【志鸿优化设计】（江苏专用）2014届高考物理 第十三章光学 电磁波 相对论第一节光的折射 全反射教学案

1 第十三章第十三章 光学光学 电磁波电磁波 相对论相对论 考纲要求权威解读 光的折射定律 折射率 光的全反射 光导纤维 光的干涉 衍射和偏振 激光的特性及应用 电磁波谱 电磁波及其应用 狭义相对论 质能关系 1 会分析与计算介质的折射率 2 理解光导纤维的原理及应用 作 光路图是几何光学的重要解题手段 又是考查重点 3 知道光的特征现象 4 以电磁波 的特点为线索进行识记 5 了解相对论 能根据质能方程简 单计算 测定玻璃的折射率实验作光路图是关键 会处理数据 第一节第一节 光的折射光的折射 全反射全反射 一 光的折射定律 1 光的折射现象 光从一种介质进入另一种介质时 发生改变的现象称为光的折射现象 2 光的折射定律 内容 折射光线与入射光线 法线处在同一平面内 折射光线和入射光线分别位于法 线的两侧 入射角的 跟折射角的 成正比 公式 n 1 2分别为入射角和折射角 n为常数 sin 1 sin 2 3 折射率 1 定义 光从真空射入某种介质发生折射时 入射角的正弦与折射角的正弦之比 叫做这种介质的绝对折射率 简称折射率 2 公式 n 3 物理意义 折射率是表示光线从一种介质进入另一种介质时 发生偏折程度的物 理量 与入射角 1及折射角 2大小 4 n 其中c v分别是光在真空 介质中的速度 5 在光的折射现象中 光路是 的 二 全反射 1 光密介质与光疏介质 2 全反射 光从 介质入射到 介质的分界面上时 光 反射回光密介质的现象 这种现象叫全反射 3 临界角 2 折射角等于 时的入射角 称为临界角 当光从折射率为n的某种介质射向真空 空气 时 发生全反射的临界角用 sin C 计算 1 关于全反射 下列说法中正确的是 A 光从光密介质射向光疏介质时可能产生全反射 B 光从光疏介质射向光密介质时可能产生全反射 C 光从折射率大的介质射向折射率小的介质时可能产生全反射 D 光从传播速度小的介质射向传播速度大的介质时可能产生全反射 2 一束光从某种介质射入空气中时 入射角 1 30 折射角 2 60 折射光 路如图所示 则下列说法正确的是 A 此介质折射率为 3 3 B 此介质折射率为 3 C 相对于空气此介质是光密介质 D 光在介质中速度比在空气中大 3 单色光在真空中的传播速度为c 波长为 0 在水中的传播速度是v 波长为 水对这种单色光的折射率为n 当这束单色光从空气斜射入水中时 入射角为 1 折 射角为 2 下列说法中正确的是 A v 0 c n c v B 0 n v c sin 2 sin 1 C v cn 0 v c D 0 v c n sin 1 sin 2 4 易错辨析 请你判断下列表述正确与否 对不正确的 请予以更正 1 折射率的大小由介质本身和光的频率共同决定 与入射角 折射角的大小无关 2 光密介质和光疏介质是相对而言的 同一种介质 相对于其他不同的介质 可能 是光密介质 也可能是光疏介质 3 我国使用的宽带光纤通信网络利用了光的衍射原理 4 光由一种介质进入另一种介质时 光的频率不变 一 对折射率的理解 自主探究自主探究 1 在一次讨论中 老师问道 假如水中相同深度处有a b两种不同颜色的 单色点光源 有人在水面上方同等条件下观测发现 b在水下的像比a深 关于这两种光 在水中的性质 同学们能做出什么判断 有同学回答如下 b光的折射率大 a光的传播速度小 b光的频率大 a光的波长比b光的短 根据老师的假定 以上回答正确的是 3 A B C D 思考 1 折射率公式n 中 1 2的含义 sin 1 sin 2 思考 2 折射率与入射角大小有关吗 思考 3 光线从折射率大的 光密 介质射向折射率小的 光疏 介质 入射角与折 射角的大小关系 反之怎样 思考 4 色光的频率由什么来决定 二 对全反射的理解 自主探究自主探究 2 一束单色光由左侧射入盛有清水的薄壁圆柱形玻璃杯 如图为过轴线的截 面图 调整入射角 光线恰好在水和空气的界面上发生全反射 已知水的折射率为 4 3 求 sin 的值 思考 1 全反射发生的条件 思考 2 全反射现象从能量角度如何去理解 命题研究一 折射定律及折射率的应用 题例 1 一半径为R的 球体放置在水平面上 球体由折射率为的透明材料制成 1 43 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R 光在真空中的传播速 3 2 度为c 求 1 出射角 2 光穿越球体的时间 解题要点 规律总结规律总结 光的折射问题的规范求解 1 一般解题步骤 1 依据题意准确作出光路图 注意作准法线 2 利用数学知识找到入射角或折射角 3 利用折射定律列方程 2 应注意的问题 1 根据折射定律和入射光线画出折射光线 找到入射角和折射角 要注意入射角 折射角是入射光线 折射光线与法线的夹角 2 应用公式n 时 一定要确定准哪个角在分子上 哪个角在分母上 sin i sin r 4 3 注意在折射现象中 光路是可逆的 命题研究二 光的折射 全反射的综合应用 题例 2 2012 海南琼海模拟 如图所示 用折射率n 的玻璃做成内径为R 2 外径为R R的半球形空心球壳 一束平行光射向此半球的外表面 与中心对称轴2 