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高考物理一轮复习精品讲练测(全国通用)16.1光的折射和全反射(讲)(原卷版+解析)
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专题16.1 光的折射和反射
考点一 折射定律及其应用
1.对折射率的理解
(1)折射率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.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.
3.平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制
考点二 对全反射现象的理解和应用
1.求解光的折射、全反射问题的四点提醒
(1)光密介质和光疏介质是相对而言的.同一种介质,相对于其他不同的介质,可能是光密介质,也可能是光疏介质.
(2)如果光线从光疏介质进入光密介质,则无论入射角多大,都不会发生全反射现象.
(3)在光的反射和全反射现象中,均遵循光的反射定律,光路均是可逆的.
(4)当光射到两种介质的界面上时,往往同时发生光的折射和反射现象,但在全反射现象中,只发生反射,不发生折射.
2.解决全反射问题的一般方法
(1)确定光是光密介质进入光疏介质.
(2)应用sin C=eq \f(1,n)确定临界角.
(3)根据题设条件,判定光在传播时是否发生全反射.
(4)如发生全反射,画出入射角等于临界角时的临界光路图.
(5)运用几何关系或三角函数关系以及反射定律等进行分析、判断、运算,解决问题.
3.求解全反射现象中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=eq \f(c,n).
(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=eq \f(l,v)求解光的传播时间.
考点三 光的色散现象
1.光的色散
(1)现象:一束白光通过三棱镜后在屏上会形成彩色光带.
(2)成因:棱镜材料对不同色光的折射率不同,对红光的折射率最小,红光通过棱镜后的偏折程度最小,对紫光的折射率最大,紫光通过棱镜后的偏折程度最大,从而产生色散现象.
2.各种色光的比较
高频考点一 折射定律及其应用
例1、如图所示是一透明半圆柱体的横截面,O为横截面的圆心,其半径为R,折射率为eq \r(3),OA水平且垂直于横截面,从A点射出一条光线AB经折射后水平射出半圆柱体,已知OA=eq \r(3)R,
光速为c.求:
(1)光沿AO直线进入透明半圆柱体中,从A传到O点的时间;
(2)入射点B到OA的垂直距离BC.
【变式训练】玻璃半圆柱体横截面如图所示。O为圆心,A为半圆形的最高点,圆的半径为R。单色光束按如图方向沿截面入射到圆柱体上的B点,方向与底面垂直,∠AOB=60°。已知玻璃对该光的折射率n=eq \r(3),不考虑光的反射,求光束经底面折射后与AO延长线交点到O点的距离d。
高频考点二 对全反射现象的理解和应用
例2、某种透明材料制成的空心球体外径是内径的2倍,其过球心的某截面(纸面内)如图所示。一束单色光(在纸面内)从外球面上A点入射,入射角为45°时,光束经折射后恰好与内球面相切。
(1)求该透明材料的折射率;
(2)欲使光束从A点入射后,恰好在内球面上发生全反射,则应将入射角变为多少度?
【变式训练】图所示,一透明玻璃半球竖直放置,OO′为其对称轴,O为球心,球半径为R,球左侧为圆面,右侧为半球面.现有一束平行光从其左侧垂直于圆面射向玻璃半球,玻璃半球的折射率为eq \r(3),设真空中的光速为c,不考虑光在玻璃中的多次反射,求:
(1)从左侧射入且能从右侧射出的入射光束面积占入射面的比例;
(2)圆面上距O点eq \f(R,2)的入射光线经玻璃半球偏折后直到与对称轴OO′相交的传播时间.
