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高中物理高考 2022年高考物理一轮复习（新高考版1(津鲁琼辽鄂)适用） 第14章 第1讲 光的折射、全反射
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这是一份高中物理高考 2022年高考物理一轮复习（新高考版1(津鲁琼辽鄂)适用） 第14章 第1讲 光的折射、全反射，共16页。试卷主要包含了全反射，5L等内容，欢迎下载使用。
目标要求 1.理解折射率的概念，掌握光的折射定律.2.掌握全反射的条件并会用全反射的条件进行相关计算．
考点一 光的折射
基础回扣
1．折射定律
(1)内容：如图1所示，折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，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正比．
图1
(2)表达式：eq \f(sin θ1,sin θ2)＝n12(n12为比例常数)．
2．折射率
(1)定义式：n＝eq \f(sin θ1,sin θ2).
(2)计算公式：n＝eq \f(c,v)，因为v技巧点拨
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＝eq \f(c,n).
(2)折射率的大小不仅与介质本身有关，还与光的频率有关．
①同一种介质中，频率越大的光折射率越大，传播速度越小．
②同一种光，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．
3．平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制特点
例1 (2020·山东枣庄市模拟)如图2所示，水平地面上静止放置一个透明实心玻璃球，O点是球心，A是最高点，B是最低点．两条跟水平地面夹角为45°的平行光线斜照在球面上，其中一条向着球心O，其延长线交地面于D点(图中未画出)，另一条过最高点A.已知该玻璃的折射率为eq \r(2)，tan 15°＝2－eq \r(3).求：
图2
(1)过A点的光线折射进入玻璃球时的折射角；
(2)过A点的光线从玻璃球射出后，跟水平地面的交点是在D点的左侧、右侧、还是在D点？试证明你的猜想．
答案 (1)30° (2)见解析
解析 (1)由题意知，在A点入射角i＝45°.设折射角为r，由折射定律得
n＝eq \f(sin i,sin r)，解得r＝30°.
(2)设E点为折射光线的出射点，由几何关系得
AE＝2Rcs 30°＝eq \r(3)R
过E点作水平地面的垂线，垂足为F；过E点作水平线，与AB的交点为C，由几何关系得
EF＝CB＝2R－AEcs 30°＝eq \f(R,2)
设光线在E点的入射角为i1，折射角为r1，由几何关系得i1＝r，n＝eq \f(sin r1,sin i1)，解得r1＝45°
设从玻璃球E点折射出的光线与水平地面的交点为G，由几何关系得
BG＝BF＋FG＝CE＋FG＝AEsin 30°＋EFtan (60°－45°)
解得BG＝R
经过圆心O的光线沿直线传播，由几何关系可知BD＝Rtan 45°＝R
可知BG＝BD，所以过A点的光线从玻璃球射出后，跟水平地面的交点在D点．
1.(光的折射)(2020·山东滨州市模拟)如图3所示，ACDB为圆柱型玻璃的横截面，AB为其直径．现有两单色光组成的复合光沿EA方向射向玻璃，其折射光线分别沿AC、AD方向，光从A到C的时间为tAC，从A到D的时间为tAD.则( )
图3
A．tAC＝tAD B．tAC＜tAD
C．tAC＞tAD D．无法确定
答案 B
解析 由于AD光折射角小于AC光的折射角，故AD光的折射率大于AC光的折射率，由v＝eq \f(c,n)可知，AD光在玻璃中的传播速度较小，AB为直径，故AD＞AC，所以tAC＜tAD，故B正确．
2．(折射定律的应用)(八省联考·广东·16(2))如图4所示，救生员坐在泳池旁边凳子上，其眼睛到地面的高度h0为1.2 m，到池边的水平距离L为1.6 m，池深H为1.6 m，池底有一盲区．设池水的折射率为eq \f(4,3).当池中注水深度h为1.2 m和1.6 m时，池底盲区的宽度分别是多少．
图4
答案 1.43 m 1.2 m
解析 当池中注水深度h为1.2 m，光路图如图所示
根据几何关系知sin i＝eq \f(1.6,\r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1.2))2＋\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1.6))2))＝eq \f(4,5)
即i＝53°
根据折射率可求得sin r＝eq \f(sin i,n)＝eq \f(3,5)
即r＝37°
根据几何关系可知盲区宽度为
s＝(1.6 m－1.2 m)tan 53°＋1.2 m×tan 37°＝eq \f(4.3,3) m＝1.43 m
同理可得，当池中注水深度为1.6 m时，池底盲区宽度为
s′＝1.6 m×tan 37°＝1.2 m．
考点二 全反射
基础回扣
1．光密介质与光疏介质
2.全反射
(1)定义：光从光密介质射入光疏介质时，当入射角增大到某一角度，折射光线消失，只剩下反射光线的现象．
(2)条件：①光从光密介质射向光疏介质．②入射角大于或等于临界角．
(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，由n＝eq \f(sin 90°,sin C)，得sin C＝eq \f(1,n).介质的折射率越大，发生全反射的临界角越小．
3．光导纤维
光导纤维的原理是利用光的全反射(如图5)．
图5
技巧点拨
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，然后结合几何知识进行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．
例2 (2017·全国卷Ⅲ·34(2))如图6，一半径为R的玻璃半球，O点是半球的球心，虚线OO′表示光轴(过球心O与半球底面垂直的直线)．已知玻璃的折射率为1.5.现有一束平行光垂直入射到半球的底面上，有些光线能从球面射出(不考虑被半球的内表面反射后的光线)．求：
图6
(1)从球面射出的光线对应的入射光线到光轴距离的最大值；
(2)距光轴eq \f(R,3)的入射光线经球面折射后与光轴的交点到O点的距离．
答案 (1)eq \f(2,3)R (2)2.74R
解析 (1)如图甲，从底面上A处射入的光线，在球面上发生折射时的入射角为i，当i等于全反射临界角ic时，对应入射光线到光轴的距离最大，设最大距离为l.
