2025版高考物理一輪復(fù)習(xí)第十一章光電磁波波粒二象性課時1光的折射全反射學(xué)案新人教版

PAGE11-課時1光的折射全反射一、光的折射與折射率1.折射光從一種介質(zhì)斜射進(jìn)入另一種介質(zhì)時傳播方向變更的現(xiàn)象。2.折射定律(如圖)(1)內(nèi)容:折射光線與入射光線、法線處在同一平面內(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。(2)表達(dá)式:=n12,式中n12是比例常數(shù)。(3)在光的折射現(xiàn)象中,光路是可逆的。3.折射率(1)定義:光從真空射入某種介質(zhì)發(fā)生折射時,入射角的正弦與折射角的正弦的比值。(2)物理意義:折射率僅反映介質(zhì)的光學(xué)特性,折射率大,說明光從真空射入到該介質(zhì)時偏折大,反之偏折小。(3)定義式:n=,折射率由介質(zhì)本身的光學(xué)性質(zhì)和光的頻率確定。(4)計算公式:n=,因v<c,故任何介質(zhì)的折射率總大于(選填“大于”或“小于”)1。4.光密介質(zhì)與光疏介質(zhì)(1)光密介質(zhì):折射率較大的介質(zhì)。(2)光疏介質(zhì):折射率較小的介質(zhì)。二、全反射1.條件(1)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)。(2)入射角≥臨界角。2.現(xiàn)象:折射光完全消逝,只剩下反射光。3.臨界角:折射角等于90°時的入射角,用C表示,sinC=。4.應(yīng)用(1)全反射棱鏡。(2)光導(dǎo)纖維,如圖。三、光的色散、棱鏡1.光的色散(1)色散現(xiàn)象白光通過三棱鏡會形成由紅到紫七種色光組成的彩色光譜,如圖。(2)成因由于n紅<n紫,所以以相同的入射角射到棱鏡界面時,紅光和紫光的折射角不同,就是說紫光偏折得更明顯些,當(dāng)它們射到另一個界面時,紫光的偏折角最大,紅光偏折角最小。2.棱鏡三棱鏡對光線的作用:變更光的傳播方向,使復(fù)色光發(fā)生色散?？键c一光的折射對折射率的理解(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,θ1總是真空中的光線與法線間的夾角,θ2總是介質(zhì)中的光線與法線間的夾角。(2)折射率由介質(zhì)本身性質(zhì)確定,與入射角的大小無關(guān)。(3)折射率與介質(zhì)的密度沒有關(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、波長不同,但頻率相同。[典例1]甲、乙兩束單色光同時射到兩種介質(zhì)的分界面MN上,由于發(fā)生折射后合為一束,如圖所示(反射光未畫出),則下列推斷正確的是()A.甲光頻率比乙光頻率大B.相同條件下,甲光比乙光簡單發(fā)生衍射C.對同種介質(zhì),甲光的折射率比乙光的折射率大D.在同種介質(zhì)中甲光傳播速度比乙光傳播速度小解析:由圖知甲的入射角大于乙的入射角,折射角相等,依據(jù)折射定律可知乙的折射率大于甲的折射率,則乙光的頻率比甲光的頻率大,故A錯誤;由v=λf=c得,c相同,則甲光波長比乙光波長長,甲光波動性強(qiáng),相同條件下,甲光比乙光簡單發(fā)生衍射,故B正確;依據(jù)折射定律可知,對于同種介質(zhì),甲光的折射率比乙光的折射率小,故C錯誤;由v=可知,v與n成反比,則在同種介質(zhì)中甲光傳播速度比乙光傳播速度大,故D錯誤。答案:B變式1:“B超”可用于探測人體內(nèi)臟的病變狀況。如圖是超聲波從肝臟表面入射,經(jīng)折射與反射,最終從肝臟表面射出的示意圖。