高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十三章 振動(dòng)與波 光學(xué) 相對(duì)論 第3講 光的折射 全反射課件.ppt

課標(biāo)版物理 第3講光的折射全反射 一 光的折射1 折射現(xiàn)象 光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí) 在界面上光路 的現(xiàn)象 2 折射定律 折射光線與入射光線 法線在同一平面內(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正比 即 n12 3 折射率 1 定義 光從真空射入某種介質(zhì)發(fā)生折射時(shí) 入射角 1的正弦與折射角 2的正弦之比 叫做這種介質(zhì)的折射率 發(fā)生改變 2 表達(dá)式 n 3 決定因素 由介質(zhì)本身及光的頻率共同決定 4 折射率與光速的關(guān)系介質(zhì)的折射率等于光在真空中的速度與在該介質(zhì)中的速度之比 即n 5 光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)兩種介質(zhì)相比較 折射率大的介質(zhì)叫 介質(zhì) 折射率小的介質(zhì)叫 介質(zhì) 光密 光疏 自測(cè)1 辨析題 1 光的傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象叫光的折射 2 無(wú)論是折射光路 還是全反射光路都是可逆的 3 在同一種介質(zhì)中 光的頻率越大 折射率越大 4 密度大的介質(zhì)一定是光密介質(zhì) 答案 1 2 3 4 二 全反射1 定義 光從 射向 當(dāng)入射角增大到某一角度時(shí) 光線將消失 只剩下 光線的現(xiàn)象 2 條件 1 光從 介質(zhì)射向 介質(zhì) 2 入射角 臨界角 3 臨界角 折射角等于90 時(shí)的入射角 若光從光密介質(zhì) 折射率為n 射向真空或空氣時(shí) 發(fā)生全反射的臨界角為c 則sinc 4 全反射現(xiàn)象的應(yīng)用 1 解釋現(xiàn)象 如水中的氣泡看起來(lái)特別亮 2 光導(dǎo)纖維 光密介質(zhì) 光疏介質(zhì) 折射 反射 光密 光疏 大于等于 a 構(gòu)造 它由內(nèi)芯和外套兩層組成 內(nèi)芯的折射率比外套的大 光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射 b 光纖通信的主要優(yōu)點(diǎn)是容量大 衰減小 抗干擾性強(qiáng)等 自測(cè)2光導(dǎo)纖維由 內(nèi)芯 和 包層 兩個(gè)同心圓柱體組成 其中心部分是內(nèi)芯 內(nèi)芯以外的部分為包層 光從一端進(jìn)入 從另一端射出 下列說(shuō)法正確的是 a 內(nèi)芯的折射率大于包層的折射率 b 內(nèi)芯的折射率小于包層的折射率c 不同頻率的可見(jiàn)光從同一根光導(dǎo)纖維的一端傳輸?shù)搅硪欢怂玫臅r(shí)間相同d 若紫光以如圖所示角度入射時(shí) 恰能在內(nèi)芯和包層分界面上發(fā)生全反射 則改用紅光以同樣角度入射時(shí) 也能在內(nèi)芯和包層分界面上發(fā)生全反射答案a因光導(dǎo)纖維是依據(jù)全反射原理工作的 可知內(nèi)芯的折射率大于包層的折射率 選項(xiàng)a正確b錯(cuò)誤 不同頻率的可見(jiàn)光從同一根光導(dǎo)纖維的一端傳輸?shù)搅硪欢怂玫臅r(shí)間不相同 選項(xiàng)c錯(cuò)誤 若紫光以如圖所示角度入射時(shí) 恰能在內(nèi)芯和包層分界面上發(fā)生全反射 則改用紅光以同樣角度入射時(shí) 由于紅光的臨界角大于紫光的臨界角 