高三物理第一輪復(fù)習(xí)光的折射、全反射

1、第1課時(shí)光的折射、全反射基礎(chǔ)知識歸納1.光的直線傳播在同一均勻介質(zhì)中光沿直線傳播.當(dāng)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向改變.當(dāng)障礙物或孔的尺寸和波長相等或者比波長小時(shí)，將發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，光線將偏離原來的方向.2.光的反射、平面鏡成像(1)光的反射定律.光從一種介質(zhì)射到另一種介質(zhì)的分界面時(shí)發(fā)生反射，反射光線、入射光線和法線處在同一平面內(nèi)，反射光線、入射光線分居法線的兩側(cè)，反射角等于入射角.(2)平面鏡成像的特點(diǎn)：正立等大的虛像，物與像關(guān)于鏡面對稱.(3)在反射現(xiàn)象中，光路是可逆的，常用到這一特點(diǎn)及邊緣光線作圖來確定視場的范圍.3.光的折射(1)折射定律折射光線、入射光線、法線處于同一平面

2、內(nèi)，折射光線與入射光線分別位于法線兩側(cè)，入射角的正弦與折射角的正弦的比值是定值(注意兩角三線的含義).(2)折射率折射率定義：光從真空或空氣中射入介質(zhì)中發(fā)生折射時(shí)，入射角的正弦與折射角的正弦之比，叫做這種介質(zhì)的折射率.折射率是反映介質(zhì)折射光的本領(lǐng)大小的一個(gè)物理量.折射率的定義表達(dá)式：(其中為真空或空氣中的角度).nsinsin121折射率的其他各種計(jì)算表達(dá)形s式：ncv1sinC(其中c、為光在真空或空氣中的光速、波長；v、為介質(zhì)中的光速、波長；C為光發(fā)生全反射時(shí)的臨界角).折射率大小的決定因素：介質(zhì)、光源(主要是頻率)，注意：介質(zhì)的折射率n1.(3)折射光路是可逆的.4.光的全反射(1)光疏

3、介質(zhì)和光密介質(zhì)：兩種介質(zhì)比較，折射率小的介質(zhì)叫光疏介質(zhì)，折射率大的介質(zhì)叫光密介質(zhì)；“光疏”和“光密”具有相對性.(2)全反射現(xiàn)象：光從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)的分界面上時(shí)，當(dāng)入射角增大到一定程度時(shí)，光全部反射回光密介質(zhì)，這一現(xiàn)象叫全反射現(xiàn)象.(3)臨界角：折射角等于90時(shí)對應(yīng)的入射角叫做臨界角，用C表示，Carcsin1n.(4)發(fā)生全反射的條件：光從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)；入射角大于等于臨界角.(5)光導(dǎo)纖維：實(shí)際用的光導(dǎo)纖維是非常細(xì)的特制玻璃絲，直徑只有幾微米到一百微米之間，在內(nèi)芯和外套的界面上發(fā)生全反射.其中內(nèi)芯是光密介質(zhì)，外套是光疏介質(zhì)，它對光具有傳導(dǎo)作用.5.光的色散(1)三棱鏡：橫截

4、面為三角形的三棱柱透明體稱三棱鏡.三棱鏡對光線的作用：光密三棱鏡：當(dāng)光線從一側(cè)面射入，從另一側(cè)面射出時(shí)，光線兩次均向底面偏折.物體經(jīng)棱鏡成像向頂角偏移.光疏三棱鏡：當(dāng)光線從一側(cè)面射入，從另一側(cè)面射出時(shí)，光線兩次均向頂角偏折.全反射棱鏡(等腰直角棱鏡)：當(dāng)光線從一直角邊垂直射入時(shí)，在斜邊發(fā)生全反射，從另一直角邊垂直射出.當(dāng)光線垂直于斜邊射入時(shí)，在兩直角邊都發(fā)生全反射后又垂直于斜邊射出.三棱鏡成像：當(dāng)物體發(fā)出的光線從三棱鏡的一側(cè)面射入，從另一側(cè)面射出時(shí)，逆著出射光線可以看到物體的虛像.(2)光的色散：白光通過三棱鏡后，出射光束變?yōu)榧t、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七色光束.含有多種顏色的光被分解成單色光的

5、現(xiàn)象叫做光的色散.各種色光按其波長的有序排列叫做光譜.各種色光性質(zhì)比較：可見光中紅光的折射率n最小，頻率最小，在同種介質(zhì)中(除真空外)傳播速度v最大，波長最大，從同種介質(zhì)射向真空時(shí)發(fā)生全反射的臨界角C最大，以相同入射角在介質(zhì)間發(fā)生折射時(shí)的偏折角最小(注意區(qū)分偏折角和折射角).重點(diǎn)難點(diǎn)突破一、對折射率的理解折射率的定義指明了光是從空氣(真空)入射至介質(zhì)中，nsin1c，1是sinv2空氣(真空)中的角度，是介質(zhì)中的角度.計(jì)算折射率時(shí)，應(yīng)先根據(jù)題意畫好光路2圖，找對兩個(gè)角度.無論光是從空氣(真空)入射至介質(zhì)中，還是從介質(zhì)入射至空氣(真空)中，均為空氣(真空)中的角度.，cv，所以n1.112二、與