超聲波在進(jìn)入肝臟發(fā)生折射時遵循的規(guī)律與光的折射規(guī)律類似,可表述為=(式中θ1是入射角,θ2是折射角,v1,v2分別是超聲波在肝外和肝內(nèi)的傳播速度),超聲波在腫瘤表面發(fā)生反射時遵循的規(guī)律與光的反射規(guī)律相同。已知v2=0.9v1,入射點與出射點之間的距離是d,入射角是i,腫瘤的反射面恰好與肝臟表面平行,則腫瘤離肝臟表面的深度h為(D)A.B.C. D.解析:如圖所示,依據(jù)光的折射定律有==由幾何關(guān)系知sinθ=以上兩式聯(lián)立可解得h=,故選項D正確。解決光的折射問題的一般方法(1)依據(jù)題意畫出正確的光路圖。(2)利用幾何關(guān)系確定光路中的邊、角關(guān)系,確定入射角和折射角。(3)利用折射定律建立方程進(jìn)行求解。考點二光的全反射1.對全反射現(xiàn)象的理解和應(yīng)用(1)光線射向兩種介質(zhì)的界面上時,往往同時發(fā)生光的折射和反射現(xiàn)象,但在全反射現(xiàn)象中,只發(fā)生反射現(xiàn)象,不發(fā)生折射現(xiàn)象。折射角等于90°時,事實上就已經(jīng)沒有折射光線了。(2)光導(dǎo)纖維:簡稱“光纖”,它是特別細(xì)的特制玻璃絲(直徑在幾微米到一百微米之間),由內(nèi)芯和外套兩層組成。內(nèi)芯的折射率比外套大,光在內(nèi)芯中傳播時,在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生了全反射。光纖通信就是利用了全反射原理。(3)發(fā)生全反射現(xiàn)象時的光能量的變更光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì),在入射角漸漸增大的過程中,反射光的能量漸漸增加,折射光的能量漸漸減弱,一旦入射角等于臨界角時,折射光的能量事實上已減為零,即此時已經(jīng)發(fā)生了全反射。2.解答全反射類問題的技巧(1)解答全反射類問題時,要抓住發(fā)生全反射的兩個條件。①光必需從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì);②入射角大于或等于臨界角。(2)利用好光路圖中的臨界光線,精確地推斷出恰好發(fā)生全反射的光路圖是解題的關(guān)鍵,且在作光路圖時盡量與實際相符。3.解決全反射問題的一般方法(1)確定光是從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)。(2)應(yīng)用sinC=確定臨界角。(3)依據(jù)題設(shè)條件,判定光在傳播時是否發(fā)生全反射。(4)如發(fā)生全反射,畫出入射角等于臨界角時的臨界光路圖。(5)運用幾何關(guān)系或三角函數(shù)關(guān)系以及反射定律等進(jìn)行分析、推斷、運算,解決問題。[典例2](多選)一束光從空氣射向折射率n=的某種玻璃表面,如圖所示,θ1代表入射角,則()A.當(dāng)θ1>45°時會發(fā)生全反射現(xiàn)象B.無論入射角θ1是多大,折射角θ2都不會超過45°C.欲使折射角θ2=30°,應(yīng)以θ1=45°的角度入射D.當(dāng)入射角滿意tanθ1=,反射光線跟折射光線恰好相互垂直解析:因為光是從空氣進(jìn)入玻璃,所以不行能發(fā)生全反射,故A錯誤;當(dāng)入射角是90°時,折射角最大,依據(jù)n=,則折射角最大值為θ2=45°,所以無論入射角θ1是多大,折射角θ2都不會超過45°,故B正確;當(dāng)折射角θ2=30°,則n==,解得θ1=45°,故C正確;當(dāng)反射光線跟折射光線恰好相互垂直時,則有θ1+θ2=90°,n===tanθ1=,故D正確.