【高中物理知识题型梳理】专题33 光的折射与全反射（解析版）

专题33光的折射与全反射考点考情命题方向考点1光的折射定律2024年高考广东卷2024年高考江苏卷2024年高考甘肃卷2024年高考全国理综甲卷2023高考江苏学业水平选择性考试1.光的折射定律和全反射是高考考查频率较高的知识，命题热点主要是：选择实际情景；单色光、复色光或平行光射入三棱镜、正长体多面体、半圆柱，球体，空心球体或组合体，液体，综合考查光的折射定律、反射定律以及全反射。2.高考对光的折射定律和全反射的考查，难度中等，可能为选图题(选择光路图、光从液面射出面等)，可能给出光路，判断其正确说法，也可能为计算题，综合考查相关知识点。考点2光的反射2024年高考海南卷2023年6月高考浙江选考2022高考辽宁物理2022年高考广东物理题型一折射定律和折射率的理解及应用1．折射定律(1)内容：如图所示，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；入射角的正弦与折射角的正弦成正比．(2)表达式：eq\f(sinθ1,sinθ2)＝n.(3)在光的折射现象中，光路是可逆的．2．折射率(1)折射率是一个反映介质的光学性质的物理量．(2)定义式：n＝eq\f(sinθ1,sinθ2).(3)计算公式：n＝eq\f(c,v)，因为v<c，所以任何介质的折射率都大于1.(4)当光从真空(或空气)射入某种介质时，入射角大于折射角；当光由介质射入真空(或空气)时，入射角小于折射角．3．折射率的理解(1)折射率由介质本身性质决定，与入射角的大小无关．(2)折射率与介质的密度没有关系，光密介质不是指密度大的介质．(3)同一种介质中，频率越大的色光折射率越大，传播速度越小．(4)公式n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)中，不论是光从真空射入介质，还是从介质射入真空，θ1总是真空中的光线与法线间的夹角，θ2总是介质中的光线与法线间的夹角．（2024•河南三模）如图所示，某材料的截面为等腰直角三角形，一束光与该材料表面成45°角入射，该材料折射率为1.5，下列光路图中可能正确的是（）A． B． C． D．【解答】解：CD.光从真空入射到介质，是光从光疏介质到光密介质，不会发生全反射，折射角应比入射角小，故CD错误；AB.如图由折射率公式，有n=sin45°sinθ2，得sinθ2=23，由几何关系有θ1＝45°，所以θ3＝θ2，θ4＝90°﹣故选：A。（2024•泰州模拟）某同学在观看太空水球光学实验后，找到一块横截面为环形的玻璃砖模拟光的传播，如图所示，玻璃砖的内径为R、外径为2R。一束单色光在截面上的A点以i＝45°的入射角射入玻璃砖，经一次折射后，恰好与玻璃砖内壁相切，则玻璃砖对该单色光的折射率为（）A．0.5 B．2 C．3 D．2【解答】解：根据题意，作出光路图如图所示。设光线在A点的折射角为θ，根据几何关系可得：sinθ=玻璃砖对该单色光的折射率为：n=解得：n=2，故ACD错误，故选：B。（2024•镇海区校级三模）截面如图所示的直角棱镜ABC，其中BC边和CA边镀有全反射膜。细束白光以入射角θ＝60°从AB边入射，然后经过BC、CA反射，又从AB边射出。已知三角形AB边的高为h，真空光速为c。对经过两次反射，并从AB边射出的光束，有（）A．出射方向相对于入射方向的转角大小与光的颜色有关 B．紫光在出射位置与入射位置间距最大 C．光在棱镜中用时最短的光的折射率为3 D．光在棱镜当中传播用时最短为2【解答】解：A、作出光路如图：由几何关系可知α＝r，β＝θ，则从AB边射出的光束与入射光线平行，与光的颜色无关，故A错误；B、根据题意可知折射率越大，出射位置与入射位置间距越小，紫光折射率最大，所以其出射位置与入射位置间距最小，故B错误；CD、由图和几何关系可知折射率越小，在棱镜中走过的路程越长，根据运动学公式可知光在棱镜中的传播时间t=OM+MN+NO结合几何关系可知当r＝45°时传播时间最短，此时的折射率n=结合几何关系可求出此时路程为L＝OM+MN+NO′＝22h则t=Lv=Ln故选：D。