高三物理第一轮复习资料：光的反射和折射

高老师15061873210光的反射和折射1.考点分析：光的反射和折射是高考考查的热点问题，高考中经常涉及到的知识点有反射、折射、全反射、临界角和色散的基本概念等。2.考查类型说明：近几年高考基本上均以选择题形式出现，但江苏2007年高考单科物理卷第14题为计算题。历年高考试题主要考查理解和推理能力。3.考查趋势预测：就近几年的高考试题来看，平面镜问题和不同色光的折射率、全发射、光导纤维等问题时常成为热点问题，而且大多将光的本性和几何知识结合进行考查。例如2007年全国理综I第17题、2007年北京理综第13题考查了全反射，2007年四川理综第19题、2007年江苏单科物理第14题考查了光的折射，2007年广东单科物理第11题考查几何光学与物理光学的综合运用。2008年高考在延续前几年高考命题规律的基础上，对光学作图能力提出了较高的要求，预计2009年高考仍然侧重几何光学和物理光学的综合运用考查的同时，渗透作图能力的考查。【知识储备】内容说明能级要求ⅠⅡ光的直线传播，本影和半影√光的反射，反射定律，平面镜成像作图法√光的折射，折射定律，折射率；全反射和临界角√光导纤维√棱镜，光的色散√1．光的直线传播（1）在同一种均匀介质中，光是沿直线传播的，小孔成像、影的形成都是光直线传播的例证。如果介质分布不均匀，光在传播过程中就会发生弯折，海市蜃楼现象就是例证。（2）光的传播过程也是能量传递的过程。（3）光的传播速度①光在真空中的传播速度为8310/cms②在其它介质中的速度ncv，式中n为介质的折射率，n1，故vc。（4）光年光在真空中一年时间内传播的距离称之为1光年。注意光年是长度单位而不是时间单位。光年=C·t=C=3.0×108m/s×365×24×3600s=9.46×1015m.2.影的形成点光源发出的光,照到不透明的物体上时,物体向光的表面被照亮,在背光面的后方形成一个光照不到的黑暗区域,这就是物体的影.影区是发自光源并与被照物体的表面相切的光线围成的。(1)分类:本影与半影.高老师15061873210①本影:光源上所有发光点都照不到的区域.对同一个物体,其本影区的大小,与光源发光面的大小和光源到物体的距离有关:光源到物体的距离一定时,光源发光面越大,则物体的本影越小;光源发光面越小,则物体的本影越大.光源发光面一定时,光源到物体的距离越小,则物体的本影区越大;光源到物体的距离越大,则物体的本影区越小.②半影:光源上一部分发光点的能照到,而另一部分发光点照不到的区域成为半明半暗的半影.本影与半影都是光的直线传播的结果.(2)日食和月食的形成①日食:如图所示.a.在月球的本影区①里,可看到日全食(完全看不到太阳);b.在月球的半影区②里,可看到日偏食(只能看到一部分太阳);c.在月球的半影区③里,可看到日环食(只能看到太阳的边缘部分).②月食:a.当月球处于②③里时，看不到月食，这是由于仍有部分光射到整个月球，整个月亮仍然是亮的，只不过比它在影区外稍微暗一些；b.当月球一部分处于①里时,可看到月偏食(只能看到一部分月亮);c.当月球全部处于①里时,可看到月全食(完全看不到月亮).由地理知识可知，月球不可能进入半影区3中，所以不可能出现月环食。3．光的反射定律(1)光传播到两种介质的交界面上时，改变原来的传播方向而又返回到原介质中传播的现象即为光的反射现象。(2)光的反射定律①反射光线和入射光线、界面的法线在同一平面内,反射光线和入射光线分别位于法线的两侧。②反射角等于入射角（3）在反射现象中，光路是可逆的。在有些问题中利用光路可逆，巧妙地把物点看成像点，或者把像点看成物点，对解决有些问题有很大的帮助。4.平面镜成像(1)平面镜的光学特点:只改变光束的传播方向,不改变光束的性质.①入射光束是平行光束,反射光束仍然是平行光束;②入射光束是会聚光束,反射光束仍然是会聚光束;③入射光束是发散光束,反射光束仍然是发散光束.(2)平面镜成像特点:像在平面镜的后面是正立等大的虚像,物像关于镜面对称.即:像与物方位关系:上下不颠倒,左右要交换.（3）平面镜成像是反射定律运用的具体实例，漫反射现象也严格遵守光的发射定律。5．光的折射（1）光的折射：地月太阳1232日食的形成太阳地2321月月食的形成高老师15061873210光由一种介质射入另一种介质时，在界面上将发生光路改变的现象叫光的折射．折射不仅可以改变光路，还可以改变光束的性质．（2）光的折射定律：折射光线在入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线分居在法线两侧，入射角的正弦与折射角的正弦之比是一个常数：nrisinsin．在光的折射中光路是可逆的．6.折射率（1）光由真空射人某种介质发生折射时，入射角的正弦跟折射角的正弦之比，叫做这种介质的折射率，即rinsinsin．说明：折射率是反映介质光学性质的物理量，它的大小由介质本身决定，同时光的频率越高，折射率越大。而与入射角、折射角的大小无关．（2）与光速的关系介质的折射率等于光在真空中的速度与在该介质中的速度之比，即n=c/v说明：①由n=c/v可知，任何介质的折射率都大于1.②由rinsinsin和vcn，当光由真空(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．③两种介质相比较，折射率较大的介质叫光密介质，折射率较小的介质叫光疏介质．（3）分析光的折射时，一般需作出光路图，以便应用折射规律及光路图中提供的几何关系来解答．在实际应用中，常见方法是：①三角形边角关系法；②近似法，即利用小角度时，θ≈tanθ≈sinθ的近似关系求解．