所以紅光不能在內(nèi)芯和包層分界面上發(fā)生全反射 選項(xiàng)d錯(cuò)誤 考點(diǎn)一折射定律及折射率的應(yīng)用1 對(duì)折射率的理解 1 公式n 中 不論是光從真空射入介質(zhì) 還是從介質(zhì)射入真空 1總是真空中的光線與法線間的夾角 2總是介質(zhì)中的光線與法線間的夾角 2 折射率由介質(zhì)本身的性質(zhì)決定 與入射角的大小無(wú)關(guān) 3 折射率與介質(zhì)的密度沒(méi)有關(guān)系 光密介質(zhì)不是指密度大的介質(zhì) 4 折射率的大小不僅與介質(zhì)本身有關(guān) 還與光的頻率有關(guān) 同一種介質(zhì)中 頻率越大的色光折射率越大 傳播速度越小 5 同一種色光 在不同介質(zhì)中雖然波速 波長(zhǎng)不同 但頻率相同 2 光路的可逆性 在光的折射現(xiàn)象中 光路是可逆的 如果讓光線逆著原來(lái)的折射光線射到界面上 光線就會(huì)逆著原來(lái)的入射光線射出 典例1 2015河南開(kāi)封模擬 半徑為r的玻璃圓柱體 截面如圖所示 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(duì)此單色光的折射率n 1 試作出兩條光線從射入到第一次射出的光路途徑 并求出b光第一次射出圓柱面時(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 并作出光路圖 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(zhǎng)線的交點(diǎn) 與a點(diǎn)的距離 答案 1 見(jiàn)解析 2 1 r解析 1 a光過(guò)圓心 射入和射出玻璃圓柱體方向始終不變 射出玻璃圓柱體的折射角為0 b光從b點(diǎn)射入 設(shè)折射角為r 第一次在c點(diǎn)射出 設(shè)b光第一次射出圓柱面時(shí)的折射角為i2 由折射定律 n 解得r 30 由折射定律 n 解得i2 60 光路圖如圖所示 2 設(shè)b光從c點(diǎn)射出光線反向延長(zhǎng)線交a光于d點(diǎn) 由圖可知 doc為直角 da rtan60 r 1 r 解決光的折射問(wèn)題的一般思路 1 根據(jù)題意畫(huà)出正確的光路圖 2 利用幾何關(guān)系確定光路中的邊 角關(guān)系 要注意入射角 折射角均以法線為標(biāo)準(zhǔn) 3 利用折射定律 折射率公式求解 1 1 2015安徽理綜 18 6分 如圖所示 一束單色光從空氣入射到棱鏡的ab面上 經(jīng)ab和ac兩個(gè)面折射后從ac面進(jìn)入空氣 當(dāng)出射角i 和入射角i相等時(shí) 出射光線相對(duì)于入射光線偏轉(zhuǎn)的角度為 已知棱鏡頂角為 則計(jì)算棱鏡對(duì)該色光的折射率表達(dá)式為 a b c d 答案a由圖可知 當(dāng)出射角與入射角相等時(shí) ab面上的折射角與ac面上的入射角相等 設(shè)為r 由幾何關(guān)系可知 180 2r 180 得 2r 而 2 i r 得i 由折射定律得n 選項(xiàng)a正確 考點(diǎn)二對(duì)全反射現(xiàn)象的理解和應(yīng)用1 在光的反射和全反射現(xiàn)象中 均遵循光的反射定律 光路均是可逆的 2 當(dāng)光射到兩種介質(zhì)的界面上時(shí) 往往同時(shí)發(fā)生光的折射和反射現(xiàn)象 但在全反射現(xiàn)象中 只發(fā)生反射 不發(fā)生折射 當(dāng)折射角等于90 時(shí) 實(shí)際上就已經(jīng)沒(méi)有折射光了 3 全反射現(xiàn)象可以從能量的角度去理解 當(dāng)光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí) 