22届高中物理一轮总复习 37　光的折射　全反射(共78张PPT)

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全反射棱镜、光导纤维、增透膜、偏振滤光片、激光、雷达、射电望远镜、红外摄影、X射线管等
折射定律、全反射、测定玻璃的折射率、光的干涉现象、光的衍射、光的偏振现象、电磁振荡、电磁场和电磁波、相对论时空观、用双缝干涉测光的波长
高考中本章内容的题型既有选择题,又有计算题。考查的具体内容主要包括以下几个方面:①光的折射和全反射综合问题;②物理光学和多普勒效应、电磁波谱、电磁波与实际生活和科技前沿的结合
一、光的折射定律1.光的折射现象光从一种介质进入另一种介质时,　　　　　　　　发生改变的现象称为光的折射现象。 
2.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　　　　;入射角的　　　　与折射角的　　　　成正比。 (2)表达式:　　　　=n。 (3)在光的折射现象中,光路是　　　　的。 
3.折射率(1)折射率是一个反映介质的光学特性的物理量。(3)计算公式:n= ,因为vnb>ncC.a光比c光穿过该半圆柱体玻璃砖所需时间长D.在相同条件下进行双缝干涉实验,c光的条纹间距比a光宽E.a、c光分别从空气射入某种介质中,c光发生全反射时临界角较小
答案 ACD　解析由题图可知,a光和c光入射角相同,但a光折射角较小,根据折射率公式可知,玻璃对a光的折射率大于对c光的折射率,由于b光入射角为0°,故无法判断玻璃对b光的折射率大小,故A正确,B错误;根据公式 ,由于a光的折射率大,则a光在玻璃中的传播速度较小,又由题图可知a光在玻璃砖中的传播路径较长,故a光比c光穿过该半圆柱体玻璃砖所需时间长,故C正确;由于c光的折射率小,波长较长,则在相同条件下进行双缝干涉实验,c光的条纹间距比a光宽,故D正确;a、c光分别从空气射入某种介质中时,不能发生全反射,故E错误。
(2)设光线在AC边上的F点射出棱镜,光线的入射角为i',折射角为r',由几何关系、反射定律及折射定律,有i=30°③i'=90°-θ④sin i=nsin r⑤nsin i'=sin r'⑥联立①③④⑤⑥式并代入题给数据,得由几何关系,r'即AC边射出的光线与最初的入射光线的夹角。
4.(2020全国卷Ⅲ)如图所示,一折射率为 的材料制作的三棱镜,其横截面为直角三角形ABC ,∠A=90°,∠B=30°。一束平行光平行于BC边从AB边射入棱镜,不计光线在棱镜内的多次反射,求AC边与BC边上有光出射区域的长度的比值。
答案2解析本题以三棱镜为背景,意在考查光的折射定律、全反射等知识。如图甲所示,设从D点入射的光线经折射后恰好射向C点,光在AB边上的入射角为θ1,折射角为θ2,由折射定律有sin θ1=nsin θ2①设从DB范围入射的光折射后在BC边上的入射角为θ',由几何关系θ'=30°+θ2②由①②式并代入题给数据得θ2=30°③nsin θ'>1④所以,从DB范围入射的光折射后在BC边上发生全反射,反射光线垂直射到AC边,AC边上全部有光射出。
设从AD范围入射的光折射后在AC边上的入射角为θ″,如图乙所示。由几何关系θ″=90°-θ2⑤由③⑤式和已知条件可知nsin θ″>1⑥即从AD范围入射的光折射后在AC边上发生全反射,反射光线垂直射到BC边上。设BC边上有光线射出的部分为CF,由几何关系得lCF=lACsin 30°⑦AC边与BC边上有光出射区域的长度的比值为 =2。⑧
1.实验目的测定玻璃的折射率,掌握光发生折射的入射角和折射角的确定方法。2.实验原理用插针法找出与入射光线AO对应的出射光线O'B,确定出O'点,画出折射光线OO',然后测量出角θ1和θ2,根据n= 计算玻璃的折射率。3.实验器材白纸、图钉、大头针、直尺、铅笔、量角器、平木板、长方形玻璃砖。
4.实验步骤(1)铺白纸、画线①如图所示,将白纸用图钉按在绘图板上,先在白纸上画出一条直线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。②把平行玻璃转平放在白纸上,使它的长边跟aa'对齐,画出玻璃砖的另一条长边bb'。
(2)插针与测量①在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2,透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像,调整视线的方向,直到P1的像被P2挡住,再在观察的这一侧依次插两枚大头针P3、P4,使P3挡住P1、P2的像,P4挡住P1、P2的像及P3,记下P3、P4的位置。②移动玻璃砖连接P3、P4并延长交bb'于O',连接OO'即为折射光线,入射角θ1=∠AON,折射角θ2=∠O'ON'。③用量角器测出入射角和折射角,查出它们的正弦值。④改变入射角θ1,重复实验,记录相关测量数据。
