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15.1光的折射(解析版)--2024高考一轮复习100考点100讲—高中物理
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这是一份15.1光的折射(解析版)--2024高考一轮复习100考点100讲—高中物理,共20页。试卷主要包含了1 讲 光的折射, 解决全反射问题的一般方法等内容,欢迎下载使用。
第15.1 讲 光的折射
【知识点精讲】
1.光的反射及反射定律
(1)光的反射:光从第1种介质射到它与第2种介质的分界面时,一部分光会返回到第1种介质的现象。
(2)反射定律:反射光线与入射光线、法线处在同一平面内,反射光线与入射光线分别位于法线的两侧;反射角等于入射角。
2.折射现象
光从一种介质斜射进入另一种介质时传播方向发生改变的现象,如图所示。
3.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)=n12,式中n12是比例常数。
4.折射率
(1)物理意义:折射率反映介质的光学特性,折射率大,说明光从真空射入到该介质时偏折大,反之偏折小。
(2)定义式:n=eq \f(sin θ1,sin θ2),不能说n与sin θ1成正比,与sin θ2成反比。折射率由介质本身的光学性质和光的频率决定。
(3)计算公式:n=eq \f(c,v),因v n上,则θ下逐渐减小,画出光路图如下
则从高到低θ下逐渐减小,则光线应逐渐趋于竖直方向。能描述该现象的是图A。
2. (2023高考湖南卷)一位潜水爱好者在水下活动时,利用激光器向岸上救援人员发射激光信号,设激光光束与水面的夹角为α,如图所示。他发现只有当α大于41°时,岸上救援人员才能收到他发出的激光光束,下列说法正确的是( )
A. 水的折射率为
B. 水的折射率为
C. 当他以α = 60°向水面发射激光时,岸上救援人员接收激光光束的方向与水面夹角小于60°
D. 当他以α = 60°向水面发射激光时,岸上救援人员接收激光光束的方向与水面夹角大于60°
【参考答案】BC
【名师解析】根据题述,当α>41°时,即从水面下的入射角小于49°时,光线才能射出水面,水面全反射临界角为C=49°,由sinC=1/n可得n=1/sin49°,B正确A错误;当他以α=60°向水面发射激光时,入射角i=30°,由折射定律n=sinr/sini可得射出水面的折射角正弦值sinr=1/2sin49°,折射角大于30°,岸上救援人员接收到激光束的方向与水面小于60°,C正确D错误。
3.(2023年6月高考浙江选考科目)在水池底部水平放置三条细灯带构成的等腰直角三角形发光体,直角边的长度为0.9m,水的折射率,细灯带到水面的距离,则有光射出的水面形状(用阴影表示)为( )
A. B. C. D.
【参考答案】D
【名师解析】灯带发出的光从水面射出的时发生全反射临界角的正弦值
则
灯带上的一个点发出的光的发生全反射的临界角如图所示
根据几何关系可得
则一个点发出的光在水面上能看到的的圆,光射出的水面形状边缘为弧形,AB错误。在等腰直角三角形发光体中,斜边上的高为0.45m=0.64m,大于斜边上高的两个端点发出的光在上面上内看到的光面宽度2r=0.6m,所以光带射出水面的光面中间有无法射出光线的等腰三角形区域,所以则有光射出的水面形状为图D,C错误D正确。
4. (2023高考湖北卷) 如图所示,楔形玻璃的横截面POQ的顶角为,OP边上的点光源S到顶点O的距离为d,垂直于OP边的光线SN在OQ边的折射角为。不考虑多次反射,OQ边上有光射出部分的长度为( )
A. B.
C. D.
【参考答案】C
【名师解析】
设光纤在OQ界面的入射角为,折射角为,几何关系可知,则有折射定律
光纤射出OQ界面的临界为发生全反射,光路图如下,其中
光线在AB两点发生全反射,有全反射定律
即AB两处全反射的临界角为,AB之间有光线射出,由几何关系可知
,C正确。
5.(多选)(2015·浙江10月选考)为了从坦克内部观察外部目标,在厚度为20 cm的坦克壁上开了一个直径为12 cm的孔,若在孔内分别安装由同一材料制成的如图所示的三块玻璃,其中两块玻璃的厚度相同。坦克内的人在同一位置通过玻璃能看到的外界的角度范围是( )
A.图甲的大于图乙的 B.图甲的小于图丙的
C.图乙的小于图丙的 D.图乙的等于图丙的
【参考答案】AD
【名师解析】 光在玻璃和空气的界面发生折射,假设眼睛在左下角观察,观察到外界的范围比没有玻璃时大。如图所示,当玻璃的厚度变小时(竖虚线表示玻璃左边位置),观察到外界的范围也变小,且观察范围与玻璃的位置无关,只与玻璃的厚度有关,A、D选项正确。
6.以往,已知材料的折射率都为正值(n>0)。现已有针对某些电磁波设计制作的人工材料,其折射率可以为负值(n AC,tAC < tAD,,AB错误;
由选项AB可知,AD光的折射率大于AC光,则圆柱型玻璃只保留AB右上部分后的光路图如图所示
记光线AC'、AD'的折射角分别为和,连接圆心到和根据余弦定理有
整理有,
设入射角为θ,则光从A到圆弧上C'的时间和从A到圆弧上D'的时间有
sinθ = nsini,整理有,,C正确,D错误。
8. (2022湖北十堰四模)“不经历风雨怎么见彩虹”,彩虹是一种光学现象。当阳光照射到空中的雨点时,光线被折射及反射,在空中形成七彩光谱。太阳光射到小水珠发生色散形成彩虹的光路如图所示,a、b为两种折射出的单色光。下列说法正确的是( )
A. a光的波长大于b光的波长
B. 在水珠中,a光的传播速度小于b光的传播速度
C. 用同一双缝干涉装置看到b光的干涉条纹间距比a光的宽
D. 若a光可使某金属发生光电效应,则b光也能使该金属发生光电效应
