2020年物理高考大一轮复习 第14章 振动和波 光 相对论 第40讲 光的折射 全反射课件

第十四章振动和波光相对论(选修3－4)高考总复习·物理第40讲光的折射全反射高考总复习·物理板块一板块二板块三课时达标目录板块一︿︿[知识梳理]1．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两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成_____比．同一平面正(2)表达式：_________.(3)在光的折射现象中，光路是_____的．sinθ1sinθ2＝n可逆2．折射率(1)折射率是一个反映介质的__________的物理量．(2)定义式：____________.折射率由___________性质和光的______决定，与入射角的大小无关．(3)计算公式：n＝cv，因为vc，所以任何介质的折射率都_________.光学性质n＝sinθ1sinθ2介质本身频率大于13．全反射光从光密介质射入光疏介质，当________增大到某一角度时，折射光线将全部______，只剩下反射光线的现象．4．全反射条件(1)光从______介质射入______介质．(2)入射角_______________临界角．入射角消失光密光疏大于或等于5．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sinC＝____.介质的折射率越大，发生全反射的临界角越_____．6．光导纤维光导纤维的原理是利用光的_______，如图所示．小全反射1n[基础小练]判断下列说法是否正确(1)光的传播方向发生改变的现象叫光的折射．()(2)折射率跟折射角和入射角均无关．()(3)只要入射角足够大，就能发生全反射．()(4)光在两个界面发生折射时，必然伴随着反射现象发生．()(5)若光从空气中射入水中，它的传播速度一定减小，而频率保持不变．()×√×√√(6)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1sinC.()(7)光密介质和光疏介质是相对的．()√√板块二︿︿[考法精讲]考法一光的折射1．对折射率的理解(1)公式n＝sinθ1sinθ2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，光在介质中的传播速度越小．(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．2．光路的可逆性在光的折射现象中，光路是可逆的．如果让光线逆着原来的折射光线射到界面上，光线就会逆着原来的入射光线发生折射．【自主练1】某同学通过实验测定半圆形玻璃砖的折射率n.如图甲所示，O是圆心，MN是法线，AO、BO分别表示某次测量时光线在空气和玻璃砖中的传播路径．该同学测得多组入射角i和折射角r，作出sini­sinr图象如图乙所示．则()A．光由A经O到B，n＝1.5B．光由B经O到A，n＝1.5C．光由A经O到B，n＝0.67D．光由B经O到A，n＝0.67答案B解析由sini－sinr图象可知，同一光线sinr＞sini，即r＞i，故r为光线在空气中传播时光线与法线的夹角，则BO为入射光线，OA为折射光线，即光线由B经O到A，折射率n＝sinrsini＝0.90.6＝1.5，选项B正确，A、C、D错误．【自主练2】(2019·河南省实验中学高三模拟)(多选)如图所示，一单色光由介质Ⅰ射入介质Ⅱ，在界面MN上发生偏折．下列说法正确的是()A．该光在介质Ⅰ中传播的速度大B．该光在介质Ⅱ中传播的速度大C．该光在介质Ⅰ中和介质Ⅱ中传播的速度之比为3D．该光在介质Ⅱ中和介质Ⅰ中传播的速度之比为3BD解析由图知光在介质Ⅱ中的折射角较大，则介质Ⅱ为光疏介质，光在介质Ⅱ中传播的速度大，选项A错误，B正确；介质Ⅰ相对介质Ⅱ的折射率为n＝sin60°sin30°＝3，则该光在介质Ⅱ中和介质Ⅰ中传播的速度之比为3，选项C错误，D正确．