备战2025届新高考物理一轮总复习练习第14章光学电磁波相对论第1讲光的折射全反射

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基础对点练
题组一 折射定律 折射率
1.(2023江苏卷)地球表面附近空气的折射率随高度降低而增大,太阳光斜射向地面的过程中会发生弯曲。下列光路图中能描述该现象的是( )

2.(2024广东惠州统考一模)2021年12月9日,航天员王亚平在中国空间站为青少年带来了一场精彩纷呈的太空科普课,她在水膜里注水,得到了一个晶莹剔透的水球,如图所示,MN是通过该水球球心O的一条直线,与球右表面交于C点,一束单色光AB平行于MN从B点射入球体时,光线从C点射出,已知水球半径为R,光线AB距MN的距离为R,光在真空中的速度为c。求:
(1)水对此单色光的折射率;
(2)此单色光在水球内传播所用的时间。
题组二 全反射的应用
3.(2023安徽校联考模拟)光纤通信有传输容量大、抗干扰性及保密性强等多方面的优点,我国的光纤通信起步较早,现已成为技术先进的几个国家之一,光纤的示意图如图甲所示,光纤简化示意图如图乙所示(内芯简化为长直玻璃丝,外套简化为真空),玻璃丝长为AC=L,折射率为n,AB、CD代表端面,光从AB端面以某一入射角θ进入玻璃丝,在玻璃丝内部恰好发生全反射,知光在真空中传播速度为c,下列说法正确的是( )
A.内芯相对于外套是光疏介质
B.sin θ=
C.光在玻璃丝中传播的速度为csin θ
D.光在玻璃丝中从AB端面传播到CD端面所用的时间为L
4.(2024广东广州模拟)如图所示,光导纤维的内芯折射率为n1、外套折射率为n2,光由光导纤维的一端从空气进入内芯后,经多次全反射传播到另一端射出,则( )
A.n1>n2B.n1C.sin α=D.sin α=
题组三 光的折射 全反射的综合应用
5.一用透明材料做成的中心是空腔的球如图所示,其中空心部分半径与球的半径之比为1∶2,当有红光、绿光、紫光组成的细光束以i=45°的入射角射入球中,其中b光线为绿光,其折射光线刚好与内壁相切,则下列说法正确的是( )
A.a光线是红光
B.增大入射角i,b光线在空腔外表面可能发生全反射
C.该透明材料对绿光的折射率为
D.c光线在该透明材料中传播速度最小
6.(2024广东茂名模拟)海平面下方的核潜艇在某次训练中,其顶部光源S发出两束同种颜色的光,光路图如图所示。一束光经过海平面的a点发生折射,折射光线为ab,另一束光经过海平面的c点恰好发生全反射,b点在c点的正上方,海平面的d点在光源S的正上方,已知∠bac=37°,sin ∠Sce=,光源S与d点间的距离为H,sin 37°=0.6,光在真空中的传播速度为c,则此种颜色光从S到a的传播时间为( )
A.B.C.D.
综合提升练
7.(2024广东茂名模拟)为保证泳池夜间安全,需要在泳池铺设池底灯提供光照。如图甲所示,足够大的泳池中央有一直径为d的圆形池底灯,灯面与池底相平。已知水的折射率为n,水深为h,水面平静。
(1)若水深增大,则在水面上形成的光斑面积如何变化?试通过在图乙中画出相应的光路图并简要说明(不要求计算)。
(2)当水深为h时,求水面上形成的光斑面积S。
8.(2022河北卷)如图所示,一个半径为R的玻璃球,O点为球心。球面内侧单色点光源S发出的一束光在A点射出,出射光线AB与球直径SC平行,θ=30°。光在真空中的传播速度为c。求:
(1)玻璃的折射率;
(2)从S发出的光线经多次全反射回到S点的最短时间。
参考答案
第十四章 光学 电磁波 相对论
第1讲 光的折射 全反射
1.A 解析 光线越接近地面,折射率越大,折射角越小,选项A正确。
2.答案 (1) (2)
解析 (1)依题意,可画出光线在水球内的折射光线如图所示
根据几何知识可得sini=
则i=60°,r==30°
sinr=sin30°=
根据折射定律,可得水对此单色光的折射率为n=。
(2)光在该水球中的传播速度为v=c
由几何知识可得,光在水球中传播的距离为sBC=R
则此单色光在水球内传播所用的时间t=。
3.D 解析 内芯相对于外套是光密介质,故A错误;由题目描述,θ不是临界角,故B错误;如图所示,临界角为β,设光在玻璃丝中传播速度为v,则n=,解得v=csinβ,故C错误;由题描述可知,光进入玻璃丝内部后,在F点恰好发生全反射,光在玻璃丝中传播的路程为s=,传播的时间为t=,解得t=L,故D正确。
4.A 解析 欲使光在内芯、外套界面上发生全反射,必须从光密介质射入光疏介质,需要满足n1>n2,A正确,B错误;在内芯发生全反射的临界角为sinC=,图中发生全反射,满足α≥C,所以sinα≥sinC=,C、D错误。
5.C 解析 紫光的频率大于绿光的频率大于红光的频率,可知紫光的折射率大于绿光的折射率大于红光的折射率,根据折射定律n=,结合题图可知a光线的折射率最大,c光线的折射率最小,可知a光线是紫光,A错误;增大入射角i,则b光线的折射光线向下偏移,不可能在空腔外表面发生全反射,B错误;如图所示,根据几何知识可知,b光线折射角的正弦值sinθ=,根据折射定律可得,该透明材料对绿光的折射率n=,C正确;根据v=,结合A选项分析可知,c光线在该透明材料中传播速度最大,D错误。
6.B 解析 光在c点发生全反射,有sin∠Sce=,解得n=,光在a点发生折射,有=n,解得sinθ=,由数学知识可得lSa=,又因为光在海水中的传播速度为v=,所以此种颜色光从S到a的传播时间为t=,故选B。
7.答案 (1)见解析 (2)π
解析 (1)如图所示,假设P端发出的光在水面M点发生全反射,则形成的光斑是以点O为圆心、MN为直径的圆,若水深增大时,圆形光斑的直径EF也增大,即光斑面积增大。
(2)根据全反射的临界角C与折射率的关系得
sinC=
由几何关系得
tanC=
设光斑半径为r,有
r=htanC+
设光斑面积为S,有
S=πr2
联立解得
S=π。
8.答案 (1)
(2)
解析 (1)根据题意将光路图补充完整,如下图所示,根据几何关系可知i1=θ=30°,i2=60°
根据折射定律有nsini1=sini2
解得n=。
(2)设全反射的临界角为C,则
sinC=
光在玻璃球内的传播速度有v=
根据几何关系可知当θ=45°时,即光路为圆的内接正方形,从S发出的光线经多次全反射回到S点的时间最短,则正方形的边长x=R
则最短时间为t=。