在入射角逐漸增大的過(guò)程中 反射光的能量逐漸增強(qiáng) 折射光的能量逐漸減弱 當(dāng)入射角等于臨界角時(shí) 折射光的能量已經(jīng)減弱為零 這時(shí)就發(fā)生了全反射 典例2如圖所示 為某種透明介質(zhì)的截面圖 aoc為等腰直角三角形 bc為半徑r 10cm的四分之一圓弧 ab與水平屏幕mn垂直并接觸于a點(diǎn) 由紅光和紫光兩種單色光組成的復(fù)色光射向圓心o 在ab分界面上的入射角i 45 結(jié)果在水平屏幕mn上出現(xiàn)兩個(gè)亮斑 已知該介質(zhì)對(duì)紅光和紫光的折射率分別為n1 n2 1 判斷在am和an兩處產(chǎn)生亮斑的顏色 2 求兩個(gè)亮斑間的距離 答案 1 見(jiàn)解析 2 5 10 cm解析 1 設(shè)紅光和紫光的臨界角分別為c1 c2 sinc1 解得c1 60 同理c2 45 因i 45 c2 c1 所以紫光在ab面發(fā)生全反射 而紅光在ab面一部分折射 一部分反射 且由幾何關(guān)系可知 反射光線與ac垂直 所以在am處產(chǎn)生的亮斑為紅色 在an處產(chǎn)生的亮斑為紅色與紫色的復(fù)合光 2 光路圖如圖所示設(shè)折射角為r 兩個(gè)光斑分別為p1 p2 根據(jù)折射定律n1 求得sinr 由幾何知識(shí)可得 tanr 解得ap1 5cm 由幾何知識(shí)可得 oap2為等腰直角三角形 解得ap2 10cm 所以p1p2 5 10 cm 解答全反射類(lèi)問(wèn)題的技巧 1 根據(jù)題意畫(huà)出光的折射或恰好發(fā)生全反射的光路圖 2 作圖時(shí)找出具有代表性的光線 如符合邊界條件的臨界光線等 3 利用平面幾何知識(shí)分析線 角關(guān)系 找出入射角 折射角或臨界角 注意入射角 折射角均以法線為標(biāo)準(zhǔn) 4 以剛好發(fā)生全反射的光線為比較對(duì)象 來(lái)判斷光線是否發(fā)生全反射 從而畫(huà)出其他光線的光路圖 2 1圖是一個(gè)圓柱體棱鏡的截面圖 圖中e f g h將半徑om分成5等份 虛線ee1 ff1 gg1 hh1平行于半徑on on邊可吸收到達(dá)其上的所有光線 已知該棱鏡的折射率n 若平行光束垂直入射并覆蓋om 則光線 a 不能從圓弧射出b 只能從圓弧射出 c 能從圓弧射出d 能從圓弧射出答案b因折射率n 其臨界角c arcsin 37 由幾何關(guān)系知沿gg1的光線恰好發(fā)生全反射 只有從og射入的光線可從圓弧射出 而從gm射入的光線在上發(fā)生全反射 選b 考點(diǎn)三光的色散1 光速與波長(zhǎng) 頻率的關(guān)系光速v與波長(zhǎng) 頻率f的關(guān)系為v f 光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí) 頻率不變 波長(zhǎng)改變 光速改變 2 各種色光的比較 典例3 2015課標(biāo) 34 1 5分 多選 如圖 一束光沿半徑方向射向一塊半圓柱形玻璃磚 在玻璃磚底面上的入射角為 經(jīng)折射后射出a b兩束光線 則 a 在玻璃中 a光的傳播速度小于b光的傳播速度b 在真空中 a光的波長(zhǎng)小于b光的波長(zhǎng) c 玻璃磚對(duì)a光的折射率小于對(duì)b光的折射率d 若改變光束的入射方向使 角逐漸變大 則折射光線a首先消失e 分別用a b光在同一個(gè)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置上做實(shí)驗(yàn) a光的干涉條紋間距大于b光的干涉條紋間距答案abd從光路圖看 入射角相同 a光的折射角較大 所以玻璃磚對(duì)a光的折射率較大 a光的頻率較大 波長(zhǎng)較短 b正確 c不正確 根據(jù)n 知va