物理：13.1《光的折射和反射》课件(新人教版选修3-4).pdf

知识导航 本章讲的光可分为两部分即几何光学和物 理光学 几何光学根据光的直线传播 光 的反射定律 光的折射定律研究光学知识 物理光学研究光的本性 学习光的干涉 衍射 偏振 色散现象 从波的角度认识 光并讨论一些与光的本性有关的实例 本章的重点是光的折射定律 全反射概念 及各种光路图的作法 难点是双缝干涉实 验和全反射现象 学法指导 1 本章始终贯穿一个模型 光线 引入 光线 能形象地表示出光的传播路径和方 向 作出光路图可以把光问题转化为几何 问题 便于研究 2 通过机械波的学习 使我们知道干涉现 象和衍射现象是波特有的现象 本章内容 的特点是绝大多数的现象在生活中不易被 感知 要类比机械波的特点和规律来掌握 光的波动学说的理论 形成完整的知识体 系 考纲须知 内容内容 要求要求 光的折射定律光的折射定律 折射率折射率 全反射 光导纤维全反射 光导纤维 光的干涉 衍射和偏振现象光的干涉 衍射和偏振现象 掌握光的反射和折射定律掌握光的反射和折射定律 理解折射率的定义及其与光速的关系理解折射率的定义及其与光速的关系 能用光的折射定律解决相关问题能用光的折射定律解决相关问题 插在水中的筷子 看上去好像在水面处折 断了 盛了水的碗 看上去好像变浅了 这是什么原因 1 光射到两种介质的界面上时 一部分 返回原来介质的现象叫 另一部分 进入另一介质 这种现象叫 2 光的反射和折射遵循的规律分别叫 在反射和折射现象中 是可逆的 3 光从 射入某种介质发生折射时 入射角 1的 与折射角 2的 之 比 叫该介质的绝对折射率 简称折射 率 用 表示 即 n 光的反射光的反射 光的折射光的折射 光的反射定光的反射定 律 光的折射定律律 光的折射定律 光路光路 真空中真空中 正弦正弦 正弦正弦 n 反射定律 反射光线在入射光线和法线所 决定的平面内 它与入射光线分居法线两 侧 反射角等于入射角 说明 入射光线 反射光线与法线必共面 如图所示 当光线入射到 两种介质的分界面上时 一部分光被反射回原来介 质 即反射线OB 另一部分 光进入第二种介质 并改 变了原来的传播方向 即 光线OC 这种现象叫做光 的折射现象 光线OC称为 折射光线 实验证明 折射光线仍在 入射面内 与入射光线分 居法线两侧 折射光线与 法线的夹角称为折射角 r 特别提醒 光从一种介质进入另一种介质时 传播方 向一般要发生变化 但并非一定要变化 当光垂直界面入射时光的传播方向就不变 化 1 内容 折射光线跟入射光线和法线在同 一平面内 折射光线和入射光线分别位于 法线的两侧 入射角的正弦与折射角的正 弦成正比 2 折射率 光从真空斜射入某种介质发生 折射时 入射角i的正弦跟折射角r的正弦 之比n 叫做这种介质的折射率 特别提醒 折射率与光速的关系 某种介质的折射 率 等于光在真空中的传播速度c跟光在 这种介质中传播速度v之比 即n 折射率n是反映介质光学性质的物理量 它的大小由介质本身及入射光的频率决定 与入射角 折射角的大小无关 不同介质折射率不同 而它们的密度也往 往不同 那么介质的折射率与其密度有什 么关系 是不是介质的密度越大 其折射 率就越大 解析 介质的折射率与介质的密度没有必 然的联系 密度大 折射率未必大 如水 和酒精 水的密度较大 但水的折射率较 小 演演 示示 文文 稿稿 1 2 3 后后 等等 不朽凡人不朽凡人 邪圤夻邪圤夻 1 常规思路 根据题意画出正确的光路图 利用几何关系确定光路图中的边 角关 系 要注意入射角 折射角均是与法线的 夹角 利用折射定律 折射率公式列式求解 2 玻璃砖对光的折射问题 常见的玻璃砖有半圆形玻璃砖和长方形玻 璃砖 对于半圆形玻璃砖若光线从半圆面 射入 且其方向指向圆心 则其光路图如 图甲所示 光线只发生一次偏折 对于两 个折射面相互平行的长方形玻璃砖 其折 射光路如图乙所示 光线经过两次折射后 出射光线与入射光线的方向平行 但发生 了侧移 特别提醒 画光路图时应注意的问题 1 光路是可逆的 2 垂直界面入射的光线 折射光线与入射 光线在同一直线上 3 过半圆形玻璃砖圆心的光线在圆弧处不 偏折 如图所示 一条光线由空气射到半圆玻璃 砖表面的圆心处 玻璃砖的半圆表面上 反射面 镀有银 则图示几个光路图中 能正确 完整地表示光线行进过程的是 答案 C 解析 在圆心处发生折射和反射 进入半 圆表面后沿原路返回 光从玻璃射向空中 时在界面上发生反射和折射 如图所示 M N为两个平面镜 S点 为一发光点 P和S点均在纸面内 由S点 发出的一条光线先经平面镜M反射再射向 平面镜N 经平面镜N反射后通过P点 试 画出这条光线的光路 解析 根据像和物关于平面镜对称的规律 先找出S点在平面镜M中的虚像S1点 如图 所示 