高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册2 全反射优秀练习题

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第02讲 全反射  课程标准课标解读1．知道什么是光疏介质和光密介质，理解它们具有相对性．2．理解全反射现象，掌握临界角的概念和全反射的条件．3．利用全反射条件，应用临界角公式解答相关问题．4．了解全反射棱镜和光导纤维． 1．知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念．2．理解全反射的条件，能计算有关问题和解释相关现象．3．理解临界角的概念，能判断是否发生全反射，并能解决相关的问题．4．了解全反射棱镜和光导纤维的工作原理以及在生产、生活中的应用．   知识点01  全反射1．光密介质和光疏介质 光疏介质光密介质定义折射率较小的介质折射率较大的介质传播速度光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中的传播速度小折射特点光从光疏介质射入光密介质时，折射角小于入射角，光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角2.全反射及发生条件(1)全反射及临界角的概念①全反射：光从光密介质射入光疏介质时，若入射角增大到某一角度，折射光线就会消失，只剩下反射光线的现象．②临界角：刚好发生全反射，即折射角等于90°时的入射角．用字母C表示．(2)全反射的条件：要发生全反射，必须同时具备两个条件：①光从光密介质射入光疏介质．②入射角等于或大于临界角．(3)临界角与折射率的关系：光由介质射入空气(或真空)时，sin C＝(公式)．【即学即练1】(多选)关于全反射，下列说法中正确的是(　　)A．发生全反射时，仍有折射光线，只是折射光线非常弱，因此可以认为不存在折射光线而只有反射光线B．光从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现象C．光从光疏介质射向光密介质时，不可能发生全反射现象D．水或玻璃中的气泡看起来特别亮，就是因为光从水或玻璃射向气泡时，在界面处发生了全反射知识点02  全反射的应用1．全反射棱镜(1)形状：截面为等腰直角三角形的棱镜．(2)光学特性：①当光垂直于截面的直角边射入棱镜时，光在截面的斜边上发生全反射，光射出棱镜时，传播方向改变了90°．②当光垂直于截面的斜边射入棱镜时，在两个直角边上各发生一次全反射，使光的传播方向改变了180°．2．全反射棱镜的作用及应用(1)作用：横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜，全反射棱镜是一种特殊的棱镜，在光学仪器中用来改变光的方向．(2)应用：对于精密的光学仪器，如照相机、望远镜、显微镜等，就需要用全反射棱镜代替平面镜，以消除多余的像．3．光通过全反射棱镜时的几种方式：      入射方式项目方式一方式二方式三光路图入射面ABACAB全反射面ACAB、BCAC光线方向改变角度90°180°0°(发生侧移)【即学即练2】如图所示，自行车的尾灯采用了全反射棱镜的原理。它虽然本身不发光，但在夜间骑行时，从后面开来的汽车发出的强光照到尾灯后，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车。下面说法中正确的是(　　)A．汽车灯光应从左面射过来在尾灯的左表面发生全反射B．汽车灯光应从左面射过来在尾灯的右表面发生全反射C．汽车灯光应从右面射过来在尾灯的左表面发生全反射D．汽车灯光应从右面射过来在尾灯的右表面发生全反射知识点03  光导纤维1．光导纤维的传播原理：光由一端进入，在两层的界面上经过多次全反射，从另一端射出．光导纤维可以远距离传播光，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像．