第十三章 第一講 光的折射 全反射

第十三章第一講光的折射全反射第一頁，共五十六頁，2022年，8月28日走進高考第一關(guān)考點關(guān)第二頁，共五十六頁，2022年，8月28日考點精析一?光的直線傳播1.光源:能自行發(fā)光的物體,如電燈、蠟燭、太陽等.光源是把其他形式的能轉(zhuǎn)化為光能的裝置.2.介質(zhì):光能夠在其中傳播的物質(zhì),如空氣、玻璃等.3.光線:用來表示光束傳播方向的直線.第三頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.光的直線傳播(1)光在同一種[1]均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的.小孔成像、影子、日食、月食等光現(xiàn)象都是光沿[2]直線傳播的結(jié)果.人眼是根據(jù)兩只眼對物體的視角來確定物體的位置的.(2)光的傳播速度①光在不同介質(zhì)中的傳播速度不同.②光在真空中的傳播速度最大,其大小約為c=3.0×108m/s;在其他介質(zhì)中光的傳播速度v<3.0×108m/s.第四頁，共五十六頁，2022年，8月28日二、光的反射1.概念:光線入射到兩種介質(zhì)的界面上時,光的傳播方向發(fā)生改變,一部分光返回原來的介質(zhì)中的現(xiàn)象,叫做光的反射.2.光的反射定律(1)反射光線和入射光線在[3]同一平面內(nèi),反射光線和入射光線分居在法線兩側(cè).(2)反射角等于[4]入射角.第五頁，共五十六頁，2022年，8月28日3.分類:反射可分為漫反射和鏡面反射.使平行入射的光線沿不同方向反射出去叫[5]漫反射;使平行入射的光線沿同一方向平行反射出去叫[6]鏡面反射.想一想:漫反射遵守光的反射定律嗎?第六頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.平面鏡成像平面鏡是利用光的反射來控制光路和成像的光學(xué)器件.(1)平面鏡對光束的作用:平面鏡反射光束時,只改變光束的[7]傳播方向,不改變光束的性質(zhì).即入射光束分別為平行、發(fā)射和會聚光束,[8]經(jīng)平面鏡反射后的光束仍分別為平行、發(fā)散和會聚光束,且發(fā)射和會聚的程度不變.光線入射方向保持不變時,平面鏡鏡面繞過入射點且垂直入射光線的軸轉(zhuǎn)過α角,反射光線將轉(zhuǎn)過2α角.這就是平面鏡的“放大”作用.第七頁，共五十六頁，2022年，8月28日(2)平面鏡成像特點:成與物等大的正立的[9]虛像,物像關(guān)于鏡面對稱.(3)平面鏡成像的作圖方法.①反射定律法:從物點作任意兩條入射光線射向平面鏡,由反射定律作出其反射光線,反射光線的反向延長線的交點即為(虛)像點.②對稱法:先根據(jù)平面鏡成像的對稱性,作出虛像點,再補畫入射光線和反射光線.第八頁，共五十六頁，2022年，8月28日三、光的折射1.光的折射光由一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時,在界面上將發(fā)生光路改變的現(xiàn)象叫光的折射.折射不僅可以改變光路,還可以改變光束的性質(zhì).第九頁，共五十六頁，2022年，8月28日2.光的折射定律

