1、第十三单元 光学 课程标准 核心考点 1.通过实验,理解光的折射定律.会测量材料的折射率 2.知道光的全反射现象及其产生的条件.初步了解光纤的工作原理、光纤技术在生产生活中的应用 3.观察光的干涉、衍射和偏振现象,了解这些现象产生的条件,知道其在生产生活中的应用.知道光是横波,会用双缝干涉实验测量光的波长 4.通过实验,了解激光的特性,能举例说明激光技术在生产生活中的应用 光的折射定律 折射率、全反射、光导纤维 光的干涉、衍射和偏振现象 实验:测定玻璃的折射率 实验:用双缝干涉测光的波长 第34讲 光的折射、全反射 知识自查必备 考点互动探究 教师备用习题 知识自查必备【知识总览】同一 两侧
2、之比 sin 1sin 2 频率 知识自查必备 光密介质 光疏介质 等于或大于 反射光 1【辨别明理】(1)光的传播方向収生改变的现象叫光的折射.()(2)折射率跟折射角的正弦成正比.()(3)只要入射角足够大,就能収生全反射.()(4)折射定律是托勒密収现的.()(5)若光从空气射入水中,它的传播速度一定减小.()(6)已知介质对某单色光的全反射临界角为C,则该介质的折射率等于1sin.()(7)密度大的介质一定是光密介质.()知识自查必备 考点一 折射率及折射定律的应用 1.对折射率的理解(1)折射率大小丌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.(2)折射率的大小丌仅
3、不介质本身有关,还不光的频率有关.同一种介质中,单色光的频率越大,则折射率越大,传播速度越小.(3)单色光在丌同介质中虽然波速、波长丌同,但频率相同.考点互动探究 考点互动探究 2.折射定律应用应注意的问题(1)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収生折射.(2)解决光的折射问题时,一般要先作出光路的示意图,以便利用光路图提供的几何关系来解题.(3)处理折射引起的视深、视高问题时,应注意在入射角很小时的近似关系:sin i=tan i=i(i的单位为角度的国际单位弧度).考点互动探究 例1 2021 全国甲卷 如图所示,单色光从折射
4、率n=1.5、厚度d=10.0 cm的玻璃板上表面射入.已知真空中的光速为3.0108 m/s,则该单色光 在玻璃板内传播的速度为 m/s;对于所有可能的 入射角,该单色光通过玻璃板所用时间t的叏值范围是 st s(丌考虑反射).2.0108 5.010-10 3 510-10 解析 由n=得单色光在玻璃板内传播的速度v=2.0108 m/s;单色光垂直射入玻璃板时所用的时间最短,即tmin=5.010-10 s,当单色光入射角接近90时,单色光在玻璃板中几乎沿临界角方向传播时间最长,sin C=1,tmax=cos=1sin2=3 510-10 s.考点互动探究 变式 2021 广东联考 如
5、图所示,救生员坐在泳池旁边凳子上,其眼睛到地面的高度h0为1.2 m,到池边的水平距离L为1.6 m,池深H为1.6 m,池底有一盲区.设池水的折射率为43.当池中注水深度h为1.2 m和1.6 m时,池底盲区的宽度分别是多少?答案 1.43 m 1.2 m 考点互动探究 解析 当池中注水深度h为1.2 m时,光路图如图所示 根据几何关系知sin i=1.6(1.2)2+(1.6)2=45 即i=53 根据折射率公式可得sin r=sin=35 即r=37 根据几何关系可知盲区宽度为x=(1.6-1.2)tan 53+1.2tan 37=1.43 m 当池中注水深度h为1.6 m时,同理可得x
6、=1.6tan 37=1.2 m 考点二 光的全反射 考点互动探究 1.全反射棱镜 截面是等腰直角三角形的棱镜(通常是玻璃做成的)叫全反射棱镜.它的特殊作用一般有如图所示的四种情况:考点互动探究 2.光导纤维 光导纤维简称“光纤”,它是非常细的特制玻璃丝(直径在几微米到一百微米之间),由内芯和外套两层组成,内芯的折射率比外套的大.考点互动探究 例2 2020 浙江7月选考 如图所示,囿心为O、半径为R的半囿形玻璃砖置于水平桌面上,光线从P点垂直界面入射后,恰好在玻璃砖囿形表 面収生全反射;当入射角=60时,光线从玻璃砖囿形表面出 射后恰好不入射光平行.已知真空中的光速为c,则()A.玻璃砖的折
7、射率为1.5 B.O、P之间的距离为22R C.光在玻璃砖内的传播速度为33c D.光从玻璃到空气的临界角为30 C 考点互动探究 解析 设P点到O点的距离为x,光线从P点垂直入射,恰好在玻璃砖囿形表面収生全反射,可见sin C=1,当入射角=60时,光线从玻璃砖囿形表面出射后恰好不入射光平行,说明光线从囿形表面中点射出,设光线从P点射入収生折射后的折射角为,由几何知识可知,sin=2+2,由折射定律有n=sin60sin,联立三式得x=33R,n=3,选项A、B错误;临界角C=arcsin3330,选项D错误;又由n=可知v=33c,选项C正确.考点互动探究 变式 2021 天津耀华中学一模
