物理选修3-4 第十二章 第1讲.ppt

第十二章 光 学,第1讲,光的折射、全反射,知识点,1,光的折射定律,1.,折射现象：光从一种介质斜射进入另一种介质时传播方,向,_,的现象。,2.,折射定律,改变,（,1,）内容：折射光线与入射光线、法线处在,_,内，折,射光线与入射光线分别位于法线的,_,；入射角的正弦与折,射角的正弦,_,。,（,2,）表达式：,=n,12,式中,n,12,是比例常数。,（,3,）在光的折射现象中，光路是,_,的。,同一平面,两侧,可逆,成正比,知识点,2,折射率,1.,折射率,（,1,）定义：光从真空射入某种介质发生折射时，,_,的正,弦与,_,的正弦的比值。,（,2,）物理意义：折射率仅反映介质的,_,特性，折射率大，,说明光从真空射入到该介质时偏折大，反之偏折小。,入射角,折射角,光学,（,3,）定义式：。不能说,n,与,sin,1,成正比、与,sin,2,成反比。折射率由介质本身的光学性质和光的,_,决定。,（,4,）计算公式：，因,v,c,故任何介质的折射率总,_,（选填,“,大于,”,或,“,小于,”,）,1,。,频率,大于,2.,光密介质与光疏介质,（,1,）光密介质：折射率,_,的介质。,（,2,）光疏介质：折射率,_,的介质。,（,3,）光密介质和光疏介质是,_,。同种介质相对不同介质,可能是光密介质，也可能是光疏介质。,较大,较小,相对的,知识点,3,全反射,光的色散现象,1.,光的全反射,（,1,）现象：折射光完全消失，只剩下反射光。,（,2,）条件：光从,_,射入,_,。,入射角,_,或,_,临界角。,（,3,）临界角：折射角等于,90,时的入射角，,sinC,_,。,（,4,）应用：全反射棱镜；光导纤维。,光密介质,光疏介质,大于,等于,2.,光的色散,（,1,）色散现象,:,白光,通过三棱镜会形成由,_,到,_,七种色光组成,的彩色光谱,如图。,（,2,）成因,:,由于,n,红,n,紫,，所以以相同的入射角射到棱镜界面,时，红光和紫光的折射角不同，就是说紫光偏折得更明显,些，当它们射出另一个界面时，紫光的偏折角,_,，红光,的偏折角,_,。,红,紫,最大,最小,【,思考辨析,】,（,1,）数码相机是利用了光的全反射原理。,(),（,2,）单色光由空气射入玻璃，速度不变，波长变短。,(),（,3,）雨过天晴时,空中出现彩虹是阳光在水滴的表面上反射而,形成的。,(),（,4,）折射率的大小与入射角、折射角的大小有关。,(),（,5,）折射率大的介质就是光密介质。,(),（,6,）用分光镜观测光谱是利用光折射时的色散现象。,(),（,7,）医用纤维式内窥镜是利用光的色散现象。,(),分析：,数码相机是一种利用电子传感器把光学影像转换成,电子数据的照相机，不是利用光的全反射原理，（,1,）错,误；单色光由空气射入玻璃，这束光的速度变慢，频率不,变，波长变短，（,2,）错误；彩虹是因为阳光在水滴中折射,形成的，（,3,）错误；折射率的大小由介质本身和光的频率,共同决定，与入射角、折射角的大小无关，（,4,）错误；,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，（,5,）错误；用分光镜观测光谱是利用不同色光折射率不同从而产生色散现象，（,6,）正确；光导纤维传输信号是利用光的全反射现象，（,7,）错误。,考点,1,折射定律的理解和应用,【,考点解读,】,（,1,）折射定律描述折射现象中同一平面,“,三线与两角,”,的关,系，由 可知，入射角,i,越大，折射角,r,也越大，光线偏,折程度也越大。,解题技巧,(2),几何光学问题的解答思路：,几何光路作图,a.,定入射光线、入射点。,b.,找界面、作法线,(,若界面为曲面找其切面,),。,c.,画入射角、折射角,(,光线,),。,根据折射定律、几何关系列式运算。,(3),各种光具对光路的改变规律,类别,项目,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,类别,项目,平行玻璃砖,三棱镜,圆柱体（球）,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,线向棱镜底面,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,类别,项目,平行玻璃砖,三棱镜,圆柱体（球）,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,(4),应用近似法求解视深,一般瞳孔的线度,d=2,3 mm,，因此,i,和,r,都非常小，如图所示，,则,sinitani,=,，,sinrtanr,=,。