2027届高考物理 人教版（2019）选修第一册一轮复习学案 专题16 光学

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掌握光的折射定律和折射率，并会计算相应的习题；
掌握光的全反射现象及其产生的条件，并会用进行相关计算，了解光纤的工作原理；
掌握光的干涉、衍射和偏振现象和对应的产生条件；
会根据干涉条纹进行简单的计算。
核心考点01 光的反射和折射
一、光的反射
1、定义
光从第1种介质射到它与第2种介质的分界面时，一部分光会返回到第1种介质的现象。
分子的质量：数量级为10-26 kg。
2、反射定律
反射光线与入射光线、法线处在同一平面内，反射光线与入射光线分别位于法线的两侧。
反射角等于入射角。
【注意】对于每一条入射光线，反射光线是唯一的，在反射现象中光路是可逆的。
3、图像
二、光的折射
1、定义
光由一种介质射入另一种介质时，在两种介质的界面上将发生光的传播方向改变的现象叫光的折射。
2、折射定律
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。
表达式：eq \f(sinθ1,sinθ2)＝n12，式中n12是比例常数。
3、光路可逆性
在光的反射和折射现象中，光路都是可逆的。如果让光线逆着出射光线射到界面上，光线就会逆着原来的入射光线出射。
4、图像
三、折射率
1、定义
光从真空射入某种介质发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，叫这种介质的折射率。
2、定义式
n＝eq \f(sinθ1,sinθ2)。折射率越大，光从真空射入到该介质时偏折越大。
3、意义
反映介质的光学性质的物理量。
4、折射率的理解
某种介质的折射率，等于光在真空中的传播速度c跟光在这种介质中的传播速度v之比，即，因，所以任何介质的折射率n都大于1。两种介质相比较，n较大的介质称为光密介质，n较小的介质称为光疏介质。在光密介质中，光的折射率相对较大，光速相对较小。
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。
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，频率越大的光折射率越大，传播速度越小；同一种光，在不同介质中虽然波速、波长不同，但频率相同。
折射率由介质本身性质决定，与入射角的大小无关。
折射率与介质的密度没有关系，光密介质不是指密度大的介质。
同一种介质中，频率越大的色光折射率越大，传播速度越小。
5、解题思路
根据入射角、折射角及反射角之间的关系，做出比较完整的光路图。
充分利用光路图中的几何关系，确定各角之间的联系，根据折射定律求解相关的物理量：折射角、折射率等。
注意在折射现象中，光路是可逆的。
如图所示为一斜边镀银的等腰直角棱镜的截面图．一细黄光束从直角边AB以角度θ入射，依次经AC和BC两次反射，从直角边AC出射．出射光线相对于入射光线偏转了α角，则α( )
A．等于90° B．大于90°
C．小于90° D．与棱镜的折射率有关
【答案】A
【解析】如图所示
设光线在AB边的折射角为β，根据折射定律可得n=sinθsinβ，设光线在BC边的入射角为φ，光线在AC边的入射角为r，折射角为i；由反射定律和几何知识可知β+φ=45∘，β+2φ+r=90∘，联立解得r=β，根据折射定律可得sinisinr=sinisinβ=n，可得i=θ，过D点做出射光的平行线，则该平行线与AB的夹角为θ，由几何知识可知，入射光与出射光的夹角为90∘。故选A。
核心考点02 全反射
一、光密介质和光疏介质
1、介质
光密介质：折射率较大的介质。
光疏介质：折射率较小的介质。
2、传播速度
光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中的传播速度小。
3、折射特点
光从光疏介质射入光密介质时，折射角小于入射角，光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角。
二、全反射
1、定义
光从光密介质射入光疏介质时，若入射角增大到某一角度，折射光线就会消失，只剩下反射光线的现象。
2、条件
光从光密介质射入光疏介质。
入射角大于或等于临界角。
3、临界角
定义：折射角等于90°时的入射角。用字母C表示。
临界角与折射率的关系：光由介质射入空气(或真空)时，sin C＝eq \f(1,n)。
4、应用
全反射棱镜：横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。
作用：用来改变光的方向，几种全反射方式如下表所示。
光导纤维的传播原理：光由一端进入，在两层的界面上经过多次全反射，从另一端射出，如下图所示。光导纤维可以远距离传播光，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像。如果把许多(上万根)光导纤维合成一束，并使两端的纤维按严格相同的次序排列，就可以传播图像。
光导纤维折射率的计算：设光导纤维的折射率为n，当入射角为θ1时，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图所示，则有sin C＝eq \f(1,n)，n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)，C＋θ2＝90°，由以上各式可得sin θ1＝eq \r(n2－1)。当θ1增大时，θ2增大，而从纤维射向真空中光线的入射角θ减小，当θ1＝90°时，若θ＝C，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即解得n＝eq \r(2)，以上是光从纤维射向真空时得到的折射率，由于光导纤维包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此光导纤维折射率要比eq \r(2)大些。
三、三种光学模型的光路特点
1、平行玻璃砖
结构：玻璃砖上下表面是平行的。
光路图的特点为通过平行玻璃砖的光线不改变传播方向，但要发生侧移，如下图所示。
应用：测定玻璃的折射率。
2、三棱镜
结构：横截面为三角形的三棱镜。
光路图的特点为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，如下图所示。
应用：全反射棱镜，改变光的传播方向。
3、圆柱体(球)
结构：横截面是圆。
光路图的特点为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，如下图所示。
应用：改变光的传播方向。
柱状光学器件横截面如图所示，OP右侧是以O为圆心、半径为R的eq \f(1,4)圆，左侧是直角梯形，AP长为R，AC与CO夹角45°，AC中点为B.a、b两种频率的细激光束，垂直AB面入射，器件介质对a、b光的折射率分别为1.42、1.40.保持光的入射方向不变，入射点从A向B移动过程中，能在PM面全反射后，从OM面出射的光是(不考虑三次反射以后的光)( )
A．仅有a光 B．仅有b光 C．a、b光都可以 D．a、b光都不可以
【答案】A
【解析】当两种频率的细激光束从A点垂直于AB面入射时，由几何知识可知，激光沿直线传播到O点，经第一次反射沿半径方向直线传播出去，如图甲，
保持光的入射方向不变，入射点从A向B移动过程中，如图乙，可知激光沿直线传播到CO面经反射，射向PM面，入射点从A向B移动过程中，光线传播到PM面的入射角逐渐增大。
当入射点为B点时，如图丙所示，根据光的反射定律及几何关系可知，光线传播到PM面的P点，此时光线在PM面上的入射角最大，设为α，由几何关系得α＝45°，
根据全反射临界角公式得sin Ca＝eq \f(1,na)＝eq \f(1,1.42)eq \f(\r(2),2)，两种频率的细激光束的全反射的临界角关系为Ca