新教材高考物理一轮复习第13章光学电磁波相对论第1节光的折射全反射课件

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1.通过实验,理解光的折射定律。会测定材料的折射率。2.知道光的全反射现象及其产生的条件。初步了解光纤的工作原理、光纤技术在生产生活中的应用。3.观察光的干涉、衍射和偏振现象,了解这些现象产生的条件,知道其在生产生活中的应用。会用双缝干涉实验测定光的波长。4.了解电磁振荡和电磁波。知道电磁波的发射、传播和接收。认识电磁场的物质性。
5.认识电磁波谱。知道各个波段的电磁波的名称、特征和典型应用。知道光也是一种电磁波。6.初步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想以及在物理学发展中的意义。7.通过实验,了解激光的特性,能举例说明激光技术在生产生活中的应用。8.初步了解狭义相对论和广义相对论的几个主要观点以及主要观测证据。关注宇宙学研究的新进展
本章是高考中的必考内容,高考题型既有选择题,又有计算题。 考查的具体内容主要包括以下几个方面: ①光的折射和全反射综合问题;②光的干涉、衍射、多普勒效应、电磁波谱、电磁波与实际生活和科技前沿相结合的问题
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.折射定律(1)内容:如图所示,折射光线与入射光线、法线处在　　　　　内,折射光线与入射光线分别位于法线的　　　　;入射角的　　　　与折射角的　　　　成正比。 (2)表达式:　　　　=n。 (3)在光的折射现象中,光路是　　　　的。 
3.折射率(1)折射率是一个反映介质的光学特性的物理量。(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。
二、全反射1.光密介质与光疏介质
2.全反射(1)定义:光从　　　　介质射入　　　　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　　　　介质射向　　　　介质;②入射角　　　　　　　　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小。
3.全反射棱镜棱镜对光路的控制如图所示,玻璃棱镜的截面为等腰直角三角形,当光从图中所示的方向射入玻璃时,由于光的方向与玻璃面　　　　,光线不发生偏折。但在玻璃内部,光射向玻璃与空气的界面时,入射角　　　　临界角,发生　　　　　。 
4.光导纤维当光在有机玻璃棒内传播时,如果从有机玻璃射向空气的入射角　　　临界角,光会发生　　　　　,于是光在有机玻璃棒内沿着　　　　形路线传播。这就是光导纤维导光的原理。 
旁栏边角 人教版教材选择性必修第一册P94阅读“做一做”——水流导光,完成下面题目。如图所示,一条圆柱形的光导纤维,长为L,它的内芯的折射率为n1,外层材料的折射率为n2,光从一端射入,经全反射后从另一端射出,所需的最长时间为t,求:(1)n1和n2的大小关系;(2)最长时间t的大小。(图中标的C为全反射的临界角,其中sin C= )
解析 (1)欲使光在内芯和外层材料的界面上发生全反射,需使内芯的折射率大于外层材料的折射率,即n1>n2。
易错辨析 (1)某种玻璃对蓝光的折射率比红光大,蓝光和红光以相同的入射角从空气斜射入该玻璃中,蓝光的折射角较大。(　　)(2)光纤通信利用了全反射的原理。(　　)(3)晚上,在池水中同一深度的两点光源分别发出红光和蓝光,蓝光光源看起来浅一些。(　　)(4)若光从空气中射入水中,它的传播速度一定增大。(　　)(5)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 。(　　)
应用提升1.(2022广东揭阳期末)一兴趣小组的同学将一枚大头针垂直插入半径为r的圆形薄软木片中心,并将其放入盛有水的碗中,如图所示,已知水的折射率为 。当在水面上任何角度都看不到大头针时,大头针末端离水面的最大距离h为(　　)
2.如图所示,一束单色光从介质1射入介质2,在介质1、2中的波长分别为λ1、λ2,频率分别为f1、f2,则(　　)A.λ1<λ2B.λ1>λ2C.f1f2
答案 B解析 根据折射定律可知n1v2,光从一种介质进入另一种介质时频率不变,即f1=f2,根据v=λf,可知波长与波速成正比,即λ1>λ2。故选B。
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 发生全反射的条件是:光由光密介质射入光疏介质,入射角大于或等于临界角,故A、C正确;光在光密介质中的传播速度小,所以光在介质a中的速度应小于在介质b中的速度,故B错误;发生全反射时,光不一定是单色光,故D错误。
