2023届二轮复习 板块四　光的折射和全反射的综合应用 学案

这是一份2023届二轮复习 板块四　光的折射和全反射的综合应用 学案，共14页。学案主要包含了真题研磨，审题思维，模型转化，答题要素，多维演练，失分警示等内容，欢迎下载使用。
板块四　光的折射和全反射的综合应用考向一光的折射定律的应用【真题研磨】【典例】(9分)(2022·湖北选择考)如图所示,水族馆训练员在训练海豚时,将一发光小球高举在水面上方的A位置,海豚的眼睛在B位置,A位置和B位置的水平距离为d,A位置离水面的高度为d。训练员将小球向左,,入水前瞬间速度方向与水面夹角为θ。小球在A位置发出的一束光线经水面折射后到达B位置,。已知水的折射率n=,不计空气阻力,求:(1)tanθ的值;(2)B位置到水面的距离H。【审题思维】题眼直击信息转化①小球做平抛运动②确定平抛的末位置,确定水平和竖直位移③求解折射角【模型转化】【答题要素】解决光的折射问题的一般思路(1)根据题意画出正确的光路图。(2)利用几何关系确定光路中的边、角关系,要注意入射角、折射角均以法线为标准。(3)利用折射定律、折射率公式求解。(4)注意:在折射现象中光路是可逆的。【多维演练】1.维度:水中的折射如图所示,水平地面下方有一个水池,水池宽度AC=7 m,深度H=7 m,A点是水底最左侧的位置,B点与A相距1.75 m。P与水池右侧边缘O的距离为2 m。水池内的水面与地面齐平时,站在水平地面上P点的人手持激光笔照射水面,激光笔距离人站立的水平地面高度是1.5 m,调整激光笔的照射角度,发现投射到水池底部的光束仅能射到B点及其左侧,求:(1)水的折射率;(2)若光束恰好照射到B点,在不改变激光束入射角度前提下,水面需要下降到离地面的高度是多少时,这束激光刚好照射到A点。2.维度:棱镜中的折射某生产厂家制作截面为正三角形的棱镜时,首先将OM和ON边打磨成平面,且两边的夹角为60°,其中弧MN为以O为圆心的圆弧,在ON边的延长线上有一光源,沿SA的方向发射出的光线射到OM面上,经棱镜折射后由弧MN上的B点射出,最终射到ON另一侧的延长线的C点(图中未画出)。已知AB与ON平行,且SO=OA=AB,OM=R,光在真空中的速度为c。求:(1)该光线在棱镜中的折射率;(2)光线由S传到C的时间。考向二光的全反射的综合应用【真题研磨】【典例】(8分)(2022·湖南选择考)如图,某种防窥屏由透明介质和对光完全吸收的屏障构成,其中屏障垂直于屏幕平行排列,可实现对像素单元的控制(可视角度θ定义为某像素单元发出的光在图示平面内折射到空气后最大折射角的2倍)。透明介质的,屏障间隙L=0.8 mm。发光像素单元紧贴屏下,位于相邻两屏障的正中间。不考虑光的衍射。(1)若把发光像素单元视为点光源,要求可视角度θ控制为60°,求屏障的高度d;(2)若屏障高度d=1.0 mm,且发光像素单元的宽度不能忽略,求像素单元宽度x最小为多少时,其可视角度θ刚(只要看到像素单元的任意一点,即视为能看到该像素单元)。【审题思维】题眼直击信息转化①根据题干由可视角度θ可得最大折射角②折射角正弦值与入射角正弦值之比③光线在界面发生全反射【模型转化】【失分警示】1.最大折射角是可视角度θ的一半。2.发生全反射临界条件是像素单元边缘上的点恰好发生全反射。【答题要素】1.解答全反射类问题的技巧(1)解答全反射类问题时,要抓住发生全反射的两个条件。①光必须从光密介质射入光疏介质。②入射角大于或等于临界角。(2)利用好光路图中的临界光线,准确地判断出恰好发生全反射的光路图是解题的关键,且在做光路图时尽量与实际相符。2.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)光的反射和全反射现象,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。【多维演练】1.维度:光导纤维中的全反射以光纤通信为基础,我国千兆宽带已经进入很多家庭,在进入小区的光纤控制箱中,光纤绕成图示形状,已知光纤的折射率n=,其直径为d。(1)求该光纤的临界角;(2)若平行轴线射入的一束光通过圆弧部分不发生漏光,求内圆弧半径的最小值。2.维度:水球中的全反射在天宫课堂第二课“光学水球”实验中,王亚平老师在水球中注入少量气体,在水球内会形成一个气泡。在另一侧,我们可以观察到王老师一正一反两个像,如图甲所示。这是因为有一部分光线会进入水球中的气泡,形成了正立的人像,而另一部分无法进入气泡的光线,形成了倒立的人像。为了方便研究,我们简化为如图乙所示。已知:水球半径为R1,气泡半径为R2,两球为同心球。有两束平行光射入水球,其中a光沿半径方向射入,b光恰好在气泡表面发生全反射,水的折射率为n。求:a、b两束平行光之间的距离x为多少?1.(棱镜中的折射和全反射)单反相机(图甲)取景器的取景范围和实际拍摄范围基本上一致,十分有利于摄影,让我们能够直观地取景构图。如图乙是单反照相机取景器的光路示意图,其核心部件为屋脊五棱镜。图丙为屋脊五棱镜的横截面图,部分角度如图中所示。光线垂直AB射入,依次经过CD、DE和EA,最后光线从BC射出,若光恰好能够在CD上发生全反射。求:(1)五棱镜的折射率多大?