高考物理一轮复习第十四章振动和波光第2课时光的折射全反射学案新人教版

这是一份高考物理一轮复习第十四章振动和波光第2课时光的折射全反射学案新人教版，共12页。学案主要包含了光的折射定律　折射率，全反射　光导纤维，光的色散现象等内容，欢迎下载使用。
第2课时　光的折射　全反射一、光的折射定律　折射率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比。(2)表达式：＝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＝。(3)计算公式：n＝，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，传播速度越。二、全反射　光导纤维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，折射光线将全部消失，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sin C＝。介质的折射率越大，发生全反射的临界角越。4．光导纤维光导纤维的原理是利用光的全反射。如图所示。三、光的色散现象1．成因：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程度最小，对紫光的折射率最大，紫光通过棱镜后的偏折程度最大，从而产生色散现象。2．现象：一束白光通过三棱镜后在屏上会形成彩色光带。[基础自查] 1．判断正误(1)光的传播方向发生改变的现象叫光的折射。(×)(2)折射率跟折射角的正弦成正比。(×)(3)只要入射角足够大，就能发生全反射。(×)(4)折射定律是托勒密发现的。(×)(5)若光从空气中射入水中，它的传播速度一定减小。(√)(6)已知介质对某单色光的临界角为C，则该介质的折射率等于。(√)(7)密度大的介质一定是光密介质。(×)2.如图所示，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°，则以下说法正确的是(　　)A．反射光线与折射光线的夹角为120°B．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45°D．当紫光以同样的入射角从空气射到分界面时，折射角也是30°解析：选C　反射角为45°，可求得反射光线与折射光线的夹角为105°，A错误；该液体对红光的折射率n＝＝，由sin C＝，可求得全反射临界角为45°，B错误，C正确；该液体对紫光的折射率更大，所以折射角小于30°，D错误。3．(多选)光从介质a射向介质b，如果要在a、b介质的分界面上发生全反射，那么必须满足的条件是(　　)A．a是光密介质，b是光疏介质B．光在介质a中的速度必须大于在介质b中的速度C．光的入射角必须大于或等于临界角D．必须是单色光 解析：选AC　发生全反射必须同时满足两个条件：①光从光密介质射向光疏介质，②入射角大于或等于临界角。而光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中的小，且对光的颜色，以及单色光、复合光没有要求，故A、C正确，B、D错误。4．(多选)如图所示是一束复色光进入水珠后传播的示意图，出射后形成两束单色光a和b，则下列说法正确的是(　　)A．该复色光斜入射平行玻璃砖时，在另外一侧出射时将分成两束平行光线，其中b光束侧移量较大B．两束单色光分别入射到同一双缝干涉装置时，在光屏上b光束入射时得到的相邻亮条纹中心间距较大C．该复色光从水下入射到水面时，随着入射角的增大，a光束的折射光先消失D．两束单色光从空气入射到水中时，a光束在水中传播的速度比b光束大解析：选AD　由题图可知，b光的偏折较大，即b光的折射率大于a光的折射率，当该复色光斜入射平行玻璃砖时，由于b光的折射率大，入射角相同，所以b光的侧移量较大，故A正确；由公式v＝λf可知，由于b光的折射率大，即b光的频率大，所以波长较小，由公式Δx＝λ可知，波长越小，相邻亮条纹中心间距越小，所以a光得到的相邻条纹间距的较大，故B错误；由全反射的临界角sin C＝可知，折射率越大的，临界角越小，所以b光束的折射光先消失，故C错误；由公式v＝可知，折射率越大的光，传播速度越小，所以a光束在水中传播的速度比b光束大，故D正确。