（2024•青秀区校级二模）如图，一束由三种单色光组成的复合光以相同的入射角θ由空气射到半圆形玻璃砖表面的A点，AB为半圆的直径。光线进入玻璃后分为AC、AD、AE三束，它们从A点到C、D、E三点的时间分别为t1、t2、t3，则（）A．t3＞t2＞t1 B．t1＞t2＞t3 C．t2＞t1＞t3 D．t1＝t2＝t3【解答】解：对于任意一束光，设其折射角为α，光在玻璃砖中通过的路程为L，玻璃砖直径为d，折射率为n，光在真空中的速度为c，光在玻璃中的速度为v，则光从A点到达玻璃砖圆弧面的时间为t=又由折射定律有n=联立解得：t则从A点到C、D、E三点的时间相等，即t1＝t2＝t3，故ABC错误，D正确。故选：D。（2024•台州二模）如图甲所示，在水池中水平放置一条细灯带围成的直径为d1＝0.6m的圆环发光体，水的折射率n=43，细灯带到水面的距离h可以调节，紧贴水面的上方水平放置一光传感器。调节h＝h1时，传感器检测到有光强的区域恰好为一个完整的圆形。调节h为h2=74m时，传感器上光强随A．h1=75m B．C．d3＝1.5m D．h越小，d3越大【解答】解：A.传感器检测到有光强的区域恰好为一个完整的圆形时，灯带上发出的光在O点恰好发生全反射，如图1图1则sinC=由几何知识得tanC=解得h1=7故A错误；B.h2=74m图2由sinC=tanC=解得d2＝0.9m故B正确；C.h2=74m图3由sinC=tanC=解得d3＝2.1m故C错误；D.由tanC=d32-d12h故选：B。题型二全反射现象的理解和综合分析1．定义：光从光密介质射入光疏介质，当入射角增大到某一角度时，折射光线将消失，只剩下反射光线的现象．2．条件：(1)光从光密介质射入光疏介质．(2)入射角大于或等于临界角．3．临界角：折射角等于90°时的入射角，若光从光密介质(折射率为n)射向真空或空气时，发生全反射的临界角为C，则sinC＝eq\f(1,n).介质的折射率越大，发生全反射的临界角越小．（多选）（2024•重庆模拟）如图为我国航天领域某透明光学部件截面示意图，其截面一侧是半径为R的四分之一圆弧，其余两侧为直面AC与BC，且AC＝BC＝R。该部件独特的性能是放在O点的光源发出的光线，在圆弧AB上有三分之二最终不能从AC、BC面射出，光速为c。下列说法正确的是（）A．该透明光学部件的全反射临界角为30° B．该透明光学部件的折射率为32C．光线透过该部件最长时间为2(2D．该透明光学部件AC边不透光长度为3【解答】解：AB．若射到E点和G点的光线恰能发生全反射，可知射到AE之间和GB之间的光线都能从透明光学部件中射出，由题意可知该两部分占圆弧的三分之二，可知∠ADE＝C＝30°折射率n=1故A正确，B错误；C．光线在该部件中的速度v=光线透过该部件最长时间为从C点射出的光线，则最长时间t=解得t=故C正确；D．该透明光学部件AC边不透光长度为EC＝R﹣Rtan30°=3-故D错误。故选：AC。（2024•乐清市校级三模）如图所示，△ABC为等腰直角三棱镜的截面图，AB=2a，P为AB边上一点，Q是BC边的中点。一束单色光自BC边上的P点射入棱镜，入射光线从垂直BC方向缓慢调整至平行BC方向。当入射光线垂直于AB边时，BC边恰好无光线射出；当入射光线平行于BC边射入时，折射光线恰好经Q点反射后从AC边射出。已知光在真空中的传播速度为c，sin15°=A．PB间的距离x=B．经BC面一次反射后从AC面出射的光线不可能与入射光平行 C．P点入射角合适的情况下，经BC面一次反射后在AC面出射时可能发生全反射 D．缓慢调整入射方向的过程中，经BC面一次反射后从AC面出射的光线在玻璃中传播的最短时间t=【解答】解：A．