2019_20學(xué)年高考物理主題3光及其應(yīng)用微型專(zhuān)題幾何光學(xué)的原理及應(yīng)用課件（必修）.pptx

,微型專(zhuān)題 幾何光學(xué)的原理及應(yīng)用,主題3 光及其應(yīng)用,學(xué)科素養(yǎng)與目標(biāo)要求,物理觀念：,1.知道光的直線傳播規(guī)律. 2.知道光的反射定律、折射定律和全反射的規(guī)律. 3.知道光的可逆原理.,科學(xué)思維：,1.會(huì)根據(jù)幾何光學(xué)的基本原理畫(huà)出光路圖. 2.會(huì)利用幾何關(guān)系找出相應(yīng)的角、邊關(guān)系.,NEIRONGSUOYIN,內(nèi)容索引,重點(diǎn)探究 啟迪思維 探究重點(diǎn),達(dá)標(biāo)檢測(cè) 檢測(cè)評(píng)價(jià) 達(dá)標(biāo)過(guò)關(guān),微型專(zhuān)題練 克難解疑 精準(zhǔn)高效,重點(diǎn)探究,一、幾何光學(xué)的基本原理及應(yīng)用,幾何光學(xué)就是以光線為工具，研究光的傳播規(guī)律.解幾何光學(xué)的題目，首先根據(jù)幾何光學(xué)的基本原理畫(huà)出光路圖，然后利用幾何關(guān)系找出相應(yīng)的角、邊關(guān)系. 幾何光學(xué)研究的是光線傳播的規(guī)律，主要包括五條基本規(guī)律. 1.光的直線傳播規(guī)律：光在同一種均勻介質(zhì)中沿直線傳播 2.光的反射定律 (1)反射光線與入射光線、法線在同一平面內(nèi)，反射光線、入射光線分居在法線兩側(cè). (2)反射角等于入射角.,3.光的折射定律 折射光線與入射光線、法線在同一平面內(nèi)，折射光線、入射光線分居在法線兩側(cè)；入射角的正弦與折射角的正弦成正比.公式：n12 .其中1為入射光線與法線的夾角，2為折射光線與法線的夾角. 4.光的全反射規(guī)律 發(fā)生全反射的條件是： (1)由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)； (2)入射角臨界角C，其中sin C . 5.光的可逆原理 在反射、折射和直線傳播中，光路都是可逆的.,例1 如圖1所示，一棱鏡的截面為直角三角形ABC，A30，斜邊ABa.棱鏡材料的折射率為 .在此截面所在的平面內(nèi)，一條光線以45的入射角從AC邊的中點(diǎn)M射入棱鏡.畫(huà)出光路圖，并求光線從棱鏡射出的點(diǎn)的位置(不考慮光線沿原路返回的情況).,圖1,答案 見(jiàn)解析,由已知條件及式得230 ,甲,如果入射光線在法線的左側(cè)，光路圖如圖乙所示.,乙,設(shè)折射光線與AB邊的交點(diǎn)為D.由幾何關(guān)系可知，在D點(diǎn)的入射角60 ,由式和已知條件得C45 ,因此，光在D點(diǎn)發(fā)生全反射. 設(shè)此光線的出射點(diǎn)為E，由幾何關(guān)系得 DEB90，BDa2AF BEBDsin 30 ,求解幾何光學(xué)的題目首先要畫(huà)出光路圖，然后利用相應(yīng)的公式結(jié)合幾何知識(shí)分析邊、角關(guān)系.而光從光密介質(zhì)射到光疏介質(zhì)時(shí)，首先要判斷是否發(fā)生了全反射.,二、全反射和臨界角的綜合問(wèn)題,分析光的全反射、臨界角問(wèn)題的一般思路 (1)確定光是由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)，還是由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì). (2)若光是由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)，根據(jù)公式sin C 確定臨界角. (3)畫(huà)出恰好發(fā)生全反射的光路圖，利用幾何知識(shí)分析邊、角關(guān)系，找出臨界角. (4)以恰好發(fā)生全反射的光線為比較對(duì)象來(lái)判斷其他光線是否發(fā)生全反射，從而畫(huà)出其他光線的光路圖.,例2 (2018全國(guó)卷)如圖2，ABC是一直角三棱鏡的橫截面，A90，B60.