6、全反射有關(guān)的定性分析和定量計(jì)算全反射產(chǎn)生的條件是光從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)，且入射角大于或等于臨界角.涉及的問題如：全反射是否發(fā)生、什么范圍的入射光才能從介質(zhì)中射出、折射光覆蓋的范圍分析、臨界角的計(jì)算等，都需正確作出光路圖，熟練應(yīng)用幾何知識進(jìn)行分析和計(jì)算.三、不同顏色的光的頻率不同顏色的光，其頻率不同，因此在同一介質(zhì)中光速及波長不同，同一介質(zhì)對不同色光的折射率不同，紅光的頻率最低，紫光的頻率最高.同一介質(zhì)中，頻率高的色光折射率大，因?yàn)镃sin1，n大則C小，當(dāng)入射角從0逐漸增大時(shí)，n頻率高的色光先發(fā)生全反射，利用vc，v/，可分析比較不同色光在同一介質(zhì)中的光速、波長的大小.n四、折射率測定的幾

7、種方法1.成像法(1)原理：利用水面的反射成像和水的折射成像.(2)方法：緊挨燒杯口豎直插入一直尺，在直尺的對面觀察水面，能同時(shí)看到直尺在水中的部分和露出水面部分的像.若從點(diǎn)P看到直尺在水下最低點(diǎn)的刻度B的像B(折射成像)恰好與直尺在水面上的刻度A的像A(反射成像)重合，讀出AC、BC的長，量出燒杯內(nèi)徑d，如圖所示，即可求出水的折射率為n(BC2d2)/(AC2d2).2.視深法(1)原理：利用視深公式，hh/n.(2)方法：在一盛水的燒杯底部放一粒綠豆，在水面上方吊一根針，如圖所示.調(diào)節(jié)針的位置，直到針尖在水中的像與看到的綠豆重合，測出針尖距水面的距離即為杯中水的視深h，再測出水的實(shí)際深度h

8、，則水的折射率為nh.h3.全反射法(1)原理：全反射現(xiàn)象.(2)方法：在一盛滿水的大玻璃缸下面放一發(fā)光電珠，如圖所示，在水面上觀察，看到一圓形的發(fā)光面，量出發(fā)光面的直徑D與水深h，則水的折射率為nD24h2D.注意：對液體、透明固體均可用全反射法測其折射率.4.插針法(在第4課時(shí)重點(diǎn)講明)典例精析1.與折射率有關(guān)的計(jì)算【例1】一個(gè)圓柱形筒，直徑12cm，高16cm.人眼在筒側(cè)上方某處觀察，所見筒側(cè)的深度為9cm，當(dāng)筒中裝滿液體時(shí)，則恰能看到筒側(cè)的最低點(diǎn).求：(1)此液體的折射率；(2)光在此液體中的傳播速度.【解析】題中的“恰能看到”表明人眼看到的是筒側(cè)最低點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)界面折射后進(jìn)入人眼的

9、邊界光線.由此可作出符合題意的光路圖，認(rèn)為“由人眼發(fā)出的光線”折射后恰好到達(dá)筒側(cè)最低點(diǎn).根據(jù)題中的條件作出光路圖如圖所示：(1)由圖可知：sind2d2H2，sind1d2h2折射率：nsind2h212292sin12d2H212216243(2)傳播速度：vc3.010m/s2.25108m/s38n43【思維提升】本題中知道人眼看到的邊界光線，知道人眼順著折射光線反向延長線看去，而認(rèn)為筒深為9cm，是正確作出光路圖的依據(jù).總之，審清題意畫出光路圖，必要時(shí)還可應(yīng)用光路的可逆原理畫出光路圖，這是分析折射問題的關(guān)鍵.【拓展1】空中有一只小鳥，距水面3m，其正下方距水面4m深處的水中有一條魚.已

10、知水的折射率為4，則鳥看水中的魚離它6m，魚看天上的鳥離它83m.【解析】首先作出鳥看魚的光路圖，如圖所示.由于是在豎直方向上看，所以入射角很小，即圖中的和均很小，故有tansin，1211tansin.由圖可得：22htanhtan，121hh1tan2/tan1h1sin2/sin1h143m3mn4則鳥看水中的魚離它：H(33)m6m1同理可得魚看鳥時(shí)：hnh34m4m2則H(44)m8m22.與全反射相關(guān)的判斷、分析及計(jì)算【例2】如圖所示，一束平行光從真空垂直射向一塊半圓形玻璃磚的底面，下nnsin(90-)列說法正確的是()A.只有圓心兩側(cè)一定范圍內(nèi)的光線不能通過玻璃磚B.只有圓心兩