,由折射定律 ，得视深公式 ，,同理可得视高公式,h=nh,0,。,【,典例透析,1】,如图所示，半圆玻,璃砖的半径,R=9 cm,，折射率为,n=,直径,AB,与屏幕垂直并接触于,A,点。,激光,a,以入射角,i=30,射向半圆玻,璃砖的圆心,O,，结果在水平屏幕,MN,上出现两个光斑。,（,1,）作出光路图（不考虑光沿原路返回）；,（,2,）求两个光斑之间的距离；,（,3,）改变入射角，使屏幕,MN,上只剩一个光斑，求此光斑离,A,点,的最长距离。,【,解题探究,】,（,1,）通过作图明确,_,、,_,，据此作出反,射光线和折射光线。,（,2,）临界问题是光恰好发生,_,。,【,解析,】,（,1,）光路图如图所示：,（,2,）设折射角为,r,，根据折射定,律,解得,:r=60,由几何,知识得两个光斑,PQ,之间的距离：,cm,法线,入射角,全反射,(3)i,增大的过程中，此光斑离,A,最远时，恰好发生全反射，,i=C,sin,C,=,此时,答案：,（,1,）见解析 （,2,）,cm,（,3,）,12.7 cm,【,总结提升,】,光的折射问题的规范求解,1.,一般解题步骤,（,1,）根据题意准确作出光路图，注意作准法线。,（,2,）利用数学知识找到入射角或折射角。,（,3,）利用折射定律列方程。,2.,应注意的问题,（,1,）根据折射定律和入射光线画出折射光线，找到入射角和,折射角，要注意入射角、折射角是入射光线、折射光线与法线,的夹角。,（,2,）应用公式 时，一定要确定准哪个角在分子上，,哪个角在分母上。,（,3,）注意在折射现象中，光路是可逆的。,【,变式训练,】,如图所示，半圆形玻璃砖半径,R=cm,，其直,径,AB,竖直立于水平屏幕上并接触于,B,点，激光束,a,以入射角,i=,30,射向玻璃砖的圆心,O,，在屏幕上,M,点出现光斑，测得,M,到,B,的,距离,x=5 cm,，求玻璃砖的折射率。,【,解析,】,连接,OM,，如图所示，,根据几何关系可知，折射角,r=60,，所以 。,答案：,【,变式备选,】,如图所示，一束激,光从,O,点由空气射入厚度均匀的,介质，经下表面反射后，从上表,面的,A,点射出。已知入射角为,i,，,A,与,O,相距,l,，介质的折射率为,n,，试求介质的厚度,d,。,【,解析,】,设折射角为,r,，根据折射定律有 ；由几何关系,可得,l,=2dtanr,，解得 。,答案：,考点,2,全反射及其应用,【,考点解读,】,1.,全反射的成因分析,（,1,）几何光学角度,光从光疏介质射入光密介质时，入射角大于折射角，因此光,线从光疏介质进入光密介质，无论入射角多大，都不会发生全,反射现象。,光从光密介质射入光疏介质时，入射角小于折射角，随着入,射角变大，折射角也变大，当折射角达到,90,时发生全反射现,象。全反射现象是光的折射现象的特例。,解题技巧,（,2,）光强角度,2.,全反射的有关现象及应用,(1),现象：海水浪花呈白色、玻璃（水）中气泡看起来特别亮、,沙漠蜃景、夏天的柏油路面看起来,“,水淋淋,”,、海市蜃楼、钻,石的夺目光彩、水下灯照不到整个水面、全反射棱镜等。,（,2,）光导纤维,结构：简称光纤，是一种透明,的玻璃纤维丝，直径只有几微米,到一百微米之间，由内芯和外套,两层组成，内芯的折射率大于外套的折射率，即内芯是光密介,质，外套是光疏介质。,原理：光导纤维是利用光的全反射原理对信号传输的。,优点：光纤传输具有质地轻、传光效率高、抗机械振动、耐,腐蚀、能量损耗小、保密性强、通讯容量大等特点。,【,典例透析,2】,(2013,新课标全国卷,),图示为一光导纤维,(,可简化为一长玻璃丝,),的示意图,玻璃丝长为,L,折射率为,n,AB,代,表端面。已知光在真空中的传播速度为,c,。,(1),为使光线能从玻璃丝的,AB,端面传播到另一端面,求光线在端面,AB,上的入射角应满足的条件,;,(2),求光线从玻璃丝的,AB,端面传播到另一端面所需的最长时间。,【,解题探究,】,解答本题需明确以下两点,:,(1),光从光密介质射到光疏介质发生全反射的条件是入射角,_,临界角。,(2),光在传输过程中可利用速度的分解或,_,进行处理。,大于或等于,等效思想,【,解析,】,(1),设光线在端面,AB,上,C,点的入射角为,i,，折射角为,r,，,由折射定律有,sini,=,nsinr,设光线射向玻璃丝内壁,D,点的入射角为,，为了使该光线可在光导纤维中传播，应有,式子中，,是光线在玻璃丝内发生全反射时的临界角，它满足,nsin,=1 ,由几何关系得,+r,=90,由式得,(2),光在玻璃丝中传播速度的大小为,光速在玻璃丝轴线方向的分量为,v,z,=,vsin,光线从玻璃丝端面,AB,传播到其另一个端面所需时间为,光线在玻璃丝中传播，在刚好发生全反射时，光线从端面,AB,传播到其另一端面所需时间最长，由式得,答案：,(1),入射角应满足,(2),【,总结提升,】,解答全反射类问题的技巧,（,1,）根据题意画出光的折射或恰好发生全反射的光路图。