高频考点三 光的色散现象
例3、)由图所示,自左向右依次固定放置半圆形玻璃砖、足够长的竖立的长方体玻璃砖和光屏,BC、MN、PQ三个表面相互平行。一点光源可沿着圆弧BAC移动。从点光源发出的一束白光始终正对圆心O射入半圆形玻璃砖,经过长方体玻璃砖后,打在光屏上。已知玻璃对紫光的折射率为n=1.532。若不考虑光在各个界面的反射,则下列说法正确的是 ( )
A.点光源从B移动到C的过程中,光屏上总有彩色光斑
B.点光源从B移动到C的过程中,光屏上红色光斑的移动速率比紫色光斑的小
C.点光源在A点时,光屏上红色光斑在紫色光斑的上方
D.点光源在A点时,若撤除长方体玻璃砖,光屏上红色光斑将向上移动
E.点光源在A点时,若将光屏稍向右平移,光屏上红色光斑与紫色光斑的间距将增大
【变式训练】三束单色光a、b、c沿图示方向射向圆形玻璃砖,经两次折射后变成复色光d,以下说法正确的是 ( )
A.b光的频率比c光小
B.在真空中,a光传播速度比b、c大
C.在玻璃砖中,a光传播速度比b、c小
D.a光的光子能量最小
E.若以a、b、c三种单色光分别用相同的装置做“用双缝干涉测定单色光的波长”的实验,则a光观察到的条纹间距最大
近5年考情分析
考点要求
等级要求
考题统计
2022
2021
2020
2019
2018
光的反射和折射
Ⅱ
2022·重庆卷·T16
2022·海南卷·T3
2022·江苏卷·T12
2022·辽宁卷·T5
2022·山东卷·T7
2022·浙江6月卷·T8
2022·浙江1月卷·T11
2022·全国乙卷·T34(2)
2021·北京卷·T2
2021·海南卷·T6
2021·湖北卷·T5
2021·江苏卷·T7
2021·辽宁卷·T4
2021·浙江省6月卷·T12
2020·山东卷·T9
2020·浙江1月卷·T12
2020·浙江7月卷·T13
2019·全国 = 1 \* ROMAN \* MERGEFORMAT I卷·T34
2019·全国 = 3 \* ROMAN \* MERGEFORMAT III卷·T34
2019·海南卷·T18
2018·海南卷·T16
2018·江苏卷·T16
2018·全国 = 1 \* ROMAN \* MERGEFORMAT I卷·T34
2018·全国 = 2 \* ROMAN \* MERGEFORMAT II卷·T34
光的干涉衍射和偏振
Ⅱ
2022·北京卷·T2
2022·上海卷·T3
2022·山东卷·T10
2022·浙江1月卷·T16
2021·浙江省6月卷·T1
2021·山东卷·T7
2020·海南卷·T5
2020·山东卷·T3
2020·浙江1月卷·T1
2019·北京卷·T14
2018·北京卷·T15
实验十五:测定玻璃砖的折射率
2019·天津卷·T23
实验十六:用双缝干涉测光的波长
2022·海南卷·T14
2022·浙江6月卷·T4
2021·浙江省6月卷·T18
2019·全国 = 2 \* ROMAN \* MERGEFORMAT II卷·T34
核心素养
物理观念:1.理解折射率、光的折射和全反射;2.掌握光的折射和全反射的应用方法;3.进一步增强物质观念,认识光的物质性和波动性.
科学思维:1.通过光的干涉、衍射等论证光具有波动性,增强证据意识及科学论证能力;2.利用光的折射和全反射规律求解问题.
科学探究:通过实验,观察光的干涉、衍射和偏振等现象,了解激光的特性,认识波动性.
科学态度与责任:应用本专题知识解决生活中由光带来的折射问题,形成探索自然的内在动力.
命题规律
命题分析:光的折射定律、折射率、全反射现象的考查常以计算题形式出现,是命题热点、常考点;光的干涉、衍射和相对论基本假设则常以选择题形式出现.
趋势分析:预计以后高考对本专题的考查仍然以光的折射、全反射等光的传播规律作为主要命题方向,但对于光的干涉、衍射、偏振等内容的重要结论也需识记.
备考策略
该部分内容主要以几何光学为主,以光的折射现象、全反射现象为主要命题点,需要理解光的干涉、衍射、偏振等;对于本部分的实验,要注意对其原理、器材、步骤、数据处理方法、误差分析等的理解。
常见题型有:①光的折射和全反射;②光的干涉和衍射;③光学与数学知识的综合应用;④电磁场理论与电磁波的性质;⑤电磁振荡与电磁波谱;⑥对相对论的初步认识。
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,出射光线向棱镜底边偏折
圆界面的法线是过圆心的直线,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
颜色
红橙黄绿青蓝紫
频率ν
低―→高
同一介质中的折射率
小―→大
同一介质中速度
大―→小
波长
大―→小
临界角
大―→小
通过棱镜的偏折角
小―→大
第十六章 光学
【网络构建】
专题16.1 光的折射和反射
考点一 折射定律及其应用
1.对折射率的理解
(1)折射率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.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.
3.平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制
考点二 对全反射现象的理解和应用
1.求解光的折射、全反射问题的四点提醒
(1)光密介质和光疏介质是相对而言的.同一种介质,相对于其他不同的介质,可能是光密介质,也可能是光疏介质.
(2)如果光线从光疏介质进入光密介质,则无论入射角多大,都不会发生全反射现象.