i＝ic①
设n是玻璃的折射率，由全反射临界角的定义有
nsin ic＝1②
由几何关系有
sin ic＝eq \f(l,R)③
联立①②③式并利用题给条件，得
l＝eq \f(2,3)R④
(2)如图乙，设与光轴相距eq \f(R,3)的光线在球面B点发生折射时的入射角和折射角分别为i1和r1，由折射定律有
nsin i1＝sin r1⑤
设折射光线与光轴的交点为C，在△OBC中，由正弦定理有
eq \f(sin ∠C,R)＝eq \f(sin180°－r1,OC)⑥
由几何关系有
∠C＝r1－i1⑦
sin i1＝eq \f(1,3)⑧
联立⑤⑥⑦⑧式及题给条件得
OC＝eq \f(32\r(2)＋\r(3),5)R≈2.74R.
3．(用全反射原理求临界角)(2020·山东等级考模拟卷)如图7所示，由某种透明介质制成的长直细圆柱体置于真空中．某种单色光在介质中传输，经过多次全反射后从右端射出．若以全反射临界角传输的光线刚好从右端以张角2θ出射，则此介质的折射率为( )
图7
A.eq \r(1＋sin 2θ) B.eq \r(1＋cs 2θ)
C.eq \r(1＋cs2 θ) D.eq \r(1＋sin2 θ)
答案 D
解析 设介质中发生全反射的临界角为C，如图所示．
则由全反射临界角C与n的关系可知：sin C＝eq \f(1,n).
由图可知，经多次全反射后从右端射出时，入射角和反射角满足关系：n＝eq \f(sin θ,sin 90°－C).
联立两式可得n＝eq \r(1＋sin2 θ).
4．(用全反射原理分析光射出的范围)(多选)(2020·山东卷·9)截面为等腰直角三角形的三棱镜如图8甲所示，DE为嵌在三棱镜内部紧贴BB′C′C面的线状单色可见光光源，DE与三棱镜的ABC面垂直，D位于线段BC的中点，图乙为图甲中ABC面的正视图，三棱镜对该单色光的折射率为eq \r(2)，只考虑由DE直接射向侧面AA′C′C的光线．下列说法正确的是( )
图8
A．光从AA′C′C面出射的区域占该侧面总面积的eq \f(1,2)
B．光从AA′C′C面出射的区域占该侧面总面积的eq \f(2,3)
C．若DE发出的单色光频率变小，AA′C′C面有光出射的区域面积将增大
D．若DE发出的单色光频率变小，AA′C′C面有光出射的区域面积将减小
答案 AC
解析 根据sin C＝eq \f(1,n)，得光线在AC面上发生全反射的临界角C＝45°，如图所示．从AC面上射出的光线为射到FC区域的光线，由几何关系得FC＝eq \f(1,2)AC，即有光线射出的区域占该侧面总面积的一半，故A正确，B错误；当单色光的频率变小时，折射率n变小，根据sin C＝eq \f(1,n)，知临界角C变大，图中的F点向A点移动，故有光射出的区域的面积变大，故C正确，D错误．
5．(全反射的应用)(2021·山东德州市模拟)如图9所示，截面为半圆形的玻璃砖的半径为R，一束单色平行光向右垂直直面射向玻璃砖，在玻璃砖右侧可看到圆弧面上有三分之二的区域被照亮．已知光在真空中的速度为c，求：
图9
(1)该玻璃砖对此单色光的折射率；
(2)自不同点入射的光在玻璃砖中的传播时间不同，计算得出最短传播时间(不考虑光在玻璃砖内的多次反射)．
答案 (1)eq \f(2\r(3),3) (2)eq \f(\r(3)R,3c)
解析 (1)由几何关系可得，此单色光在玻璃砖中全反射的临界角C＝eq \f(1,2)×eq \f(2,3)×180°＝60°
又sin C＝eq \f(1,n)
得该玻璃砖对此单色光的折射率n＝eq \f(2\r(3),3)
(2)光在玻璃砖中的最短传播距离x＝Rcs 60°
又n＝eq \f(c,v)
x＝vt
得最短传播时间t＝eq \f(\r(3)R,3c)
课时精练
1.如图1所示，光导纤维由内芯和包层两个同心圆柱体组成，其中心部分是内芯，内芯以外的部分为包层，光从一端进入，从另一端射出，下列说法正确的是( )
图1
A．内芯的折射率大于包层的折射率
B．内芯的折射率小于包层的折射率
C．不同频率的可见光从同一根光导纤维的一端传输到另一端所用的时间相同
D．若紫光以如图所示角度入射时，恰能在内芯和包层分界面上发生全反射，则改用红光以同样角度入射时，也能在内芯和包层分界面上发生全反射
答案 A
2．(八省联考·辽宁·2)如图2所示．一束单色光从介质1射入介质2，在介质1、2中的波长分别为λ1、λ2，频率分别为f1、f2，则( )
图2
A．λ1＜λ2 B．λ1＞λ2
C．f1＜f2 D．f1＞f2
答案 B
解析 光从一种介质进入另外一种介质时频率不变，故选项C、D错误；光从介质1进入介质2，折射光线靠近法线，可知介质2为光密介质，光进入介质2传播速度变小，波长变短，选项B正确，A错误．