考点一　光的折射平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制 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的三棱镜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，出射光线向棱镜底面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 [典例]　(2021年1月新高考8省联考·广东卷)如图所示，救生员坐在泳池旁边凳子上，其眼睛到地面的高度h0为1.2 m，到池边的水平距离L为1.6 m，池深H为1.6 m，池底有一盲区。设池水的折射率为。当池中注水深度h为1.2 m和1.6 m时，池底盲区的宽度分别是多少。[解析]　当池中注水深度h为1.2 m，光路图如图所示根据几何关系知：sin i＝＝即i＝53°根据折射率可求得：sin r＝＝，即r＝37°根据几何关系可知盲区为：s＝(1.6 m－1.2 m)tan 53°＋1.2  m×tan 37°＝ m当池中注水深度h为1.6 m时，同理可得：s′＝1.6 m×tan 37°＝1.2 m。[答案]　 m　1.2 m应用光的折射定律解题的一般思路(1)根据入射角、折射角及反射角之间的关系，作出比较完整的光路图。(2)充分利用光路图中的几何关系，确定各角之间的联系，根据折射定律求解相关的物理量，如折射角、折射率等。(3)注意在折射现象中，光路是可逆的。　　 [集训冲关] 1．(2021年1月新高考8省联考·江苏卷)如图所示，一束激光照射在横截面为正方形的透明玻璃柱上，光线与横截面平行，则透过玻璃柱的光线可能是图中的(　　)A．①　　　　　　　    B．②C．③         D．④解析：选C　根据折射定律有n＝，n>1，解得i1>r1，所以折射光线向右偏折；根据折射定律有n＝，r1＝r2，解得i1＝i2，所以出射光线与入射光线平行，故选项C正确。2．(2018·全国卷Ⅰ)如图，△ABC为一玻璃三棱镜的横截面，∠A＝30°。一束红光垂直AB边射入，从AC边上的D点射出，其折射角为60°，则玻璃对红光的折射率为________。若改用蓝光沿同一路径入射，则光线在D点射出时的折射角________(填“小于”“等于”或“大于”)60°。`解析：根据光路的可逆性，在AC面由空气射入玻璃三棱镜，入射角为60°时，折射角为30°。根据光的折射定律有n＝＝＝。玻璃对蓝光的折射率比对红光的折射率大，沿同一路径入射时，r角仍为30°不变，对应的i角变大，因此折射角大于60°。答案：　大于3．(2021年1月新高考8省联考·重庆卷)将自然光引入室内进行照明是一种新型的绿色能源技术。某科技兴趣小组设计了一种接收太阳光的实验装置，如图2为过装置中心轴线的截面，上部的集光球是半径为R的某种均匀透明材料的半球体，下部为导光管，两部分的交界面是PQ。若只有PQ上方高度h＝R范围内的光束平行于PQ射入后，能直接通过PQ面进入导光管(不考虑集光球内表面的反射)，求该材料的折射率。解析：由于不考虑集光球内表面的反射，所以最上面的一束光线的光路图如图所示，由几何关系可知sin θ＝＝解得θ＝60°可知入射角θ1＝θ＝60°折射角θ2＝＝30°根据折射定律可知，材料的折射率n＝＝。答案：4. (2018·全国卷Ⅲ)如图，某同学在一张水平放置的白纸上画了一个小标记“·”(图中O点)，然后用横截面为等边三角形ABC的三棱镜压在这个标记上，小标记位于AC边上。D位于AB边上，过D点做AC边的垂线交AC于F。该同学在D点正上方向下顺着直线DF的方向观察，恰好可以看到小标记的像；过O点做AB边的垂线交直线DF于E；DE＝2 cm，EF＝1 cm。求三棱镜的折射率。(不考虑光线在三棱镜中的反射)解析：如图所示，过D点作AB边的法线NN′，连接OD，则α、β分别为O点发出的光线在D点的入射角和折射角，根据折射定律有n＝由几何关系可知β＝60°θ＝30°在△OEF中有OE＝2EF＝2 cm所以△OED为等腰三角形，可得α＝30°解得n＝。答案：
