（新課標(biāo)）河南省2015高考物理總復(fù)習(xí)講義 第12章 第3講 光的折射 全反射 光的色散

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1、 第3講　光的折射　全反射　光的色散 知識(shí)一　光的折射 1．折射定律(如圖12－3－1) 圖12－3－1 (1)內(nèi)容：折射光線(xiàn)與入射光線(xiàn)、法線(xiàn)處在同一平面內(nèi)，折射光線(xiàn)與入射光線(xiàn)分別位于法線(xiàn)的兩側(cè)；入射角的正弦與折射角的正弦成正比． (2)表達(dá)式：＝n12，式中n12是比例常數(shù)． (3)在光的折射現(xiàn)象中，光路是可逆的． 2．折射率 (1)物理意義：折射率僅反映介質(zhì)的光學(xué)特性，折射率大，說(shuō)明光從真空射入到該介質(zhì)時(shí)偏折大，反之偏折小． (2)定義式：n12＝，不能說(shuō)n12與sin θ1成正比、與sin θ2成反比．折射率由介質(zhì)本身的光學(xué)性質(zhì)和光的頻率決定． (3)計(jì)算公

2、式：n＝，因?yàn)関＜c，所以任何介質(zhì)的折射率總大于1. 　(1)光在發(fā)生折射時(shí)，入射角的正弦與折射角的正弦成正比．并不是入射角與折射角成正比． (2)介質(zhì)的折射率由介質(zhì)本身的光學(xué)性質(zhì)決定與入射角、折射角無(wú)關(guān)． 知識(shí)二　光的全反射現(xiàn)象和光的色散 1．全反射 (1)條件：①光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)． ②入射角大于或等于臨界角． (2)現(xiàn)象：折射光完全消失，只剩下反射光． (3)臨界角：折射角等于90時(shí)的入射角，用C表示，sin C＝. (4)應(yīng)用：①全反射棱鏡． ②光導(dǎo)纖維，如圖12－3－2. 圖12－3－2 2．光的色散 (1)色散現(xiàn)象

3、：白光通過(guò)三棱鏡會(huì)形成由紅到紫七種色光組成的彩色光譜，如圖12－3－3. 圖12－3－3 (2)成因：由于n紅＜n紫，所以以相同的入射角射到棱鏡界面時(shí)，紅光和紫光的折射角不同，就是說(shuō)紫光偏折得更明顯些，當(dāng)它們射出另一個(gè)界面時(shí)，紫光的偏折角最大，紅光偏折角最?。? 考點(diǎn)一　光的折射和全反射 一、對(duì)折射率的理解 1．公式n＝中，不論是光從真空射入介質(zhì)，還是從介質(zhì)射入真空，θ1總是真空中的光線(xiàn)與法線(xiàn)間的夾角，θ2總是介質(zhì)中的光線(xiàn)與法線(xiàn)間的夾角． 2．折射率由介質(zhì)本身性質(zhì)決定，與入射角的大小無(wú)關(guān)． 3．折射率與介質(zhì)的密度沒(méi)有關(guān)系，光密介質(zhì)不是指密度大的介質(zhì)． 4．折射率的大小不僅

4、與介質(zhì)本身有關(guān)，還與光的頻率有關(guān)．同一種介質(zhì)中，頻率越大的色光折射率越大，傳播速度越?。? 5．同一種色光，在不同介質(zhì)中雖然波速、波長(zhǎng)不同，但頻率相同． 二、對(duì)全反射現(xiàn)象的理解 1．光必須從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，例如從水中或玻璃中射入空氣中． 2．入射角必須大于或等于臨界角． 3．全反射現(xiàn)象可以從能量的角度去理解：當(dāng)光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，在入射角逐漸增大的過(guò)程中，反射光的能量逐漸增強(qiáng)，折射光的能量逐漸減弱，當(dāng)入射角等于臨界角時(shí)，折射光的能量已經(jīng)減弱為零，這時(shí)就發(fā)生了全反射． ——————[1個(gè)示范例]—————— 圖12－3－4 　(多選)(2013天津高考)固