內(nèi)容:折射光線跟入射光線和[10]法線處在同一平面內(nèi),折射光線和入射光線分居在法線兩側(cè);入射角的正弦與折射角的正弦[11]成正比,即

在光的折射現(xiàn)象中光路也是可逆的.第十頁，共五十六頁，2022年，8月28日3.折射率

(1)定義:光由真空射入某種介質(zhì)發(fā)生折射時,入射角的正弦跟折射角的[12]正弦之比,叫做這種介質(zhì)的絕對折射率,簡稱折射率,即

想一想:介質(zhì)的折射率與哪些因素有關(guān)?第十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日(2)與光速的關(guān)系第十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日③兩種介質(zhì)相比較,折射率較大的介質(zhì)叫[14]光密介質(zhì),折射率較小的介質(zhì)叫[15]光疏介質(zhì).第十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日四、全反射和臨界角1.全反射光從[16]光密介質(zhì)射入[17]光疏介質(zhì)時,在界面處一部分光被反射回原介質(zhì)中,一部分光被折射到另一種介質(zhì)中,隨著入射角的增大,[18]折射角逐漸增大,且折射光線越來越弱,反射光線越來越強,當(dāng)入射角增大到某一角度,使折射角達到[19]90°時,折射光線完全消失,只剩下反射光線,這種現(xiàn)象叫做全反射.第十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日2.全反射的條件(1)光從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì);(2)入射角大于或等于[20]臨界角.3.臨界角第十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.發(fā)生全反射現(xiàn)象時的光能量的變化光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì),在入射角逐漸增大的過程中,反射光的能量逐漸增強,折射光的能量逐漸減弱,一旦入射角等于臨界角時,折射光的能量實際上已減為零,即此時已經(jīng)發(fā)生了全反射.5.全反射的應(yīng)用(1)光導(dǎo)纖維(2)解釋現(xiàn)象,如水中氣泡看起來特別明亮、海市蜃樓等.第十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日五、棱鏡、光的色散1.棱鏡(1)光線通過棱鏡時,出射光將向[21]底面偏折,通過棱鏡可看到物體的虛像,其位置向[22]頂角偏移.(2)等腰直角棱鏡叫[23]全反射棱鏡.光垂直于任意一條邊射入,都會從另一邊發(fā)生全反射.第十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日

(3)棱鏡可以改變光的行進方向,起到控制光路的作用,特別是全反射棱鏡更是被廣泛使用.全反射玻璃棱鏡一般均為等腰直角棱鏡(兩底角為45°),這樣光在玻璃內(nèi)的入射角α=45°大于42°這一臨界角,使光發(fā)生全反射.兩種使用方法請參閱圖甲、乙.第十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日2.光的色散白光通過三棱鏡后,出射光束變?yōu)榧t、橙、黃、綠、藍、靛、紫七色光的光束,這種現(xiàn)象叫光的色散.(1)白光通過三棱鏡后會發(fā)生色散.形成由紅到紫各色光組成的[24]光譜.由光譜中色光的順序可以看出,紅光的偏向角[25]最小,紫光的偏向角[26]最大.這是因為介質(zhì)對不同色光的折射率不同,n紅<n紫,即以相同的入射角射到棱鏡界面時,不同色光的折射角不同,就是說紫光偏折的更厲害些,所以紫光的偏向角最大.第十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日(2)單色光的顏色是由其[27]頻率決定的,當(dāng)它從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時,它的頻率不變,因而其[28]顏色也不變.(3)色散的實質(zhì)是由于各種色光在同一介質(zhì)中傳播的速率不同,或同一介質(zhì)對不同色光的折射率不同.即n紅<n橙<n黃<n綠<n藍<n靛<n紫,v紅>v橙>v黃>v綠>v藍<v靛<v紫,那么在同一介質(zhì)中各色光的臨界角C的關(guān)系為[29]C紅>C橙>C黃>C綠>C藍>C靛>C紫.在同一介質(zhì)中,頻率較高的光,其波長較短.第二十頁，共五十六頁，2022年，8月28日考題精練1.(2009·廣東高考)在陽光照射下,充滿霧氣的瀑布上方常常會出現(xiàn)美麗的彩虹.彩虹是太陽光射入球形水珠經(jīng)折射?內(nèi)反射,再折射后形成的.光的折射發(fā)生在兩種不同介質(zhì)的_______上,不同的單色光在同種均勻介質(zhì)中_____________________不同.界面的傳播速度/折射率

