北京师范大学大兴附属中学高二物理学教方案--几何光学2013

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北京师范大学大兴附属中学高二物理复习资料------几何光学班级:姓名:在图12-1中所示为一复色光束a从介质Ⅰ斜射入介质Ⅱ,在介质Ⅱ中分解为两束单色光b、c,根据图中b、c两束单色光在介质Ⅱ、Ⅲ中的传播情况,请回答下列问题:图12-1(1)不同频率的光在同一介质中的折射率不同,由图可以判断b、c两束光在同一种介质中哪束光的折射率较大?(2)当光从一种介质进入另一种介质时有可能发生全反射,由图可以判断,介质Ⅱ的折射率__(选填“大于”、“小于”或“等于”)介质Ⅲ的折射率,光束c在介质Ⅱ与介质Ⅲ的分界面上的入射角__(选填“大于”、“小于”或“等于”)临界角。(3)根据折射角和入射角的关系可以判断,光束g和光束h__(选填“平行”或“不平行”)。知识梳理:1.光的折射现象,光的折射定律:21sinsinvvrin,如图12-2所示。n可以大于1也可以小于1。图12-22.折射率:光从真空(或空气)斜射进入介质中时:介质的折射率rinsinsin或vcn,n必定大于1。3.光的色散:含有多种颜色的光被分解为单色光的现象叫光的色散。(1)光通过棱镜时将向棱镜的横截面的底边方向偏折如图12-3所示。图12-3(2)通过棱镜成像偏向顶点,如图12-4所示。图12-4(3)光的色散规律:红光通过棱镜后偏折的程度比其他颜色的光的偏析程度要小,而紫光的偏折程度比其他颜色的光要大。说明透明物质对于波长不同的光的折射率是不同的,波长越长,折射率越小。4.全反射产生的条件: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。二、重、难点剖析1.折射定律及折射率折射定律:折射光线与入射光线和法线在同一平面内,折射光线和入射光线分居法线两侧;入射角的正弦与折射角的正弦之比为一常数,即risinsin常数。这个常数可以大于1也可以小于1。折射率:当光从真空射入某种介质时,上式中的比例常数就称为这种介质的折射率。即折射率,sinsinrin折射率n一定大于1,它反映了该介质对光的折射本领。折射率虽然可以用入射角与折射角的关系来表示,但并不随它们而变化,它由介质自身的光学性质来决定。它还表现在光在某种介质中的传播速度v上,即n=c/v,c为真空中的光速。当光垂直入射到两种介质的界面上时,i=r=0,光束不发生偏折,但光速仍变化,是一种特殊的折射现象。2.全反射现象及应用。光由光密介质射向光疏介质,且入射角大于临界角时,会发生全反射现象。临界角的大小为)1(sin1nC,可见,某种介质的折射率越大,由它射向真空(或另一种光疏介质)时的临界角越小。3.色散与折射率。复色光通过棱镜后会发生色散(分解成单色光)。色散现象说明不同色光在同种介质中折射率不同,由红光到紫光,折射率逐渐变大。而光的颜色取决于频率,也就是说不同频率的色光在同种介质中的折射率不同。1.光的传播光在同一种均匀介质中沿直线传播。光在真空中的传播速度为c=3.00×108m/s。小孔成像、影子、日食、月食等都是光的直线传播形成的现象。反射定律:反射光线跟入射光线和法线在同一平面上;反射光线与入射光线分居法线两侧;反射角等于入射角。折射定律:折射光线与入射光线和法线在同一平面内,折射光线和入射光线分居法线两侧;入射角的正弦与折射角的正弦之比为一常数,即risinsin常数。这一常数是一个可以描述介质光学性质的物理量——折射率。折射率:当光从真空射入某种介质时,上式中的比例常数就称为这种介质的折射率,即折射北京师范大学大兴附属中学高二物理复习资料------几何光学班级:姓名:率rinsinsin。研究表明,某种介质的折射率等于光在真空中的传播速度c与光在这种介质中的传播速度v之比,即vcn。全反射:光由光密介质射向光疏介质,且入射角等于或大于临界角时,会发生全反射现象。当光由介质射向真空或空气时,临界角的大小为)1(sin1nC。