5、定的半圓形玻璃磚的橫截面如圖12－3－4，O點(diǎn)為圓心，OO′為直徑MN的垂線(xiàn)．足夠大的光屏PQ緊靠玻璃磚右側(cè)且垂直于MN.由A、B兩種單色光組成的一束光沿半徑方向射向 O點(diǎn)，入射光線(xiàn)與OO′夾角θ較小時(shí)，光屏NQ區(qū)域出現(xiàn)兩個(gè)光斑，逐漸增大θ角，當(dāng)θ＝α?xí)r，光屏NQ區(qū)域A光的光斑消失，繼續(xù)增大θ角，當(dāng)θ＝β時(shí)，光屏NQ區(qū)域B光的光斑消失，則(　　) A．玻璃磚對(duì)A光的折射率比對(duì)B光的大 B．A光在玻璃磚中傳播速度比B光的大 C．α<θ<β時(shí)，光屏上只有1個(gè)光斑 D．β<θ<時(shí)，光屏上只有1個(gè)光斑 【解析】　根據(jù)全反射定律和n＝解決問(wèn)題． 當(dāng)A光光斑消失時(shí)，sin α＝；當(dāng)B

6、光光斑消失時(shí)，sin β＝.由于β>α，故nA>nB，選項(xiàng)A正確；根據(jù)n＝，得vA

7、設(shè)光線(xiàn)BM在M點(diǎn)的入射角為i，折射角為r，由幾何知識(shí)可知，i＝30，r＝60，根據(jù)折射定律得 n＝① 代入數(shù)據(jù)得 n＝.② (2)光線(xiàn)BN恰好在N點(diǎn)發(fā)生全反射，則∠BNO為臨界角C sin C＝③ 設(shè)球心到BN的距離為d，由幾何知識(shí)可知 d＝Rsin C④ 聯(lián)立②③④式得 d＝R.⑤ 【答案】　(1)　(2)R 考點(diǎn)二　不同光學(xué)器件對(duì)光路的控制作用 　　類(lèi)別 項(xiàng)目　　 平行玻璃磚 三棱鏡 圓柱體(球) 結(jié)構(gòu) 玻璃磚上下表面平行 橫截面為三角形 橫截面是圓 對(duì)光線(xiàn) 的作用 通過(guò)平行玻璃磚的光線(xiàn)不改變傳播方向，但要發(fā)生側(cè)移 通過(guò)三

8、棱鏡的光線(xiàn)經(jīng)兩次折射后，出射光線(xiàn)向棱鏡底面偏折 圓界面的法線(xiàn)是過(guò)圓心的直線(xiàn)，經(jīng)過(guò)兩次折射后向圓心偏折 ——————[1個(gè)示范例]—————— 　 圖12－3－6 (2013新課標(biāo)全國(guó)卷Ⅰ)如圖12－3－6為一光導(dǎo)纖維(可簡(jiǎn)化為一長(zhǎng)玻璃絲)的示意圖，玻璃絲長(zhǎng)為L(zhǎng)，折射率為n，AB代表端面．已知光在真空中的傳播速度為c. (1)為使光線(xiàn)能從玻璃絲的AB 端面?zhèn)鞑サ搅硪欢嗣?，求光線(xiàn)在端面AB上的入射角應(yīng)滿(mǎn)足的條件； (2)求光線(xiàn)從玻璃絲的AB端面?zhèn)鞑サ搅硪欢嗣嫠璧淖铋L(zhǎng)時(shí)間． 【解析】　 (1)設(shè)光線(xiàn)在端面AB上C點(diǎn)(見(jiàn)右圖)的入射角為i，折射角為r，由折射定律有 s

9、in i＝nsin r, ① 設(shè)該光線(xiàn)射向玻璃絲內(nèi)壁D點(diǎn)的入射角為α，為了使該光線(xiàn)可在此光導(dǎo)纖維中傳播，應(yīng)有 α≥θ② 式中，θ是光線(xiàn)在玻璃絲內(nèi)發(fā)生全反射時(shí)的臨界角，它滿(mǎn)足nsin θ＝1③ 由幾何關(guān)系得 α＋r＝90④ 由①②③④式得 sin i≤⑤ (2)光在玻璃絲中傳播速度的大小為 v＝⑥ 光速在玻璃絲軸線(xiàn)方向的分量為 vx＝vsin α⑦ 光線(xiàn)從玻璃絲端面AB傳播到其另一端面所需時(shí)間為 T＝⑧ 光線(xiàn)在玻璃絲中傳播，在剛好發(fā)生全反射時(shí)，光線(xiàn)從端面AB傳播到其另一端面所需的時(shí)間最長(zhǎng)，由②③⑥⑦⑧式得 Tmax＝⑨ 【答案】　(1)sin i≤　(2) ——