【参考答案】AD
【名师解析】
由图可知a光的偏折程度比b的偏折程度小,所以水珠对a光的折射率比对b光的折射率小,a光的频率比b光的频率小,a光的波长比b光的波长长,故A正确;根据可知,在水珠中,a光的传播速度大于b光的传播速度,故B错误;根据可知,用同一双缝干涉装置看到b光的干涉条纹间距比a光的窄,故C错误;若a光可使某金属发生光电效应,则a光的频率大于该金属的极限频率,所以b光的频率也一定大于该金属的极限频率,则b光也能使该金属发生光电效应,故D正确。
4. (2022湖北武汉武昌区5月模拟)某透明均匀介质的截面图如图所示,直角三角形的直角边BC与半圆形的直径重合,∠ACB=30°,半圆形的半径为R,一束光线从E点射入介质,其延长线过半圆形的圆心O,且E、O两点距离为R,已知光线在E点的折射角为30°,真空中的光速为c,则( )
A. 该介质折射率为
B. 该介质折射率为
C. 光线在该透明均匀介质中运动的时间为
D. 光线在该透明均匀介质中运动的时间为
【参考答案】B
【名师解析】
【详解】
AB.由于
则为等腰三角形,∠OEC也为30°,所以入射角有
设折射角为,根据折射定律,有
A错误,B正确;
CD.根据几何关系,可知
∠OED=30°
则折射光线ED平行于AB,可得
光在介质中的传播速度为
传播时间为
联立得到,C、D错误;
2. (2022北京海淀二模) 如图所示的平面内,光束经圆心射入半圆形玻璃砖,进入玻璃砖后分成、两束单色光。下列说法正确的是( )
A. 玻璃对光的折射率小于对光的折射率
B. 在真空中光的波长小于光的波长
C. 在真空中光的频率小于光的频率
D. 在玻璃砖中光的传播速度大于光的传播速度
【参考答案】B
【名师解析】
根据折射定律结合图象可知玻璃对光的折射率大于对光的折射率,即
则光的频率大于光的频率,根据,可知在真空中光的波长小于光的波长,根据可知在玻璃砖中光的传播速度小于光的传播速度,故B正确,ACD错误。
10. (2022·山东菏泽二模)如图所示为一个边长为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(不考虑光线在正立方体内的反射,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
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
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
【参考答案】BCD
【名师解析】
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
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,在面看到的亮斑形状为一个半径为的圆,如图所示
设全反射临界角为,则有,解得
由几何关系可得,则在面看到的亮斑面积为
有光线射出的区域面积与正立方体表面积的比值为,B正确;
单色光在透明正立方体中的传播速度为,从立方体表面直接射出光线中,光线从亮斑最外侧射出经过的时间最长,则有,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,可知发生全反射的临界角变小,根据,可知亮斑半径变小,即正立方体表面有光线射出的面积变小,D正确;
(2022广东潮州二模)如图所示,半圆形玻璃砖放在水平地面上,玻璃砖最低点B与地面接触,平面AC水平。一束由红光和紫光两种单色光组成的复合光斜射到圆心O,方向与平面AC成角,光线经玻璃砖折射后照射在地面上留下两个亮点P、Q,测得,。则玻璃砖对红光折射率为________。若不考虑光的反射,光在真空中的传播速度为c,则两种单色光在玻璃砖中传播的时间差为________。
【参考答案】 ①. ②.
【名师解析】
[1]紫光的折射率大,红光的折射率小,所以P是紫光,Q是红光
解得
玻璃砖对红光折射率为
[2]根据直角三角形得
解得
对紫光的折射率为
两种单色光在玻璃砖中传播的时间差为
根据折射定律得 ,
解得
1. (2022南京金陵中学4月模拟)两个完全相同的等腰三棱镜如图所示放置,相邻两侧面相互平行,一束白光从棱镜的左面入射,从的右面出射,则出射光线是( )
A. 平行彩色带B. 白光带
C. 散射彩色带D. 一束白光
【参考答案】A
【名师解析】
各色光经两等腰棱镜折射的光路图如图所示
各色光经多次折射,但由于两棱镜相邻两侧面平行,所以各色光出射光线与入射光线平行,最后出射光线是平行彩色带。
【例1】 如图所示,一束单色光从空气入射到棱镜的AB面上,经AB和AC两个面折射后从AC面进入空气。当出射角i′和入射角i相等时,出射光线相对于入射光线偏转的角度为θ。已知棱镜顶角为α,则计算棱镜对该色光的折射率表达式为( )
A.eq \f(sin\f(α+θ,2),sin\f(α,2)) B.eq \f(sin\f( α+θ,2),sin\f(θ,2))
C.eq \f(sinθ,sin(θ-\f(α,2))) D.eq \f(sinα,sin(α-\f(θ,2)))
解析 如图所示,设AB面上的折射角为γ,AC面上的入射角为γ′,由于i′=i,由光的折射定律及光路可逆知γ′=γ,又设两法线的夹角为β,则由几何关系得:γ+γ′+β=180°,又由α+β=180°,则解得:γ=eq \f(α,2),又由几何关系得:γ+γ′+θ=i+i′,解得:i=eq \f(α+θ,2),则棱镜对该色光的折射率n=eq \f(sini,sinγ)=eq \f(sin\f(α+θ,2),sin\f(α,2)),故A正确。
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