202X版高中物理全程复习方略配套课件（鲁科版·福建）：12.1光的折射、全反射

1、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vc，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

2、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

3、，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=23毫米，因此i和r都非常小，如图所示，(h为物体离液

4、面高度，h0是像离液面高度) 则sinitani= sinrtanr= 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

5、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

6、_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

7、)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

8、 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 ， vf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.

9、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,折射定律的应用 【例证1】(2011浙江高考)“B超” 可用于探测人体内脏的病变状况. 如图是超声波从肝脏表面入射， 经折射与反射，最后从肝脏表面 射出的示意图.超声波在进入肝 脏发生折射时遵循的规

10、律与光的 折射规律类似.可表述为 (式中1是入射角，2是折射角，v1、v2分别是超 声波在肝外和肝内的传播速度)，超声波在肿瘤表面发,生反射时遵循的规律与光的反射规律相同.已知v2=0.9v1,入射 点与出射点之间的距离是d，入射角为i，肿瘤的反射面恰好与 肝脏表面平行，则肿瘤离肝脏表面的深度h为( ) A. B. C. D,解题指南】解答该题应注意以下三个方面： (1)把超声波的传播等效为光的传播. (2)据题意作出光路图，确定入射角与折射角. (3)利用题中的规律将入射角、折射角与超声波在肝外和肝内的传播速度建立联系,规范解答】选D.已知入射角为i，画出光路图如图所示，设折 射角为r，根据

11、光路图有tanr= ，据题意有 ，且 v2=0.9v1，解得h= ,故选D,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】(2012徐州模拟)如图， ABC为等腰三棱镜的横截面，已知顶角A 为60，图中EFBC，一束光线在AB边 上的入射角为45，真空中的光速为c. 试求光在该种介质中的折射率n及传播速度v. 【解析】光线在AB边上发生折射时，由

12、几何关系知折射角 r=30，由n= ，得n= ,光在该介质中的传播速度 v= 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，COBi 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

13、 表面上的入射角r=30 由折射定律得 因此sin= ，解得=60 答案：60,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)

14、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iC,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

15、 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,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

16、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

17、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】(2011山东高考)如图所示，扇形AOB为透明柱状介质的横截面，圆心角AOB=60.一束平行于角平分线OM的单色光由OA射入介质，经OA折射的光线恰平行于OB,1)求介质的折射率. (2)折射光线中恰好射到M点的光线 _(填“能”或“不 能”)发生全反射. 【

18、解析】(1)由题意画出光路图如图所示，由几何关系可得：入 射角i=60，折射角r=30，由折射定律可得此介质的折射率为,2)由题意画出恰好经过M点的折射光线 如图所示，可得出此时射向M点的入射角 为180-30-90-30=30.全反射 的临界角sinC= ，故 不能发生全反射. 答案：(1) (2)不能,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(D3R)，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

19、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=ABtanC= 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

20、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.如图所示，一细束红光和一细束 蓝光平行射到同一个三棱镜上，经 折射后交于光屏上的同一个点M，若 用n1和n2分别表示三棱镜对红光和 蓝光的折射率，下列说法中正确的是( ) A.n1n2,a为红光，b为蓝光 D.n1n2,a为蓝光，b为红光 【解析】选B.由题图可知，b光线经过三棱镜后的偏折角较小