10、————[1個(gè)預(yù)測(cè)例]—————— 　 圖12－3－7 雨后太陽(yáng)光入射到水滴中發(fā)生色散而形成彩虹．設(shè)水滴是球形的，圖12－3－7中的圓代表水滴過(guò)球心的截面，入射光線(xiàn)在過(guò)此截面的平面內(nèi)，a、b、c、d代表四條不同顏色的出射光線(xiàn)，則它們可能依次是(　　) A．紫光、黃光、藍(lán)光和紅光 B．紫光、藍(lán)光、黃光和紅光 C．紅光、藍(lán)光、黃光和紫光 D．紅光、黃光、藍(lán)光和紫光 【解析】　四種光線(xiàn)紅、黃、藍(lán)、紫的頻率為f紅

11、由光的反射定律，結(jié)合傳播圖可知其反射后從上到下順序顛倒，因此出射光依次為紫光、藍(lán)光、黃光和紅光，B正確，A、C、D均錯(cuò)． 【答案】　B 考點(diǎn)三　實(shí)驗(yàn)：測(cè)定玻璃的折射率 一、實(shí)驗(yàn)原理 如圖12－3－8所示，當(dāng)光線(xiàn)AO1以一定的入射角θ1穿過(guò)兩面平行的玻璃磚時(shí)，通過(guò)插針?lè)ㄕ页龈肷涔饩€(xiàn)AO1對(duì)應(yīng)的出射光線(xiàn)O2B，從而求出折射光線(xiàn)O1O2和折射角θ2，再根據(jù)n12＝或n＝算出玻璃的折射率． 圖12－3－8 二、實(shí)驗(yàn)步驟 1．如圖12－3－9所示，把白紙鋪在木板上． 圖12－3－9 2．在白紙上畫(huà)一直線(xiàn)aa′作為界面，過(guò)aa′上的一點(diǎn)O畫(huà)出界面的法線(xiàn)NN′，并畫(huà)一條線(xiàn)段

12、 AO作為入射光線(xiàn)． 3．把長(zhǎng)方形玻璃磚放在白紙上，并使其長(zhǎng)邊與aa′重合，再用直尺畫(huà)出玻璃磚的另一邊bb′. 4．在線(xiàn)段AO上豎直地插上兩枚大頭針P1、P2. 5．從玻璃磚bb′一側(cè)透過(guò)玻璃磚觀(guān)察大頭針P1、P2的像，調(diào)整視線(xiàn)的方向直到P1的像被P2的像擋?。僭赽b′一側(cè)插上兩枚大頭針P3、P4，使P3能擋住P1、P2的像，P4能擋住P3本身及P1、P2的像． 6．移去玻璃磚，在拔掉P1、P2、P3、P4的同時(shí)分別記下它們的位置，過(guò)P3、P4作直線(xiàn)O′B交bb′于O′.連接O、O′，OO′就是玻璃磚內(nèi)折射光線(xiàn)的方向．∠AON為入射角．∠O′ON′為折射角． 7．改變?nèi)肷浣?，?/p>

13、復(fù)實(shí)驗(yàn)． 三、數(shù)據(jù)處理 1．計(jì)算法：用量角器測(cè)量入射角θ1和折射角θ2，并查出其正弦值sin θ1和sin θ2.算出不同入射角時(shí)的，并取平均值． 2．作sin θ1sin θ2圖象：改變不同的入射角θ1，測(cè)出不同的折射角θ2，作sin θ1sin θ2圖象，由n＝可知圖象應(yīng)為直線(xiàn)，如圖12－3－10所示，其斜率就是玻璃折射率． 圖12－3－10 3．“單位圓法”確定sin θ1、sin θ2，計(jì)算折射率n. 以入射點(diǎn)O為圓心，以一定長(zhǎng)度R為半徑畫(huà)圓，交入射光線(xiàn)OA于E點(diǎn)，交折射光線(xiàn)OO′于E′點(diǎn)，過(guò)E作NN′的垂線(xiàn)EH，過(guò)E′作NN′的垂線(xiàn)E′H′.如圖12－3－11所示

14、，sin θ1＝，sin θ2＝，OE＝OE′＝R，則n＝＝.只要用刻度尺測(cè)出EH、E′H′的長(zhǎng)度就可以求出n. 圖12－3－11 圖12－3－12 　(2011天津高考)某同學(xué)用大頭針、三角板、量角器等器材測(cè)半圓形玻璃磚的折射率．開(kāi)始玻璃磚的位置如圖12－3－12中實(shí)線(xiàn)所示，使大頭針P1、P2與圓心O在同一直線(xiàn)上，該直線(xiàn)垂直于玻璃磚的直徑邊，然后使玻璃磚繞圓心O緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)在玻璃磚的直徑邊一側(cè)觀(guān)察P1、P2的像，且P2的像擋住P1的像．如此觀(guān)察，當(dāng)玻璃磚轉(zhuǎn)到圖中虛線(xiàn)位置時(shí)，上述現(xiàn)象恰好消失．此時(shí)只須測(cè)量出________，即可計(jì)算出玻璃磚的折射率．請(qǐng)用你的測(cè)量量表示出折射率n