3.(2020·山东潍坊市模拟)一束复色光由空气斜射向平行玻璃砖，入射角为θ，从另一侧射出时分成a、b两束单色光，如图3所示，下列说法正确的是( )
图3
A．在该玻璃中a的传播速度比b小
B．b比a更容易发生衍射
C．增大θ(θ＜90°)，a、b可能不会从另一侧射出
D．a从该玻璃射向空气时的临界角比b的大
答案 D
4.(2020·山东威海市模拟)如图4所示，两单色光a、b分别沿半径方向由空气射入半圆形玻璃砖，出射光合成一束复色光P，已知单色光a、b与法线间的夹角分别为45°和30°，则a光与b光( )
图4
A．在玻璃砖中的折射率之比为eq \r(2)∶1
B．在玻璃砖中的传播时间之比为1∶eq \r(2)
C．在玻璃砖中的波长之比为eq \r(2)∶1
D．由该玻璃砖射向真空时临界角之比为eq \r(2)∶1
答案 B
5.(2020·天津和平区联考)如图5，一束单色光射入一玻璃球体，入射角为60°.已知光线在玻璃球内经一次反射后，再次折射回到空气中时与入射光线平行．此玻璃的折射率为( )
图5
A.eq \r(2) B．1.5
C.eq \r(3) D．2
答案 C
解析 作出光线在玻璃球体内的光路图，A、C是折射点，B是反射点，OD平行于入射光线，由几何知识得，∠AOD＝∠COD＝60°，则∠OAB＝30°，即折射角r＝30°，入射角i＝60°，所以折射率n＝eq \f(sin i,sin r)＝eq \r(3)，C正确．
6.(多选)(2020·四川综合能力提升卷)如图6所示，等边三角形ABC为某透明玻璃三棱镜的截面图，边长等于L，在截面上一束足够强的细光束从AB边中点与AB边成30°角由真空射入三棱镜，从BC边射出的光线与BC的夹角为30°.光在真空中的速度为c，则( )
图6
A．玻璃的折射率为eq \r(3)
B．玻璃的折射率为eq \r(2)
C．光在三棱镜中的传播路程为0.5L
D．光在三棱镜中的传播时间为eq \f(\r(3)L,2c)
答案 ACD
解析 光射入三棱镜的光路图如图所示，i1＝90°－30°＝60°，
由折射定律得：n＝eq \f(sin i1,sin r1)
光在BC边折射时，由折射定律有：eq \f(1,n)＝eq \f(sin i2,sin r2)
由题意知r2＝90°－30°＝60°，则i2＝r1
由几何关系可得r1＝i2＝30°，则n＝eq \r(3)
由几何知识知：从AB边上射入的光在三棱镜中的传播路程s＝0.5L，
光在三棱镜中的传播速度v＝eq \f(c,n)＝eq \f(\r(3),3)c，
故光在三棱镜中的传播时间t＝eq \f(s,v)＝eq \f(\r(3)L,2c).
7．(2020·浙江温州市4月选考模拟)如图7甲所示，为研究一半圆柱形透明新材料的光学性质，用激光由真空沿半圆柱体的径向射入，入射光线与法线成θ角，由光学传感器CD可以探测反射光的强度．实验获得从AB面反射回来的反射光的强度随θ角变化的情况如图乙所示．光在真空中的传播速度为c，则该激光在这种透明新材料中( )
图7
A．折射率为eq \f(\r(3),2)
B．传播速度为eq \f(\r(3),2)c
C．θ＝0°时，反射光强度为0
D．反射光的强度随θ角的增大而增大
答案 B
解析 据题图乙知θ＝60°时激光发生全反射，由折射定律得n＝eq \f(1,sin 60°)＝eq \f(2\r(3),3)，故A错误；由速度公式得v＝eq \f(c,n)＝eq \f(\r(3),2)c，故B正确；θ＝0°时大量的激光从O点射出，少量激光发生反射，故C错误；根据题图乙可知当θ＝60°时激光发生全反射，此后θ角增大，但反射光的强度不变，故D错误．
8.(八省联考·重庆·16(2))将自然光引入室内进行照明是一种新型的绿色能源技术．某科技兴趣小组设计了一种接收太阳光的实验装置，如图8为过装置中心轴线的截面，上部的集光球是半径为R的某种均匀透明材料的半球体，下部为导光管，两部分的交界面是PQ.若只有PQ上方高度h＝eq \f(\r(3),2)R范围内的光束平行于PQ射入后，能直接通过PQ面进入导光管(不考虑集光球内表面的反射)，求该材料的折射率．
图8
答案 eq \r(3)
解析 由于不考虑集光球内表面的反射，所以最上面的一束光线的光路图如图所示
由几何关系可知
sin θ＝eq \f(h,R)＝eq \f(\r(3),2)
解得θ＝60°
可知入射角θ1＝θ＝60°
折射角θ2＝eq \f(θ,2)＝30°
根据折射定律可知，材料的折射率
n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)＝eq \r(3).