光线垂直于AB边射入棱镜后，光路图如图所示在BC边恰好发生全反射，设光线在棱镜中发生全反射的临界角为C，由几何关系可得n=光线自P点平行于BC边射入棱镜，光线恰好经过Q点的光路图如图所示由折射定律n=得可得折射角为r＝30°在△BPQ由正弦定理可得BPsin有几何关系知，∠BQP＝15°，∠BPQ＝120°，BQ＝a，代入上式解得x=故A错误；B．由对称性可知，光线自P点平行于BC边射入棱镜，光线恰好经过Q点全反射后经AC面射出的光先与入射光线平行，故B错误；C．若在AC面出射时发生全反射，则光线必须平行BC边入射到AC面，P点入射的光线不可能经BC面一次反射后在AC面出射时发生全反射，故C错误；D．光线垂直于AB边射入棱镜后，路图如图所示，光线在棱镜中通过的路程最短，传播的时间最短，为t=n=联立解得t=故D正确。故选：D。（2024•皇姑区校级模拟）光刻机是现代半导体工业的皇冠，我国研制的某型号光刻机的光源辐射出某一频率紫外光，投影原理简化如图，等腰直角三角形ABC为三棱镜横截面，半球形玻璃砖半径为R，O'O为玻璃砖对称轴。间距2R的a、b两束平行紫外光从棱镜左侧垂直AB边射入，此角度射向半球形玻璃砖的光线已达到最强（光不能从三棱镜的AC边射出），反射后进入玻璃砖，最后会聚于O'O延长线上的M点。半球形玻璃砖折射率为2，来自棱镜的反射光关于轴线O'O对称，光在真空中的传播速度为c，下列正确的是(A．三棱镜折射率可能为1.3 B．改变光线在AB面的入射角，可使光线在AB面上发生全反射 C．进入半球形玻璃砖到第一次折射出玻璃砖的时间为6-D．进入半球形玻璃砖到第一次折射出玻璃砖的时间为6【解答】解：A．由题意可知，光在AC面发生全反射，所以有sin45可得三棱镜的折射率为n≥故A错误；B．光由光密介质射入光疏介质才有可能发生全反射，所以即便改变光线在AB面的入射角，也不会在AB面上发生全反射，故B错误；CD．如图光在半球玻璃砖内传播过程在△ODE中有sin∠则∠DOE＝45°所以光在射入玻璃砖时的入射角为45°，紫外光进入玻璃砖时由折射定律得n=则∠FDO＝30°在△DOF中有Rsin解得DF=(光在玻璃砖中的传播速度v=光在玻璃砖中的传播时间t=故C正确，D错误。故选：C。（2024•中山区校级模拟）如图所示，直角梯形玻璃砖ABCD，其中BCDE是正方形，∠A＝30°。现有两束单色光组成的复合光从AD的中点M平行AB边射入，折射光线a、b分别到E点和B点，则有（）A．玻璃砖对b光的折射率为62B．射到E点的光线不会发生全反射 C．射到E点的光线会发生全反射，且反射光过BC中点 D．在玻璃砖中a光速度大于b光速度【解答】解：A.光线a在玻璃砖内的光路图如图所示：由几何关系可知光线b在AD面上的折射角为45°折射率为：n=sinisinr=sinB.光线a在玻璃砖内的光路图如图所示：由几何关系可知光线在AD面上的折射角为30°，折射率为：na设临界角为C，则sinC=1n=33，在AB界面上，入射角为C.设光从BC界面上N点射出，由几何关系可知：BN=atan30D.由于na＞nb，根据n=cv可知在玻璃砖中a光速度小于b故选：A。（2024•五华区校级模拟）如图所示为一均匀透明介质棱镜的横截面，横截面为一斜边长为2L的等腰直角三角形。一束紫光以i＝60°，从斜边中点A入射，在EF边上的P点发生反射后，射向BE边上Q点（P、Q点均未标出），已知该介质对紫光的折射率为3，紫光在真空中的波长为λ，光在真空中的光速为c，sin15=6A．该光束进入棱镜后波长变为3λ B．该光束在P点一定不发生全反射 C．该光束在棱镜内的传播时间为(2+3D．若入射光为红光，光束在A点折射后会射到PF间某点【解答】解：A．该光束进入棱镜后，光路如图所示波长变为λ'故A错误；B．根据折射定律n=可得r＝30°根据几何关系，光束在P处的入射角为，发生全反射的临界角sinC=故在P点一定不发生全反射，故B正确；C．