福建省长泰一中高三物理 第十二章 第1讲 光的折射、全反射复习课件 新人教版选修34.ppt

第十二章光学第1讲光的折射 全反射 考点1光的折射定律 1 折射现象 光从一种介质斜射入另一种介质时 传播方向会 的现象2 折射定律 1 折射光线与入射光线 法线处于 2 折射光线与入射光线分别位于 3 入射角的正弦与折射角的正弦 发生改变 同一平面内 法线两侧 比值是定值 3 折射率 光从真空中斜射入介质中发生折射时 与 的比值 即n 4 折射率与光速的关系 n 由于v c 所以任何介质的折射率都大于1 正弦 入射角的 折射角的正弦 1 折射定律的理解和应用 1 折射定律描述折射现象中同一平面 三线与两角 的关系 由n 可知 入射角i越大 折射角r也越大 光线偏折程度也越大 2 几何光学问题的解答思路 几何光路作图 a 定入射光线 入射点 b 找界面 作法线 若界面为曲面找其切面 c 画入射角 反射角 折射角 光线 据折射定律 几何关系列式运算 3 各种光具对光路改变规律 平行玻璃砖a 不改变入射光的性质和方向 出射光与入射光总平行 但有侧移 且入射角i 玻璃砖厚度h和折射率n越大 侧移d越大 b 平行光照射到平行玻璃砖上 入射光的宽度等于出射光的宽度 而玻璃砖中折射光的宽度随入射角增加而增大 三棱镜a 光密三棱镜 当光线从一侧面射入 从另一侧面射出时 光线两次均向底面偏折 b 光疏三棱镜 当光线从一侧面射入 从另一侧面射出时 光线两次均向顶角偏折 c 三棱镜成像 当物体发出的光线从三棱镜的一侧面射入 从另一侧面射出时 逆着出射光线可以看到物体的虚像 d 全反射棱镜 等腰直角棱镜 当光线从一直角边垂直射入时 在斜边发生全反射 从另一直角边垂直射出 当光线垂直于斜边射入时 在两直角边都发生全反射后又垂直于斜边射出 如图所示 e 全反射棱镜的优点 全反射棱镜和平面镜在改变光路方面效果是相同的 相比之下 全反射棱镜成像更清晰 光能损失更少 常应用于潜望镜 圆 球 形玻璃 法线总过圆 球 心 几何关系要充分利用圆的性质 4 应用近似法求解视深 一般瞳孔的线度d 2 3毫米 因此i和r都非常小 如图所示 h为物体离液面高度 h0是像离液面高度 则sini tani sinr tanr 由折射定律 n得视深公式h 若在液体中观察液面之上的物体时 同理可得视高公式h0 nh 2 对折射率的进一步理解 1 对于折射率 可以从几何光学和物理光学两方面描绘 即n n是沟通几何光学和物理光学的桥梁 n 只是定义式 或者说的比值能反映n的大小 但n的大小与i r无关 不能称n与sini成正比 与sinr成反比 不同介质n不同 2 n的大小由介质和光的频率共同决定 光的色散说明不同频率的色光在同一介质中传播时的速率不同 折射率不同 该介质对频率较高的色光的折射率大 对频率较低的色光的折射率小 它反映了介质对光线的偏折能力 n越大 偏折能力越大 如图所示 把由同种玻璃制成的厚度为d的立方体a和半径为d的半球体b分别放在报纸上 且让半球的凸面向上 从正上方 对b来说是最高点 竖直向下分别观察a b中心处报纸上的文字 下面的观察记录正确的是 看到a中的字比b中的字高 看到b中的字比a中的字高 看到a b中的字一样高 看到b中的字和没有放玻璃半球时一样高 a b 只有 c 只有 d 解析 选a 通过立方体观察像比物高 通过球体观察物像重合 光路图如图所示 故a正确 1 光的全反射 1 现象 折射光完全消失 只剩下反射光 2 条件 光从 射入 入射角 或 临界角 3 临界角 折射角等于90 