9．(八省联考·河北·16)如图9，一潜水员在距海岸A点45 m的B点竖直下潜，B点和灯塔之间停着一条长4 m的皮划艇．皮划艇右端距B点4 m，灯塔顶端的指示灯与皮划艇两端的连线与竖直方向的夹角分别为α和β(sin α＝eq \f(4,5)，sin β＝eq \f(16,37))，水的折射率为eq \f(4,3)，皮划艇高度可忽略．
图9
(1)潜水员在水下看到水面上的所有景物都出现在一个倒立的圆锥里．若海岸上A点恰好处在倒立圆锥的边缘上，求潜水员下潜的深度；
(2)求潜水员竖直下潜过程中看不到灯塔指示灯的深度范围．
答案 见解析
解析 (1)潜水员在水下看到景物示意图
潜水员下潜深度为BO，结合原理公式可有
sin C＝eq \f(1,n)⇒sin C＝eq \f(3,4)⇒tan C＝eq \f(3,\r(7))
结合几何图形可有
tan C＝eq \f(\x\t(AB),\x\t(BO))，其中eq \x\t(AB)＝45 m
由以上数据可得eq \x\t(BO)＝15eq \r(7) m
(2)由题意分析由于皮划艇遮挡引起水下看不到灯光，光路示意图如下
①灯光到达划艇右端E点，则有
n＝eq \f(sin α,sin θ1)⇒sin θ1＝eq \f(sin α,n)＝eq \f(3,5)⇒tan θ1＝eq \f(3,4)
tan θ1＝eq \f(\x\t(BE),h1)⇒h1＝eq \f(16,3) m
②灯光到达划艇左端F点，则有
n＝eq \f(sin β,sin θ2)⇒sin θ2＝eq \f(12,37)⇒tan θ1＝eq \f(12,35)
tan θ2＝eq \f(\x\t(BF),h2)⇒h2＝eq \f(70,3) m
综上所述潜水员在水下eq \f(16,3) m至eq \f(70,3) m之间看不到灯光．
10．(2020·山东日照市二模)如图10所示，一直角玻璃三棱镜置于真空中，已知∠A＝60°，∠C＝90°.一束极细的光束于BC边上的D点以入射角i1＝45°入射，BD＝a，CD＝b，棱镜的折射率n＝eq \r(2).求光从进入棱镜到它第一次射入真空所经历的时间．(设光在真空中传播的速度为c)
图10
答案 eq \f(\r(2)\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(b＋\f(a,2))),c)
解析 如图所示，
设折射角为r1，由折射定律
n＝eq \f(sin i1,sin r1)＝eq \r(2)
解得r1＝30°
根据sin C＝eq \f(1,n)可知临界角C＝45°.
设折射光线与AB边的交点为E，由几何知识可知在AB边的入射角为60°，大于临界角，发生全反射，反射光线与BC边平行，最终垂直于AC边射出，光在棱镜中的路程
s＝b－asin 30°＋a
光在棱镜中的速度v＝eq \f(c,n)
光从进入棱镜到它第一次射入真空所经历的时间t＝eq \f(s,v)
联立解得t＝eq \f(\r(2)\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(b＋\f(a,2))),c).
11.(2020·全国卷Ⅱ·34(2))直角棱镜的折射率n＝1.5，其横截面如图11所示，图中∠C＝90°，∠A＝30°.截面内一细束与BC边平行的光线，从棱镜AB边上的D点射入，经折射后射到BC边上．
图11
(1)光线在BC边上是否会发生全反射？说明理由；
(2)不考虑多次反射，求从AC边射出的光线与最初的入射光线夹角的正弦值．
答案 见解析
解析 (1)如图，设光线在D点的入射角为i，折射角为r.折射光线射到BC边上的E点．设光线在E点的入射角为θ，由几何关系，有
i＝30°①
θ＝90°－(30°－r)>60°②
根据题给数据得sin θ>sin 60°>eq \f(1,n)③
即θ大于全反射临界角，因此光线在E点发生全反射．
(2)设光线在AC边上的F点射出棱镜，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′ ＝90°－θ④
sin i＝nsin r⑤
nsin i′＝sin r′⑥
联立①②④⑤⑥式并代入题给数据，得sin r′＝eq \f(2\r(2)－\r(3),4)
由几何关系可知，r′即为从AC边射出的光线与最初的入射光线的夹角．平行玻璃砖
三棱镜
圆柱体(球)
结构
玻璃砖上下表面是平行的
横截面为三角形的三棱镜
横截面是圆
对光线的作用
通过平行玻璃砖的光线不改变传播方向，但要发生侧移
通过三棱镜的光线经两次折射后，出射光线向棱镜底面偏折
圆界面的法线是过圆心的直线，光线经过两次折射后向圆心偏折
应用
测定玻璃的折射率
全反射棱镜，改变光的传播方向
改变光的传播方向
介质
光密介质
光疏介质
折射率
大
小
光速
小
大
相对性
若n甲＞n乙，则甲相对乙是光密介质
若n甲＜n乙，则甲相对乙是光疏介质
目标要求 1.理解折射率的概念，掌握光的折射定律.2.掌握全反射的条件并会用全反射的条件进行相关计算．
考点一 光的折射
基础回扣
1．折射定律
(1)内容：如图1所示，折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，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正比．
图1
(2)表达式：eq \f(sin θ1,sin θ2)＝n12(n12为比例常数)．
2．折射率
(1)定义式：n＝eq \f(sin θ1,sin θ2).
