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    2022-2023年高考物理一轮复习 第14章第3讲光的折射全反射课件
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    2022-2023年高考物理一轮复习 第14章第3讲光的折射全反射课件

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    这是一份2022-2023年高考物理一轮复习 第14章第3讲光的折射全反射课件,共60页。PPT课件主要包含了过好双基关,研透命题点,课时精练,微点讲座系列12,随堂巩固练,光的折射定律折射率,全反射光导纤维,命题点一,命题点二,光路控制和色散等内容,欢迎下载使用。

    1.折射定律(1)内容:如图1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.
    (3)在光的折射现象中,光路是 的.
    2.折射率(1)折射率是一个反映介质的 的物理量.
    (3)计算公式:n= ,因为v自测1 如图2所示,MN是空气与某种液体的分界面,一束红光由空气射到分界面,一部分光被反射,一部分光进入液体中.当入射角是45°时,折射角为30°,则以下说法正确的是A.反射光线与折射光线的夹角为120°B.该液体对红光的折射率为C.该液体对红光的全反射临界角为45°D.当紫光以同样的入射角从空气射到分界面时,折射角也是30°
    1.定义:光从光密介质射入光疏介质,当入射角增大到某一角度时,折射光线将全部 ,只剩下反射光线的现象.2.条件:(1)光从光密介质射入光疏介质.(2)入射角 临界角.3.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sin C= .介质的折射率越大,发生全反射的临界角越 .4.光导纤维光导纤维的原理是利用光的 ,如图3所示.
    自测2 (多选)光从介质a射向介质b,如果要在a、b介质的分界面上发生全反射,那么必须满足的条件是A.a是光密介质,b是光疏介质B.光在介质a中的速度必须大于在介质b中的速度C.光的入射角必须大于或等于临界角D.必须是单色光
    折射定律和折射率的理解及应用
    1.对折射率的理解(1)折射率的大小不仅反映了介质对光的折射本领,也反映了光在介质中传播速度的大小v=(2)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,传播速度越小.(3)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.
    例1 如图4,某同学在一张水平放置的白纸上画了一个小标记“·”(图中O点),然后用横截面为等边三角形ABC的三棱镜压在这个标记上,小标记位于AC边上.D位于AB边上,过D点作AC边的垂线交AC于F.该同学在D点正上方向下顺着直线DF的方向观察,恰好可以看到小标记的像;过O点作AB边的垂线交直线DF于E;DE=2 cm,EF=1 cm.求三棱镜的折射率.(不考虑光线在三棱镜中的反射)
    解析 过D点作AB边的法线NN′,连接OD,则∠ODN=α为O点发出的光线在D点的入射角;设该光线在D点的折射角为β,如图所示.根据折射定律有nsin α=sin β①式中n为三棱镜的折射率.由几何关系可知β=60°②∠EOF=30°③在△OEF中有EF=OEsin ∠EOF④由③④式和题给条件得OE=2 cm⑤根据题给条件可知,△OED为等腰三角形,有α=30°⑥
    变式1 人造树脂是常用的眼镜镜片材料.如图5所示,光线射在一人造树脂立方体上,经折射后,射在桌面上的P点.已知光线的入射角为30°,OA=5 cm,AB=20 cm,BP=12 cm,求该人造树脂材料的折射率n.
    解析 设折射角为γ,由折射定律得:
    全反射现象的理解和综合分析
    1.分析综合问题的基本思路(1)判断光线是从光疏介质进入光密介质还是从光密介质进入光疏介质.(2)判断入射角是否大于或等于临界角,明确是否发生全反射现象.(3)画出反射、折射或全反射的光路图,必要时还可应用光路的可逆原理画出光路图,然后结合几何知识推断和求解相关问题.(4)折射率n是讨论折射和全反射问题的重要物理量,是联系各物理量的桥梁,应熟练掌握跟折射率有关的所有关系式.2.求光的传播时间的一般思路(1)全反射现象中,光在同种均匀介质中的传播速度不发生变化,即v=(2)全反射现象中,光的传播路程应结合光路图与几何关系进行确定.(3)利用t= 求解光的传播时间.
    例2 如图6所示,某L形透明材料的折射率n=2.现沿AB方向切去一角,AB与水平方向的夹角为θ.为使水平方向的光线射到AB面时不会射入空气,求θ的最大值.
    解析 光线不射入空气,则在AB面发生全反射,
    且C+θ=90°得θ=60°.
    变式2 如图7,直角三角形ABC为一棱镜的横截面,∠A=90°,∠B=30°.一束光线平行于底边BC射到AB边上并进入棱镜,然后垂直于AC边射出.(1)求棱镜的折射率;
    解析 光路图及相关量如图所示.
    式中n是棱镜的折射率.由几何关系可知i=60°,α+β=60° ②由几何关系和反射定律得β=β′=∠B ③
    (2)保持AB边上的入射点不变,逐渐减小入射角,直到BC边上恰好有光线射出.求此时AB边上入射角的正弦.