时的入射角 sinc 4 应用 全反射棱镜 光导纤维 2 光的色散 白光通过三棱镜后 变为 七色光的现象 考点2全反射与色散 光密介质 光疏介质 大于 等于 红橙黄绿蓝靛紫 1 全反射的成因分析 1 几何光学角度 光从光疏介质射入光密介质时 入射角大于折射角 因此光线从光疏介质进入光密介质 则无论入射角多大 都不会发生全反射现象 光从光密介质射入光疏介质时 入射角小于折射角 随入射角变大 折射角也变大 当折射角达到90 时发生全反射 全反射现象是光的折射现象的特例 2 光强角度 2 全反射的有关现象及应用 1 现象 海水浪花呈白色 玻璃 水 中气泡看起来特别亮 沙漠蜃景 夏天的柏油路面看起来 水淋淋 海市蜃楼 钻石的夺目光彩 水下灯照不到整个水面 全反射棱镜等 2 光导纤维 结构 简称光纤 是一种透明的玻璃纤维丝 直径只有几微米到几十微米之间 由内芯和外套两层组成 内芯的折射率大于外套的折射率 即内芯是光密介质 外套是光疏介质 原理 光导纤维是利用光的全反射原理对信号传输的 优点 光纤传输具有质地轻 传光效率高 抗机械振动 耐腐蚀 能量损耗小 保密性强 通讯容量大等优点 3 光的色散的进一步认识 1 不同频率 颜色 的光在同一种介质中 折射率 传播速度 波长 临界角间的关系一直是高考的热点问题 不同颜色的光频率不同 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 要理解和确定这些关系可从三棱镜对光的色散入手 熟记红 橙 黄 绿 蓝 靛 紫七色光的折射率依次增大的顺序 再由n sinc v f等公式 就可确定同种介质对不同颜色 频率 的光的折射关系 也就能确定光速 波长 临界角间的关系 2 七种色光的比较 2009年10月6日 瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布 将2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德 博伊尔和乔治 史密斯 高锟在有关 光在纤维中的传输以用于光学通信 方面取得了突破性的成就 若光导纤维是由内芯和包层组成 下列说法正确的是 a 内芯和包层折射率相同 折射率都大b 内芯和包层折射率相同 折射率都小c 内芯和包层折射率不同 包层折射率较大d 内芯和包层折射率不同 包层折射率较小 解析 选d 光导纤维的作用是光在纤维中的传输过程中 为使光线不射出来 光在内芯和包层的界面处要发生全反射 而发生全反射的条件是光从折射率较大的光密介质进入折射率较小的光疏介质 且入射角大于或等于临界角 因此内芯是光密介质 包层是光疏介质 故选d 热点考向1折射定律的应用 例证1 2012 山东高考 12分 如图所示 一玻璃球体的半径为r o为球心 ab为直径 来自b点的光线bm在m点射出 出射光线平行于ab 另一光线bn恰好在n点发生全反射 已知 abm 30 求 1 玻璃的折射率 2 球心o到bn的距离 解题指南 求解此题应注意以下两点 1 根据折射定律求玻璃的折射率 2 由临界角公式结合几何知识求球心o到bn的距离 规范解答 1 设光线bm在m点的入射角为i 折射角为r 由几何知识可知 i 30 r 60 根据折射定律得n 2分 代入数据得n 3分 2 光线bn恰好在n点发生全反射 则 bno为临界角csinc 2分 设球心到bn的距离为d 由几何知识可知d rsinc 3分 联立 式得d r 2分 答案 1 2 r 总结提升 利用折射定律求解几何光学的问题 