如图所示，在△AEP中，由正弦定理得sin45°解得AP=光传播至Q点，则光在棱镜中的传播路程s=光在棱镜中的传播速度为v=传播时间为t=故C错误；D．若入射光为红光，在棱镜中的折射率小于紫光在该棱镜中的折射率，第一次折射后应射到PE段，故D错误。故选：B。题型三光路控制问题分析平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制：类别项目平行玻璃砖三棱镜圆柱体(球)结构玻璃砖上下表面是平行的横截面为三角形横截面是圆对光线的作用通过平行玻璃砖的光线不改变传播方向，但要发生侧移通过三棱镜的光线经两次折射后，出射光线向棱镜底边偏折圆界面的法线是过圆心的直线，经过两次折射后向圆心偏折应用测定玻璃的折射率全反射棱镜，改变光的传播方向改变光的传播方向特别提醒不同颜色的光的频率不同，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．（2024•郫都区校级模拟）如图所示，有一束平行于等边三棱镜横截面ABC的单色光从空气射向E点，并偏折到F点，已知入射方向与边AB的夹角为θ＝30°，E、F分别为边AB、BC的中点，则下列说法正确的是（）A．光从空气进入棱镜，波长变长 B．光从空气进入棱镜，光速不变 C．该棱镜的折射率为3 D．光在F点会发生全反射【解答】解：AB．光从空气进入棱镜，光速减小，波长减小，故AB错误；C．由几何关系可得入射光线在AB面上入射角为i＝60°折射角为r＝30°则棱镜的折射率为n=故C正确；D．光线在F点的入射角等于AB面上的折射角，根据光路可逆性原理知，光在F点不可能发生全反射，故D错误。故选：C。（2024•济宁三模）五一假期济宁太白湖公园的湖水里安装了一批圆形线状光源，将该光源水平放置于湖水下方710m处，该光源发出红光时，可在水面上观察到红色亮环，如图所示。已知水对红光的折射率为43，则亮环的宽度A．0.3m B．0.4m C．0.5m D．0.6m【解答】解：水下的任意一个发光点发出的光，到达水面后能发生折射从水面出来的光形成一个圆形，当圆形线状光源发出红光可在水面上观察到红色亮环时，恰好发生全反射的光的光路如图由发生全反射的临界条件可知sinC又rh=tanC；代入数据，联立可得：d＝0.6m故ABC错误，D正确。故选：D。（2024•湖北三模）如图甲为一玻璃半球的截面图，其半径为R，O为球心，AB为直径，现有均匀分布的红光垂直入射到半球的底面。已知球冠（不含圆底面）的表面积为S＝2πRℎ（如图乙，其中R为球的半径，ℎ为球冠的高），光在真空中传播的速度为c，玻璃对红光的折射率为n＝1.25，若只考虑首次射到球面的光，则下面说法正确的是（）A．从半球面射出的光中，在玻璃内的传播时间最短为3RB．整个半球面透光的面积为15C．所有射入到半球底面的光，有1625的会发生全反射D．若将入射光由红光换成紫光，则半球面透光的面积增大【解答】解：A．由光学知识有sinC=1n解得C＝53°v=由题意得从半球面射出的光中，最短路径时刚好发生全反射，最短路径L＝0.6R在玻璃内的传播时间最短为t=故A正确；B．整个半球面透光的面积为S=2故B错误；C．发生全反射的光与射入到半球底面的光比例为πR即所有射入到半球底面的光，有925的会发生全反射，故CD．若将入射光由红光换成紫光，折射率变大，临界角变小，则半球面透光的面积减小，故D错误。故选：A。（2024•香坊区校级模拟）如图所示，正方形ABCD为一个立方体冰块的截面，从空气中的Q点射出一束单色光经M点射入冰面内，入射角为θ，但具体角度无法测量，光线在AB边上的N点射出，QM连线的延长线与AB边交于P点，已知MP和MN的长度，下列说法正确的是（）A．光线进入冰块后频率变大 B．光线进入冰块后传播速度变大 C．无法求出冰块的折射率 D．减少θ角，光线在AB边可能会发生全反射【解答】解：A.光线频率是由光源本身决定的，从一种