答案:BCD變式2:許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,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(C)考點三光路限制問題分析類別項目平行玻璃磚三棱鏡圓柱體(球)結(jié)構(gòu)玻璃磚上下表面是平行的橫截面為三角形的三棱鏡橫截面是圓對光線的作用通過平行玻璃磚的光線不變更傳播方向,但要發(fā)生側(cè)移通過三棱鏡的光線經(jīng)兩次折射后,出射光線向棱鏡底面偏折圓界面的法線是過圓心的直線,經(jīng)過兩次折射后向圓心偏折應(yīng)用測定玻璃的折射率全反射棱鏡,變更光的傳播方向變更光的傳播方向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3]一束復(fù)色光由空氣射向一塊平行玻璃磚,經(jīng)折射分成兩束單色光a,b。已知a光的頻率小于b光的頻率。圖中哪個光路圖可能是正確的()解析:由于a光的頻率小于b光的頻率,可知a光的折射率小于b光的折射率。在玻璃磚上表面a,b兩束單色光的入射角相同,由折射定律可推斷出a光的折射角大于b光的折射角。在玻璃磚下表面光線由玻璃射向空氣,光線折射率應(yīng)為折射角正弦比入射角正弦,故玻璃磚下表面的折射角應(yīng)與玻璃磚上表面的入射角相同,即通過玻璃磚后的出射光線應(yīng)與原入射光線平行。答案:B變式3: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,其框外光線如圖甲所示。方框內(nèi)有兩個折射率n=1.5的玻璃全反射棱鏡。圖乙給出了兩棱鏡四種放置方式的示意圖,其中能產(chǎn)生圖甲效果的是(B)解析:從光線的出射方向可以看出,a光線垂直下框射出,b光線垂直上框射出,只有圖乙中B圖能滿意上述狀況?？键c四光的色散各種色光的比較顏色紅橙黃綠青藍(lán)紫頻率ν低→高同一介質(zhì)中的折射率小→大同一介質(zhì)中的速度大→小波長大→小臨界角大→小通過棱鏡的偏折角小→大[典例4]雨后太陽光入射到水滴中發(fā)生色散而形成彩虹。設(shè)水滴是球形的,圖中的圓代表水滴過球心的截面,入射光線在過此截面的平面內(nèi),a,b,c,d代表四條不同顏色的出射光線,則它們依次可能是()A.紫光、黃光、藍(lán)光和紅光B.紫光、藍(lán)光、黃光和紅光C.紅光、藍(lán)光、黃光和紫光D.紅光、黃光、藍(lán)光和紫光解析:由選項知四種光線紅、黃、藍(lán)、紫,其頻率為ν紅<ν黃<ν藍(lán)<ν紫,故其折射率n紅<n黃<n藍(lán)<n紫,因折射率大,光在折射時,偏折程度大,故太陽光經(jīng)水滴折射后,在水滴中傳播,從上到下依次為紅光、黃光、藍(lán)光、紫光,再由光的反射定律,結(jié)合傳播圖可知其反射后從上到下依次顛倒,因此出射光依次為紫光、藍(lán)光、黃光和紅光,故選項B正確。答案:B變式4:試驗表明,可見光通過三棱鏡時各色光的折射率n隨著波長λ的變更符合科西閱歷公式:n=A++,其中A,B,C是正的常量。太陽光進(jìn)入三棱鏡后發(fā)生色散的情形如圖所示,則(D)A.屏上c處是紫光 B.屏上d處是紅光C.屏上b處是紫光 D.屏上a處是紅光解析:由圖可知a光的折射率最小,d光的折射率最大,依據(jù)折射率與波長的光系可知波長越大折射率越小,可知d光的波長最短,a光的波長最長,故a光為紅光,d光為紫光,D正確。1.(光的反射與折射)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°入射角照耀到OA上,OB不透光,若只考慮首次入射到圓弧AB上的光,則圓弧AB上有光透出部分的弧長為(B)A.πR B.πR C.πR D.