1 规范地作出光路图是解决几何光学问题的关键和前提 根据光路图找出入射角和折射角 分析边界光线或临界光线 2 利用题目所给信息确定入射角和折射角的正弦值 利用几何关系 光的折射定律及折射率表达式求解 3 反射 折射现象中 光路是可逆的 变式训练 2013 潍坊模拟 如图所示 半圆形玻璃砖半径r 5cm 其直径ab竖直立于水平屏幕上并接触于b点 激光束a以入射角i 30 射向玻璃砖的圆心o 在屏幕上m点出现光斑 测得m到b的距离x 5cm 求玻璃砖的折射率 解析 连接om 如图所示 根据几何关系可知 折射角r 60 所以n 答案 变式备选 2012 龙岩模拟 一半径为r的1 4球体放置在水平桌面上 球体由折射率为的透明材料制成 现有一束位于过球心o的竖直平面内的光线 平行于桌面射到球体表面上 折射入球体后再从竖直表面射出 如图所示 已知入射光线与桌面的距离为 求出射角 解析 设入射光线与1 4球体的交点为c 连接oc oc即为入射点的法线 因此 图中的角i为入射角 过c点作球体水平表面的垂线 垂足为b 依题意 cob i又由 obc知 sini 设光线在c点的折射角为r 由折射定律得 由 式得r 30 由几何关系知光线在球体的竖直表面上的入射角r 30 由折射定律得因此sin 解得 60 答案 60 热点考向2全反射及其应用 例证2 2012 沈阳模拟 光纤通信是一种现代化的通讯方式 为了研究问题的方便 我们将光导纤维简化为一根长直的玻璃管 如图所示为玻璃管沿轴线的横截面 若光从左端以与端面成30 角入射 玻璃管长为l 折射率为n 已知光在真空中的传播速度为c 问 1 通过计算分析光能否从玻璃管的侧面射出 2 光通过玻璃管所需的时间 解题指南 解答该题应明确以下两个方面 1 对光射在界面时的入射角与临界角的比较进行判断 2 光在传输过程中要利用速度的分解或等效思想进行处理 自主解答 1 作光路图如图所示 据折射定律有r 30 则光在侧面的入射角i 60 由sinc 可知i c 因此光不能从玻璃管的侧面射出 2 解法一 利用对称性可将光在玻璃管中的传播等效为如图所示 因此路程s 传播时间解法二 光在玻璃管中的传播速度为v 光沿轴线方向的分速度为vx vcos30 所以传播时间为t 解得 t 答案 见自主解答 互动探究 上题中若要使从左端面射入的所有光线都能从右端面射出 光导纤维的折射率至少是多少 光通过玻璃管所需的最长时间是多少 解析 光路图如图所示 据折射定律有n 若要使从左端面射入的所有光线都能进入玻璃管 则i 90 sinr 要使所有光线都能从右端面射出 则sinc 由几何关系r c 90 解得n 利用等效方法可得t 答案 2l c 总结提升 光的全反射及传输问题的处理方法 1 首先要根据折射或全反射画出光路图 2 对不同的介质界面要具体问题具体分析 如平行玻璃砖 圆形玻璃砖 三棱镜等 3 作图时要找出具有代表性的光线 如符合边界条件或全反射临界条件的光线 4 要注意利用光路的可逆性 对称性 寻找三角形全等 相似等几何关系 5 光传输路程可用等效思想转化为直线传播或用速度的分解方法转化为沿轴线传播进行计算 热点考向3光的全反射与色散问题 例证3 2011 福建高考 如图 半圆形玻璃砖置于光屏pq的左下方 一束白光沿半径方向从a点射入玻璃砖 在o点发生反射和折射 折射光在白光屏上呈现七色光带 若入射点由a向b缓慢移动 并保持白光沿半径方向入射到o点 观察到各色光在光屏上陆续消失 在光带未完全消失之前 反射光的强度变化以及光屏上最先消失的光分别是 a 减弱 