11、側(cè)一定范圍內(nèi)的光線能通過玻璃磚C.通過圓心的光線將沿直線穿過，不發(fā)生偏折D.圓心兩側(cè)一定范圍外的光線將在曲面處發(fā)生全反射【解析】垂直射向界面的光線不發(fā)生偏折，因而光束沿直線平行射到半圓面上，其中通過圓心的光線將沿直線穿過，不發(fā)生偏折；由中心向兩側(cè)，光從半圓面進(jìn)入真空時(shí)的入射角逐漸增大并趨于90，當(dāng)入射角或大于臨界角時(shí)，會(huì)發(fā)生全反射.【答案】BCD【思維提升】半圓形的玻璃磚，法線為圓心與該入射點(diǎn)連線，通過作圖，可看出半圓面處的入射角由中心向兩側(cè)逐漸增大.【拓展2】有一折射率為n的長方體玻璃磚ABCD.其周圍是空氣，如圖所示，當(dāng)入射光線從它的AB面以入射角射入時(shí)，(1)要使光線在BC面發(fā)生全反射，

12、證明入射角應(yīng)滿足的條件是sinn21.(BC面足夠長)(2)如果對于任意入射角(0且90)的光線都能發(fā)生全反射，則玻璃磚的折射率應(yīng)取何值？【解析】(1)要使光線在BC面發(fā)生全反射，(如圖所示)，首先應(yīng)滿足sin1式中為光線射到BC面時(shí)的入射角，由折射定律有sin將兩式聯(lián)立解得sinn21(2)如果對于任意入射角的光線都能發(fā)生全反射，即01才能滿足上述條件，故n2較小,由sinC可知玻璃對b光的折射率n較大，說明b光的頻率較高，C錯(cuò)；1n3.不同色光在同一介質(zhì)中的波長、波速、折射率的對比【例3】OMN為玻璃等腰三棱鏡的橫截面.a、b兩束可見單色光從空氣垂直射入棱鏡底面MN，在棱鏡側(cè)面OM、ON上

13、反射和折射的情況如圖所示.由此可知()A.棱鏡內(nèi)a光的傳播速度比b光的小B.棱鏡內(nèi)a光的傳播速度比b光的大C.a光的頻率比b光的高D.a光的波長比b光的長【解析】由光路圖可以看出，a光入射到界面OM與b光入射到界面ON的入射角相等，a光沒有發(fā)生全反射，但b光已經(jīng)發(fā)生全反射，說明此時(shí)的入射角小于a光的臨界角，卻等于或大于b光的臨界角，可見對于同一種介質(zhì)，b光的臨界角b根據(jù)vc知棱鏡內(nèi)b光的傳播速度較小，B對、A錯(cuò)；根據(jù)vf可知b光的波n長較短，D對.【答案】BD【思維提升】折射率n是討論折射和全反射問題的重要物理量，是聯(lián)系各物理量的橋梁，對跟折射率n有關(guān)的所有關(guān)系式應(yīng)熟練掌握.【拓展3】一束白光

14、從頂角為的三棱鏡的一邊以較大的入射角i射入并通過三棱鏡后，在屏P上可得到彩色光帶，如圖所示，在入射角i逐漸減小到零的過程中，假如屏上的彩色光帶先后全部消失，則(B)A.紅光最先消失，紫光最后消失B.紫光最先消失，紅光最后消失C.紫光最先消失，黃光最后消失D.紅光最先消失，黃光最后消失【解析】作出白光的折射光路圖，如圖所示，可看出，白光從AB射入玻璃后，由于紫光偏折大，從而到達(dá)另一側(cè)面AC時(shí)的入射角較大，且因紫光折射率最大，根據(jù)sinC1可知其全反射的臨界角最小，故隨著入射角i的減小，進(jìn)入玻璃后n的各色光中紫光首先發(fā)生全反射不從AC射出，以后依次是靛、藍(lán)、綠、黃、橙、紅，逐漸發(fā)生全反射而不從AC面射出，所以只有選項(xiàng)B正確.易錯(cuò)門診【例4】一束白光從玻璃里射入稀薄空氣中，已知玻璃的折射率為1.53，求入射角為下列兩種情況時(shí)，光線的折射角各為多少？(1)入射角為50；(2)入射角為30.【錯(cuò)解】由折射定律nsini可知：sin(1)當(dāng)入射角i50時(shí)，sinsinisin50n1.53所以30(2)當(dāng)i30時(shí)，sinsinisin30n1.53所以19【錯(cuò)因】此解法中沒有先分析判斷光線是從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)，還是從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)，會(huì)不會(huì)發(fā)生全反射，而是死套公式，引起錯(cuò)誤.【正解】光線由玻璃射入空氣中，是由光密媒質(zhì)射入光疏介質(zhì)，其臨界角為C，則有：sinC110.6536n