    解析 设改变后的入射角为i′,折射角为α′,
    由几何关系得θc=α′+30° ⑦
    1.平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制
    特别提醒 不同颜色的光的频率不同,在同一种介质中的折射率、光速也不同,发生全反射现象的临界角也不同.
    2.光的色散及成因(1)含有多种颜色的光被分解为单色光的现象称为光的色散.(2)含有多种颜色的光从一种介质进入另一种介质,由于介质对不同色光的折射率不同,各种色光的偏折程度不同,所以产生光的色散.
    例3 如图8,△ABC为一玻璃三棱镜的横截面,∠A=30°.一束红光垂直AB边射入,从AC边上的D点射出,其折射角为60°,则玻璃对红光的折射率为____.若改用蓝光沿同一路径入射,则光线在D点射出时的折射角______(填“小于”“等于”或“大于”)60°.
    玻璃对蓝光的折射率比对红光的折射率大,沿同一路径入射时,入射角仍为30°不变,对应的折射角变大,因此折射角大于60°.
    变式3 如图9所示,只含黄光和紫光的复色光束PO,从空气中沿半径方向射入玻璃半圆柱后,一部分光沿OA方向射出,另一部分光沿OB方向射出.则A.OA为黄光,OB为紫光B.OA为紫光,OB为黄光C.OA为黄光,OB为复色光D.OA为紫光,OB为复色光
    解析 OB为反射光,故OB应为复色光;而折射后只有一束光线,故有一束光发生了全反射,
    故紫光发生了全反射,故OA应为黄光,故C正确,A、B、D错误.
    拓展点 实验:测量玻璃的折射率
    1.实验原理如图10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,从而画出折射光线OO′,求出折射角θ2,
    2.实验器材木板、白纸、玻璃砖、大头针、图钉、量角器、三角板、铅笔.3.实验步骤(1)用图钉把白纸固定在木板上.(2)在白纸上画一条直线aa′,并取aa′上的一点O为入射点,作过O点的法线MM′.(3)画出线段AO作为入射光线,并在AO上插上P1、P2两根大头针.(4)在白纸上放上玻璃砖,使玻璃砖的一条长边与直线aa′对齐,并画出另一条长边的对齐线bb′.
    (5)眼睛在bb′的一侧透过玻璃砖观察两个大头针并调整视线方向,使P1的像被P2的像挡住,然后在眼睛这一侧插上大头针P3,使P3挡住P1、P2的像,再插上P4,使P4挡住P3和P1、P2的像.(6)移去玻璃砖,拔去大头针,由大头针P3、P4的针孔位置确定出射光线O′B及出射点O′,连接O、O′得线段OO′.(7)用量角器测量入射角θ1和折射角θ2,并查出其正弦值sin θ1和sin θ2.
    (3)“单位圆”法确定sin θ1、sin θ2,计算折射率n.
    例4 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图所示,其中实验操作正确的是____.
    解析 由题图可知,选用的玻璃砖两光学表面平行,则入射光线应与出射光线平行,B、C错误;又光线在玻璃砖中与法线的夹角应小于光线在空气中与法线的夹角,A错误,D正确;
    (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13所示,则玻璃的折射率n=_____. (用图中线段的字母表示)
    变式4 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14所示.(1)此玻璃的折射率计算式为n=_____________________(用图中的θ1、θ2表示).
    解析 光线由空气射入玻璃的入射角i=90°-θ1,折射角r=90°-θ2,
    (2)如果有几块宽度不同的平行玻璃砖可供选择,为了减小误差,应选用宽度_____(填“大”或“小”)的玻璃砖来测量.
    解析 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.
    1.(折射定律和折射率的求解)如图15所示的装置可以测量棱镜的折射率,ABC表示待测直角棱镜的横截面,棱镜的顶角为α,紧贴直角边AC的是一块平面镜.一光线SO射到棱镜的AB面上,适当调整SO的方向,当SO与AB成β角时,从AB面射出的光线与SO重合,则棱镜的折射率n为多少?
    解析 入射角i=90°-β,要使从AB面射出的光线与SO重合,则AB面上折射光线必须与AC面垂直,由几何知识得到,折射角r=α.
    2.(全反射现象的分析)如图16,△ABC是一直角三棱镜的横截面,∠A=90°,∠B=60°.一细光束从BC边的D点折射后,射到AC边的E点,发生全反射后经AB边的F点射出.EG垂直于AC交BC于G,D恰好是CG的中点.不计多次反射.为实现上述光路,棱镜折射率的取值应在什么范围?