考法二光的色散1．光的色散：把复色光分解为单色光的现象叫做光的色散．白光通过棱镜后，被分解为红、橙、黄、绿、蓝、靛和紫七种颜色(如图所示)．2．正确理解光的色散(1)光的颜色由光的频率决定．(2)各种色光的比较颜色红橙黄绿蓝靛紫频率ν低→高同一介质中的折射率小→大同一介质中的速度大→小波长大→小临界角大→小通过棱镜的偏折角小→大【自主练3】(2019·北京平谷区一模)一束可见光从空气中射向水和空气的分界面，经折射后分为两束单色光a和b，如图所示．若光束b为黄光，则光束a可能是()A．红光B．蓝光C．紫光D．绿光A解析因为b光的偏折程度大于a光，所以对b光的折射率大于对a光的折射率，所以b光的频率大于a光的频率，由于蓝光、紫光、绿光的频率比黄光的频率大，红光的频率比黄光的频率小，故光束a可能是红光，选项A正确，B、C、D错误．【自主练4】(2019·北京石景山区一模)如图所示，一束可见光穿过平行玻璃砖后，分成a、b两束单色光，则下列说法正确的是()A．a光的波长小于b光的波长B．a光的频率大于b光的频率C.在该玻璃砖中，a光的传播速度比b光大D.在真空中，a光的传播速度比b光大C解析由折射光路可知，a光的折射程度较小，则折射率较小，则a光的频率较小，a光的波长较大，根据v＝cn可知，在该玻璃砖中，a光的传播速度比b光大，选项C正确，A、B错误；在真空中各种光的传播速度均相同，选项D错误．考法三测玻璃的折射率实验原理如图所示，当光线AO以一定的入射角θ1穿过两面平行的玻璃砖时，通过插针法找出跟入射光线AO对应的出射光线O′B，从而求出折射光线OO′和折射角θ2，再根据n＝sinθ1sinθ2或n＝PNQN′(推导过程见后面归纳总结)计算出玻璃的折射率．【自主练5】某同学利用“插针法”测定玻璃的折射率，所用的玻璃砖两面平行．正确操作后，作出的光路图及测出的相关角度如图所示．(1)此玻璃的折射率计算式为n＝________(用图中的θ1、θ2表示)．(2)如果有几块宽度大小不同的平行玻璃砖可供选择，为了减小误差，应选用宽度______(选填“大”或“小”)的玻璃砖来测量．解析(1)光线由空气射入玻璃的入射角i＝90°－θ1，折射角r＝90°－θ2，由折射率的定义可得n＝sinisinr＝sin90°－θ1sin90°－θ2＝cosθ1cosθ2.(2)根据平行玻璃砖对光线的影响可知，玻璃砖宽度越大，侧移量越大，折射角的测量误差越小．答案(1)cosθ1cosθ2或sin90°－θ1sin90°－θ2(2)大【自主练6】如图所示，某同学用插针法测定一半圆形玻璃砖的折射率．在平铺的白纸上垂直纸面插大头针P1、P2确定入射光线，并让入射光线过圆心O，在玻璃砖(图中实线部分)另一侧垂直纸面插大头针P3，使P3挡住P1、P2的像，连接OP3，图中MN为分界线，虚线半圆与玻璃砖对称，B、C分别是入射光线、折射光线与圆的交点，AB、CD均垂直于法线并分别交法线于A、D点．(1)设AB的长度为l1，AO的长度为l2，CD的长度为l3，DO为的长度为l4，为较方便地表示出玻璃砖的折射率，需用刻度尺测量__________，则玻璃砖的折射率可表示为__________．(2)该同学在插大头针P3前不小心将玻璃砖以O为圆心顺时针转过一小角度，由此测得玻璃砖的折射率将________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)．解析(1)sinθ1＝l1BO，sinθ2＝l3CO，因此玻璃砖的折射率n＝sinθ1sinθ2＝l1BOl3CO＝l1l3，因此只需测量l1和l3即可．(2)玻璃砖顺时针转过一个小角度，在处理数据时，认为l1是不变的，即入射角不变，而l3减小，所以测量值n＝l1l3将偏大．