一細(xì)光束從BC邊的D點(diǎn)折射后，射到AC邊的E點(diǎn)，發(fā)生全反射后經(jīng)AB邊的F點(diǎn)射出.EG垂直于AC交BC于G，D恰好是CG的中點(diǎn).不計(jì)多次反射. (1)求出射光相對(duì)于D點(diǎn)的入射光的偏角；,答案 60,圖2,解析 光線在BC面上發(fā)生折射，由折射定律有sin i1nsin r1 ,式中，n為棱鏡的折射率，i1和r1分別是該光線在BC面上的入射角和折射角.光線在AC面上發(fā)生全反射，由反射定律有i2r2 式中i2和r2分別是該光線在AC面上的入射角和反射角.光線在AB面上發(fā)生折射，由折射定律有nsin i3sin r3 式中i3和r3分別是該光線在AB面上的入射角和折射角. 由幾何關(guān)系得i2r260，r1i330 ,F點(diǎn)的出射光相對(duì)于D點(diǎn)的入射光的偏角為 (r1i1)(180i2r2)(r3i3) 由式得 60 ,(2)為實(shí)現(xiàn)上述光路，棱鏡折射率的取值應(yīng)在什么范圍？,解析 光線在AC面上發(fā)生全反射，光線在AB面上不發(fā)生全發(fā)射，有 nsin i2nsin Cnsin i3 式中C是全反射臨界角，滿(mǎn)足nsin C1 ,學(xué)科素養(yǎng) 光在穿過(guò)有形介質(zhì)時(shí)，往往要發(fā)生多次折射和反射，所以常把全反射現(xiàn)象和一般的折射問(wèn)題綜合起來(lái)考查.在解題時(shí)，要邊計(jì)算、邊作圖、邊考慮幾何關(guān)系，三個(gè)環(huán)節(jié)同步進(jìn)行，才能得到合理的情況.例2體現(xiàn)了“物理觀念”和“科學(xué)思維”的學(xué)科素養(yǎng).,針對(duì)訓(xùn)練 如圖3所示，ABC為一透明材料制成的柱形光學(xué)元件的橫截面，該種材料的折射率n ，AC是一半徑為R的 圓弧，O為圓弧的圓心，ABCO構(gòu)成正方形，在O處有一點(diǎn)光源.從點(diǎn)光源射到圓弧AC的光線進(jìn)入透明材料后首次射向AB或BC界面時(shí)，有一部分不能從AB或BC界面直接射出.下面的問(wèn)題只研究進(jìn)入透明材料后首次射向AB或BC界面的光線，已知AB面上的P點(diǎn)到A點(diǎn)的距離為 R.求： (1)從P點(diǎn)射出的光線的折射角；,圖3,答案 60,解析 設(shè)射向P點(diǎn)的光線入射角為1，折射角為2，如圖所示，,解得260,(2)AB和BC橫截面上沒(méi)有光線射出部分的總長(zhǎng)度.,AB橫截面沒(méi)有光線射出部分的長(zhǎng)度,兩橫截面上沒(méi)有光線射出部分的總長(zhǎng)度,達(dá)標(biāo)檢測(cè),1.(幾何光學(xué)的基本原理及應(yīng)用)(2018四川資陽(yáng)二診)如圖4所示，一個(gè)三棱鏡的截面為等腰直角ABC，腰長(zhǎng)為a，A90.一束細(xì)光線沿此截面所在平面且平行于BC邊的方向從真空射到AB邊上的中點(diǎn)M，光在M點(diǎn)發(fā)生折射后射到AC邊上，并剛好在AC邊上發(fā)生全反射.已知真空中的光速為c，試求： (1)該棱鏡材料的折射率n；,圖4,1,2,3,答案 見(jiàn)解析,解析 設(shè)光從AB邊射入時(shí)入射角為i，折射角為，射到AC邊上N點(diǎn)時(shí)入射角為，作出光路圖如圖所示.,光在AC邊上恰好發(fā)生全反射：,又由幾何關(guān)系：90，i45,1,2,3,(2)光從AB邊到AC邊的傳播時(shí)間t.,答案 見(jiàn)解析,1,2,3,2.