高考物理一轮复习 第十三章：光学案

这是一份高考物理一轮复习 第十三章：光学案，共39页。学案主要包含了光的折射定律　折射率，全反射　光导纤维，光的偏振等内容，欢迎下载使用。

一、光的折射定律 折射率
1．折射现象
光从一种介质斜射入另一种介质时传播方向发生改变的现象，如图所示(以光从空气射入水中为例)。
2．折射定律
(1)内容：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(sin θ1,sin θ2)＝n。
[注意] (1)在光的折射现象中，光路是可逆的。
(2)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
(1)折射率是衡量材料光学性能的重要指标。
(2)定义式：n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)。
(3)计算式：n＝eq \f(c,v)，因为v nc，则b光的频率大于c光的频率，根据c＝fλ，可知在真空中b光的波长小于c光的波长，根据v＝eq \f(c,n)可知在玻璃砖中b光的传播速度小于c光的传播速度，故B正确，A、C、D错误。
3．[球形玻璃的色散]虹和霓是太阳光在水珠内分别经过一次和两次反射后出射形成的，可用白光照射玻璃球来说明。两束平行白光照射到透明玻璃球后，在水平的白色桌面上会形成MN和PQ两条彩色光带，光路如图所示。M、N、P、Q点的颜色分别为( )
A．紫、红、红、紫 B．红、紫、红、紫
C．红、紫、紫、红 D．紫、红、紫、红
解析：选A 由题图可知，射到M点的光线进入玻璃球时的折射角小于射到N点的光线进入玻璃球时的折射角，所以玻璃球对射到M点的光的折射率大于射到N点的光的折射率，故M点的颜色为紫色，N点的颜色为红色；同理可得P点的颜色为红色，Q点的颜色为紫色，A正确。
考法二 光路的控制
平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制
[考法全训]
1．[平行玻璃砖对光路的控制]
如图所示，一块两面平行的玻璃砖平放在纸面上，将它的前、后两个边界PQ、MN记录在纸面上。若单色光沿纸面从真空中以入射角i＝60°从MN表面射入时，光通过玻璃砖的时间为t；若保持入射光的方向不变，现撤去玻璃砖，光通过PQ、MN之间的区域的时间也为t，那么，这块玻璃砖对该入射光的折射率为( )
A．2 B．eq \r(3)
C．1.5 D．eq \r(2)
解析：选B 设玻璃砖的厚度为d，折射率为n，折射角为r，则t＝eq \f(d/cs r,v)＝eq \f(d/cs r,c/n)＝eq \f(nd,ccs r)，t＝eq \f(d/cs 60°,c)＝eq \f(2d,c)，n＝eq \f(sin 60°,sin r)，可解得n＝eq \r(3)，故B正确。
2．[全反射棱镜对光路的控制]
自行车上的红色尾灯不仅是装饰品，也是夜间骑车的安全指示灯，它能把来自后面的光照反射回去。某种自行车尾灯可简化为由许多整齐排列的等腰直角三棱镜(折射率n＞eq \r(2))组成，棱镜的横截面如图所示。一平行于横截面的光线从O点垂直AB边射入棱镜，先后经过
AC边和CB边反射后，从AB边的O′点射出，则出射光线是( )
A．平行于AC边的光线①
B．平行于入射光线的光线②
C．平行于CB边的光线③
D．平行于AB边的光线④
解析：选B 光线从O点垂直AB边射入棱镜后经AC边和CB边反射，平行于入射光线从O′点射出，故B正确。
(三) 光的折射定律和全反射规律的综合应用(精研点)
1．求解全反射问题的四点提醒
(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)在全反射现象中，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。
2．全反射现象中光的传播时间的求解要领
(1)准确地判断出恰好发生全反射的临界光线是解题的关键。
(2)全反射现象中，光在同种均匀介质中的传播速度不发生变化，即v＝eq \f(c,n)。
(3)全反射现象中，光的传播路程应结合光路图与几何关系进行确定。
(4)利用t＝eq \f(l,v)求解光的传播时间。
[考法全训]
1．[正立方体玻璃砖]
(多选)如图所示为一个边长为a的实心透明正立方体，在正立方体中心O点放置一个红色点光源，该点光源发出的部分光通过透明正立方体折射出来。已知该单色光在透明正立方体材料中的折射率为n＝2(不考虑光线在正立方体内的反射，c为真空中的光速)。对该光现象的描述正确的是( )
A．红色光从正立方体表面射出后光子能量减小
B．有光线射出的区域占正立方体表面积的eq \f(π,12)
C．从立方体表面直接射出的光线在正立方体内经过的最长时间为eq \f(2\r(3)a,3c)
D．若把红色点光源换成蓝色点光源，正立方体表面有光线射出的面积变小
解析：选BCD 红色光从正立方体表面射出后，频率保持不变，根据光子能量公式E＝hν，可知红色光从正立方体表面射出后光子能量不变，A错误；观察者从左向右观察，在ABB′A′面看到的亮斑形状为一个半径为R的圆。如图所示，设全反射临界角为C，则有sin C＝eq \f(1,n)＝eq \f(1,2)，解得C＝30°，由几何关系可得R＝eq \f(a,2)tan C＝eq \f(\r(3),6)a，则在ABB′A′面看到的亮斑面积为S0＝πR2＝eq \f(πa2,12)，有光线射出的区域面积与正立方体表面积的比值为eq \f(6S0,6a2)＝eq \f(π,12)，B正确；单色光在透明正立方体中的传播速度为v＝eq \f(c,n)＝eq \f(c,2)，从立方体表面直接射出的光线中，光线从亮斑最外侧射出经过的时间最长，则有tmax＝eq \f(\f(a,2cs 30°),v)＝eq \f(2\r(3)a,3c)，C正确；若把红色点光源换成蓝色点光源，可知折射率变大，根据全反射临界角公式sin C＝eq \f(1,n)，可知发生全反射的临界角变小，根据R＝eq \f(a,2)tan C，可知亮斑的半径变小，即正立方体表面有光线射出的面积变小，D正确。
2．[球形玻璃砖]
(2022·河北高考)如图，一个半径为R的玻璃球，O点为球心。球面内侧单色点光源S发出的一束光在A点射出，出射光线AB与球直径SC平行，θ＝30°。光在真空中的传播速度为c。求：
(1)玻璃的折射率；
(2)从光源S发出的光线经多次全反射回到S点的最短时间。
解析：(1)如图甲所示，可知入射角与折射角分别为θ、2θ，因此n＝eq \f(sin 2θ,sin θ)＝eq \r(3)。

(2)当光线在玻璃球内的路径为正三角形时，路径最短，但此时光在玻璃球内不发生全反射，故考虑光的路径为正方形，如图乙所示，由全反射知识可知sin C＝eq \f(1,n)＝eq \f(\r(3),3)