(2)判断光线能够在AE发生全反射吗?说明理由。2.(水面上的折射)一水池宽d=1.2 m,深h=1.6 m,在水池边上直立一根高H=0.8 m的木杆AB,一光源D发射激光束,光源D位于水池口部F正下方0.8 m处。当水池中没有水时,光源发出的光刚好照到B点。不改变光源的方向,当池内装满水时,光源发出的光照到木杆上的E点,AE=0.45 m。(1)求水的折射率;(2)将光源移到底部的G点,当池内装满水时,改变发射激光束的方向,光束能不能在水面发生全反射?3.(水面上的全反射)如图甲,宽度足够大的水槽内水深h,一束激光垂直水面射向水底s处,发现水槽底部有一半径为r的圆形区域比其他区域暗,产生该现象的原因是光线经水槽底部漫反射后射向水面,射到b处的光线恰好发生全反射,光路见图乙,求:(1)水的折射率;(2)通过作图分析,当水深增大时暗斑半径如何变化。4.(棱镜中折射和全反射)如图甲所示,“隐身装置”可以将儿童的身体部分隐去,对后面的成人没有形成遮挡。简化模型的俯视图如图乙所示,A、B为两个厚度均为a= m的直角透明介质,虚线为透明介质的对称轴,儿童站在介质之间虚线框位置处,人体反射的光线均视为与对称轴平行。已知介质折射率n=,光在真空中的传播速度c=3.0×108 m/s,sin15°=0.26。求:(1)光线在两透明介质中传播的时间t;(2)儿童身体能被隐身,身体宽度的最大值d。       板块四　光的折射和全反射的综合应用考向一　光的折射定律的应用【真题研磨】【典例】【解析】(1)由平抛运动的规律可知d=v0t　d=gt2　tanθ=解得tanθ=(2)因tanθ=可知θ=53°,从A点射到水面的光线的入射角为α,折射角为90°-θ=37°,则由折射定律可知n=解得α=53°由几何关系可知Htan37°+dtan53°=d解得H=。答案:(1)　(2)【多维演练】1.【解析】(1)根据折射定律n==又h=1.5 m ,BC=AC-AB=5.25 m,OB=代入数据得n=(2)由(1)可知i=53° ,r=37°设水面下降Δh,激光刚好照射到A点,由几何关系得(H-Δh)tan37°+Δhtan53°=AC解得Δh=3 m水面离地面高度为h'=H-Δh=4 m答案:(1)　(2)4 m2.【解析】(1)根据题意画出光路图,如图所示由几何关系得i=60°,r=30°根据折射定律得n===(2)由折射定律可知光在棱镜中的传播速度为v=由几何关系可知,在△SOA中,有SA=SO在平行四边形SOBA中,有SA=OB=R则SO=OA=AB=R在B点发生折射时,有α=30°,β=60°根据对称性可知BC=SA则光线由S传到C的时间为t=+联立解得t=答案:(1)　(2)考向二　光的全反射的综合应用【真题研磨】【典例】【解析】(1)发光像素单元射到屏障上的光被完全吸收,考虑射到屏障顶端的光射到透明介质和空气界面,折射后从界面射向空气,由题意可知θ=60°,则r==30°在介质中的入射角为i,则=n解得sini=由几何关系sini=解得d= mm≈1.55 mm(2)若可视角度θ刚好被扩为180°,则=90°,此时光线在界面发生全反射,此时光线在界面处的入射角sinC==解得C=30°此时发光像素单元发光点距离屏障的距离为x1=dtanC= mm像素单元宽度x最小为x=2(x1-)=(-0.8) mm≈0.35 mm答案:(1)1.55 mm　(2)0.35 mm【多维演练】1.【解析】(1)根据临界角公式sinC==则该光纤的临界角为C=45°(2)如图所示最内侧光线最容易漏光,则根据几何知识有sinθ==故内圆弧半径的最小值为r=(+1)d答案:(1)45°　(2)(+1)d2.【解析】画出b光部分光路,如图所示。在M点,根据折射定律有n=因b光在N点发生全反射,有sinC=在三角形OMN中,根据正弦定理有=a、b两束平行光之间的距离x=R1sini联立以上四式解得x=R2答案:R21.【解析】(1)刚好在CD面发生全反射,由几何关系可得入射角α=30°刚好全反射时sinα=解得折射率n=2(2)分析光路图可知光在AE上入射角也为30°,可判断可以刚好在AE发生全反射。答案:(1)2　(2)刚好发生全反射,理由见解析2.【解析】(1)由题意得光路图如图甲由几何关系知sinα==0.8sinβ==0.6所以折射率为n==(2)由题意得光路图如图乙当激光束照射A点时入射角θ最大,此时sinθ==临界角C满足sinC==由于θ<C,所以光束不会在水面发生全反射。答案:(1)　(2)不能3.【解析】(1)光线恰在b点发生全反射,则sinC=其中sinC==则n=(2)由光路图可知,当槽中水的深度增加时,暗斑半径变大。答案:(1)　(2)见解析4.【解析】(1)光在透明介质A中传播的光路如图所示,入射角α=45°,设折射角为β由折射定律得n=光在透明介质A中运动的路程s=光在两介质中需要的时间t=又光在透明介质中的速度v=联立解得t=×10-9 s≈9.4×10-9 s(2)儿童身体能被隐身时,光从介质A中射出且恰好不被儿童身体遮挡,如图所示根据几何关系有=ssin(α-β)解得d=0.52 m答案:(1)9.4×10-9 s　(2)0.52 m