虚像S1对于平面镜N而言相当于发 光点 再找出S1在平面镜N中的虚像S2 连接S2P 交平面镜N于D2点 连接D2S1交 平面镜M于D1 连接SD1 则光线SD1 D1D2 D2P即为所要作的光线 如图所示 S为点光源 MN为平面镜 1 用作图法画出通过P点的反射光线所对应 的入射光线 2 确定其成像的观察范围 解析 这是一道关于平面镜成像问题的考 题 主要考查对平面镜成像规律的认识 平面镜成像的特点是 等大正立的虚 像 方法是先确定像点的位置 然后再画 符合要求的光线以及与之对应的入射光 线 1 先确定S对应的像S 连接PS 与MN 交于Q点 Q点即是过P点的反射点 连接 SQ即得对应的入射光线 如图甲所示 2 由对称性确定S 后 过S 连接MN两 端点的边界光线S M和S N 此区域即 为像点S 的观察范围 如图乙所示 光在某种介质中的传播速度是 1 73 108m s 要使光由这种介质射入空 气时折射光线与反射光线成90 夹角 求 入射角 解析 解析 依题意作光路图如图所示 则折射角依题意作光路图如图所示 则折射角 2 90 1 其中 其中 1为入射角 这种介质的折射率为入射角 这种介质的折射率 n c v 3 108 1 73 108 3 由折射定律知 由折射定律知 n sin 2 sin 1 即 即 nsin 1 cos 1 故入射角为故入射角为 30 答案 30 点评 根据题意 正确作出光路图 明确 入射角 反射角 折射角间的关系是解答 此题的关键 2010 辽师大附中高二检测辽师大附中高二检测 一半径为一半径为 R 的的 1 4 球体放球体放 置在水平面上 球体由折射率为置在水平面上 球体由折射率为 3的透明材料制成 现有的透明材料制成 现有 一束位于过球心一束位于过球心 O 的竖直平面内的光线 平行于桌面射到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示 已知入射光线与桌面的距离为 3R 2 求出射角求出射角 答案 答案 60 解析 解析 设入射光线与设入射光线与 1 4 球体的交点为球体的交点为 C 连接 连接 OC OC 即入射点的法线 因此 图中的角即入射点的法线 因此 图中的角 为入射角 过为入射角 过 C 点作球体水平表面的垂线 垂足为点作球体水平表面的垂线 垂足为 B 依题意 依题意 OCB 又由又由 OBC 知知 sin 3 2 设光线在设光线在 C 点的折射角为点的折射角为 由折射定律得 由折射定律得sin sin 3 由由 式得式得 30 由几何关系知 光线在球体的竖直表面上的入射角由几何关系知 光线在球体的竖直表面上的入射角 为为 30 由折射定律得由折射定律得sin sin 1 3 因此因此 sin 3 2 解得 解得 60 在新世纪来临之际 我国天文工作者 通过计算确定了我国新世纪第一道曙光的 到达地 浙江省温岭的石塘镇 天文学规 定 太阳上边缘发出的光线与地球相切于 A点的时刻 就是A点的日出时刻 如图所 示 但由于地球大气层的存在 光线会 发生折射 因此地球上真实看到日出的时 刻与天文学规定的日出时刻有所不同 已知 地球平均半径为6371km 日地距离 约为1 5 108km 假设A点为石塘镇 地 球大气层厚度约为20km 若认为大气层是 均匀的 且折射率为1 00028 则由于大气 层的存在 石塘镇看到真实日出的时刻比 天文学规定的第一道曙光到达要 A 提前5h B 提前50s C 推迟5s D 推迟50s 解析 根据题意作出示意图如图所示 其 中A点表示石塘镇 DF BG为太阳的第一 道曙光 由图可知 如果没有大气层 那 么 A点只有等到地球转到B点时才能看到 第一道曙光 然而 由于大气层的折射 在A点就可以看到曙光 由此可见 石塘镇的第一道曙光会提前出 现 在 直 角三 角 形在 直 角三 角 形 OAD 中 中 sin OA OD 6371 6371 20 0 9969 所以所以 85 49 根据折射定律有根据折射定律有 n sin sin 则则 sin nsin 得 得 85 70 又由图示可知 又由图示可知 FD GB BOC 90 AOD 90 则则 AOD BOC 0 21 因此 提前时间为因此 提前时间为 t 24 3600 0 21 360 s 50 4s 50s 故选故选 B 答案 B 点评 这是一道光学知识应用能力题 要 求用光的折射定律解释地球上真正看到日 出的时刻与天文上规定的日出时刻有所不 同的物理现象 井口大小和深度相同的两口井 一口是枯 井 一口是水井 水面在井口之下 两井底 部各有一只青蛙 则 A 水井中的青蛙觉得井口大些 晴天的 夜晚 水井中的青蛙能看到更多的星星 B 枯井中的青蛙觉得井口大些 晴天的 夜晚 水井中的青蛙能看到更多的星星 C 水井中的青蛙觉得井