第二十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日2.如圖所示,為了觀察門外情況,有人在門上開一小圓孔,將一塊圓柱形玻璃嵌入其中,圓柱體軸線與門面垂直.從圓柱底面中心看出去,可以看到的門外入射光線與軸線間的最大夾角稱做視場角.已知該玻璃的折射率為n,圓柱長為l,底面半徑為r,則視場角是()第二十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日答案:B第二十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日3.(2010·新創(chuàng)題)據(jù)報道:2009年十一屆全運會時,光纖通信網(wǎng)將覆蓋所有體育場館,為各項比賽提供安全可靠的通信服務(wù),光纖通信利用光的全反射將大量信息高速傳輸.如圖所示,一條圓柱形的光導(dǎo)纖維,長為L,它的玻璃芯的折射率為n1,外層材料的折射率為n2,光在空氣中的傳播速度為c,若光從它的一端射入經(jīng)全反射后從另一端射出所需的最大時間為t,則下列選項中正確的是(圖中所標(biāo)的φ為全反射的臨界角)()第二十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日答案:B第二十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.(2010·課標(biāo)全國高考理綜)如圖,一個三棱鏡的截面為等腰直角△ABC,∠A為直角.此截面所在平面內(nèi)的光線沿平行于BC邊的方向射到AB邊,進入棱鏡后直接射到AC邊上,并剛好能發(fā)生全反射.該棱鏡材料的折射率為________.(填入正確選項前的字母)第二十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日答案:A第二十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日5.(2010·重慶高考理綜)如圖所示,空氣中有一折射率為的玻璃柱體,其橫截面是圓心角為90°?半徑為R的扇形OAB.一束平行光平行于橫截面,以45°入射角照射到OA上,OB不透光.若只考慮首次入射到圓弧上的光,則上有光透出部分的弧長為()第二十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日解析:由可知光在玻璃柱中發(fā)生全反射的臨界角C=45°.據(jù)折射定律可知所有光線從AO進入玻璃柱后的折射角均為30°.從O點入射后的折射光線將沿半徑從C點射出.假設(shè)從E點入射的光線經(jīng)折射后到達D點時剛好發(fā)生全反射,則∠ODE=45°.如圖所示,由幾何關(guān)系可知θ=45°,故弧長,故B正確.答案:B第二十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日解讀高考第二關(guān)熱點關(guān)第三十頁，共五十六頁，2022年，8月28日典例剖析考點1 折射定律及其應(yīng)用【例1】將直角坐標(biāo)和等腰直角棱鏡ABO如圖所示放置,腰長為16cm.為了測棱鏡這種物質(zhì)的折射率,從OB邊D點注視A棱,發(fā)現(xiàn)A棱的視位置在C點,在D、C兩點插上大頭針,取走棱鏡,若D、C兩點的位置坐標(biāo)分別為(0,12)和(9,0),由此可求棱鏡的折射率為多少?第三十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日第三十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日[點評]準(zhǔn)確做出光路圖,找出入射角和折射角,利用幾何知識確定入射角和折射角的正弦值是解答這類問題的關(guān)鍵.第三十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日變式訓(xùn)練1:(2011·浙江二測)DVD光盤由塑料保護層和信息記錄層組成.如圖所示,激光束以入射角θ從空氣入射到厚度為d?折射率為n的塑料保護層后,聚焦到信息記錄層的光斑寬度為a,才能有效獲取信息.在保證a不變的前提下,減小激光束照到塑料保護層的寬度l(l=a+2b),則()第三十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日答案:AC第三十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日考點2 全反射問題分析【例2】水的折射率為n,距水面深h處有一個點光源.(1)岸上的人看到水面被該光源照亮的圓形區(qū)域的直徑為多少?(2)若岸上的人看到水面被該光源照亮的圓形區(qū)域直徑勻速增大,則光源如何運動?(3)若某人在點光源的正上方垂直水面往下看,點光源的視深是多少?第三十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日

[解析](1)如圖為點光源S發(fā)出的光剛好全反射的光路,其中sinC=.岸上人的看到水面被該光源照亮的圓形區(qū)域的直徑d=2r=2htanC=2htan(arcsin).第三十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日

(2)由d=2htanC可知,若直徑d均勻增大,則h均勻增加,說明光源勻速下降.(3)當(dāng)某人在點光源正上方垂直于水面向下觀察時,如圖所示第三十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日在由S發(fā)出的光線中選取一條垂直于水面MN的光線,由O點射出,另一條光線與SO成極小角度從S射向水面A點,由A點遠離法線折射到空氣中,因入射角極小,故折射角也極小,進入人眼中的兩條折射光線的反向延長線交于S′點,該點即為我們看到的水池底部光點S的像,像點S′到水面距離h′,即為視深.由圖中可以看出深度變小了.第三十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日第四十頁，共五十六頁，2022年，8月28日