对折射率的理解(1)公式 中,不论光是从真空射入介质,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。(2)折射率由介质本身性质决定,与入射角的大小无关。(3)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。(4)折射率的大小不仅与介质本身有关,还与光的频率有关。同一种介质中,频率越大的色光折射率越大,传播速度越小。(5)同一种色光,在不同介质中虽然波速、波长不同,但频率相同。(6)折射率大小不仅反映了介质对光的折射本领,也反映了光在介质中传播速度的大小, 。
【典例突破】典例1.(2022湖南卷)如图所示,某种防窥屏由透明介质和对光完全吸收的屏障构成,其中屏障垂直于屏幕平行排列,可实现对像素单元可视角度θ的控制(可视角度θ定义为某像素单元发出的光在图示平面内折射到空气后最大折射角的2倍)。透明介质的折射率n=2,屏障间隙l=0.8 mm。发光像素单元紧贴屏下,位于相邻两屏障的正中间。不考虑光的衍射。(1)若把发光像素单元视为点光源,要求可视角度θ控制为60°,求屏障的高度d。(2)若屏障高度d'=1.0 mm,且发光像素单元的宽度不能忽略,求像素单元宽度x最小为多少时,其可视角度θ刚好被扩为180°(只要看到像素单元的任意一点,即视为能看到该像素单元)。
思维点拨(1)由题意可知最大折射角为 ,由折射定律求得最大入射角,作出临界的光路图,由几何关系求解。(2)与(1)同理求得对应的最大入射角,作出临界的光路图,由几何关系确定像素单元宽度x最小长度并求解。
素养点拨 解决光的折射问题的思路1.根据题意画出正确的光路图。2.利用几何关系确定光路中的边、角关系,要注意入射角、折射角均以法线为标准。3.利用折射定律、折射率公式求解。
【对点演练】1.(2023广东韶关期末)参加社会实践的某高中学生利用所学的光学知识测出了一款玻璃样品的折射率。如图所示,学生将一束光线以入射角θ=60°从空气射向厚度h=0.1 m的平行板玻璃,测出下界面出射光线的出射点与上界面入射光线的法线之间的距离d=0.05 m。则此玻璃的折射率n为(　　)
(1)tan θ的值;(2)B位置到水面的距离H。
解析 (1)小球在空中做平抛运动,设初速度为v0,运动时间为t,入水前瞬间速度的竖直分量为vy,由平抛运动的规律可知d=v0t
1.求解光的折射、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)光的反射和全反射现象,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。
2.求解光的折射和全反射问题的思路
3.求解全反射现象中光的传播时间的注意事项(1)在全反射现象中,光在同种均匀介质中的传播速度不发生变化,即 。(2)在全反射现象中,光的传播路程应结合光路图与几何关系进行确定。(3)利用 求解光的传播时间。
【典例突破】典例2.(多选)截面为等腰直角三角形的三棱镜如图甲所示。DE为嵌在三棱镜内部紧贴BB'C'C面的线状单色可见光光源,DE与三棱镜的ABC面垂直,D位于线段BC的中点。图乙为图甲中ABC面的正视图。三棱镜对该单色光的折射率为 ,只考虑由DE直接射向侧面
AA'C'C的光线。下列说法正确的是(　　)A.光从AA'C'C面出射的区域占该侧面总面积的B.光从AA'C'C面出射的区域占该侧面总面积的C.若DE发出的单色光频率变小,AA'C'C面有光出射的区域面积将增大D.若DE发出的单色光频率变小,AA'C'C面有光出射的区域面积将减小
思维点拨 1.入射角增大到临界角时的光线是光能射出的边界光线。2.光的频率变小,折射率也变小,临界角变大,AA'C'C面有光出射的区域面积将增大。
解析 设该单色光的临界角为θ,则 ,故θ=45°,如图所示,单色光在D'点恰好发生全反射,光能从D'点以下的区域射出,由几何关系可得出射区域的面积占侧面总面积的 ,选项A正确,B错误;若单色光的频率变小,则其折射率变小,临界角变大,出射点D'将沿侧面上移,出射区域的面积将增大,选项C正确, D错误。
【对点演练】3.(2023山东青岛检测)如图,一玻璃柱体的横截面为半圆形,细的单色光束从柱体的O点(半圆的圆心)射向空气,入射角α=30°,产生的反射光束1和折射光束2恰好垂直,下列说法正确的是(　　)A.玻璃柱体对该单色光束的折射率为B.光束1和光束2的传播速度相同C.光束1和光束2的传播频率相同D.无论α增加到多大,都不可能发生全反射
4.(2023山东青岛高三期末)如图,垂钓者位于平静清澈湖面岸边的A点,他的眼睛距离A点的高度为0.9 m,水面上的浮标B离A点的距离为0.9 m,发光鱼饵C位于浮标正前方1.8 m处水面上D点的正下方,此时垂钓者发现发光鱼饵刚好被浮标挡住,已知水的折射率n= 。(1)求此时发光鱼饵在水中的深度;(2)发光鱼饵缓慢竖直上浮,当它离水面多深时,鱼饵发出的光恰好不能从水面上A、B间射出?
答案 (1)3.12 m　(2)1.8 m解析 (1)设发光鱼饵在水中的深度为h1,人眼的位置为P,发光鱼饵发出的光线射向B点的入射角为α,经水面射向P点的折射角为β,光路图如图所示
5.(2022河北卷)如图所示,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S发出的光线经多次全反射回到S点的最短时间。