（鲁京津琼）2020版高考物理总复习第十三章振动与波光电磁波与相对论第3讲光的折射全反射教案.docx

第3讲光的折射全反射知识排查光的折射定律折射率1.折射现象光从一种介质斜射入另一种介质时传播方向发生改变的现象，如图1所示。图12.折射定律(1)内容：折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧；入射角的正弦值与折射角的正弦值成正比。(2)表达式：n12，式中n12是比例常数。3.折射率(1)物理意义：折射率反映介质的光学特性，折射率大，说明光从真空射入到该介质时偏折角大，反之偏折角小。(2)定义式：n，不能说n与sin 1成正比，与sin 2成反比。折射率由介质本身的光学性质和光的频率决定。(3)计算公式：n，因v nsin i3式中C是全反射临界角，满足nsin C1由式知，棱镜的折射率n的取值范围应为n2答案()60()n2解决全反射问题的一般思路(1)判断光是否是从光密介质进入光疏介质。(2)应用sin C确定临界角。(3)根据题设条件，判定光在传播时是否发生全反射。(4)如发生全反射，画出入射角等于临界角时的临界光路图。(5)运用几何关系或三角函数关系以及反射定律等进行分析、判断、解决问题。1.(多选)一光纤通讯中信号传播的主要载体是光导纤维，它的结构如图8所示，可看成一段直线，其内芯和外套的材料不同，光在内芯中传播，下列关于光导纤维的说法正确的是()图8A.内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射B.内芯的折射率比外套的大，光传播时在外套与外界的界面上发生全反射C.波长越长的光在光纤中传播的速度越大D.若紫光以如图所示角度入射时，恰能在光纤中发生全反射，则改用红光以同样角度入射时，不能在光纤中发生全反射解析当内芯的折射率比外套的大时，光传播时在内芯与外套的界面上才能发生全反射，故选项A正确，B错误；波长越长的光，频率越小，介质对它的折射率n越小，根据公式v，光在光纤中传播的速度越大，故选项C正确；根据sin C知，折射率越大，全反射临界角越小，红光的折射率小，则全反射临界角大，若紫光恰能发生全反射，则红光不能发生全反射，故选项D正确。答案ACD2. 2017全国卷，34(2)如图9所示，一半径为R的玻璃半球，O点是半球的球心，虚线OO表示光轴(过球心O与半球底面垂直的直线)。已知玻璃的折射率为1.5。现有一束平行光垂直入射到半球的底面上，有些光线能从球面射出(不考虑被半球的内表面反射后的光线)。求图9从球面射出的光线对应的入射光线到光轴距离的最大值；距光轴的入射光线经球面折射后与光轴的交点到O点的距离。解析如图所示，从底面上A处射入的光线，在球面上发生折射时的入射角为i，当i等于全反射临界角ic时，对应入射光线到光轴的距离最大，设最大距离为l。iic设n是玻璃的折射率，由全反射临界角的定义有nsin ic1由几何关系有sin i联立式并利用题给条件，得lR设与光轴相距的光线在球面B点发生折射时的入射角和折射角分别为i1和r1，由折射定律有nsin i1sin r1设折射光线与光轴的交点为C，在OBC中，由正弦定理有由几何关系有Cr1i1sin i1联立式及题给条件得OCR2.74R答案R2.74R光的色散问题1.光的色散(1)现象：一束白光通过三棱镜后在屏上会形成彩色光带。(2)理解：棱镜材料对不同色光的折射率不同，对红光的折射率最小，红光通过棱镜后的偏折角最小；对紫光的折射率最大，紫光通过棱镜后的偏折角最大，从而产生色散现象。2.各种色光的比较颜色红橙黄绿蓝靛紫频率低高同一介质中的折射率小大同一介质中的速度大小波长大小通过棱镜的偏折角小大临界角大小双缝干涉时的条纹间距大小1.(2017北京理综)如图10所示，一束可见光穿过平行玻璃砖后，变为a、b两束单色光。如果光束b是蓝光，则光束a可能是()图10A.红光 B.黄光C.绿光 D.紫光解析由图可知，一束可见光通过平行玻璃砖后，a光偏折较大，b光偏折较小，即玻璃对a光的折射率大于玻璃对b光的折射率，由于b光是蓝光，根据各色光频率的大小分布可知，选项中只有紫光的折射率大于蓝光，故D正确。答案D2.如图11，一束光经玻璃三棱镜折射后分为两束单色光a、b，波长分别为a、b，该玻璃对单色光a、b的折射率分别为na、nb，则()图11A.ab，nanb B.ab，nanbC.ab，nanb D.ab，nanb解析由题图知，三棱镜对b光的折射率较大，所以nanb。