πR解析:作出如圖所示的幾何光路圖,其中N點為從O點入射的折射光線,故圓弧NB段沒有光線從AB圓弧射出,由折射定律=n可知=,即∠BON=30°.若在圓弧AB上的M點,折射光線發(fā)生了全反射,由sinC=可得C=45°,由幾何關(guān)系則有∠AOM=90°-45°-30°=15°,所以圓弧AB上有光透出的長度為s=×2πR=πR,故選B。2.(光的全反射)某種液體的折射率為,距液面下深h處有一個點光源,從液面上看液面被光源照亮的圓形區(qū)域的直徑為(B)A.2h B.2h C.h D.h解析:水下點光源射向空氣時,當(dāng)照耀越遠(yuǎn)時入射角越大,照耀越近則入射角越小。由sinC=知C=45°;當(dāng)入射角i等于45°時,恰好發(fā)生全反射。從液面上看液面被光源照亮的圓形區(qū)域的直徑為D=2h,故選B。3.(對光路的限制)(多選)如圖所示,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點射入,通過兩棱鏡后,變?yōu)閺腶,b兩點射出的單色光,對于這兩束單色光(BD)A.紅光在玻璃中傳播速度比藍(lán)光小B.從a點射出的為紅光,從b點射出的為藍(lán)光C.從a,b兩點射出的單色光不平行D.從a,b兩點射出的單色光仍平行,且平行于BC解析:由玻璃對藍(lán)光的折射率較大,可知A選項錯誤;由偏折程度可知B選項正確;對于C,D兩選項,我們應(yīng)首先明白,題設(shè)給出的兩個三棱鏡形成一個物理模型——平行玻璃磚(不變更光的方向,只使光線發(fā)生側(cè)移)。即略去側(cè)移因素,整體來看,仍是一塊平行玻璃磚,AB∥BA。所以出射光線仍與入射光線平行。因此,C錯誤,D正確。4.(光的色散)虹和霓是太陽光在水珠內(nèi)分別經(jīng)過一次和兩次反射后出射形成的,可用白光照耀玻璃球來說明.兩束平行白光照耀到透亮玻璃球后,在水平的白色桌面上會形成MN和PQ兩條彩色光帶,光路如圖所示.M,N,P,Q點的顏色分別為(A)A.紫、紅、紅、紫 B.紅、紫、紅、紫C.紅、紫、紫、紅 D.紫、紅、紫、紅解析:由題圖可知,射到M點的光線進(jìn)入玻璃球時的折射角小于射到N點的光線進(jìn)入玻璃球時的折射角,所以玻璃對射到M點的光的折射率大于玻璃球?qū)ι涞絅點的光的折射率,故M點的顏色為紫色,N點的顏色為紅色;同理可得P點的顏色為紅色,Q點的顏色為紫色,所以A項正確。1.(2024·浙江10月選考,16)(多選)為了從坦克內(nèi)部視察外部目標(biāo),在厚度為20cm的坦克壁上開了一個直徑為12cm的孔,若在孔內(nèi)分別安裝由同一材料制成的如圖所示的三塊玻璃,其中兩塊玻璃的厚度相同.坦克內(nèi)的人在同一位置通過玻璃能看到的外界的角度范圍是(AD)A.圖1的大于圖2的 B.圖1的小于圖3的C.圖2的小于圖3的 D.圖2的等于圖3的解析:光路圖如甲、乙、丙所示,圖丙、乙中入射光線與出射光線平行,由圖可以看出人在同一位置通過玻璃能看到的外界的角度范圍圖甲大于圖乙和圖丙,圖乙等于圖丙。2.(2024·安徽卷,18)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,出射光線相對于入射光線偏轉(zhuǎn)的角度為θ。已知棱鏡頂角為α,則計算棱鏡對該色光的折射率表達(dá)式為(A)A. B.C.D.解析:由圖可知,當(dāng)出射角與入射角相等時,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α+β=180°,2r+β=180°,得α=2r,而θ=2(i-r),得i=,由折射定律得n==,選項A正確。3.(2024·浙江1月選考,12)如圖所示,一束光與某材料表面成45°角入射,每次反射的光能量為入射光能量的k倍(0<k<1)。若這束光最終進(jìn)入材料