(全反射和臨界角的綜合問(wèn)題)用某種透明材料制成的一塊柱體形棱鏡的水平截面圖如圖5所示，左側(cè)ABOD為長(zhǎng)方形，右側(cè)DOF為以O(shè)為圓心的 圓.光線從真空以入射角160射到棱鏡AB面，經(jīng)折射后，光線到達(dá)BF面上的O點(diǎn)并恰好不從BF面射出. (1)畫(huà)出光路圖；,圖5,1,2,3,答案 見(jiàn)解析圖,解析 光路圖如圖所示,(2)求該棱鏡的折射率n和光線在棱鏡中傳播的速度大小v(光在真空中的傳播速度c3108 m/s).,1,2,3,1,2,3,由圖可知，2C90,3.(全反射和臨界角的綜合問(wèn)題)一個(gè)半圓柱形玻璃磚，其橫截面是半徑為R的半圓，AB為半圓的直徑，O為圓心，如圖6所示，玻璃的折射率為n .,1,2,3,圖6,(1)一束平行光垂直射向玻璃磚的下表面，若光線到達(dá)上表面后，都能從該表面射出，則入射光束在AB上的最大寬度為多少？,答案 見(jiàn)解析,解析 在O點(diǎn)左側(cè)，設(shè)從E點(diǎn)射入的光線進(jìn)入玻璃磚后在上表面的入射角恰好等于發(fā)生全反射的臨界角，則OE區(qū)域的入射光線經(jīng)上表面折射后都能從玻璃磚射出，如圖甲.,甲,由幾何關(guān)系有OERsin 由對(duì)稱(chēng)性可知，若光線都能從上表面射出，光束的寬度最大為l2OE ,1,2,3,(2)一細(xì)束光線在O點(diǎn)左側(cè)與O相距 R處垂直于AB從下方入射，求此光線從玻璃磚射出點(diǎn)的位置.,答案 見(jiàn)解析,1,2,3,解析 設(shè)光線在距O點(diǎn) R的C點(diǎn)射入后，在上表面的入射角為，由幾何關(guān)系及式和已知條件得60 ,1,2,3,光線在玻璃磚內(nèi)會(huì)發(fā)生三次全反射，最后由G點(diǎn)射出，如圖乙，,乙,射到G點(diǎn)的光有一部分被反射，沿原路返回到達(dá)C點(diǎn)射出.,微型專(zhuān)題練,一、選擇題 1.(2018西安中學(xué)高二第二學(xué)期期中)如圖1所示，ABC為一直角三棱鏡的橫截面，BAC30，現(xiàn)有兩條間距為d的平行單色光線垂直于AB面射入三棱鏡，已知棱鏡對(duì)該單色光的折射率為 .,1,2,3,4,5,6,7,圖1,(1)若兩條單色光線均能從AC面射出，求兩條單色光線從AC面射出后的距離；,答案 見(jiàn)解析,解析 如圖所示，兩條單色光線在AC面的折射點(diǎn)分別為D、E，由圖中幾何關(guān)系可知，入射角i30,得r60 在直角三角形DEF中EDF30,1,2,3,4,5,6,7,(2)若第三條單色光線垂直于AB面射入三棱鏡，到達(dá)AC面恰好能發(fā)生全反射，若真空中光速為c，求這條光線在三棱鏡中的傳播速度.,1,2,3,4,5,6,7,答案 見(jiàn)解析,2.(2018唐山一中高二第二學(xué)期期中)如圖2所示為安全防盜門(mén)上的觀察孔(俗稱(chēng)“貓眼”)，直徑為d，為了擴(kuò)大向外觀察的范圍，在孔中完全嵌入折射率為n 的玻璃，玻璃由圓柱體和頂角為60的球冠組成，貓眼的平面部分正好和安全門(mén)內(nèi)表面平齊，球冠的邊緣恰好和防盜門(mén)外表面平齊.若要讓房間里的人能看到門(mén)外全部的景象，門(mén)的厚度不能超過(guò)多少？,1,2,3,4,5,6,7,圖2,解析 若要讓房間的人能看到門(mén)外全部的景象，則沿平行門(mén)方向射向C處的光線能夠折射經(jīng)過(guò)A點(diǎn)即可.光路如圖所示：,可得30 由幾何關(guān)系知CAB30,1,2,3,4,5,6,7,3.