如果把许多(上万根)光导纤维合成一束，并使两端的纤维按严格相同的次序排列．就可以传播图像．2．光导纤维的折射率设光导纤维的折射率为n，当入射角为θ1时，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图所示，则有sin C＝，n＝，C＋θ2＝90°，由以上各式可得sin θ1＝.由图可知：当θ1增大时，θ2增大，而从纤维射向真空中光线的入射角θ减小，当θ1＝90°时，若θ＝C，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即解得n＝，以上是光从纤维射向真空时得到的折射率，由于光导纤维包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此光导纤维折射率要比大些．【即学即练3】如图所示，一根长为l＝5.0 m的光导纤维用折射率n＝的材料制成．一束激光由其左端的中心点以45°的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出，求：(1)该激光在光导纤维中的速度v.(2)该激光在光导纤维中传输所经历的时间．    知识点04  日常生活中的全反射1．透明体中的气泡看起来特别亮光照射到透明体上时，光线绝大多数穿过透明体．若透明体中有气泡，进入透明体中的部分光线射到空气泡上时，由于透明体的折射率大于气泡的折射率，若入射角大于或等于临界角，这部分光会发生全反射，然后射入人眼，由于气泡处反射回来的光比没有气泡处强得多，所以气泡看起来特别亮．2．海市蜃楼(1)气候条件：当大气比较平静且海面与上层空气温差较大时，空气的密度随温度的升高而减小，对光的折射率也随之减小．因海面上的空气温度比空中低，空气的下层比上层折射率大．我们可以粗略地把空中的大气分成许多水平的空气层，如图所示．(2)光路分析：远处的景物反射的光线射向空中时，不断被折射，射向折射率较小的上一层的入射角越来越大，当光线的入射角增大到临界角时，就会发生全反射现象，光线就会从高空的空气层中通过空气的折射逐渐返回折射率较大的下一层．(3)虚像的形成：当光线进入人的眼睛时，人总认为光是从其反向延长线方向发射而来的，所以地面附近的观察者就可以观察到虚像，且虚像成像于远处的半空中，这就是海市蜃楼．如图所示．3．沙漠蜃景夏日的正午烈日当头，沙漠表面被晒得非常热，其温度很快上升，由此沙漠地表处温度很高，故大气层下层空气密度小而上层空气密度逐渐增大，则从沙漠地面向上的空气的折射率由小到大连续变化．从远处物体或蓝色天空斜射向地面的光线进入折射率逐渐减小的热空气层被折射后，其折射角大于入射角且折射角与入射角均逐渐增大，使传播方向总要向上偏一些，而且入射光线可能在沙漠地面附近发生全反射．由于人眼不能看到光线的曲折，而是按直线进入人眼中的光线射来的方向看到物体，所以人看到这些光线好像是由他的前方射来的，于是人们就看到前方远处物体的倒影或者感觉到前方的沙漠中出现了一片蔚蓝发光的湖面(实际上是天空的虚像)，如图所示这就是“沙漠蜃景”形成的光路图．      【即学即练4】如图所示，夏天，在平静无风的海面上，向远方望去，有时能看到山峰、船舶、集市、庙宇等出现在空中，沙漠里有时也会看到远处的水源、仙人掌近在咫尺，可望而不可及，这就是“蜃景”．下列有关“蜃景”的说法中错误的是(　　)A．海面上上层空气的折射率比下层空气的折射率要小B．沙面上上层空气的折射率比下层空气的折射率要小C．A是“蜃景”，B是景物D．C是“蜃景”，D是景物知识点05  应用全反射测定物体的折射率方法一：利用全反射测定液体的折射率用一个圆形软木塞，在其中心处竖直地倒插一枚大头针，使其漂浮在待测液体中，如图所示，调整大头针的插入深度，使观察者在液体的上方任一位置恰好都看不到大头针的顶部S，此时，从S发出的光线，在木塞边缘的液体处恰好发生了全反射．此时的入射角C即为该液体发生全反射的临界角．测出木塞的半径r和大头针顶部的深度h，则有sinC＝＝，故液体的折射率：n＝.方法二：利用全反射测定半圆形玻璃砖的折射率将半圆形玻璃砖放在白纸上，记下直径的位置MN，MN即为界面．