(3)在光的反射和全反射现象中,均遵循光的反射定律,光路均是可逆的.
(4)当光射到两种介质的界面上时,往往同时发生光的折射和反射现象,但在全反射现象中,只发生反射,不发生折射.
2.解决全反射问题的一般方法
(1)确定光是光密介质进入光疏介质.
(2)应用sin C=eq \f(1,n)确定临界角.
(3)根据题设条件,判定光在传播时是否发生全反射.
(4)如发生全反射,画出入射角等于临界角时的临界光路图.
(5)运用几何关系或三角函数关系以及反射定律等进行分析、判断、运算,解决问题.
3.求解全反射现象中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=eq \f(c,n).
(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=eq \f(l,v)求解光的传播时间.
考点三 光的色散现象
1.光的色散
(1)现象:一束白光通过三棱镜后在屏上会形成彩色光带.
(2)成因:棱镜材料对不同色光的折射率不同,对红光的折射率最小,红光通过棱镜后的偏折程度最小,对紫光的折射率最大,紫光通过棱镜后的偏折程度最大,从而产生色散现象.
2.各种色光的比较
高频考点一 折射定律及其应用
例1、如图所示是一透明半圆柱体的横截面,O为横截面的圆心,其半径为R,折射率为eq \r(3),OA水平且垂直于横截面,从A点射出一条光线AB经折射后水平射出半圆柱体,已知OA=eq \r(3)R,
光速为c.求:
(1)光沿AO直线进入透明半圆柱体中,从A传到O点的时间;
(2)入射点B到OA的垂直距离BC.
【答案】:(1)eq \f(2\r(3)-1R,c) (2)eq \f(1,2)R
【解析】:(1)由n=eq \f(c,v)得v=eq \f(c,n)=eq \f(\r(3),3)c
因为t1 =eq \f(R,v),t2=eq \f(\r(3)-1R,c)
又知道t=t1+t2,
联立解得t=eq \f(2\r(3)-1R,c)
(2)如图所示,设入射点B到OA的垂直距离BC=h,∠BOA=β,入射角为α,
对△OAB,由正弦定理得eq \f(AB,sin β)=eq \f(\r(3)R,sinπ-α)
又eq \f(sin α,sin β)=eq \r(3),得AB=R
所以△OAB为等腰三角形,cs β=eq \f(\f(OA,2),OB)=eq \f(\r(3),2),故β=30°
所以B到OA的垂直距离h=Rsin β=eq \f(1,2)R.
【变式训练】玻璃半圆柱体横截面如图所示。O为圆心,A为半圆形的最高点,圆的半径为R。单色光束按如图方向沿截面入射到圆柱体上的B点,方向与底面垂直,∠AOB=60°。已知玻璃对该光的折射率n=eq \r(3),不考虑光的反射,求光束经底面折射后与AO延长线交点到O点的距离d。
【答案】eq \f(R,3)
【解析】光束在B点折射时,入射角i=60°
由折射定律有:n=eq \f(sin i,sin r)
得sin r=eq \f(1,2),折射角r=30°
光束在底面C点折射,入射角i′=60°-r=30°
则sin r′=nsin i′
折射角r′=60°
折射光线交AO延长线于D点,
由几何知识:OC=eq \f(\f(R,2),cs 30°)=eq \f(\r(3),3)R
d=OD=OCtan 30°=eq \f(R,3)。
高频考点二 对全反射现象的理解和应用
例2、某种透明材料制成的空心球体外径是内径的2倍,其过球心的某截面(纸面内)如图所示。一束单色光(在纸面内)从外球面上A点入射,入射角为45°时,光束经折射后恰好与内球面相切。
(1)求该透明材料的折射率;
(2)欲使光束从A点入射后,恰好在内球面上发生全反射,则应将入射角变为多少度?