紫光b 减弱 红光c 增强 紫光d 增强 红光 解题指南 解答该题应明确以下两个方面 1 据不同色光的折射率大小关系确定临界角最小的色光 2 入射角逐渐变大过程中临界角最小的光先发生全反射 规范解答 选c 入射点由a向b缓慢移动 入射角增大 折射角增大 反射光强度增强 由于七种色光中紫光折射率最大 临界角最小 因此光屏上最先消失的光是紫光 c对 总结提升 光的全反射和色散问题的分析方法 1 首先应清楚不同色光的折射率 偏向角及临界角 七种色光发生折射时 紫光偏折最大 红光偏折最小 发生全反射时紫光的临界角最小 红光的临界角最大 2 分析光的传播 作出光路图 比较不同色光的偏折情况 3 据不同色光的临界角 分析传播过程中出现的临界问题 变式训练 2013 龙岩模拟 公园里灯光喷泉的水池中有处于同一深度若干彩灯 在晚上观察不同颜色彩灯的深度和水面上被照亮的面积 下列说法正确的是 a 红灯看起来较浅 红灯照亮的水面面积较小b 红灯看起来较深 红灯照亮的水面面积较小c 红灯看起来较浅 红灯照亮的水面面积较大d 红灯看起来较深 红灯照亮的水面面积较大 解析 选d 光从水里射入空气发生折射 入射角相同时 折射率越大 折射角越大 从水面上看光源越浅 红灯发出的红光的折射率较小 看起来较深 设光源的深度为h 光的临界角为c 则光能够照亮的水面面积大小为s htanc 2 可见 临界角越大 照亮的面积越大 各种色光中 红光的折射率较小 临界角较大 所以红灯照亮的水面面积较大 故选d 例证 如图所示 一束截面为圆形 半径为r 的平行复色光垂直射向一玻璃半球的平面 经折射后在屏幕s上形成一个圆形彩色亮区 已知玻璃半球的半径为r 屏幕s至球心的距离为d d 3r 不考虑光的干涉和衍射 试问 1 在屏幕s上形成的圆形亮区的最外侧是什么颜色 2 若玻璃半球对 1 中色光的折射率为n 请你求出圆形亮区的最大半径 规范解答 1 由于紫光频率最大 折射率最大 偏折角最大 故最外侧为紫色 2 如图 紫光刚要发生全反射时的临界光线射在屏幕s上的点e到亮区中心g的距离r就是所求最大半径 设紫光临界角为c 由全反射的知识可知 sinc 由几何知识可知 ab rsinc ob rcosc fb ab tanc gf d ob fb 所以有r ge 答案 1 紫色 2 1 夏天 海面上下层空气的温度比上层空气的温度低 我们设想海面上的空气是由折射率不同的许多水平气层组成 远处的景物发出的光线由于不断被折射 越来越偏离原来方向 以致发生全反射 人们逆着光线看去就出现了蜃景 如图所示 下列说法正确的是 a 海面上 上层空气的折射率比下层空气的折射率要小b 海面上 上层空气的折射率比下层空气的折射率要大c 蜃景不遵从光的折射定律d b是蜃景 a是景物 解析 选a 海面上下层空气的温度比上层空气的温度低 空气密度大 因此下层空气的折射率较大 a正确 b错误 入射光线从下层射向上层时 折射角比入射角大 这样在更上层的入射中入射角逐渐增大 据折射定律知最后会发生全反射现象 c d错误 2 2013 兰州模拟 如图所示 a b两束不同的单色光平行地从空气射入水中 发生折射 则下述结论正确的是 a 水对光束a的折射率较大b 水中光束b的速度较大c 光束a的频率较大d 若从水中射向空气发生全反射 光束a的临界角较光束b的临界角大 解析 选d 在水中 光束b的偏折大 其折射率较大 a错误 光束b在水中的折射率较大 根据关系式v 可知 其在水中的速度较小 b错误 光束b的折射率较大 频率较大 c错误 根据公式sinc