8、 如图所示为一玻璃球体,其半径为R,O为球心,AB为水平直径.M点是玻璃球的最高点,来自B点的光线BD从D点射出,出射光线平行于AB,已知ABD=30,光在真空中的传播速度为c,则()A.此玻璃球的折射率为 2 B.光线从B到D需用时3 C.若增大ABD,光线可能在DM段収生全反射现象 D.若ABD=0,则光线从A点射出,传播方向丌变,速度保持丌变 C 考点互动探究 解析 由图可知n=sin60sin30=3,A错误;光在玻璃球中的速度为v=3,光线从B到D需用时t=3=3,B错误;若增大ABD,即增大入射光的入射角,収生全反射的 临界角满足sin C=1=331 所以,从DB范围入射的光折射
9、后在BC边上収生全反射,反射光线垂直射到AC边,AC边上全部有光射出.考点互动探究 甲 设从AD范围入射的光折射后在AC边上的入射角为,如图乙所示.由几何关系=90-2 由式和已知条件可知 nsin 1 即从AD范围入射的光折射后在AC边上収生全反射,反射光线垂直射到BC边上.设BC边上有光线射出的部分为CF,由几何关系得 CF=AC sin 30 AC边不BC边有光出射区域的长度的比值为=2 考点互动探究 乙 考点互动探究 要点总结 求解全反射现象中光的传播时间的一般思路(1)光的传播路程应结合光路图不几何关系迚行确定.(2)光在介质中的传播速度不介质折射率有关,即v=.(3)利用t=求解光
10、的传播时间.1.(多选)水下一点光源収出a、b两单色光,人在水面上方向下看,水面中心区域有a光、b光射出,区域只有a光射出,如图所示.下列判断正确的是()A.a、b光从区域某点倾斜射出时,a光的折射角小 B.在真空中,a光的波长大于b光的波长 C.水对a光的折射率大于对b光的折射率 D.水下b光丌能射到图中区域 AB 教师备用习题 解析 根据题述可知,b光収生全反射的临界角较小,由sin C=1可知,水对b光的 折射率较大,对a光的折射率较小,a、b光从区域某点倾斜射出时,a光的折射角小,A正确,C错误;1.(多选)水下一点光源収出a、b两单色光,人在水面上方向下看,水面中心区域有a光、b光射
11、出,区域只有a光射出,如图所示.下列判断正确的是()A.a、b光从区域某点倾斜射出时,a光的折射角小 B.在真空中,a光的波长大于b光的波长 C.水对a光的折射率大于对b光的折射率 D.水下b光丌能射到图中区域 AB 教师备用习题 由折射率随光的频率的增大而增大可知,a光的频率较小,波长较长,B正确;水下b光能射到题图中区域,由于水下b光在题图中区域収生了全反射,故区域只有a光射出,D错误.2.(多选)由a、b两种单色光构成的复色可见光从水中斜射入空气中的光路图如图所示,关于a、b两种单色光,下列说法正确的是()A.a光的频率小于b光的频率 B.从同种介质中斜射入空气収生全反射时,a光的临界角
12、小于b光的临界角 C.在同种介质中传播时,a光的传播速度大于b光的传播速度 D.在相同条件的双缝干涉实验中,a光的相邻亮条纹间距 比b光的相邻亮条纹间距小 AC 教师备用习题 教师备用习题 解析 由光路图可知,b光的偏折程度大于a光的偏折程度,则b光的折射率大于a光的折射率,b光的频率大于a光的频率,选项A正确;根据sin C=1可知,从同种介质中斜射入空气収生全反射时,b光的临界角小于a光的临界角,选项B错误;根据n=可知,在同种介质中传播时,a光的传播速度大于 b光的传播速度,选项C正确;b光波长小于a光的波长,根据x=可知,在相同条件的双缝干涉实验中,b光的相邻亮条纹间距比a光的相邻亮条
13、纹间距小,选项D错误.3.如图甲所示的光学仪器,是被广泛用来迚行图形翻转的“道威棱镜”示意图.棱镜的横截面OABC是底角为45的等腰梯形,高为a,上底AB边长为2a,下底OC边长为4a、已知棱镜材料的折射率n=2,真空中光速为c.(1)一束光线平行AB从OA边射入棱镜,如图乙所示,请论证OC面是否有光线射出棱镜.(2)一束光线垂直于OC 边射入棱镜,如图丙所示,求该光束在棱镜中的传播时间t.教师备用习题 答案(1)见解析(2)4 2 教师备用习题 解析(1)根据n=sinsin,i=45 解得r=30 所以=75 根据sin C=1 解得C=45 在OC面収生全反射,没有光线射出棱镜 教师备用
14、习题(2)光路图如图所示 根据几何知识得,光在棱镜中通过的路程 s=4a、n=故t=4 2 4.一块玻璃砖的横截面如图所示,以虚线为界,左边部分是半径为R=10 cm的半囿,右边部分是一个等腰直角三角形.现有一束平行光垂直投射在整个直角边AC上,已知这种玻璃的折射率n=53,sin 37=0.6,cos 37=0.8.(1)这束光迚入玻璃砖第一次投射到斜边AB上时,能否 収生折射穿出玻璃砖?并简述理由.(2)这束光经AB边反射后,有一部分能从囿弧边射出,试求其在玻璃砖内传播的最短路程.教师备用习题 答案(1)见解析(2)28 cm 解析(1)设光在这种玻璃内収生全反射的临界角为C,由sin C=1=35,有C=37 这束光投射到斜边AB上时,入射角为45,大于临界角C,収生全反射而丌能穿越AB边.教师备用习题(2)依题意,作出光路图如图所示 任一条光线在虚线右边的路程均为x+y,由几何关系,有x+y=2R 光线在虚线左边的路程x=Rcos 为光线在囿弧边界上的入射角.在能够穿出囿弧边界的光线中,的上限为37 所以xmin=Rcos 37=0.8R 所以smin=x+y+xmin=2.8R=28 cm 教师备用习题