變式訓(xùn)練2:(2011·海南海口)一束光波以45°的入射角,從AB面射入如圖所示的透明三棱鏡中,棱鏡折射率n=.試求光進入AB面的折射角,并在圖上畫出該光束在棱鏡中的光路.第四十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日答案:見解析第四十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日考點3 光的色散【例3】(青島模擬)abc為一全反射棱鏡,它的主截面是等腰直角三角形,如圖所示.一束白光垂直入射到ac面上,在ab面上發(fā)生全反射,若光線入射點O的位置保持不變,改變光線的入射方向(不考慮自bc面反射的光線)則第四十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日(1)使入射光按圖中所示的順時針方向逐漸偏轉(zhuǎn),如果有色光射出ab面,則哪種光首先射出?(2)使入射光按圖中所示的逆時針方向逐漸偏轉(zhuǎn),哪種光首先射出ab面?第四十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日

[解析](1)白光垂直入射ac面后直射到ab面,入射角為45°,發(fā)生全反射說明棱鏡的臨界角C≤45°,這是對從紅光到紫光的所有色光說的.當(dāng)入射光順時針偏轉(zhuǎn)時,在ac面上發(fā)生色散,不同色光折射不同,紅光偏折小,紫光偏折大,如圖所示,射到ab面上時紅光入射角小,紫光入射角大,但它們都小于45°.另一方面,棱鏡對紅光的臨界角比紫光的臨界角大.因此,入射光順時針逐漸偏轉(zhuǎn)時,在ab面上紅光的入射角將首先小于臨界角而射出ab面.第四十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日

(2)如果入射光逆時針偏轉(zhuǎn),則經(jīng)ab面上的紅光、紫光的入射角都大于45°,都發(fā)生全反射而不可能從ab面射出.[答案](1)紅光(2)沒有光射出ab面[點評]不論入射光順時針還是逆時針繞O點旋轉(zhuǎn),只要分析清楚在ab面上各色光的入射角的變化情況,若入射角小于臨界角則不能全反射,從而射出.第四十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日變式訓(xùn)練3:一束白光從頂角為α的一邊以較大的入射角θ射入并通過三棱鏡后,在屏P上可得到彩色光帶,如圖所示,在入射角θ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()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,黃光最后消失第四十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日解析:作出白光的折射光路圖,如圖所示,可看出,白光從AB射入玻璃后,由于紫光偏折大,從而到達另一側(cè)面AC時的入射角較大,且因紫光折射率大,sinC=,因而其全反射的臨界角最小,故隨著入射角θ的減小,進入玻璃后的各色光中紫光首先發(fā)生全反射不從AC面射出,后依次是靛、藍、綠、黃、橙、紅,逐漸發(fā)生全反射而不從AC面射出.答案:B第四十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日笑對高考第三關(guān)技巧關(guān)第四十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日考技精講

一?對折射率的理解

(1)物理意義:折射率反映了介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì),它反映了光線由真空(或空氣)射入介質(zhì)時偏折得程度大小,折射率越大,光線向法線偏折得越厲害.

(2)決定因素:是折射率的比值定義式,不能說n與sinθ1成正比、與sinθ2成反比.折射率由介質(zhì)本身的光學(xué)性質(zhì)和光的頻率決定.

(3)數(shù)值:由可知,因v<c,任何介質(zhì)的折射率總大于1.第五十頁，共五十六頁，2022年，8月28日二?各色光特點對比表顏色紅橙黃綠藍靛紫頻率ν低→高折射率小→大同一介質(zhì)中速度大→小波長大→小臨界角大→小第五十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日三?平行玻璃磚與三棱鏡比較第五十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日偏轉(zhuǎn)情況討論側(cè)移d的大小取決于平行磚的厚度h、平行磚介質(zhì)的折射率n和光線原入射角θ1,偏折角δ跟棱鏡的材料有關(guān).折