竖直插下大头针P1和P2，使P1和P2的延长线过玻璃的圆心O.以O为轴缓慢转动玻璃砖，使观察者在另一侧的任何位置都不能同时观察到P2和P1的像，此时过P2和P1的光线AO在界面MN上发生了全反射，此时的入射角AOM′即为全反射的临界角C，如图所示．固定玻璃砖，在玻璃砖的同侧的另一方向竖直插下大头针P3和P4，使P3挡住通过玻璃砖观察到的P2和P1的像，使P4挡住P3和P1，P2的像．过大头针P3和P4的光线BO，即为AO的反射光线．测出∠AOB，∠AOB为临界角的两倍，则玻璃砖的折射率：n＝＝.【即学即练5】为了表演“隐形的大头针”节目，某同学在半径为r的圆形软木片中间垂直插入一枚大头针，并将其放入盛有水的碗中，如图所示。已知水的折射率为，为了保证表演成功即在水面上看不到大头针，大头针末端离水面的最大距离h为(　　)A．r             B．r                 C．r             D．r  考法01  全反射【典例1】(多选)如图所示，一束入射光AO从某种介质以入射角α射入空气，以O点为圆心，R1为半径画圆C1，与折射光线OB交于M点，过M点向两介质的交界面作垂线，与入射光线AO的延长线交于N点，以O点为圆心，ON为半径画另一个圆C2，测得该圆的半径为R2，下列判断正确的是(　　)A．该介质的折射率为B．若光由介质射入空气发生全反射，则临界角的正弦值为sin C＝C．若过圆C1与界面的交点D作界面的垂线交圆C2于P点，则OP与法线所夹的锐角等于全反射的临界角D．若入射光的强度保持不变，逐渐增大入射角α，则折射光的强度将逐渐增加考法02  光的折射和全反射的应用【典例2】如图所示，ABCD是一直角梯形棱镜的横截面，位于截面所在平面内的一束光线由O点垂直AD边射入．已知棱镜的折射率n＝，AB＝BC＝8 cm，OA＝2 cm，∠OAB＝60°.(1)求光线第一次射出棱镜时，出射光线的方向．(2)第一次的出射点距C________ cm. 考法03  全反射现象中光线范围的确定【典例3】半径为R的半圆柱形玻璃，横截面如图所示，O为圆心，已知玻璃的折射率为.一束与MN平面成45°的平行光束射到玻璃的半圆柱面上，经玻璃折射后，有部分光能从MN平面上射出，求能从MN平面上射出的光束的宽度为多少？    考法04  全反射在光导纤维的应用【典例4】如图为一光导纤维(可简化为一长玻璃丝)的示意图，玻璃丝长为L，折射率为n，AB代表端面．已知光在真空中的传播速度为c.(1)为使光线能从玻璃丝的AB端面传播到另一端面，求光线在端面AB上的入射角应满足的条件；(2)求光线从玻璃丝的AB端面传播到另一端面所需的最长时间． 
 题组A  基础过关练1．(多选)下列说法正确的是(　　)A．因为水的密度大于酒精的密度，所以水是光密介质B．因为水的折射率小于酒精的折射率，所以水对酒精来说是光疏介质C．同一束光，在光密介质中的传播速度较大D．同一束光，在光密介质中的传播速度较小2．(多选)下述现象哪些是由于全反射造成的(　　)A．露水珠或喷泉的水珠，在阳光照耀下格外明亮B．直棒斜插入水中时呈现弯折现象C．口渴的沙漠旅行者，往往会看到前方有一潭晶莹的池水，当他们喜出望外地奔向那潭池水时，池水却总是可望而不可及D．在盛水的玻璃杯中放一空试管，用灯光照亮玻璃杯侧面，在水面上观察水中的试管，看到试管壁特别明亮3．(多选)如图所示，ABCD是两面平行的透明玻璃砖，AB面和CD面是玻璃和空气的界面，分别设为界面Ⅰ和界面Ⅱ。光线从界面Ⅰ射入玻璃砖，再从界面Ⅱ射出，回到空气中，如果改变光到达界面Ⅰ时的入射角，则(　　)A．只要入射角足够大，光线在界面Ⅰ上可能发生全反射现象B．只要入射角足够大，光线在界面Ⅱ上可能发生全反射现象C．不管入射角多大，光线在界面Ⅰ上都不可能发生全反射现象D．不管入射角多大，光线在界面Ⅱ上都不可能发生全反射现象4．(多选)一束单色光从真空斜射向某种介质的表面，光路如图所示。下列说法正确的是(　　)A．光从真空射入介质后，频率不变B．此介质的折射率等于C．入射角大于45°时可能发生全反射现象D．