OO 平行 试求 1 球壳内部有光线射出的区域 2 要使球壳内部没有光线射出 至少用多大的遮光板 如何放置才行 解题要点 规律总结规律总结 解答这一类光学临界问题要利用折射定律和全反射的条件 在分析 研究光路时 常 要假设某一条光线恰能符合题意要求 据此画出其反射 折射或全反射的光路图 再进行 推断或求解 1 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 2 2012 北京理综 一束单色光经由空气射入玻璃 这束光的 A 速度变慢 波长变短 B 速度不变 波长变短 C 频率增高 波长变长 D 频率不变 波长变长 3 一束光从空气射向折射率为的某种介质 若反射光线与折射光线垂直 则入射角 3 为 真空中的光速为c 则光在该介质中的传播速度为 4 2012 山东潍坊一模 如图是透明圆柱介质的横截面 C D为圆上两点 一束单 色光沿BC方向入射 从D点射出 已知 COD 90 BCO 120 1 求介质的折射率 2 改变 BCO的大小 能否在介质的内表面发生全反射 5 参考答案参考答案 基础梳理自测基础梳理自测 知识梳理 一 1 传播方向 2 正弦 正弦 3 2 3 无关 sin 1 sin 2 4 c v 5 可逆 二 1 光密 光疏 2 光密 光疏 全部 3 90 1 n 基础自测 1 ACD 解析 解析 发生全反射的条件是 光从光密介质射向光疏介质 入射角大于 或等于临界角 选项 A C D 正确 2 BC 解析 解析 由n 知 选项 B C 正确 A D 错误 sin 2 sin 13 3 B 解析 解析 由n 知 0 n 由n 知 c v 0f f 0 sin 1 sin 2 c v v c 选项 B 正确 sin 2 sin 1 4 答案 答案 1 正确 2 正确 3 错误 光纤通信利用了光的全反射原理 4 正确 核心理解深化核心理解深化 自主探究 1 C 解析 解析 由b在水下的像比a深可知 光束a的折射率较大 说 法正确 故选项 C 正确 提示 1 公式n 中 不论是光从真空射入介质 还是从介质射入真空 1 sin 1 sin 2 总是真空中的光线与法线间的夹角 2总是介质中的光线与法线间的夹角 2 折射率是由介质本身的光学性质和光的频率决定的 与入射角大小无关 3 光线从折射率大的 光密 介质射向折射率小的 光疏 介质 入射角小于折射角 光线从折射率小的 光疏 介质射向折射率大的 光密 介质 入射角大于折射角 4 色光的频率由色光自身来决定 同一种色光 在不同介质中虽然波速 波长不同 但频率相同 自主探究 2 答案 答案 7 3 解析 解析 当光线在水面发生全反射时有 sin C 1 n 当光线从左侧射入时 由折射定律有 n sin sin f 2 C 联立这两式代入数据可得 sin 7 3 提示 1 条件 光从光密介质射入光疏介质 入射角大于等于临界角 2 当光由光密介质射向光疏介质时 在入射角逐渐增大的过程中 反射光的能量逐渐 增强 折射光的能量逐渐减弱 当入射角等于临界角时 折射光的能量已经减弱为零 这 时就发生了全反射 6 考向探究突破考向探究突破 题例 1 答案 答案 1 60 2 R c 解析 解析 1 设入射光线与 球体的交点为C 连接OC OC即为入射点的法线 因此 1 4 图中的角 为入射角 过C点作球体水平表面的垂线 垂足为B 如图所示 依题意 COB 又由 OBC知 sin 3 2 设光线在C点的折射角为 由折射定律得 sin sin 3 由 式得 30 由几何关系知 光线在球体的竖直表面上的入射角 如图所示为 30 由折射定律得 sin sin 1 3 因此 sin 3 2 解得 60 2 由几何知识知 ACO为等腰三角形 故 2 cos 30 R AC 光线在球体内的传播速度为v c n 设光穿越球体的时间为t 则t AC v 由 得t R c 题例 2 答案 答案 1 以OO 为中心线 O为顶点 顶角为 120 的圆锥球壳内部有 光线射出 2 至少用一个半径为R的圆形遮光板 圆心过OO 轴并垂直该轴放置 解析 解析 1 设光线a a射入外球面 沿ab方向射向内球面 刚好发生全反射 则 sin C 1 n 1 2 所以C 45 在 Oab中 Oa R Ob R 2 所以 sin 180 C 2R sin r R 7 sin r 即r 30 sin C 2 1 2 则 C r 45 30 15 又 O Oa i 由 n 得 sin i sin r sin i nsin r 所以i 45 2 2 即 O Ob i 45 15 60 当射向外球面的入射光线的入射角小于 i 45 时 这些光线都会射出内球面 因此 以OO 为中心线 O为顶点 顶角为 120 的圆锥球壳内有光线射出 2 由图中可知 h R sin i R R 所以 至少用一个半径为R的圆形遮 2 2 2 光板 圆心过OO 轴并垂直该轴放置 才可以挡住射出球壳的全部光线 这时球壳内部将 没有光线射出 演练巩固提升演练巩固提升 1 C 解析 解析 因n红 n紫 再由临界角公式 sin C 可得 C红 C紫 因此当增大入 1 n 射角时 紫光先发生全反射 紫光先消失 且当入射光的入射角逐渐增大时 折射光强度 会逐渐减弱 反射光强度会逐渐增强 选项