5.数据处理(1)计算法:计算每次折射率n,求出平均值 。(2)图像法(如图所示)
(3)单位圆法(如图所示)
6.误差分析(1)入射光线、出射光线确定的准确性造成误差,故在入射侧和出射侧所插两枚大头针的间距应大一些。(2)入射角和折射角的测量造成误差。入射角应适当大一些,可以减小测量的相对误差。
7.注意事项(1)实验时,应尽可能将大头针竖直插在纸上,且P1和P2之间、P3和P4之间、P2与O、P3与O'之间距离要稍大一些。(2)入射角θ1不宜太大(接近90°),也不宜太小(接近0°)。当θ1太大时,反射光较强,出射光较弱;当θ1太小时,入射角、折射角测量的相对误差较大。(3)操作时,手不能触摸玻璃砖的光洁光学面,更不能把玻璃砖界面当作尺子画界线。(4)实验过程中,玻璃砖与白纸的相对位置不能改变。(5)玻璃砖应选用宽度较大的,宜在5 cm以上,若宽度太小,则测量误差较大。
【典例3】 (2019天津卷)某小组做测定玻璃的折射率实验,所用器材有:玻璃砖,大头针,刻度尺,圆规,笔,白纸。(1)下列哪些措施能够提高实验准确程度(　　)A.选用两光学表面间距大的玻璃砖B.选用两光学表面平行的玻璃砖C.选用粗的大头针完成实验D.插在玻璃砖同侧的两枚大头针间的距离尽量大些
(2)该小组用同一套器材完成了四次实验,记录的玻璃砖界线和四个大头针扎下的孔洞如下图所示,其中实验操作正确的是(　　)
(3)该小组选取了操作正确的实验记录,在白纸上画出光线的径迹,以入射点O为圆心作圆,与入射光线、折射光线分别交于A、B点,再过A、B点作法线NN'的垂线,垂足分别为C、D点,如图所示,则玻璃的折射率n=　　　　　。(用图中线段的字母表示) 
解析(1)在插针法测定玻璃的折射率实验中,使用两光学面间距大的玻璃砖能更准确地确定玻璃砖内光线的位置,有利于减小实验误差,而两光学面是否平行对测量折射率没有影响,选项A正确、B错误;插针时要求后插的针挡住先插的针或先插的针的像,故选用细一点的大头针能更准确地确定光线位置,提高实验精确度,选项C错误;实验中是根据同侧两枚大头针的连线来确定入射光线或出射光线,故距离大些更好,选项D正确。
(2)由题图可知实验使用的是平行玻璃砖,故出射光线应该与入射光线平行,选项A出射光线与入射光线在同一直线上,选项B、C中出射光线与入射光线不平行,故只有选项D正确。
【典例4】 用圆弧状玻璃砖做测定玻璃折射率的实验时,先在白纸上放好圆弧状玻璃砖,在玻璃砖的一侧竖直插上两枚大头针P1、P2,然后在玻璃砖的另一侧观察,调整视线使P1的像被P2的像挡住,接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3和P4,使P3挡住P1和P2的像,P4挡住P3以及P1和P2的像,在纸上标出大头针位置和圆弧状玻璃砖轮廓,如图甲所示,其中O为两圆弧圆心,图中已画出经P1、P2点的入射光线。
(1)在图乙上补画出光路以及入射角和折射角。(2)用所测物理量计算折射率的公式为n=　　　　　。 (3)为了保证在弧面CD得到出射光线,实验过程中,光线在弧面AB的入射角应适当　　　　　(选填“小一些”“无所谓”或“大一些”)。 (4)多次改变入射角,测得几组入射角和折射角,根据测得的入射角和折射角的正弦值,画出了如图乙所示的图像,由图像可知该玻璃砖的折射率n=　　　　　。 
解析(1)连接P3、P4与CD交于一点,此交点即为光线从玻璃砖中射出的位置,由于P1、P2的连线与AB的交点即为光线进入玻璃砖的位置,连接两交点即可作出玻璃砖中的光路,如图所示。
(2)由折射定律可得n=(3)为了保证能在弧面CD上有出射光线,实验过程中,光线在弧面AB上的入射角应适当小一些,才不会使光线在CD面上发生全反射。(4)图像的斜率k= =n,由题图乙可知斜率为1.5,即该玻璃的折射率为1.5。
5.(2020山西高三一模)如图所示为某同学利用插针法测定半圆形玻璃砖折射率的实验。在一半圆形玻璃砖外面插上P1、P2、P3、P4四枚大头针时,P3、P4恰可挡住P1、P2所成的像。(1)(多选)以下说法正确的是　　　　　。 A.P1、P2及P3、P4之间的距离适当大些,可以提高准确度B.P1、P2及P3、P4之间的距离取得小些,可以提高准确度C.入射角θ适当大些,可以提高准确度D.P1、P2的间距,入射角的大小均与实验的准确度无关(2)该玻璃砖的折射率n=　　　　　。另一同学将大头针插在P1'和P2'位置时,沿着P3、P4的方向看不到大头针的像,其原因可能是　 。 