(2018青島一中高二第二學(xué)期第一次模擬考試)如圖3所示是一個(gè)半球形透明物體的側(cè)視圖，現(xiàn)在有一細(xì)束單色光沿半徑OA方向入射，保持入射方向不變，不考慮光線在透明物體內(nèi)部的反射.,圖3,(1)將細(xì)光束平移到距O點(diǎn) R處的C點(diǎn)，此時(shí)透明物體左側(cè)恰好不再有光線射出，求透明物體對(duì)該單色光的折射率；,1,2,3,4,5,6,7,解析 如圖甲所示，,1,2,3,4,5,6,7,甲,(2)若細(xì)光束平移到距O點(diǎn)0.5R處，求出射光線與OA軸線的交點(diǎn)與O點(diǎn)的距離.,1,2,3,4,5,6,7,解析 如圖乙所示，,1,2,3,4,5,6,7,乙,由幾何關(guān)系可知：FOE30，OFE30，,1,2,3,4,5,6,7,4.(2018四川宜賓一診)如圖4所示，橫截面為直角三角形的玻璃磚ABC，AC邊長(zhǎng)為L(zhǎng)，B30.兩條同種色光的光線P、Q，從AC邊中點(diǎn)射入玻璃磚，其中光線P垂直AC邊，光線Q與AC邊夾角為45.發(fā)現(xiàn)光線Q第一次到達(dá)BC邊后垂直BC邊射出，已知真空中的光速為c.求： (1)玻璃磚的折射率.,1,2,3,4,5,6,7,圖4,解析 作出光路圖如圖所示：,1,2,3,4,5,6,7,光線Q在AC邊的入射角i45 由幾何關(guān)系可知在AC邊的折射角r30,(2)光線P由進(jìn)入玻璃磚到第一次從BC邊射出經(jīng)過(guò)的時(shí)間.,1,2,3,4,5,6,7,5.如圖5所示，圓形的光學(xué)儀器(斜線陰影)內(nèi)有一個(gè)半徑為2R的圓形空腔，空腔左面?zhèn)缺谏嫌幸慌_(tái)激光器，可以沿空腔的直徑方向發(fā)出在真空中速度為c的激光束.空腔中放置了一個(gè)比空腔略小(半徑可視為2R)的折射率為2的透明圓柱狀光學(xué)材料，光學(xué)材料的圓心在空腔的圓心O點(diǎn)，并且材料中被挖掉了一塊半徑為R的截面為半圓形的柱體(圓心和O點(diǎn)重合)，挖掉的部分為真空.(反射與折射在同一界面時(shí)只考慮折射) (1)求激光從發(fā)出到照射到空腔壁的時(shí)間.,圖5,1,2,3,4,5,6,7,1,2,3,4,5,6,7,(2)激光器始終開(kāi)啟，若光學(xué)材料圍繞空腔圓心O點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90，空腔壁上能被激光照射到的圓弧長(zhǎng)度為多少？(只考慮反射光線照射的圓弧長(zhǎng)度),1,2,3,4,5,6,7,6.如圖6所示，由兩種不同透明介質(zhì)制成的直角三棱鏡甲和乙，并排放在一起剛好構(gòu)成一截面為正三角形的棱鏡，甲的折射率為n11.5，一細(xì)光束由AB邊的中點(diǎn)O斜射入棱鏡甲，已知入射光線在AB邊的入射角的正弦值為sin i0.75，經(jīng)折射后該光束剛好在棱鏡乙的AC邊發(fā)生全反射，最后從BC邊射出，已知真空中的光速為c3108 m/s，AB邊的長(zhǎng)度為l6 cm，求該細(xì)光束在棱鏡中的傳播時(shí)間.,圖6,1,2,3,4,5,6,7,答案 3.751010 s,由幾何關(guān)系可知，細(xì)光束在棱鏡甲中的折射光線與AB邊的夾角為903060，故折射光線與底邊BC平行，光線進(jìn)入棱鏡乙時(shí)傳播方向不變. 因光束剛好在AC邊發(fā)生全反射，由幾何知識(shí)得到，光線在AC邊的入射角為906030，即發(fā)生全反射的臨界角為：C30,1,2,3,4,5,6,7,1,2,3,4,5,6,7,7.(2018沈陽(yáng)東北育才學(xué)校高二下學(xué)期期中)如圖7所示，有一透明玻璃磚的截面，其上面的部分是半徑為R的半圓，下面是邊長(zhǎng)為2R的正方形，在玻璃磚的兩側(cè)面距離R處，分別放置和側(cè)面平行的足夠大的光屏，已知玻璃磚的折