考点二　全反射全反射现象的四点理解1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。2如果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。3在光的反射和全反射现象中，均遵循光的反射定律，光路均是可逆的。4当光射到两种介质的界面上时，往往同时发生光的折射和反射现象，但在全反射现象中，只发生反射，不发生折射。[典例]　(2021年1月新高考8省联考·河北卷)如图，一潜水员在距海岸A点45 m的B点竖直下潜，B点和灯塔之间停着一条长4 m的皮划艇。皮划艇右端距B点4 m，灯塔顶端的指示灯与皮划艇两端的连线与竖直方向的夹角分别为α和β，水的折射率为，皮划艇高度可忽略。(1)潜水员在水下看到水面上的所有景物都出现在一个倒立的圆锥里。若海岸上A点恰好处在倒立圆锥的边缘上，求潜水员下潜的深度；(2)求潜水员竖直下潜过程中看不到灯塔指示灯的深度范围。[解析]　(1)设潜水员下潜深度为h，水的折射率为，海岸上A点恰好处在倒立圆锥的边缘上，sin θ＝得临界角正弦为sin θ＝＝解得：h＝15 m。(2)潜水员竖直下潜过程中看不到灯塔指示灯时，灯塔指示灯的光恰好被皮划艇挡住。设入射角为α的光线的折射角为α′，入射角为β的折射角为β′，则＝，＝根据几何关系可知sin α′＝，sin β′＝解得：h1＝ m，h2＝ m故潜水员竖直下潜过程中看不到灯塔指示灯的深度范围 m～ m。[答案]　(1)15 m　(2) m～ m [集训冲关]1．(2021·山东新高考模拟)如图所示，由某种透明介质制成的长直细圆柱体置于真空中。某种单色光在介质中传输，经过多次全反射后从右端射出。若以全反射临界角传输的光线刚好从右端以张角2θ出射，则此介质的折射率为(　　)A.　　　　　　 B.C.   D.解析：选D　设介质中发生全反射的临界角为α，如图，则由全反射临界角与折射率的关系可知：sin α＝。由图，经多次全反射后从右端射出时，入射角和反射角满足关系：n＝。联立两式可得n＝。2．(2019·江苏高考)如图所示，某L形透明材料的折射率n＝2。现沿AB方向切去一角，AB与水平方向的夹角为θ。为使水平方向的光线射到AB面时不会射入空气，求θ的最大值。解析：光线不射入空气中，则在AB面发生全反射，有sin C＝，且由几何关系得：C＋θ＝90°，得θ＝60°。答案：60°3. (2019·全国卷Ⅲ)如图，直角三角形ABC为一棱镜的横截面，∠A＝90°，∠B＝30°。一束光线平行于底边BC射到AB边上并进入棱镜，然后垂直于AC边射出。(1)求棱镜的折射率；(2)保持AB边上的入射点不变，逐渐减小入射角，直到BC边上恰好有光线射出。求此时AB边上入射角的正弦。解析： (1)光路图及相关量如图所示。光束在AB边上折射，由折射定律得＝n ①式中n是棱镜的折射率。由几何关系可知α＋β＝60° ②由几何关系和反射定律得β＝β′＝∠B ③联立①②③式，并代入i＝60°得n＝。 ④(2)设改变后的入射角为i′，折射角为α′，由折射定律得＝n ⑤依题意，光束在BC边上的入射角为全反射的临界角θc，且sin θc＝⑥由几何关系得θc＝α′＋30° ⑦由④⑤⑥⑦式得入射角的正弦为sin i′＝。⑧答案：(1)　(2)4．(2020·全国卷Ⅲ)如图，一折射率为 的材料制作的三棱镜，其横截面为直角三角形ABC，∠A＝90°，∠B＝30°。一束平行光平行于BC边从AB边射入棱镜，不计光线在棱镜内的多次反射，求AC边与BC边上有光出射区域的长度的比值。