(2)计算公式：n＝eq \f(c,v)，因为v
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＝eq \f(c,n).
(2)折射率的大小不仅与介质本身有关，还与光的频率有关．
①同一种介质中，频率越大的光折射率越大，传播速度越小．
②同一种光，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．
3．平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制特点
例1 (2020·山东枣庄市模拟)如图2所示，水平地面上静止放置一个透明实心玻璃球，O点是球心，A是最高点，B是最低点．两条跟水平地面夹角为45°的平行光线斜照在球面上，其中一条向着球心O，其延长线交地面于D点(图中未画出)，另一条过最高点A.已知该玻璃的折射率为eq \r(2)，tan 15°＝2－eq \r(3).求：
图2
(1)过A点的光线折射进入玻璃球时的折射角；
(2)过A点的光线从玻璃球射出后，跟水平地面的交点是在D点的左侧、右侧、还是在D点？试证明你的猜想．
答案 (1)30° (2)见解析
解析 (1)由题意知，在A点入射角i＝45°.设折射角为r，由折射定律得
n＝eq \f(sin i,sin r)，解得r＝30°.
(2)设E点为折射光线的出射点，由几何关系得
AE＝2Rcs 30°＝eq \r(3)R
过E点作水平地面的垂线，垂足为F；过E点作水平线，与AB的交点为C，由几何关系得
EF＝CB＝2R－AEcs 30°＝eq \f(R,2)
设光线在E点的入射角为i1，折射角为r1，由几何关系得i1＝r，n＝eq \f(sin r1,sin i1)，解得r1＝45°
设从玻璃球E点折射出的光线与水平地面的交点为G，由几何关系得
BG＝BF＋FG＝CE＋FG＝AEsin 30°＋EFtan (60°－45°)
解得BG＝R
经过圆心O的光线沿直线传播，由几何关系可知BD＝Rtan 45°＝R
可知BG＝BD，所以过A点的光线从玻璃球射出后，跟水平地面的交点在D点．
1.(光的折射)(2020·山东滨州市模拟)如图3所示，ACDB为圆柱型玻璃的横截面，AB为其直径．现有两单色光组成的复合光沿EA方向射向玻璃，其折射光线分别沿AC、AD方向，光从A到C的时间为tAC，从A到D的时间为tAD.则( )
图3
A．tAC＝tAD B．tAC＜tAD
C．tAC＞tAD D．无法确定
答案 B
解析 由于AD光折射角小于AC光的折射角，故AD光的折射率大于AC光的折射率，由v＝eq \f(c,n)可知，AD光在玻璃中的传播速度较小，AB为直径，故AD＞AC，所以tAC＜tAD，故B正确．
2．(折射定律的应用)(八省联考·广东·16(2))如图4所示，救生员坐在泳池旁边凳子上，其眼睛到地面的高度h0为1.2 m，到池边的水平距离L为1.6 m，池深H为1.6 m，池底有一盲区．设池水的折射率为eq \f(4,3).当池中注水深度h为1.2 m和1.6 m时，池底盲区的宽度分别是多少．
图4
答案 1.43 m 1.2 m
解析 当池中注水深度h为1.2 m，光路图如图所示
根据几何关系知sin i＝eq \f(1.6,\r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1.2))2＋\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1.6))2))＝eq \f(4,5)
即i＝53°
根据折射率可求得sin r＝eq \f(sin i,n)＝eq \f(3,5)
即r＝37°
根据几何关系可知盲区宽度为
s＝(1.6 m－1.2 m)tan 53°＋1.2 m×tan 37°＝eq \f(4.3,3) m＝1.43 m
同理可得，当池中注水深度为1.6 m时，池底盲区宽度为
s′＝1.6 m×tan 37°＝1.2 m．
考点二 全反射
基础回扣
1．光密介质与光疏介质
2.全反射
(1)定义：光从光密介质射入光疏介质时，当入射角增大到某一角度，折射光线消失，只剩下反射光线的现象．
(2)条件：①光从光密介质射向光疏介质．②入射角大于或等于临界角．
(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，由n＝eq \f(sin 90°,sin C)，得sin C＝eq \f(1,n).介质的折射率越大，发生全反射的临界角越小．
3．光导纤维
光导纤维的原理是利用光的全反射(如图5)．
图5
技巧点拨
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，然后结合几何知识进行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．
例2 (2017·全国卷Ⅲ·34(2))如图6，一半径为R的玻璃半球，O点是半球的球心，虚线OO′表示光轴(过球心O与半球底面垂直的直线)．已知玻璃的折射率为1.5.现有一束平行光垂直入射到半球的底面上，有些光线能从球面射出(不考虑被半球的内表面反射后的光线)．求：
图6
(1)从球面射出的光线对应的入射光线到光轴距离的最大值；
(2)距光轴eq \f(R,3)的入射光线经球面折射后与光轴的交点到O点的距离．
答案 (1)eq \f(2,3)R (2)2.74R
解析 (1)如图甲，从底面上A处射入的光线，在球面上发生折射时的入射角为i，当i等于全反射临界角ic时，对应入射光线到光轴的距离最大，设最大距离为l.
