，∠AOB＝30，若玻璃對此單色光的折射率n ＝. 圖16 (1)試作出兩條光線從射入到第一次射出的光路圖，并求出各光 線射出時(shí)的折射角；(當(dāng)光線射向柱面時(shí)，如有折射光線則不考慮反射光線) (2)求兩條光線經(jīng)圓柱體后第一次射出的光線的交點(diǎn)(或反向延長線的交點(diǎn))與A點(diǎn)的距離． B組　全反射現(xiàn)象的理解及應(yīng)用 圖17 3. 如圖17所示，一細(xì)束紅光和一細(xì)束藍(lán)光平行射到同一個(gè)三棱鏡 上，經(jīng)折射后交于光屏上的同一個(gè)點(diǎn)M，若用n1和n2分別表示 三棱鏡對紅光和藍(lán)光的折射率，下列說法中正確的是 (　　) A．n1<n2，a為紅光，b為藍(lán)光 B．n1<n2，a為藍(lán)光，b為紅光 C．n1>n2，a為紅光，b為藍(lán)光 D．n1>n2，a為藍(lán)光，b為紅光 4．一束單色光由左側(cè)射入盛有清水的薄壁圓柱形玻璃杯，圖18為過軸線的截面圖，調(diào)整入射角α，使光線恰好在水和空氣的界面上發(fā)生全反射，已知水的折射率為，求sin α的值． 圖18 課時(shí)規(guī)范訓(xùn)練 (限時(shí)：45分鐘) 一、選擇題 1．香港中文大學(xué)第三任校長高錕榮獲了2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．諾貝爾獎(jiǎng)委員會高度評價(jià)了高錕的貢獻(xiàn)，評委會指出：高錕1966年發(fā)現(xiàn)如何通過光學(xué)玻璃纖維遠(yuǎn)距離傳輸光信號的工作，成為今日電話和高速互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的基石．下列說法中，正確的是 (　　) A．光纖通信具有傳輸容量大、衰減小、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) B．光纖通信、全息照相、數(shù)碼相機(jī)及醫(yī)用纖維式內(nèi)窺鏡都是利用了光的全反射原理 C．實(shí)用光導(dǎo)纖維是由內(nèi)芯和外套兩層組成，內(nèi)芯的折射率比外套的小，光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射 D．當(dāng)今，在信號的傳輸領(lǐng)域中，光纖電纜(“光纜”)已經(jīng)幾乎完全取代了傳統(tǒng)的銅質(zhì)“電纜”，成為傳播信息的主要工具，是互聯(lián)網(wǎng)的骨架，并已聯(lián)接到普通社區(qū) 圖1 2．如圖1所示，MN是位于豎直平面內(nèi)的光屏，放在水平面上的半圓 柱形玻璃磚的平面部分ab與屏平行．由光源S發(fā)出的一束白光從半 圓沿半徑射入玻璃磚，通過圓心O再射到屏上．在水平面內(nèi)以O(shè)點(diǎn) 為圓心沿逆時(shí)針方向緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)玻璃磚，在光屏上出現(xiàn)了彩色光 帶．當(dāng)玻璃磚轉(zhuǎn)動(dòng)角度大于某一值時(shí)，屏上彩色光帶中的某種顏色 的色光首先消失．有關(guān)彩色的排列順序和最先消失的色光是 (　　) A．左紫右紅，紫光 B．左紅右紫，紫光 C．左紫右紅，紅光 D．左紅右紫，紅光 3．很多公園的水池底都裝有彩燈，當(dāng)一細(xì)束由紅、藍(lán)兩色組成的燈光從水中斜射向空氣時(shí)，關(guān)于光在水面可能發(fā)生的反射和折射現(xiàn)象，下列光路圖中正確的是 (　　) 圖2 4．某物理興趣小組用實(shí)驗(yàn)探究光的色散規(guī)律，他們將半圓形玻璃磚放在 豎直面內(nèi)，在其左方豎直放置一個(gè)很大的光屏P，讓一復(fù)色光束SA射 向玻璃磚的圓心O后，有兩束單色光a和b射向光屏P，如圖2所示．他 們根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出了以下四個(gè)猜想，你認(rèn)為正確的是 (　　) A．單色光a的波長小于單色光b的波長 B．在玻璃中單色光a的傳播速度大于單色光b的傳播速度 C．單色光a通過玻璃磚所需的時(shí)間大于單色光b通過玻璃磚所需的時(shí)間 D．當(dāng)光束SA繞圓心O逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，在光屏P上最早消失的是a光 5.下列說法正確的是 (　　) A．太陽光通過三棱鏡形成彩色光譜，這是光的干涉的結(jié)果 B．用光導(dǎo)纖維傳送圖象信息，這是光的衍射的應(yīng)用 C．瞇著眼睛看發(fā)光的燈絲時(shí)能觀察到彩色條紋，這是光的偏振現(xiàn)象 D．