解析：如图(a)所示，设从D点入射的光线经折射后恰好射向C点，光在AB边上的入射角为θ1，折射角为θ2，由折射定律有sin θ1＝nsin θ2 ① 设从DB范围入射的光折射后在BC边上的入射角为θ′，由几何关系有θ′＝30°＋θ2 ②由①②式并代入题给数据得θ2＝30° ③nsin θ′＞1 ④所以，从DB范围入射的光折射后在BC边上发生全反射，反射光线垂直射到AC边，AC边上全部有光射出。设从AD范围入射的光折射后在AC边上的入射角为θ″，如图(b)所示。由几何关系有θ″＝90°－θ2 ⑤由③⑤式和已知条件可知nsin θ″＞1 ⑥即从AD范围入射的光折射后在AC边上发生全反射，反射光线垂直射到BC边上。设BC边上有光线射出的部分为CF，由几何关系得CF＝AC·sin 30° ⑦AC边与BC边有光出射区域的长度的比值为＝2。 ⑧答案：2考点三　光的色散各种色光的比较颜色红橙黄绿青蓝紫波长大→小频率低→高同一介质中的折射率小→大同一介质中的传播速度大→小同一介质中的临界角大→小折射时的偏折程度小→大通过棱镜的偏折角小→大 [典例]某物理兴趣小组用实验探究光的色散规律，他们将半圆形玻璃砖放在竖直面内，在其左方竖直放置一个很大的光屏P，让一复色光束SA射向玻璃砖的圆心O后，有a和b两束单色光射向光屏P，如图所示。他们根据实验现象提出了以下四个猜想，你认为正确的是(　　)A．单色光a的波长小于单色光b的波长B．在玻璃中单色光a的传播速度大于单色光b的传播速度C．单色光a通过玻璃砖所需的时间大于单色光b通过玻璃砖所需的时间D．在光束SA绕圆心O逆时针转动的过程中，在光屏P上最早消失的是a光[解析]　由题图知，a光的偏折程度小于b光的，所以a光的折射率小于b光的折射率，则a光的波长大于b光的波长，故A错误；由v＝知，b光在玻璃砖中传播速度较小，时间较长，故B正确，C错误；由sin C＝知a光的临界角较大，b光的临界角较小，则当光束SA绕圆心O逆时针转动过程中，在光屏P上最早消失的是b光，D错误。[答案]　B不同颜色的光，波长不同，频率不同；同种颜色的光在不同介质中折射率不同，传播速度和波长不同，但频率相同，说明光的颜色由频率决定。 [集训冲关]1．(2021年1月新高考8省联考·湖北卷)(多选)如图所示，一束复色光经三棱镜后分开成a、b、c和d四种单色光，用这四种单色光分别照射金属钾板，其中c光恰好可从金属钾板上打出光电子；也可以用这四种单色光分别作为双缝干涉实验的光源。下列说法正确的是(　　)A．d光的频率最高B．d光在棱镜中的折射率最小C．a光产生的干涉条纹宽度最大D．a光打出的光电子的遏止电压最大解析：选BD　由光路图可知，a光通过三棱镜的偏折程度最大，则折射率最大，a光的频率最大，d光的折射率最小，则频率最低，选项A错误，B正确；因a光的频率最大，则波长最短，根据Δx＝λ可知，a光产生的干涉条纹宽度最小，选项C错误；因为c光恰好可从金属钾板上打出光电子，则a光一定能发生光电效应，因a光的频率最大，则根据Uce＝mvm2＝hν－W0，可知，a光打出的光电子的遏止电压最大，选项D正确。2. (2021·南宁二中检测)(多选)如图所示，一束由两种单色光混合的复色光沿PO方向射向一上、下表面平行的厚玻璃平面镜的上表面，得到三束光Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。下列有关这三束光的判断正确的是(　　)A．光束Ⅰ仍为复色光，光束Ⅱ、Ⅲ为单色光B．光束Ⅱ在玻璃中的传播速度比光束Ⅲ小C．增大α角且α<90°，光束Ⅱ、Ⅲ会远离光束ⅠD．改变α角且α<90°，光束Ⅱ、Ⅲ一定与光束Ⅰ平行 解析：选ABD　由题意画出如图所示的光路图，可知光束Ⅰ是反射光线，所以仍是复色光，而光束Ⅱ、Ⅲ由于折射率的不同导致偏折分离，所以光束Ⅱ、Ⅲ是单色光，故A正确；由于光束Ⅱ的偏折程度大于光束Ⅲ，所以玻璃对光束Ⅱ的折射率大于对光束Ⅲ的折射率，根据v＝可知，光束Ⅱ在玻璃中的传播速度比光束Ⅲ小，故B正确；当增大α角且α<90°，即入射角减小时，光束Ⅱ、Ⅲ会靠近光束Ⅰ，故C错误；因为厚玻璃平面镜的上下表面是平行的，根据光的入射角与反射角相等以及光的可逆性，可知改变α角且α<90°，光束Ⅱ、Ⅲ一定与光束Ⅰ平行，故D正确。