i＝ic①
设n是玻璃的折射率，由全反射临界角的定义有
nsin ic＝1②
由几何关系有
sin ic＝eq \f(l,R)③
联立①②③式并利用题给条件，得
l＝eq \f(2,3)R④
(2)如图乙，设与光轴相距eq \f(R,3)的光线在球面B点发生折射时的入射角和折射角分别为i1和r1，由折射定律有
nsin i1＝sin r1⑤
设折射光线与光轴的交点为C，在△OBC中，由正弦定理有
eq \f(sin ∠C,R)＝eq \f(sin180°－r1,OC)⑥
由几何关系有
∠C＝r1－i1⑦
sin i1＝eq \f(1,3)⑧
联立⑤⑥⑦⑧式及题给条件得
OC＝eq \f(32\r(2)＋\r(3),5)R≈2.74R.
3．(用全反射原理求临界角)(2020·山东等级考模拟卷)如图7所示，由某种透明介质制成的长直细圆柱体置于真空中．某种单色光在介质中传输，经过多次全反射后从右端射出．若以全反射临界角传输的光线刚好从右端以张角2θ出射，则此介质的折射率为( )
图7
A.eq \r(1＋sin 2θ) B.eq \r(1＋cs 2θ)
C.eq \r(1＋cs2 θ) D.eq \r(1＋sin2 θ)
答案 D
解析 设介质中发生全反射的临界角为C，如图所示．
则由全反射临界角C与n的关系可知：sin C＝eq \f(1,n).
由图可知，经多次全反射后从右端射出时，入射角和反射角满足关系：n＝eq \f(sin θ,sin 90°－C).
联立两式可得n＝eq \r(1＋sin2 θ).
4．(用全反射原理分析光射出的范围)(多选)(2020·山东卷·9)截面为等腰直角三角形的三棱镜如图8甲所示，DE为嵌在三棱镜内部紧贴BB′C′C面的线状单色可见光光源，DE与三棱镜的ABC面垂直，D位于线段BC的中点，图乙为图甲中ABC面的正视图，三棱镜对该单色光的折射率为eq \r(2)，只考虑由DE直接射向侧面AA′C′C的光线．下列说法正确的是( )
图8
A．光从AA′C′C面出射的区域占该侧面总面积的eq \f(1,2)
B．光从AA′C′C面出射的区域占该侧面总面积的eq \f(2,3)
C．若DE发出的单色光频率变小，AA′C′C面有光出射的区域面积将增大
D．若DE发出的单色光频率变小，AA′C′C面有光出射的区域面积将减小
答案 AC
解析 根据sin C＝eq \f(1,n)，得光线在AC面上发生全反射的临界角C＝45°，如图所示．从AC面上射出的光线为射到FC区域的光线，由几何关系得FC＝eq \f(1,2)AC，即有光线射出的区域占该侧面总面积的一半，故A正确，B错误；当单色光的频率变小时，折射率n变小，根据sin C＝eq \f(1,n)，知临界角C变大，图中的F点向A点移动，故有光射出的区域的面积变大，故C正确，D错误．
5．(全反射的应用)(2021·山东德州市模拟)如图9所示，截面为半圆形的玻璃砖的半径为R，一束单色平行光向右垂直直面射向玻璃砖，在玻璃砖右侧可看到圆弧面上有三分之二的区域被照亮．已知光在真空中的速度为c，求：
图9
(1)该玻璃砖对此单色光的折射率；
(2)自不同点入射的光在玻璃砖中的传播时间不同，计算得出最短传播时间(不考虑光在玻璃砖内的多次反射)．
答案 (1)eq \f(2\r(3),3) (2)eq \f(\r(3)R,3c)
解析 (1)由几何关系可得，此单色光在玻璃砖中全反射的临界角C＝eq \f(1,2)×eq \f(2,3)×180°＝60°
又sin C＝eq \f(1,n)
得该玻璃砖对此单色光的折射率n＝eq \f(2\r(3),3)
(2)光在玻璃砖中的最短传播距离x＝Rcs 60°
又n＝eq \f(c,v)
x＝vt
得最短传播时间t＝eq \f(\r(3)R,3c)
课时精练
1.如图1所示，光导纤维由内芯和包层两个同心圆柱体组成，其中心部分是内芯，内芯以外的部分为包层，光从一端进入，从另一端射出，下列说法正确的是( )
图1
A．内芯的折射率大于包层的折射率
B．内芯的折射率小于包层的折射率
C．不同频率的可见光从同一根光导纤维的一端传输到另一端所用的时间相同
D．若紫光以如图所示角度入射时，恰能在内芯和包层分界面上发生全反射，则改用红光以同样角度入射时，也能在内芯和包层分界面上发生全反射
答案 A
2．(八省联考·辽宁·2)如图2所示．一束单色光从介质1射入介质2，在介质1、2中的波长分别为λ1、λ2，频率分别为f1、f2，则( )
图2
A．λ1＜λ2 B．λ1＞λ2
C．f1＜f2 D．f1＞f2
答案 B
解析 光从一种介质进入另外一种介质时频率不变，故选项C、D错误；光从介质1进入介质2，折射光线靠近法线，可知介质2为光密介质，光进入介质2传播速度变小，波长变短，选项B正确，A错误．