【练习】如图12-6所示,MN为置于水中的平面镜,呈水平状态,一束白光从空气垂直于水面射到平面镜的O点上,已知红光和紫光在水与空气界面发生全反射的临界角分别为和,现让平面镜以O点为轴沿顺时针方向转动,为使光束不从水面射出,转过的角度不能小于多少?()图12-6A.2B.2C.D.分析:如图12-7,当平面镜转过θ时,反射光线与入射光线的夹角为2θ,若2θ不小于光在水中的临界角,则光线会发生全反射,不能射出水面。白光中各种频率的色光在水中的折射率不同,发生全反射的临界角也不同,其中红光的临界角最大,而紫光的最小。为保证各种色光都不射出,应使2θ≥,即θ≥/2。图12-7解答:选项A正确。说明:本题将全反射和色散规律结合在一起。全反射现象中最关键的一条光线是入射角等于临界角,即恰能发生全反射时的入射光线。如果题意是希望发生全反射,那末它应是所有光线中最不易发生全反射的那条;如果题意相反,那末它就应是所有光线中最容易发生全反射的那条。把握住临界光线,解决问题就容易多了。对于色散现象,应掌握各种频率的色光在同一介质中的折射率的大小顺序,依此画出不同的传播光路,从而解决问题。另外,各种色光的频率还与它在介质中的波长、光速、干涉、衍射的条纹宽度、光子的能量、光电效应能否发生等很多物理量及物理现象相关,应注意与这些知识点的综合。1.关于光的反射与折射现象,下列说法正确的是()A.光发生反射时,光的传播方向一定改变B.光发生反射时,光的传播方向可能偏转90°C.光发生折射时,一定伴随着反射D.光发生折射时,光的传播方向可能偏转90°2.一束光从空气射入某种透明液体,入射角40°,在界面上光的一部分被反射,另一部分被折射,则反射光线与折射光线的夹角是()A.小于40°B.在40°与50°之间C.大于140°D.在100°与140°与间3.光线从空气射向玻璃砖,当入射光线与玻璃砖表面成30°角时,折射光线与反射光线恰好垂直,则此玻璃砖的折射率为()A.2B.3C.22D.334.一束光由空气入射入某介质,入射角为60°,其折射光线恰好与反射光线垂直,则光在该介质中的传播速度为()A.m/s1028B.m/s1038C.m/s10238D.m/s103385.如图12-1所示,一束复色可见光射到置于空气中的平板玻璃上,穿过玻璃后从下表面射出,变为a、b两束平行单色光,则()图12-1A.玻璃对a光的折射率较大B.a光在玻璃中传播的速度较大C.b光的频率较大D.b光的波长较长6.光在两种介质的交界面发生全反射时()A.入射光线一定在光密介质中B.入射角一定大于临界角C.界面相当于一个平面镜D.仍有一部分光线进入另一种介质中7.在医学上,光导纤维可以制成内窥镜,用来检查人体内的胃、肠、气管等器官的内部。内窥镜有两组光导纤维,一组用来把光输送到人体内部,另一组用来进行观察。光在光导纤维中传输利用了光的()A.直线传播B.干涉C.衍射D.全反射8.光导纤维的内部结构由内芯和外套组成,它们的材料不同,光在内芯中传播,则()A.内芯的折射率比外套大,光在内芯与外套的界面上发生全反射北京师范大学大兴附属中学高二物理复习资料------几何光学班级:姓名:B.内芯的折射率比外套小,光在内芯与外套的界面上发生全反射C.内芯的折射率比外套小,光在内芯与外套的界面上发生折射D.内芯和外套的折射率相同,外套的材料韧性较强,起保护作用9.光线从空气射向折射率2n的玻璃表面,入射角为1,求:(1)当1=45°时,折射角多大?(2)当1多大时,反射光线和折射光线刚好垂直?10.为了测定水的折射率,某同学将一个高32cm,底面直径24cm的圆筒内注满水,如图12-2所示,这时从P点恰能看到筒底的A点。把水倒掉后仍放在原处,这时再从P点观察只能看到B点,B点和C点的距离为18cm。由以上数据计算水的折射率应为多少?图12-2如图所示,玻璃棱镜的截面为等腰三角形,顶角a为30°。一束光线垂直于ab面射入棱镜,又从ac面射出。出射光线与入射光线之间的夹角为30°。则此棱镜材料的折射率是()A.23B.23C.33D.3答案:D1.