入射角小于30°时可能发生全反射现象5．空气中两条光线a和b从方框左侧入射，分别从方框下方和上方射出，其框外光线如图所示．方框内有两个折射率n＝1.5的玻璃全反射棱镜．如图给出了两棱镜的四种放置方式的示意图，其中能产生图中效果的是(　　)6．(多选)如图所示，半径为R的半圆形透明材料，折射率n＝2.0。一束平行光从空气以垂直于其底面的方向射入，则下列说法正确的是(　　)A．所有光线都能透过这种材料 B．只有距圆心O两侧范围内的光才能通过C．射出的光束会形成发散光束 D．射出的光束会形成会聚光束7．三角形AOB为直角三棱镜的横截面，棱镜的折射率，∠A＝60°，∠O＝90°，空气中一束平行于斜边AB的平行光从OB边射入，棱镜内部只考虑一次反射，下列说法错误的是(　　)A．从OB进入棱镜的光若从AB边射出，则一定会垂直于ABB．从OB进入棱镜的光若从OA边射出，则一定会垂直于OAC．光进入三棱镜后传播速度变大，波长变长D．OB边中点以下的入射光会垂直于OA边射出8．由折射率n＝的透明介质制成的三棱柱，其横截面如图中△ABC所示，一光束SO以45°的入射角从AB边射入，在AC边上恰好发生全反射，最后垂直BC边射出，求：(1)光束经AB面折射后，折射角的大小。(2)△ABC中∠A和∠B的大小。
题组B  能力提升练1．三种透明介质叠放在一起，且相互平行，一束光在Ⅰ和Ⅱ两介质的界面上发生了全反射后，射向Ⅱ和Ⅲ两介质界面，发生折射，如图所示，设定光在这三种介质中的速率分别是v1、v2、v3，则它们的大小关系是(　　)A．v1>v2>v3    B．v1>v3>v2C．v1<v2<v3    D．v2>v1>v32．(多选)光导纤维由折射率为n1的材料制成内芯，在外层包上折射率为n2的外套，光线在内芯与外套的界面上发生全反射。下列说法中正确的是(　　)A．内芯和外套的折射率应满足n1>n2B．内芯和外套的折射率应满足n1<n2C．从左端面入射的光线，其入射角必须大于某值，光才能被传导D．从左端面入射的光线，其入射角必须小于某值，光才能被传导3．如图为一圆柱中空玻璃管，管内径为R1，外径为R2，已知R2＝2R1，一束光线在圆柱横截面内射向玻璃管，为保证在内壁处光不会进入中空部分，则入射角i的最小值是(　　)A．30°  B．45°C．60° D．75°4．在桌面上有一倒立的玻璃圆锥，其顶点恰好与桌面接触，圆锥的轴(右图中虚线)与桌面垂直，过轴线的截面为等边三角形，如图所示。有一半径为r的圆柱形平行光束垂直入射到圆锥的底面上，光束的中心轴与圆锥的轴重合。已知玻璃的折射率为1.5，则光束在桌面上形成的光斑半径为(　　)A．r              B．1.5r                   C．2r               D．2.5r5．(多选)如图所示是一玻璃球体，其半径为R，O为球心，AB为水平直径。M点是玻璃球的最高点，来自B点的光线BD从D点射出，出射光线平行于AB，已知∠ABD＝30°，光在真空中的传播速度为c，则(　　)A．此玻璃的折射率为B．光线从B到D需用时C．若增大∠ABD，光线不可能在DM段发生全反射现象D．若减小∠ABD，从AD段射出的光线均平行于AB6．(2020-2021学年北京四中高二(下)期中)(多选)如图所示，OBCD为半圆柱体玻璃的横截面，OD为直径，一束由紫光和红光组成的复色光沿AO方向从真空射入玻璃分成OB、OC两束光。下列说法正确的是(　　)A．光束OB是红光B．玻璃对紫光的折射率比对红光的折射率大C．紫光在玻璃中的波长比其在真空中的波长大D．两束光分别在OB、OC段传播时所用的时间相等7．(2020-2021学年鹤岗市第一中学高二(下)期末)如图所示，平面上有一个厚度不计的发光圆环，半径为r，圆心为O。现用一个半径为R的透明半球盖住圆环(球心与圆环圆心重合)，若圆环发出的光能全部射出半球，则半球的折射率可能为(　　)A． B． C． D．8．(2020-2021学年河南省实验中学高二(下)期中)(多选)如图所示，为一个均匀透明介质球，球心位于O点，半径为R。一束单色光从真空中沿DC方向平行于直径AOB射到介质球上的C点，DC与AB的距离，若该光束射入球体经一次反射后由E点再次折射回真空中，此时的出射光线刚好与入射光线平行，已知光在真空中的速度为c，则(　　)A．介质球的折射率为n＝3B．若增大入射光的频率，则该出射光线仍与入射光线平行C．光束从C点射入到从E点射出所经历的总时间为D．若介质球的折射率增大，光线可能在介质球的内表面CBE区域的某位置发生全反射