3.(2020·山东潍坊市模拟)一束复色光由空气斜射向平行玻璃砖，入射角为θ，从另一侧射出时分成a、b两束单色光，如图3所示，下列说法正确的是( )
图3
A．在该玻璃中a的传播速度比b小
B．b比a更容易发生衍射
C．增大θ(θ＜90°)，a、b可能不会从另一侧射出
D．a从该玻璃射向空气时的临界角比b的大
答案 D
4.(2020·山东威海市模拟)如图4所示，两单色光a、b分别沿半径方向由空气射入半圆形玻璃砖，出射光合成一束复色光P，已知单色光a、b与法线间的夹角分别为45°和30°，则a光与b光( )
图4
A．在玻璃砖中的折射率之比为eq \r(2)∶1
B．在玻璃砖中的传播时间之比为1∶eq \r(2)
C．在玻璃砖中的波长之比为eq \r(2)∶1
D．由该玻璃砖射向真空时临界角之比为eq \r(2)∶1
答案 B
5.(2020·天津和平区联考)如图5，一束单色光射入一玻璃球体，入射角为60°.已知光线在玻璃球内经一次反射后，再次折射回到空气中时与入射光线平行．此玻璃的折射率为( )
图5
A.eq \r(2) B．1.5
C.eq \r(3) D．2
答案 C
解析 作出光线在玻璃球体内的光路图，A、C是折射点，B是反射点，OD平行于入射光线，由几何知识得，∠AOD＝∠COD＝60°，则∠OAB＝30°，即折射角r＝30°，入射角i＝60°，所以折射率n＝eq \f(sin i,sin r)＝eq \r(3)，C正确．
6.(多选)(2020·四川综合能力提升卷)如图6所示，等边三角形ABC为某透明玻璃三棱镜的截面图，边长等于L，在截面上一束足够强的细光束从AB边中点与AB边成30°角由真空射入三棱镜，从BC边射出的光线与BC的夹角为30°.光在真空中的速度为c，则( )
图6
A．玻璃的折射率为eq \r(3)
B．玻璃的折射率为eq \r(2)
C．光在三棱镜中的传播路程为0.5L
D．光在三棱镜中的传播时间为eq \f(\r(3)L,2c)
答案 ACD
解析 光射入三棱镜的光路图如图所示，i1＝90°－30°＝60°，
由折射定律得：n＝eq \f(sin i1,sin r1)
光在BC边折射时，由折射定律有：eq \f(1,n)＝eq \f(sin i2,sin r2)
由题意知r2＝90°－30°＝60°，则i2＝r1
由几何关系可得r1＝i2＝30°，则n＝eq \r(3)
由几何知识知：从AB边上射入的光在三棱镜中的传播路程s＝0.5L，
光在三棱镜中的传播速度v＝eq \f(c,n)＝eq \f(\r(3),3)c，
故光在三棱镜中的传播时间t＝eq \f(s,v)＝eq \f(\r(3)L,2c).
7．(2020·浙江温州市4月选考模拟)如图7甲所示，为研究一半圆柱形透明新材料的光学性质，用激光由真空沿半圆柱体的径向射入，入射光线与法线成θ角，由光学传感器CD可以探测反射光的强度．实验获得从AB面反射回来的反射光的强度随θ角变化的情况如图乙所示．光在真空中的传播速度为c，则该激光在这种透明新材料中( )
图7
A．折射率为eq \f(\r(3),2)
B．传播速度为eq \f(\r(3),2)c
C．θ＝0°时，反射光强度为0
D．反射光的强度随θ角的增大而增大
答案 B
解析 据题图乙知θ＝60°时激光发生全反射，由折射定律得n＝eq \f(1,sin 60°)＝eq \f(2\r(3),3)，故A错误；由速度公式得v＝eq \f(c,n)＝eq \f(\r(3),2)c，故B正确；θ＝0°时大量的激光从O点射出，少量激光发生反射，故C错误；根据题图乙可知当θ＝60°时激光发生全反射，此后θ角增大，但反射光的强度不变，故D错误．
8.(八省联考·重庆·16(2))将自然光引入室内进行照明是一种新型的绿色能源技术．某科技兴趣小组设计了一种接收太阳光的实验装置，如图8为过装置中心轴线的截面，上部的集光球是半径为R的某种均匀透明材料的半球体，下部为导光管，两部分的交界面是PQ.若只有PQ上方高度h＝eq \f(\r(3),2)R范围内的光束平行于PQ射入后，能直接通过PQ面进入导光管(不考虑集光球内表面的反射)，求该材料的折射率．
图8
答案 eq \r(3)
解析 由于不考虑集光球内表面的反射，所以最上面的一束光线的光路图如图所示
由几何关系可知
sin θ＝eq \f(h,R)＝eq \f(\r(3),2)
解得θ＝60°
可知入射角θ1＝θ＝60°
折射角θ2＝eq \f(θ,2)＝30°
根据折射定律可知，材料的折射率
n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)＝eq \r(3).