用三块厚度相同的平板玻璃围成图12-8所示形状的等边三角形ABC。一束单色光由AC面入射,该光线由AB面射出时,以下说法中正确的是()图12-8A.射出的光线向底边BC偏折B.射出的光线向顶角A偏折C.射出的光线与入射光线方向相同D.射出的光线可能在屏上形成彩色光2.如图12-9,ABCD表示折射率为n)2(n的透明长方体,一单色细光束以角度θ入射至AB面上的P点,AP=AD/2。若要此光束进入长方体后能直接射至AD面上,角θ的最小值为__;若要此光束直接射至AD面上且能在AD面上全反射,角θ的范围应是__。图12-93.一束白光以较大的入射角入射到三棱镜的一个侧面,从另一个侧面射出,在屏上形成从红到紫的彩色光带,当入射角逐渐减小时,在屏上A.红光最先消失B.紫光最先消失C.红光紫光同时消失D.红光紫光都不消失专题十五《测定玻璃的折射率》实验目的测定玻璃的折射率。实验原理如图14-22所示,当光线AO以一定入射角i穿过玻璃砖时,通过插针法找出跟入射光线AO对应的出射光线O′B,从而找到折射光线OO′和折射角r,再根据rinsinsin算出玻璃的折射率。北京师范大学大兴附属中学高二物理复习资料------几何光学班级:姓名:图14-22实验器材一块玻璃砖,白纸,木板,大头针(4枚),量角器(或圆规、三角板),刻度尺。实验步骤1.把白纸铺在木板上。2.在白纸上画一直线aa′作为界面,过aa′上的一点O画出界面的法线NN′,并画一条线段AO作为入射光线。3.把玻璃砖放在白纸上,并使其长边与aa′重合,再确定玻璃的另一边bb′。4.在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2。5.从玻璃砖bb′一侧透过玻璃砖观察大头针P1、P2,调整视线方向直到P1被P2挡住。再在bb′一侧插上大头针P3、P4,使P3能挡住P1、P2,P4能挡住P1、P2及P3。6.移去玻璃砖,在拔掉P1、P2、P3、P4的同时分别记下它们的位置,过P3、P4作直线O′B交bb′于O′。OO′就是玻璃砖内折射光线的方向。∠AON为入射角,∠O′ON′为折射角。7.用量角器量出入射角和折射角的度数。查出它们的正弦值,并把这些数据填入记录表格里。8.用上述方法分别求出入射角是30°、45°和60°时的折射角,查出入射角和折射角的正弦值,记录在表格里。9.算出不同入射角时risinsin的值,比较一下,看它们是否接近一个常数。求出几次实验测得的risinsin的平均值,就是这块玻璃的折射率。实验关键点1.轻拿轻放玻璃砖,手只能接触玻璃砖的毛面或棱,不能触摸光洁的光学面。严禁把玻璃砖当直尺用。2.实验过程中,玻璃砖在纸面上的位置不可移动。3.插针P1与P2、P3与P4的间距要适当地大些,以减小确定光路方向时出现的误差。4.实验时入射角不能太小(接近零度),否则会使测量误差加大;也不能太大(接近90°),否则会不易观察到P1、P2的像。5.只要画出了入射光线和相应的折射光线,求折射率的方法可以有多种。(1)用量角器量出入射角i和折射角r,从三角函数表查出它们的正弦值,根据折射定律计算折射率,如图14-23(甲)所示。(2)以入射点O为圆心,以适当长(如OO′)为半径画圆,和入射光线、折射光线分别交于A、O′,从A、O′向法线做垂线,分别交于M、N,用刻度尺量出AM、O′N的长度,则折射率等于AM/O′N,如图14-23(乙)所示。(3)从O′点做上表面的垂线,交上表面于M,延长AO与O′M交于N,用刻度尺量出OO′、ON的长度,则折射率等于OO′/ON,如图14-23(丙)所示。图14-23思考题1.用插针法测定玻璃的折射率,哪些针是在放玻璃砖之前就插上的?哪些是放玻璃砖之后插上的?四个针各怎样定位?为什么针间距离应当大些?2.在白纸上记录玻璃砖表面位置的两条直线,哪个是放玻璃砖前画上的?哪个是在放玻璃砖后画上的?如果玻璃砖的两面与两条线发生错位、某条线靠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