在照相機(jī)鏡頭前加裝偏振濾光片拍攝日落時(shí)水面下的景物，可使景像清晰 6. 一束白光從頂角為θ的一邊以較大的入射角i射入并通過三棱鏡 后，在屏P上可得到彩色光帶，如圖3所示，在入射角i逐漸減小 到零的過程中，假如屏上的彩色光帶先后全部消失，則(　　) 圖3 A．紅光最先消失，紫光最后消失 B．紫光最先消失，紅光最后消失 C．紫光最先消失，黃光最后消失 D．紅光最先消失，黃光最后消失 7．如圖4所示，紅色細(xì)光束a射到折射率為的透明球表面，入射角為 45，在球的內(nèi)壁經(jīng)過一次反射后，從球面射出的光線為b，則入射光 線a與出射光線b之間的夾角α為 (　　) A．30 B．45 圖4 C．60 D．75 8. 如圖5所示，ABC為等腰棱鏡，兩束頻率不同、寬度均為d的平行光 a和b，分別垂直AB邊射向棱鏡，棱鏡的對稱軸OC為兩束光的分界 線，棱鏡對a光和b光的折射率分別為n1和n2，且n1<n2，則(　　) A．由玻璃射向真空發(fā)生全反射時(shí)玻璃對a光的臨界角比對b光的小 圖5 B．在玻璃中a光的光速比b光的小 C．分別從棱鏡的BC、AC邊射出后，a光的寬度比b光的大 D．用同一裝置做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，a光干涉條紋間距比b光的小 9. 空氣中兩條光線a和b從方框左側(cè)入射，分別從方框下方和上方 射出，其框外光線如圖6所示．方框內(nèi)有兩個(gè)折射率n＝1.5的玻 璃全反射棱鏡．下列選項(xiàng)中給出了兩棱鏡四種放置方式的示意 圖，其中能產(chǎn)生上述效果的是 (　　) 二、非選擇題 圖7 10. 圖7是光從介質(zhì)1進(jìn)入介質(zhì)2的折射情況，根據(jù)光路圖可 知：兩種介質(zhì)相比較，介質(zhì)1是______介質(zhì)，介質(zhì)2是 ______介質(zhì)；光在介質(zhì)中的波長λ1____λ2(選填“>”、 “＝”或“<”)．頻率ν1____ν2(選填“>”、“＝”或 “<”)． 圖8 11. 如圖8所示是一透明的圓柱體的橫截面，其半徑R＝20 cm， 折射率為，AB是一條直徑，今有一束平行光沿AB方向射 向圓柱體，試求： (1)光在圓柱體中的傳播速度； (2)距離直線AB多遠(yuǎn)的入射光線，折射后經(jīng)過B點(diǎn)． 12．圖9 夏日晚上，小明去游泳池游泳，他站在池邊發(fā)現(xiàn)對岸標(biāo) 桿上有一燈A，水下池壁上有一彩燈B(B燈在圖中未畫 出)，如圖9所示，他調(diào)整自己到岸邊的距離，直到發(fā)現(xiàn)A 燈經(jīng)水面反射所成的像與B燈經(jīng)水面折射后所成的像重 合，此時(shí)人到對岸的距離L＝10 m，A燈距水面高為0.5 m，人眼E距水面高為2 m，水的折射率為. (1)畫出小明看到A、B燈的像重合時(shí)的光路圖； (2)求B燈在水面下的深度． 復(fù)習(xí)講義 基礎(chǔ)再現(xiàn) 一、 基礎(chǔ)導(dǎo)引　1.58　1.9108 m/s 知識梳理　1.改變　2.(1)同一平面　正　(3)可逆　3.(1)光學(xué)性質(zhì)　偏折大　(2)光學(xué)性質(zhì)　(3)1 二、 基礎(chǔ)導(dǎo)引　見解析 解析　岸上所有景物發(fā)出的光，射向水面時(shí)入射角θ1分布在0到90之間，射入水中后的折射角θ2在0至臨界角之間可以求出光從水中射向空氣的臨界角C.如圖所示，幾乎貼著水面射入水里的光線，在潛水員看來是從折射角為C的方向射來的，水面上其他方向射來的光線，折射角都小于C.因此認(rèn)為水面以上所有的景物都出現(xiàn)在頂角為2C的圓錐里． 由公式sin C＝和水的折射率n＝1.33，可求得臨界角 C＝arcsin ≈48.8 設(shè)圓錐的頂角為θ，則有 θ＝2C＝97.6. 知識梳理　1.(1)①光密　光疏?、诖笥诨虻扔凇?. 三、 3．(1)三角形　折射率 課堂探究 例1　 跟蹤訓(xùn)練1　(1) (2)c 例2　(1)紫色　(2)d－nR 跟蹤訓(xùn)練2　 例3　(1)見解析　(2)32 解析　(1)如圖所示． 跟蹤訓(xùn)練3　C　 例4　ABD　 跟蹤訓(xùn)練4　B　 分組訓(xùn)練 1．AD 2．(1)光路圖見解析　0　60 (2)(－1)R 解析　(1)過A點(diǎn)的光線不偏折，折射角為0. 設(shè)過B的光線折射角為θ， 則n＝＝，故θ＝30 經(jīng)C點(diǎn)發(fā)生折射，入射角為30， 同理折射角為60 光路圖如圖所示． 3．B　[由題圖可知，b光線經(jīng)過三棱鏡后的偏折角較小，因此折射率較小，是紅光．故B正確．] 4. 課時(shí)規(guī)范訓(xùn)練 1．AD　 2．B　 3．C　 4．B　 5．D　 6．B　 7．A　 8．C　 9．B　 10．光密　光疏　<　＝ 11．(1)108 m/s　(2)10 cm 12．(1)見解析圖　(2)1.89 m 12