又因为光的频率越大，介质对光的折射率就越大，故b光的频率大于a光的频率，又根据c，所以b光的波长小于a光的波长，即ab，所以B正确，A、C、D错误。答案B实验：测量玻璃的折射率1.基本原理与操作装置及器材操作要领(1)划线：在白纸上画直线aa作为界面，过aa上的一点O画出界面的法线NN，并画一条线段AO作为入射光线。(2)放玻璃砖：把长方形玻璃砖放在白纸上，使其长边与aa重合，再用直尺画出玻璃砖的另一边bb。(3)插针：实验时，应尽可能将大头针竖直插在纸上，且P1和P2之间、P3和P4之间、P2与O、P3与O之间距离要稍大一些。(4)入射角：1不宜太大(接近90)，也不宜太小(接近0)。(5)光学面：操作时手不能触摸玻璃砖的光洁光学面，也不能把玻璃砖界面当尺子画界线。(6)位置：实验过程中，玻璃砖与白纸的相对位置不能改变。2.数据处理与误差分析(1)数据处理计算法：用量角器测量入射角1和折射角2，并查出其正弦值sin 1和sin 2。算出不同入射角时的，并取平均值。图象法。改变不同的入射角1，测出不同的折射角2，作sin 1sin 2图象，由n可知图象应为直线，如图12所示，其斜率为折射率。图12“单位圆法”法以入射点O为圆心，以一定长度R为半径画圆，交入射光线OA于E点，交折射光线OO于E点，过E作NN的垂线EH，过E作NN的垂线EH。如图13所示，sin 1，sin 2，OEOER，则n。只要用刻度尺测出EH、EH的长度就可以求出n。图13(2)误差分析入射光线、出射光线确定的准确性造成误差，故入射侧、出射侧所插两枚大头针间距应大一些。入射角和折射角的测量造成误差，故入射角应适当大些，以减小测量的相对误差。【例3】 (2019威海模拟)如图14所示，在测量玻璃折射率的实验中，两位同学先在白纸上放好截面是正三角形ABC的三棱镜，并确定AB和AC界面的位置。然后在棱镜的左侧画出一条直线，并在线上竖直插上两枚大头针P1和P2，再从棱镜的右侧观察P1和P2的像。图14(1)此后正确的操作步骤是_。A.插上大头针P3，使P3挡住P2的像B.插上大头针P3，使P3挡住P1、P2的像C.插上大头针P4，使P4挡住P3的像D.插上大头针P4，使P4挡住P3和P2、P1的像(2)正确完成上述操作后，在纸上标出大头针P3、P4的位置(图15中已标出)。为测量该种玻璃的折射率，两位同学分别用圆规及刻度尺作出了完整光路和若干条辅助线，如图甲、乙所示。能够仅通过测量ED、FG的长度便可正确计算出折射率的是图_(填“甲”或“乙”)，所测玻璃折射率的表达式n_(用代表线段长度的字母ED、FG表示)。图15解析(1)此后正确的操作步骤是：插上大头针P3，使P3挡住P1、P2的像；插上大头针P4，使P4挡住P1、P2的像和P3，选项B、D正确。(2)能够仅通过测量ED、FG的长度便可正确计算出折射率的是图乙，因为n。答案(1)BD(2)乙1.“测量玻璃的折射率”实验中，如图16是在纸上留下的实验痕迹，其中直线a、a是描在纸上的玻璃砖的两个边。图16(1)在玻璃砖的一侧竖直插两枚大头针A、B，在另一侧再竖直插两枚大头针C、D。在插入第四枚大头针D时，要使它挡住_。(2)某同学根据n计算玻璃的折射率。请在图中括号里标出要测的物理量L1、L2。解析(1)在插入第四枚大头针D时必须挡住C及A、B的像；这样才保证沿A、B的光线经过C、D。(2)作出光路图，以入射点O为圆心作半径为r的圆，由公式n，如图所示。答案(1)C及A、B的像 (2)见解析图2.(2019南开区模拟)学校开展研究性学习，某研究小组的同学根据所学的光学知识，设计了一个测量液体折射率的仪器，如图17所示。在一圆盘上，过其圆心O作两条互相垂直的直径BC、EF，在半径OA上，垂直盘面插下两枚大头针P1、P2，并保持P1、P2位置不变，每次测量时让圆盘的下半部分竖直进入液体中，而且总使得液面与直径BC相平，EF作为界面的法线，而后在图中右上方区域观察P1、P2的像，并在圆周上插上大头针P3，使P3正好挡住P1、P2的像，同学们通过计算，预先在圆周EC部分刻好了折射率的值，这样只要根据P3所插的位置，就可直接读出液体折射率的值，则：图17(1)若AOF30，OP3与OC的夹角为30，则P3处所对应的折射率的值为_。(2)图中P3、P4两位置哪一处所对应的折射率的值大？答：_。(3)作AO的延长线交圆周于K，K处所对应的折射率值应为_。解析(1)根据折射定律n，题中160，2AOF30，所以n。(2)题图中P4对应的入射角大于P3所对应的入射角，所以P4对应的折射率的值大。(3)因A、O、K在一条直线上，入射角等于折射角，所以K处对应的折射率的值应为1。