9．如图所示，折射率n＝的半圆形玻璃砖置于光屏MN的上方，其平面AB与MN的距离h＝10 cm。一束单色光沿图示方向射向圆心O，经玻璃砖后射到光屏上的O′点。现使玻璃砖绕圆心O点顺时针转动，光屏上的折射光线光点距O′点的距离最远时，求：(1)此时玻璃砖转过的角度；(2)光屏上的折射光线光点距O′点的最远距离。   10．如图所示，平静湖面岸边的垂钓者，眼睛恰好位于岸边P点正上方0.9 m的高度处，浮标Q离P点1.2 m远，鱼饵灯M在浮标正前方1.8 m处的水下，垂钓者发现鱼饵灯刚好被浮标挡住，已知水的折射率n＝，求：(1)鱼饵灯离水面的深度；(2)若鱼饵灯缓慢竖直上浮，当它离水面多深时，鱼饵灯发出的光恰好无法从水面PQ间射出。
题组C  培优拔尖练1．光纤通信网覆盖奥运场馆，为各项比赛提供安全可靠的通信服务．光纤通信利用光的全反射将大量信息高速传输．如图所示，一条圆柱形的光导纤维，长为L，它的玻璃芯的折射率为n1，外层材料的折射率为n2，光在空气中的传播速度为c，若光从它的一端射入经全反射后从另一端射出所需的最长时间为t，则下列选项中正确的是(图中所标的φ为全反射的临界角)(　　)A．n1>n2，t＝　 B．n1<n2，t＝C．n1>n2，t＝  D．n1<n2，t＝2．(2020-2021学年山东师范大学附属中学高二(下)期中)(多选)如图甲所示，为了观察一油箱内的储油量，设计师在油箱的一侧竖直安装了一系列厚度相同长度不同的透明塑料板，每块塑料板的形状如图乙所示，下部尖端部分截面为等腰直角三角形。当光由正上方竖直向下射入到塑料板中，从观察窗口中可以清晰看到油量计的上表面有明、暗两片区域。通过观察明暗区域分界线的位置，便可判断出油量的多少，以下说法中正确的是(　　)A．从观察窗口观察到的暗区是因为光在塑料板下端发生了全反射B．从观察窗口观察到的明亮区域越大，油量越少C．使用的塑料板折射率应满足D．使用的塑料板折射率应满足  3．(2020-2021学年鹤岗市第一中学高二(下)期末)如图，在长方体玻璃砖内部有一半球形气泡，球心为O，半径为R，其平面部分与玻璃砖表面平行，球面部分与玻璃砖相切于O'点。有－束单色光垂直玻璃砖下表面入射到气泡上的A点，发现有一束光线垂直气泡平面从C点射出，已知OA=R，光线进入气泡后第一次反射和折射的光线相互垂直，气泡内近似为真空，真空中光速为c，求：(i)玻璃的折射率n；(ii)光线从A在气泡中多次反射到C的时间。    4．一厚度均匀的圆形玻璃管内径为16 cm，外径为24 cm。一条光线从玻璃管壁中点入射，光线AB与竖直方向成60°角，与直径MN在同一竖直面内，如图所示。该玻璃的折射率为，真空中光速c＝3.0×108 m/s。(1)光线经玻璃管内壁折射后从另一侧内壁下端射出玻璃管，求玻璃管的长度；(2)保持入射点不动，调整入射角。求光线AB在玻璃管内壁处恰好发生全反射时，光线在玻璃中传播的时间。(以上结果均保留两位有效数字)  5．如图，△ABC是一直角三棱镜的横截面，∠A＝90°，∠B＝60°.一细光束从BC边的D点折射后，射到AC边的E点，发生全反射后经AB边的F点射出．EG垂直于AC交BC于G，D恰好是CG的中点．不计多次反射．(1)求出射光相对于D点的入射光的偏角；(2)为实现上述光路，棱镜折射率的取值应在什么范围？     6．(2020-2021学年河南省实验中学高二(下)期中)如图所示，一容器内装有深为h的某透明液体，容器底部为平面镜，到容器底部的距离为处有一点光源L，可向各个方向发光．已知该透明液体的折射率为n，液面足够宽，真空中光的传播速度为c，求：(i)能从液面射出的光，在液体中经过的最短时间t；(ⅱ)液面上有光射出的区域的面积S．