答案(1)l1和l3l1l3(2)偏大归纳总结数据处理常用的方法(1)计算法：用量角器测量入射角θ1和折射角θ2，并查出其正弦值sinθ1和sinθ2.算出不同入射角时的sinθ1sinθ2，并取平均值．(2)作sinθ1­sinθ2图象：改变不同的入射角θ1，测出不同的折射角θ2，作sinθ1­sinθ2的图象，由n＝sinθ1sinθ2可知图象应为过原点的直线，如图所示，其斜率为折射率．(3)“单位圆”法确定sinθ1、sinθ2，计算折射率n.以入射点O为圆心，以一定的长度R为半径画圆，交入射光线OA于E点，交折射光线OO′于E′点，过E作NN′的垂线EH，过E′作NN′的垂线E′H′，如图所示.sinθ1＝EHOE，sinθ2＝E′H′OE′，OE＝OE′＝R，则n＝sinθ1sinθ2＝EHE′H′.只要用刻度尺量出EH、E′H′的长度就可以求出n.考法四应用光的折射定律解题的一般思路(1)根据入射角、折射角及反射角之间的关系，作出比较完整的光路图．(2)充分利用光路图中的几何关系，确定各角之间的联系，根据折射定律求解相关的物理量：折射角、折射率等．(3)注意在折射现象中，光路是可逆的．【例题1】一直桶状容器的高为2l，底面是边长为l的正方形；容器内装满某种透明液体，过容器中心轴DD′、垂直于左右两侧面的剖面图如图所示．容器右侧内壁涂有反光材料，其他内壁涂有吸光材料．在剖面的左下角处有一点光源，已知由液体上表面的D点射出的两束光线相互垂直，求该液体的折射率．[思维导引]在液体与空气的界面上找到入射角和折射角，入射角及折射角的正弦通过题目中几何关系求得，根据光的折射定律公式n＝sinisinγ求出折射率．解析设从光源发出直接射到D点的光线的入射角为i1，折射角为r1.在剖面内作光源相对于反光壁的镜像对称点C，连接C、D，交反光壁于E点，由光源射向E点的光线，反射后沿ED射向D点．光线在D点的入射角为i2，折射角为r2，如图所示．设液体的折射率为n，由折射定律有nsini1＝sinr1,①nsini2＝sinr2，②由题意知r1＋r2＝90°，③联立①②③式得n2＝1sin2i1＋sin2i2，④由几何关系可知sini1＝l24l2＋l24＝117，⑤sini2＝32l4l2＋9l24＝35，⑥联立④⑤⑥式得n＝1.55.答案1.55【跟踪训练1­1】(2019·上饶二模)如图所示，直角边AC长度为d的直角棱镜ABC置于桌面上，D为斜边BC的中点，桌面上的S点发射一条光线经D点折射后，垂直于AB边射出．已知SC＝CD，光线通过棱镜的时间t＝3d2c，c为真空中光速，不考虑反射光线．求：(1)棱镜的折射率n；(2)入射光线与界面BC间的夹角θ.解析(1)光路如图所示，E是光线在AB边的射出点，设光线通过棱镜的速度为v，则DE＝12d，vt＝12d，n＝cv，解得n＝3.(2)光线射到界面BC，设入射角为i，折射角为r，则i＝π2－θ，r＝π2－2θ，n＝sinisinr，解得θ＝30°.答案(1)n＝3(2)θ＝30°【跟踪训练1­2】(2019·湖北八校高三联考)如图所示，一个三棱镜的截面为等腰直三角角形ABC，∠A为直角，直角边长为L.一细束光线沿此截面所在平面且平行于BC边的方向射到AB边上的某点M，光进入棱镜后直接射到BC边上．已知棱镜材料的折射率为2，光在真空中速度为c.(1)作出完整的光路图；(含出射光线，并在图上标出角度大小)(2)计算光从进入棱镜，到第一次射出棱镜所需的时间．解析(1)光路图如图所示．(2)作出三角形ABC关于BC边对称图形可知光线在棱镜中的传播路径长度等于MN的距离，即s＝233L，速率v＝cn＝22c，传播时间t＝sv＝233L22c＝26L3c.答案(1)见解析图(2)26L3c【跟踪训练1­3】(2019·十堰高三调研)如图所示，一截面为直角三角形的棱镜ABC，AB面涂有反射层，∠A＝30°，一束单色光垂直AC边从AC边上的P点(未画出)射入棱镜，折射光线在AB面反射后直接照射到BC边的中点Q，已知棱镜对该单色光的折射率