答案(1)(2)P4处对应的折射率的值大(3)1活页作业(时间：35分钟)基础巩固练1.如图1所示，一细束白光通过玻璃三棱镜折射后分为各种单光色，取其中a、b、c三种色光，下列有关说法正确的是()图1A.c光的频率最高B.在真空中c光的波长最长C.玻璃对c光的折射率最大D.在三棱镜中的c光传播速度最小解析根据光的色散规律可知，a光的频率最高，选项A错误；c的频率最小，故在真空中c光的波长最长，选项B正确；由题图可知，玻璃对a光的折射率最大，选项C错误；在三棱镜中c光传播速度最大，选项D错误。答案B2.(多选)如图2所示，MN是空气与某种液体的分界面，一束红光由空气射到分界面，一部分光被反射，一部分光进入液体中。当入射角是45时，折射角为30。以下说法正确的是()图2A.反射光线与折射光线的夹角为105B.该液体对红光的折射率为C.该液体对红光的全反射临界角为45D.当紫光以同样的入射角从空气射到分界面，折射角也是30解析根据光的反射定律可知，反射光线与折射光线的夹角为4560105，选项A正确；根据光的折射定律可知，该液体对红光的折射率为n，选项B错误；该液体对红光的全反射临界角为Carcsin 45，选项C正确；因紫光的折射率大于红光，故当紫光以同样的入射角从空气射到分界面时，折射角小于30，选项D错误。答案AC3.(2019海淀区检测)如图3所示，光液面传感器有一个像试管模样的玻璃管，中央插一块两面反光的玻璃板，入射光线在玻璃管内壁与反光板之间来回发生反射，进入到玻璃管底部，然后在另一侧反射而出(与光纤原理相同)。当透明液体的折射率大于玻璃管壁的折射率时，就可以通过光液面传感器监测出射光的强弱来判定玻璃管是否被液体包住了，从而了解液面的高度。以下说法正确的是()图3A.玻璃管被液体包住之后，出射光强度增强B.玻璃管被液体包住之后，出射光消失C.玻璃管被液体包住之后，出射光强度减弱D.玻璃管被液体包住之后，出射光强度不变解析玻璃管被液体包住之前，由于玻璃管之外是光疏介质空气，光线发生全反射，没有光线从玻璃管中射出。当玻璃管被透明液体包住之后，液体的折射率大于玻璃管壁的折射率时，光线不再发生全反射，有一部分光线进入液体，反射光的强度会减弱，选项C正确。答案C4.(多选)(2019石家庄质检)直线P1P2过均匀玻璃球球心O，细光束a、b平行且关于P1P2对称，由空气射入玻璃球的光路如图4所示。a、b光相比()图4A.玻璃对a光的折射率较小B.玻璃对a光的临界角较大C.b光在玻璃中的传播速度较小D.b光在玻璃中的传播时间较短解析由题图可判断出玻璃对光束b的折射率大于对光束a的，选项A正确；根据公式sin C，可知玻璃对a光的临界角大于b光的临界角，选项B正确；根据公式n，可知b光在玻璃中的传播速度比a光小，选项C正确；根据以上分析结合题图可知，b光在玻璃中走过的距离比a光大，同时传播速度比a光小，于是传播时间比a光长，选项D错误。答案ABC5.某同学测量玻璃砖的折射率，准备了下列器材：激光笔、直尺、刻度尺、一面镀有反射膜的平行玻璃砖。如图5所示，直尺与玻璃砖平行放置，激光笔发出的一束激光从直尺上O点射向玻璃砖表面，在直尺上观察到A、B两个光点，读出OA间的距离为20.00 cm，AB间的距离为6.00 cm，测得图中直尺到玻璃砖上表面距离d110.00 cm，玻璃砖厚度d24.00 cm。玻璃的折射率n_，光在玻璃中传播速度v_ m/s(光在真空中传播速度c3.0108 m/s，结果均保留2位有效数字)。图5解析作出光路图如图所示，根据几何知识可得入射角i45，设折射角为r，则tan r，故折射率n1.2，故v2.5108 m/s。答案1.22.5108综合提能练6.(多选)(2018衡水中学调研)如图6所示，一块上、下表面平行的玻璃砖的厚度为L，玻璃砖的折射率n，若光从上表面AB射入的入射角i60，光在真空中的光速为c，则()图6A.折射角r30B.光在玻璃中传播的时间为C.光在玻璃中传播的时间为D.改变入射角i，光在下表面CD可能发生全反射解析由n得sin r0.5，得r30，选项A正确；光在玻璃中传播的速度为v，由几何知识可知光在玻璃中传播的路程为s，则光在玻璃中传播的时间为t，选项B错误，C正确；由于光在CD面上的入射角等于光在AB面上的折射角，根据光路可逆性原理可知光一定能从CD面射出，选项D错误。答案AC7.2017全国卷，34(2)一直桶状容器的高为2l，底面是边长为l的正方形；容器内装满某种透明液体，过容器中心轴DD、垂直于左右两侧面的剖面图如图7所示。容器右侧内壁涂有反光材料，其他内壁