【答案】 (1)eq \r(2) (2)30°
【解析】 (1)作光路图如图甲,设光束经折射后到达内球面上B点,由题意知,入射角i=45°,折射角r=∠BAO
由几何关系有:sinr=eq \f(BO,AO)=0.5
由折射定律有:n=eq \f(sini,sinr)
代入数据解得:n=eq \r(2)。
(2)作光路图如图乙,设在A点的入射角为i′时,光束经折射后到达内球面上C点,并在C点恰好发生全反射,则光束在内球面上的入射角∠ACD等于临界角C。
由sinC=eq \f(1,n)
代入数据得:∠ACD=C=45°
由正弦定理有eq \f(sin∠ACO,AO)=eq \f(sin∠CAO,CO)
AO=2R,CO=R,∠ACO=180°-∠ACD,
解得:sin∠CAO=eq \f(sin∠ACD,2)=eq \f(\r(2),4)
由折射定律有:n=eq \f(sini′,sin∠CAO)
解得:sini′=0.5,即此时的入射角i′=30°。
【变式训练】图所示,一透明玻璃半球竖直放置,OO′为其对称轴,O为球心,球半径为R,球左侧为圆面,右侧为半球面.现有一束平行光从其左侧垂直于圆面射向玻璃半球,玻璃半球的折射率为eq \r(3),设真空中的光速为c,不考虑光在玻璃中的多次反射,求:
(1)从左侧射入且能从右侧射出的入射光束面积占入射面的比例;
(2)圆面上距O点eq \f(R,2)的入射光线经玻璃半球偏折后直到与对称轴OO′相交的传播时间.
【答案】 (1)eq \f(1,3) (2)eq \f(5R,2c)
【解析】 (1)如图所示,从左侧的A点入射,光在右侧半球面刚好发生全反射,
则由折射定律有:sin θ=eq \f(1,n),
又n=eq \r(3),
则sin θ=eq \f(\r(3),3),OA=Rsin θ=eq \f(\r(3),3)R
故从左侧射入且能从右侧射出的光束是以O点为圆心、OA长为半径的圆,其面积S′=πOA2=eq \f(1,3)πR2
而左侧入射面的面积S=πR2
故eq \f(S′,S)=eq \f(1,3).
(2)设距O点eq \f(R,2)的入射点为B,射到半球面上的点为C点,入射角为i,折射角为r,
在△OBC中有i=30°,BC=eq \f(\r(3),2)R
由折射定律有eq \f(sin r,sin i)=n,代入数据可得r=60°
设从C点出射的光线交OO′轴于D点,由图可知在△OCD中,∠OCD=120°,∠COD=i=30°,可得∠CDO=30°,CD=R
光在玻璃中的传播速度v=eq \f(c,n)=eq \f(c,\r(3))
光从B点传播到D点的时间t=eq \f(BC,v)+eq \f(CD,c)
联立解得t=eq \f(5R,2c).
高频考点三 光的色散现象
例3、)由图所示,自左向右依次固定放置半圆形玻璃砖、足够长的竖立的长方体玻璃砖和光屏,BC、MN、PQ三个表面相互平行。一点光源可沿着圆弧BAC移动。从点光源发出的一束白光始终正对圆心O射入半圆形玻璃砖,经过长方体玻璃砖后,打在光屏上。已知玻璃对紫光的折射率为n=1.532。若不考虑光在各个界面的反射,则下列说法正确的是 ( )
A.点光源从B移动到C的过程中,光屏上总有彩色光斑
B.点光源从B移动到C的过程中,光屏上红色光斑的移动速率比紫色光斑的小
C.点光源在A点时,光屏上红色光斑在紫色光斑的上方
D.点光源在A点时,若撤除长方体玻璃砖,光屏上红色光斑将向上移动
E.点光源在A点时,若将光屏稍向右平移,光屏上红色光斑与紫色光斑的间距将增大
【答案】 BCE
【解析】 当入射光与BC垂直时,光线不发生偏折,在光屏上没有彩色光斑,故A错误;由于红光的折射率比紫光的折射率小,红光通过半圆形玻璃砖后折射角比紫光的小,则点光源在A点时,光屏上红色光斑在紫色光斑的上方,故C正确;点光源从B移动到C的过程中,光屏上红色光斑的移动距离比紫色光斑小,红色光斑移动速率比紫色光斑的小,故B正确;点光源在A点时,光线通过长方体玻璃砖后会向上发生移动,若撤除长方体玻璃砖,光屏上红色光斑将向下移动,故D错误;点光源在A点时,若将光屏稍向右平移,出射光线方向不变,根据几何关系可知,光屏上红色先斑与紫色光斑的间距将增大,故E正确。
【变式训练】三束单色光a、b、c沿图示方向射向圆形玻璃砖,经两次折射后变成复色光d,以下说法正确的是 ( )
A.b光的频率比c光小
B.在真空中,a光传播速度比b、c大
C.在玻璃砖中,a光传播速度比b、c小
D.a光的光子能量最小
E.若以a、b、c三种单色光分别用相同的装置做“用双缝干涉测定单色光的波长”的实验,则a光观察到的条纹间距最大
【答案】:ADE
【解析】:从光的偏折程度看a光的偏折程度最小,c光最大,故a光的折射率最小,c光的折射率最大,则a光的频率最小,c光的频率最大,b光的频率比c光小,故A正确;任何单色光在真空中传播速度均为光速,故B错误;由光在介质中传播速度公式:v=eq \f(c,n)可知,a光的折射率最小,在玻璃砖中传播速度最大,故C错误;光子能量与光的频率成正比,则知a光的光子能量最小,故D正确;三种单色光中a光的波长最长,干涉条纹间距与波长成正比,则在同样的装置做双缝干涉实验时观察到的条纹间距a光的干涉条纹间距最大,故E正确.