15、＝________. 【解析】　當(dāng)恰好看不見(jiàn)P1、P2的像時(shí)，剛好發(fā)生全反射現(xiàn)象，此時(shí)玻璃磚直徑轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ為臨界角，折射率n＝. 【答案】　玻璃磚直徑邊繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ　 1．某種介質(zhì)對(duì)空氣的折射率是，一束光從該介質(zhì)射向空氣，入射角是60，則下列光路圖中正確的是(圖中Ⅰ為空氣，Ⅱ?yàn)榻橘|(zhì))(　　) 【解析】　由題意知，光由光密介質(zhì)射向了光疏介質(zhì)，由sin C＝＝得C＝45＜60，故此時(shí)光在兩介質(zhì)的界面處會(huì)發(fā)生全反射，只有反射光線(xiàn)，沒(méi)有折射光線(xiàn)，故D選項(xiàng)正確． 【答案】　D 2．(多選)如圖13－2－13所示，有一束平行于等邊三棱鏡截面ABC的單色光從空氣射向E點(diǎn)，

16、并偏折到F點(diǎn)，已知入射方向與邊AB的夾角為θ＝30，E、F分別為AB、BC的中點(diǎn)，則(　　) 圖13－2－13 A．該棱鏡的折射率為 B．光在F點(diǎn)發(fā)生全反射 C．光從空氣進(jìn)入棱鏡，波長(zhǎng)變小 D．從F點(diǎn)出射的光束與入射到E點(diǎn)的光束平行 【解析】　在E點(diǎn)作出法線(xiàn)可知入射角為60，折射角為30，折射率為，故A對(duì)；由光路的可逆性可知，在BC邊上的入射角小于臨界角，不會(huì)發(fā)生全反射，B錯(cuò)；由公式λ介＝，可知C對(duì)；三棱鏡兩次折射使得光線(xiàn)都向底邊偏折，不會(huì)與入射到E點(diǎn)的光束平行，故D錯(cuò)． 【答案】　AC 3．(2013四川高考)光射到兩種不同介質(zhì)的分界面，分析其后的傳播情形可知(　　)

17、A．折射現(xiàn)象的出現(xiàn)說(shuō)明光是縱波 B．光總會(huì)分為反射光和折射光 C．折射光與入射光的傳播方向總是不同的 D．發(fā)生折射是因?yàn)楣庠诓煌橘|(zhì)中的傳播速度不同 【解析】　光的折射不能反映光是縱波還是橫波，由光的偏振現(xiàn)象可知光是橫波，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，且入射角大于或等于臨界角時(shí)，發(fā)生全反射現(xiàn)象，沒(méi)有折射光，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；當(dāng)光線(xiàn)垂直于界面入射時(shí)，折射光與入射光的傳播方向相同，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；發(fā)生折射是因?yàn)楣獾膫鞑ニ俣仍诓煌橘|(zhì)中不同，選項(xiàng)D正確． 【答案】　D 4．觀(guān)察者看見(jiàn)太陽(yáng)從地平線(xiàn)升起時(shí)，關(guān)于太陽(yáng)位置的下列敘述中正確的是(　　) A．太陽(yáng)位于地平線(xiàn)之上 B．太陽(yáng)

18、位于地平線(xiàn)之下 C．太陽(yáng)恰位于地平線(xiàn) D．大氣密度不知，無(wú)法判斷 【解析】　太陽(yáng)光由地球大氣層外的真空射入大氣層時(shí)要發(fā)生折射，根據(jù)折射定律，折射角小于入射角，折射光線(xiàn)進(jìn)入觀(guān)察者的眼睛，觀(guān)察者認(rèn)為光線(xiàn)來(lái)自它的反向延長(zhǎng)線(xiàn)．這樣使得太陽(yáng)的實(shí)際位置比觀(guān)察者看見(jiàn)的太陽(yáng)位置偏低． 【答案】　B 5．(2012北京高考)一束單色光由空氣射入玻璃，這束光的(　　) A．速度變慢，波長(zhǎng)變短　　　　 B．速度不變，波長(zhǎng)變短 C．頻率增高，波長(zhǎng)變長(zhǎng) D．頻率不變，波長(zhǎng)變長(zhǎng) 【解析】　單色光由空氣射入玻璃時(shí)，根據(jù)v＝知，光的速度v變慢，光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，光的頻率不變，根據(jù)v＝λν知光從