9．(八省联考·河北·16)如图9，一潜水员在距海岸A点45 m的B点竖直下潜，B点和灯塔之间停着一条长4 m的皮划艇．皮划艇右端距B点4 m，灯塔顶端的指示灯与皮划艇两端的连线与竖直方向的夹角分别为α和β(sin α＝eq \f(4,5)，sin β＝eq \f(16,37))，水的折射率为eq \f(4,3)，皮划艇高度可忽略．
图9
(1)潜水员在水下看到水面上的所有景物都出现在一个倒立的圆锥里．若海岸上A点恰好处在倒立圆锥的边缘上，求潜水员下潜的深度；
(2)求潜水员竖直下潜过程中看不到灯塔指示灯的深度范围．
答案 见解析
解析 (1)潜水员在水下看到景物示意图
潜水员下潜深度为BO，结合原理公式可有
sin C＝eq \f(1,n)⇒sin C＝eq \f(3,4)⇒tan C＝eq \f(3,\r(7))
结合几何图形可有
tan C＝eq \f(\x\t(AB),\x\t(BO))，其中eq \x\t(AB)＝45 m
由以上数据可得eq \x\t(BO)＝15eq \r(7) m
(2)由题意分析由于皮划艇遮挡引起水下看不到灯光，光路示意图如下
①灯光到达划艇右端E点，则有
n＝eq \f(sin α,sin θ1)⇒sin θ1＝eq \f(sin α,n)＝eq \f(3,5)⇒tan θ1＝eq \f(3,4)
tan θ1＝eq \f(\x\t(BE),h1)⇒h1＝eq \f(16,3) m
②灯光到达划艇左端F点，则有
n＝eq \f(sin β,sin θ2)⇒sin θ2＝eq \f(12,37)⇒tan θ1＝eq \f(12,35)
tan θ2＝eq \f(\x\t(BF),h2)⇒h2＝eq \f(70,3) m
综上所述潜水员在水下eq \f(16,3) m至eq \f(70,3) m之间看不到灯光．
10．(2020·山东日照市二模)如图10所示，一直角玻璃三棱镜置于真空中，已知∠A＝60°，∠C＝90°.一束极细的光束于BC边上的D点以入射角i1＝45°入射，BD＝a，CD＝b，棱镜的折射率n＝eq \r(2).求光从进入棱镜到它第一次射入真空所经历的时间．(设光在真空中传播的速度为c)
图10
答案 eq \f(\r(2)\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(b＋\f(a,2))),c)
解析 如图所示，
设折射角为r1，由折射定律
n＝eq \f(sin i1,sin r1)＝eq \r(2)
解得r1＝30°
根据sin C＝eq \f(1,n)可知临界角C＝45°.
设折射光线与AB边的交点为E，由几何知识可知在AB边的入射角为60°，大于临界角，发生全反射，反射光线与BC边平行，最终垂直于AC边射出，光在棱镜中的路程
s＝b－asin 30°＋a
光在棱镜中的速度v＝eq \f(c,n)
光从进入棱镜到它第一次射入真空所经历的时间t＝eq \f(s,v)
联立解得t＝eq \f(\r(2)\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(b＋\f(a,2))),c).
11.(2020·全国卷Ⅱ·34(2))直角棱镜的折射率n＝1.5，其横截面如图11所示，图中∠C＝90°，∠A＝30°.截面内一细束与BC边平行的光线，从棱镜AB边上的D点射入，经折射后射到BC边上．
图11
(1)光线在BC边上是否会发生全反射？说明理由；
(2)不考虑多次反射，求从AC边射出的光线与最初的入射光线夹角的正弦值．
答案 见解析
解析 (1)如图，设光线在D点的入射角为i，折射角为r.折射光线射到BC边上的E点．设光线在E点的入射角为θ，由几何关系，有
i＝30°①
θ＝90°－(30°－r)>60°②
根据题给数据得sin θ>sin 60°>eq \f(1,n)③
即θ大于全反射临界角，因此光线在E点发生全反射．
(2)设光线在AC边上的F点射出棱镜，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′ ＝90°－θ④
sin i＝nsin r⑤
nsin i′＝sin r′⑥
联立①②④⑤⑥式并代入题给数据，得sin r′＝eq \f(2\r(2)－\r(3),4)
由几何关系可知，r′即为从AC边射出的光线与最初的入射光线的夹角．平行玻璃砖
三棱镜
圆柱体(球)
结构
玻璃砖上下表面是平行的
横截面为三角形的三棱镜
横截面是圆
对光线的作用
通过平行玻璃砖的光线不改变传播方向，但要发生侧移
通过三棱镜的光线经两次折射后，出射光线向棱镜底面偏折
圆界面的法线是过圆心的直线，光线经过两次折射后向圆心偏折
应用
测定玻璃的折射率
全反射棱镜，改变光的传播方向
改变光的传播方向
介质
光密介质
光疏介质
折射率
大
小
光速
小
大
相对性
若n甲＞n乙，则甲相对乙是光密介质
若n甲＜n乙，则甲相对乙是光疏介质
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