近5年考情分析
考点要求
等级要求
考题统计
2022
2021
2020
2019
2018
光的反射和折射
Ⅱ
2022·重庆卷·T16
2022·海南卷·T3
2022·江苏卷·T12
2022·辽宁卷·T5
2022·山东卷·T7
2022·浙江6月卷·T8
2022·浙江1月卷·T11
2022·全国乙卷·T34(2)
2021·北京卷·T2
2021·海南卷·T6
2021·湖北卷·T5
2021·江苏卷·T7
2021·辽宁卷·T4
2021·浙江省6月卷·T12
2020·山东卷·T9
2020·浙江1月卷·T12
2020·浙江7月卷·T13
2019·全国 = 1 \* ROMAN \* MERGEFORMAT I卷·T34
2019·全国 = 3 \* ROMAN \* MERGEFORMAT III卷·T34
2019·海南卷·T18
2018·海南卷·T16
2018·江苏卷·T16
2018·全国 = 1 \* ROMAN \* MERGEFORMAT I卷·T34
2018·全国 = 2 \* ROMAN \* MERGEFORMAT II卷·T34
光的干涉衍射和偏振
Ⅱ
2022·北京卷·T2
2022·上海卷·T3
2022·山东卷·T10
2022·浙江1月卷·T16
2021·浙江省6月卷·T1
2021·山东卷·T7
2020·海南卷·T5
2020·山东卷·T3
2020·浙江1月卷·T1
2019·北京卷·T14
2018·北京卷·T15
实验十五:测定玻璃砖的折射率
2019·天津卷·T23
实验十六:用双缝干涉测光的波长
2022·海南卷·T14
2022·浙江6月卷·T4
2021·浙江省6月卷·T18
2019·全国 = 2 \* ROMAN \* MERGEFORMAT II卷·T34
核心素养
物理观念:1.理解折射率、光的折射和全反射;2.掌握光的折射和全反射的应用方法;3.进一步增强物质观念,认识光的物质性和波动性.
科学思维:1.通过光的干涉、衍射等论证光具有波动性,增强证据意识及科学论证能力;2.利用光的折射和全反射规律求解问题.
科学探究:通过实验,观察光的干涉、衍射和偏振等现象,了解激光的特性,认识波动性.
科学态度与责任:应用本专题知识解决生活中由光带来的折射问题,形成探索自然的内在动力.
命题规律
命题分析:光的折射定律、折射率、全反射现象的考查常以计算题形式出现,是命题热点、常考点;光的干涉、衍射和相对论基本假设则常以选择题形式出现.
趋势分析:预计以后高考对本专题的考查仍然以光的折射、全反射等光的传播规律作为主要命题方向,但对于光的干涉、衍射、偏振等内容的重要结论也需识记.
备考策略
该部分内容主要以几何光学为主,以光的折射现象、全反射现象为主要命题点,需要理解光的干涉、衍射、偏振等;对于本部分的实验,要注意对其原理、器材、步骤、数据处理方法、误差分析等的理解。
常见题型有:①光的折射和全反射;②光的干涉和衍射;③光学与数学知识的综合应用;④电磁场理论与电磁波的性质;⑤电磁振荡与电磁波谱;⑥对相对论的初步认识。
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,出射光线向棱镜底边偏折
圆界面的法线是过圆心的直线,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
颜色
红橙黄绿青蓝紫
频率ν
低―→高
同一介质中的折射率
小―→大
同一介质中速度
大―→小
波长
大―→小
临界角
大―→小
通过棱镜的偏折角
小―→大
2024年高考物理一轮考点复习精讲精练(全国通用)第29讲 光的折射全反射(原卷版+解析): 这是一份2024年高考物理一轮考点复习精讲精练(全国通用)第29讲 光的折射全反射(原卷版+解析),共49页。试卷主要包含了折射定律,折射率,折射率的理解等内容,欢迎下载使用。
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