19、空氣射入玻璃時(shí)，波長(zhǎng)變短，故選項(xiàng)A正確，選項(xiàng)B、C、D錯(cuò)誤． 【答案】　A 6．如圖12－3－14所示，一個(gè)三棱鏡的截面為等腰直角△ABC，∠A為直角．此截面所在平面內(nèi)的光線(xiàn)沿平行于BC邊的方向射到AB邊，進(jìn)入棱鏡后直接射到AC邊上，并剛好能發(fā)生全反射．該棱鏡材料的折射率為(　　) 圖12－3－14 A.　　　　B. C.　　　　D. 【解析】　根據(jù)折射率定義有，sin∠1＝nsin∠2，nsin∠3＝1，已知∠1＝45，又∠2＋∠3＝90，解得：n＝.A對(duì)． 【答案】　A 7．(2011安徽高考)實(shí)驗(yàn)表明，可見(jiàn)光通過(guò)三棱鏡時(shí)各色光的折射率n隨波長(zhǎng)λ的變化符合科西經(jīng)

20、驗(yàn)公式：n＝A＋＋，其中A、B、C是正的常量．太陽(yáng)光進(jìn)入三棱鏡后發(fā)生色散的情形如圖12－3－15所示．則(　　) 圖12－3－15 A．屏上c處是紫光　　　 B．屏上d處是紅光 C．屏上b處是紫光 D．屏上a處是紅光 【解析】　由公式可知，光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，折射率越?。谔?yáng)光的可見(jiàn)光范圍內(nèi)，從紅光到紫光的波長(zhǎng)越來(lái)越短，即折射率越來(lái)越大，所以a處是紅光，d處是紫光，則A、B、C錯(cuò)誤，D正確． 【答案】　D 8．(2013福建高考)一束由紅、紫兩色光組成的復(fù)色光，從空氣斜射向玻璃三棱鏡．下面四幅圖中能正確表示該復(fù)色光經(jīng)三棱鏡折射分離成兩束單色光的是(　　) 【解析

21、】　解答本題首先要搞清楚七種色光在同一介質(zhì)中折射率的大小關(guān)系，其次還要明確三棱鏡有使光線(xiàn)向底邊偏折的作用．在玻璃中，有n紅

22、中傳播，a光的傳播速度較大 B．以相同的入射角從空氣斜射入水中，b光的折射角大 C．若a光照射某金屬表面能發(fā)生光電效應(yīng)，b光也一定能 D．分別通過(guò)同一雙縫干涉裝置，a光的相鄰亮條紋間距大 【解析】　由題圖可知，b光發(fā)生了全反射，a光沒(méi)有發(fā)生全反射，即a光發(fā)生全反射的臨界角Ca大于b光發(fā)生全反射的臨界角Cb，根據(jù)sin C＝，知a光的折射率小，即na＜nb，根據(jù)n＝，知va＞vb，選項(xiàng)A正確；根據(jù)n＝，當(dāng)i相等時(shí)，ra＞rb，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；光的折射率越大，頻率越高，波長(zhǎng)越小，即νa＜νb，λa＞λb，因此a光照射金屬表面時(shí)能發(fā)生光電效應(yīng)，則b光也一定能，選項(xiàng)C正確；根據(jù)條紋間距離公式Δx＝

23、λ知，用a光時(shí)條紋間距大，選項(xiàng)D正確． 【答案】　ACD 10．(2013山東高考)如圖12－3－17所示，ABCD是一直角梯形棱鏡的橫截面，位于截面所在平面內(nèi)的一束光線(xiàn)由O點(diǎn)垂直AD邊射入，已知棱鏡的折射率n＝，AB＝BC＝8 cm，OA＝2 cm，∠OAB＝60. 圖12－3－17 (1)求光線(xiàn)第一次射出棱鏡時(shí)，出射光線(xiàn)的方向． (2)第一次的出射點(diǎn)距C________cm. 【解析】　(1)設(shè)發(fā)生全反射的臨界角為C，由折射定律得 sin C＝ 代入數(shù)據(jù)得 C＝45 光路圖如圖所示，由幾何關(guān)系可知光線(xiàn)在AB邊和BC邊的入射角均為60，均發(fā)生全反射．設(shè)光線(xiàn)在CD邊的入射角為α，折射角為β，由幾何關(guān)系得α＝30，小于臨界角，光線(xiàn)第一次射出棱鏡是在CD邊，由折射定律得 n＝ 代入數(shù)據(jù)得 β＝45 (2) cm 【答案】　(1)光線(xiàn)與CD成45角　(2) 希望對(duì)大家有所幫助，多謝您的瀏覽！