vb a正確 隨著入射角增大 a光的折射角先達(dá)到90 d正確 在同一個(gè)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置上做實(shí)驗(yàn) 由 x 知光的波長(zhǎng)越長(zhǎng) 干涉條紋間距越大 e錯(cuò)誤 3 1 2015福建理綜 13 6分 如圖 一束光經(jīng)玻璃三棱鏡折射后分為兩束單色光a b 波長(zhǎng)分別為 a b 該玻璃對(duì)單色光a b的折射率分別為na nb 則 a anbb a b na b na nb 答案b由圖可知b光偏折程度大 則na b b項(xiàng)正確 考點(diǎn)四折射定律與全反射的綜合應(yīng)用求解光的折射與全反射的綜合問(wèn)題時(shí) 要抓住折射定律和發(fā)生全反射的條件這兩個(gè)關(guān)鍵 基本思路如下 1 判斷光線是從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì) 還是從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì) 2 判斷入射角是否大于臨界角 明確是否發(fā)生全反射現(xiàn)象 3 畫(huà)出反射 折射或全反射的光路圖 必要時(shí)還可應(yīng)用光路的可逆原理畫(huà)出光路圖 然后結(jié)合幾何知識(shí)進(jìn)行推斷和求解相關(guān)問(wèn)題 4 折射率n是討論折射和全反射問(wèn)題的重要物理量 是聯(lián)系各物理量的橋梁 對(duì)跟折射率有關(guān)的所有關(guān)系式應(yīng)熟練掌握 典例4 2013課標(biāo) 34 2 9分 圖示為一光導(dǎo)纖維 可簡(jiǎn)化為一長(zhǎng)玻璃絲 的示意圖 玻璃絲長(zhǎng)為l 折射率為n ab代表端面 已知光在真空中的傳播速度為c 為使光線能從玻璃絲的ab端面?zhèn)鞑サ搅硪欢嗣?求光線在端面ab上的入射角應(yīng)滿(mǎn)足的條件 求光線從玻璃絲的ab端面?zhèn)鞑サ搅硪欢嗣嫠璧淖铋L(zhǎng)時(shí)間 答案 sini 解析 設(shè)光線在端面ab上c點(diǎn) 如圖 的入射角為i 折射角為r 由折射定律有sini nsinr 設(shè)該光線射向玻璃絲內(nèi)壁d點(diǎn)的入射角為 為了使該光線可在此光導(dǎo)纖維中傳播 應(yīng)有 式中 是光線在玻璃絲內(nèi)發(fā)生全反射時(shí)的臨界角 它滿(mǎn)足nsin 1 由幾何關(guān)系得 r 90 由 式得sini 光在玻璃絲中傳播速度的大小為v 光速在玻璃絲軸線方向的分量為vz vsin 光線從玻璃絲端面ab傳播到其另一端面所需時(shí)間為 t 光線在玻璃絲中傳播 在剛好發(fā)生全反射時(shí) 光線從端面ab傳播到其另一端面所需的時(shí)間最長(zhǎng) 由 式得tmax 4 1 2015山東濰坊模擬 半徑為r的玻璃半圓柱體 橫截面如圖所示 圓心為o 底邊水平 一束單色光豎直向下射向圓柱面 入射點(diǎn)為p 入射角為60 經(jīng)折射后射向底邊的q點(diǎn) 圖中未畫(huà)出 已知玻璃的折射率n 1 求p q間的距離 2 光線pq能否在q點(diǎn)發(fā)生全反射 答案 1 r 2 不能解析 1 畫(huà)出光路圖 如圖所示 由折射定律有n 其中 60 n 得折射角 30 由幾何關(guān)系得cos30 cos60 得pq r 2 由幾何關(guān)系知 在底面上q點(diǎn) 入射角為30 sin30 故不能發(fā)生全反射 4 2 2014山東理綜 38 2 如圖 三角形abc為某透明介質(zhì)的橫截面 o為bc邊的中點(diǎn) 位于截面所在平面內(nèi)的一束光線自o以角i入射 第一次到達(dá)ab邊恰好發(fā)生全反射