高考物理一轮复习讲练测(全国通用)16.1光的折射和全反射(讲)(原卷版+解析)

这是一份高考物理一轮复习讲练测(全国通用)16.1光的折射和全反射(讲)(原卷版+解析)，共16页。


【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.
【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)－1R,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)－1R,c)
又知道t＝t1＋t2，
联立解得t＝eq \f(2\r(3)－1R,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,sinπ－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