    解析 光线在BC面上折射,由折射定律有sin i1=nsin r1①式中,n为棱镜的折射率,i1和r1分别是该光线在BC面上的入射角和折射角.光线在AC面上发生全反射,由反射定律有i2=r2②式中i2和r2分别是该光线在AC面上的入射角和反射角.光线在AB面上发生折射,由折射定律有nsin i3=sin r3③式中i3和r3分别是该光线在AB面上的入射角和折射角.由几何关系得i2=r2=60°,r1=i3=30°④光线在AC面上发生全反射,光线在AB面上不发生全发射,有nsin i2≥nsin C>nsin i3⑤式中C是全反射临界角,满足nsin C=1⑥
    4.(实验:测量玻璃的折射率)在用插针法测定玻璃砖的折射率的实验中,甲、乙、丙三位同学在纸上画出的界面aa′、bb′与玻璃砖位置的关系分别如图18①、②和③所示,其中甲、丙两同学用的是矩形玻璃砖,乙同学用的是梯形玻璃砖.他们的其他操作均正确,且均以aa′、bb′为界面画光路图.
    (1)甲同学测得的折射率与真实值相比_____(填“偏大”“偏小”或“不变”).
    解析 用题图①测定折射率时,测出的折射角偏大,折射率偏小;
    (2)乙同学测得的折射率与真实值相比_____(填“偏大”“偏小”或“不变”).
    解析 用题图②测定折射率时,只要操作正确,则测得的折射率与真实值相同;
    (3)丙同学测得的折射率与真实值相比_____________________________.
    可能偏大、可能偏小、可能不变
    解析 用题图③测定折射率时,无法确定折射光线折射角与真实值的大小关系,所以测得的折射率可能偏大、可能偏小、可能不变.
    1.(多选)如图1所示,两束平行的黄光射向截面ABC为正三角形的玻璃三棱镜,已知该三棱镜对该黄光的折射率为 ,入射光与AB界面夹角为45°,光经三棱镜后到达与BC界面平行的光屏PQ上,下列说法中正确的是A.两束黄光从BC边射出后仍是平行的B.黄光经三棱镜折射后偏向角为30°C.改用红光以相同的角度入射,出射光束仍然平行,但其偏 向角大些D.改用绿光以相同的角度入射,出射光束仍然平行,但其偏 向角大些
    由几何关系可知折射光线在三棱镜内平行于底边AC,由对称性可知其在BC边射出时的出射角也为i=45°,因此光束的偏向角为30°,且两束光平行,则A、B正确;
    由于同种材料对不同颜色的光折射率不同,相对于黄光而言红光的折射率较小,绿光的折射率较大,因此折射后绿光的偏向角大些,红光的偏向角小些,则C错误,D正确.
    2.如图2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____.
    因此只需测量l1和l3即可.
    (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 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,
    3.如图3所示,在折射率为n的玻璃平板上方的空气中有点光源S,点光源到玻璃板的上表面的距离为h.从S发出的光线SA以入射角α入射到玻璃板上表面,经过玻璃板后从下表面射出.若沿此光线传播的光从光源S到玻璃板上表面的传播时间是在玻璃板中传播时间的一半,则玻璃板的厚度d是多少?
    解析 设从S到A的距离为l1,则h=l1cs α在玻璃中,设折射角为θ,从A到B距离为l2,则d=l2cs θ
    在空气中,若S到A经历时间为t,则l1=ct在玻璃中,从A到B经历时间为2t,则l2=2vt
    4.如图4,一玻璃工件的上半部是半径为R的半球体,O点为球心;下半部是半径为R、高为2R的圆柱体,圆柱体底面镀有反射膜.有一平行于中心轴OC的光线从半球面射入,该光线与OC之间的距离为0.6R.已知最后从半球面射出的光线恰好与入射光线平行(不考虑多次反射).求该玻璃的折射率.
    解析 如图,根据光路的对称性和光路可逆性,与入射光线相对于OC轴对称的出射光线一定与入射光线平行.这样,从半球面射入的折射光线,将从圆柱体底面中心C点反射.设光线在半球面的入射角为i,折射角为r.由折射定律有sin i=nsin r①
    由几何关系,入射点的法线与CO的夹角为i.
    式中L是入射光线与OC的距离,L=0.6R.
    5.一半径为R的半圆形玻璃砖横截面如图5所示,O为圆心,一束平行光线照射到玻璃砖MO′面上,中心光线a沿半径方向射入玻璃砖后,恰在O点发生全反射,已知∠aOM=45°.求:(1)玻璃砖的折射率n;
    (2)玻璃砖底面MN出射光束的宽度.(不考虑玻璃砖MO′N面的反射)
    解析 分析可知:进入玻璃砖入射到MO段的光线均发生全反射,从O′点入射的光的路径如图所示.
    故从D点射出的光线与入射光线平行
    6.现有一三棱柱工件,由透明玻璃材料制成.如图6所示,其截面ABC为直角三角形,∠ACB=30°,现在有一条光线沿着截面从AC边上的O点以45°的入射角射入工件折射后到达BC边的中点并发生了全反射,后垂直于AB边射出.已知光在空气中的传播速度为c.(1)求透明玻璃材料的折射率;
    解析 光路图如图所示DE光线垂直AB射出,所以∠EDB=∠ODC=30°,折射角r=30°,
    (2)若BC=a,求光线在玻璃材料内传播的时间.
    7.一直桶状容器的高为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7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.
    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nsin i1=sin r1①nsin i2=sin r2②由题意知r1+r2=90°③
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