答案 (1)AC　(2)　 经过P1'、P2'的光线在界面MN处发生全反射解析(1)反射光线是通过隔着玻璃砖观察成一条直线确定的,大头针间的距离太小,引起的误差会较大,故P1、P2及P3、P4之间的距离适当大些,可以提高准确度,故A正确,B错误;入射角θ尽量大些,折射角也会大些,折射现象较明显,角度的相对误差会减小,故C正确,D错误。(2)由图知,沿P1、P2的光线入射角为i=30°,折射角为γ=60°,则该玻璃砖的折射率 ,把大头针插在P1'、P2'位置时,沿着P3、P4的方向看不到大头针的像,其原因是经过P1'、P2'的光线在界面MN处发生全反射。
6.某同学为了测量截面为正三角形的玻璃三棱镜的折射率,先在白纸上放好三棱镜,在棱镜的左侧插上两枚大头针P1和P2,然后在棱镜的右侧观察到P1和P2的像,当P1的像恰好被P2的像挡住时,插上大头针P3和P4,使P3挡住P1、P2的像,P4也挡住P1、P2的像,在纸上标出的大头针位置和三棱镜轮廓如图所示。
(1)在图上画出对应的光路。(2)为了测出三棱镜玻璃材料的折射率,若以AB为分界面,需要测量的量是　　　　,在图上标出它们。 (3)三棱镜玻璃材料折射率的计算公式是n=　　　　。 (4)若在描绘三棱镜轮廓的过程中,放置三棱镜的位置发生了微小的平移(移至图中的虚线位置,底边仍重合),若仍以AB为分界面,则三棱镜玻璃材料折射率的测量值　　　　真实值(选填“大于”“小于”或“等于”)。 
答案(1)如解析图所示　(2)入射角θ1、折射角θ2　(3)　 (4)大于
解析(1)光路图如图所示。(2)若以AB为分界面,需要测量的量为入射角θ1、折射角θ2。(3)该三棱镜玻璃材料的折射率的计算公式为n= 。
(4)若在描绘三棱镜轮廓的过程中,放置三棱镜的位置发生了微小的平移,仍以AB为分界面,将入射光线与AB的交点和出射光线与BC的交点连接起来,从而可知该连接线发生偏转,导致折射角变小,所以测量值比真实值大。
典型物理模型指导突破科学思维之模型建构——平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制模型
平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制特点
(2020山东德州高三一模)如图所示,三棱镜ABC的横截面为等腰直角三角形,底边AB水平,右侧的光屏MN竖直。一条单色光线自AC边上的D点水平射向三棱镜,此光线进入三棱镜后首先到达底边AB,棱镜材料对该光线的折射率为 。光线进入三棱镜后,仅考虑在各界面上的第一次反射或折射,对此以下说法正确的是(　　)A.光线到达AB边时会有部分能量射出三棱镜B.光线到达BC边时发生全反射C.光线自BC面射出三棱镜后水平射向光屏MND.光线自BC面射出三棱镜后斜向上射向光屏MN
由几可关系得,光线在BC边的入射角为30°小于临界角为45°,光线到达BC边时不会发生全反射,故B错误;光线在BC边的入射角为30°,由折射定律可得 ,得θ=45°,即光线自BC面射出三棱镜的折射角为45°,则光线自BC面射出三棱镜后水平射向光屏MN,故C正确,D错误。
不管什么形状的玻璃砖,研究光线在里面传播的光路时,先画出过入射点的法线,找出入射角,根据折射定律求出折射角,画出折射光线,再画出光线到达另一个界面入射点的法线,根据几何关系求出入射角,判断光线在该界面上是否发生全反射,依次类推,直到光线从介质射出。
1.(2020江苏南京师大附中高三模拟)反光膜是一种广泛用于道路交通标志的材料,基本结构如图所示。光照射到反光膜的玻璃珠上时,经折射后射到反射层反射,最终平行于原入射方向反向射出玻璃珠。玻璃珠是半径为R的均匀球体,AB是入射光线,其出射光线与光线AB的间距为 R。
(1)请作出光线AB从射入到射出玻璃珠的完整光路图;(2)求玻璃珠的折射率n。
2.(2020湖北华中师大一附中高三月考)如图所示,折射率为 的上下两面平行的梯形玻璃砖,下表面涂有反射物质,上表面右端垂直于上表面放置一标尺MN。一细光束以入射角i=45°射到玻璃砖上表面的A点,会在标尺上的两个位置出现光点(图
中未画出),若折射进入玻璃砖内的光在玻璃砖内传播时间为t,则在标尺上出现的两光点的距离为多少?(设光在真空中的速度为c,不考虑细光束在玻璃砖下表面的第二次反射)
解析光路如图所示,由几何关系知,在玻璃砖内的光线与玻璃砖上表面AB构成等边三角形,且四边形BEGF为平行四边形,则:GF=BEAB=BEtan 45°光在玻璃中的速度为