7.全反射和临界角（1）当光线从光密介质射到光疏介质的界面上时，若入射角大于临界角，则折射光线消失，只产生反射的现象叫全反射．产生全反射的条件是：①光从光密介质射向光疏介质；⑵入射角大于或等于临界角．两条件必须同时存在，才发生全反射。（2）临界角：折射角等于900时的入射角叫临界角．显然，临界角是一种特殊的入射角．当光线从某介质射入真空(或空气)时，其临界角的正弦值为cvnC1sin．注意：发生反射时，不一定发生折射，如：全反射时无折射；发生折射时，却一定存在反射。8.棱镜、光的色散（1）棱镜①光线通过棱镜时，出射光将向底面偏折．通过棱镜可看到物体的虚像，像的位置向顶角偏移．②横截面是等腰直角形的棱镜叫全反射棱镜，光垂直于任意一侧面射入，都会在其它侧面上发生全反射．（2）光的色散：白光通过三棱镜后，出射光束变为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光的光束，这种现象叫光的色散。由七色光组成的光带称光谱．（3）色散的实质是由于各种色光在同一介质中传播的速率不同，或同一介质对不同色光的折射率不同．那么在同一介质中各色光的临界角C也不一样．在同一介质中，频率越高的光，其传播速度越小，波长越短，折射率越大．高老师15061873210（4）用折射定律分析光的色散现象光的色散问题常与折射现象相关联，关键物理量是n(vcn)。分析、计算时，要掌握好n的应用及有关数学知识，如三角函数(尤其是特殊角的函数)．注意：着重理解两点：其一，光的频率(颜色)由光源决定，与介质无关；光的传播速度由介质决定；光的波长由光源和介质共同确定。其二，同一介质中，频率越大的光折射率越大．再应用0vcn等知识，就能准确而迅速地判断有关色光在介质中的传播速度、波长、入射线与折射线偏折程度等问题．【典例分析】例题1（2007年全国理综I第17题）从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（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．rB．1.5rC．2rD．2.5r考点分析本题考查了光的反射、全反射以及临界角的知识。解题思路如图所示,光线射到A或B时,入射角大于临界角,发生全反射,而后由几何关系得到第二次到达界面的时候垂直打出.O点为∆ABC的重心,设EC=x,则由几何关系得到:23xxr.解得光斑半径x=2r正确答案是：C失分陷阱解答本题时，不能正确作出光路图导致很多考生出错。而要正确作出光路图，需要对光的全反射知识有深刻的理解，部分考生在此题中不能正确判断是否发生全反射而导致出错。例题2（2007年江苏单科物理第14题）如图所示，巡查员站立于一空的贮液池边，检查池角处出液口的安全情况。已知池宽为Ｌ，照明灯到池底的距离为Ｈ。若保持照明光束方向不变，向贮液池中注入某种液体，当液面高为Ｈ／２时，池底的光斑距离出液口Ｌ／４。（１）试求当液面高为２Ｈ／３时，池底的光斑到出液口的距离x。（２）控制出液口缓慢地排出液体，使液面以hv的速率匀速下降，试求池底的光斑移动的速率vx。考点分析本题主要考查折射定律运用以及几何光学作图能力。解题思路根据题意作出光路图如右所示（1）解法一：由几何关系知r桌面高老师15061873210HLhlx由折射定律2222hllnHLL代入4,2LlHh得22224HLHLnhHLx2解得3Lx解法二：由几何关系知HLhlx液面高度变化，折射角不变，由4,2LlHh得HLhl2，hHLx2解得3Lx（2）液面匀速下降，光斑也匀速向左运动。则有hxvHvL24，整理得hxvHLv2失分陷阱这是一道几何光学计算题，近几年高考中基本以选择题的形式出现，但是江苏高考却出现了计算题，本题虽然比较基础，但在解答过程中常有以下错误出现：第一就是解题不规范，缺少光路图或者用到的物理量没有交待清楚，让阅卷老师看不懂。第二利用数学知识解答出现运算错误。例题3（2007年四川理综第19题）两种单色光a和b，a光照射某金属时有光电子逸出，b光照射该金属时没有光电子逸出，则（）A．在真空中，a光的传播速度较大B．在水中，a光的波长较小C．在真空中，b光光子的能量较大D．在水中，b光的折射率较小考点分析以光电效应为背景，判断两种光的频率关系，从而考查光的折射以及光的波动性、粒子性等知识。解题思路a光照射某金属时有光电子逸出，b光照射该金属时没有光电子逸出，说明ab。光在真空中的速度均为8310/cms，选项A错误。在水中，abvv，而v，可知ab，选项B正确。折射率为abnn，选项D正确。光子的能量Eh，故abEE，选项C错误。正确答案BD失分陷阱本题属于中档难度试题，但是考查的物理知识较多，部分考生不清楚光的频率与折射率、光子的能量以及波长的关系，导致出错。高老师15061873210例题4：（08年高考宁夏卷理综）一半径为R的1/4球体放置在水平面上，球体由折射率为3的透明材料制成。现有一束位于过球心O的竖直平面内的光线，平行于桌面射到球体表面上，折射入球体后再从竖直表面射出，如图所示。已知入射光线与桌面的距离为2/3R。求出射角。解：设入射光线与1/4球体的交点为C，连接OC，OC即为入射点的法线。因此，图中的角α为入射角。过C点作球体水平表面的垂线，垂足为B。依题意，∠COB=α。又由△OBC知sinα=32①设光线在C点的折射角为β，由折射定律得sin3sin②由①②式得30③由几何关系知，光线在球体的竖直表面上的入射角γ(见图)为30°。由折射定律得sin1sin3⑤因此3sin2解得60