,（,2,）作图时找出具有代表性的光线，如符合边界条件的临界,光线等。,（,3,）利用平面几何知识分析线、角关系，找出入射角、折射,角或临界角。注意入射角、折射角均以法线为标准。,（,4,）以刚好发生全反射的光线为比较对象，来判断光线是否,发生全反射，从而画出其他光线的光路图。,【,变式训练,】,(2014,福州模拟,),某科技馆,内放有一个半径为,R,的半圆柱形透明体,其,俯视图如图。为估测该透明体的折射率,某同学进行如下实验,:,用激光笔从右侧沿,垂直于直径,AB,方向朝透明体射入单色光,保持入射方向不变,入射点由圆心,O,处缓慢向,A,处移动,可观测到光从圆弧面射出的强度逐渐减弱。当入射点到达,C,处时,恰好看不到光束从圆弧面上,D,处射出,测得,OC=0.6R,0,则透明体的折射率为,(,),【,解析,】,选,D,。当入射点到达,C,处时，恰好看不到光束从圆弧面,上,D,处射出，此时的,CDO,等于临界角，故选,D,。,考点,3,折射率与光的色散,【,考点解读,】,1.,对折射率的进一步理解,(1),对于折射率，可以从几何光学和物理光学两方面描述，即,n,是连接几何光学和物理光学的桥梁，只,是定义式，或者说 的比值能反映,n,的大小，但,n,的大小与,i,、,r,无关，不同介质,n,不同。,拓展延伸,(2)n,的大小由介质和光的频率共同决定，光的色散说明不同频,率的色光在同一介质中传播时的速率不同，折射率不同，该介,质对频率较高的色光的折射率大，对频率较低的色光的折射率,小。它反映了介质对光线的偏折能力，,n,越大，偏折能力越大。,2.,对光的色散的进一步认识,（,1,）不同颜色的光频率不同，在同一种介质中的折射率、光速,也不同，发生全反射现象的临界角也不同。要理解和确定这些,关系可从三棱镜对光的色散入手，熟记红、橙、黄、绿、蓝、,靛、紫七色光的折射率依次增大的顺序，再由 ，,等公式，就可以确定同种介质对不同颜色（频率）的光,的折射关系，也就能确定光速、波长、临界角间的关系。,（,2,）七种色光的比较,颜色,红 橙 黄 绿 蓝 靛 紫,频率,低高,同一介质折射率,n,小大,偏折角,小大,光在同一介质中的速率,v,大小,临界角,C,大小,波长,长短,【,典例透析,3】,(2013,海南高考,),如图,三棱镜的横截面为直角三角形,ABC,A=,30,AC,平行于光屏,MN,与光屏的距离为,L,。,棱镜对红光的折射率为,n,1,对紫光的折射率,为,n,2,。一束很细的白光由棱镜的侧面,AB,垂,直射入,直接到达,AC,面并射出。画出光路示意图,并标出红光和紫光射在光屏上的位置。求红光和紫光在光屏上的位置之间的距离。,【,解题探究,】,解答本题需明确以下三点,:,(1),光由棱镜的侧面,AB,垂直射入,入射角为,_,。,(2),作出在,AC,面折射时的光路图,依据,_,得到入射角与,出射角的关系。,(3),据三角函数关系得红光和紫光在光屏上的位置之间的距,离。,折射定律,零,【,解析,】,光路如图所示：,红光和紫光在,AC,面上的入射角相同，设为,i,，折射角分别为,r,1,和,r,2,，它们射到屏上的位置离,O,点的距离分别为,d,1,和,d,2,。由折射定律得,n,1,sini=sinr,1,n,2,sini=sinr,2,由几何关系得,i=A ,d,1,=Ltanr,1,d,2,=Ltanr,2,联立以上各式并利用题给条件得，红光和紫光在光屏上的位,置之间的距离为,答案：,见解析,【,总结提升,】,光的全反射和色散问题的分析方法,（,1,）首先应清楚不同色光的折射率、偏向角及临界角：,七种色光发生折射时，紫光偏折最大，红光偏折最小；发生全反射时紫光的临界角最小，红光的临界角最大。,（,2,）分析光的传播，作出光路图，比较不同色光的偏折情况。,（,3,）据不同色光的临界角，分析传播过程中出现的临界问题。,【,变式训练,】,(2013,福建高考,),一束由红、紫两色光组成的复色光,从空气斜射向玻璃三棱镜。下面四幅图中能正确表示该复色光经三棱镜折射分离成两束单色光的是,(,),【,解析,】,选,B,。光射向三棱镜经两次折射向底边偏折,紫光折射率最大,向底边偏折多,B,对,A,、,C,、,D,错。,【,资源平台,】,全反射的实际应用,被称为,“,光纤之父,”,的华裔物理学家高锟，由于在光纤传输信,息研究方面做出了巨大贡献，与两位美国科学家共获,2009,年诺,贝尔物理学奖。光纤由内芯和外套两层组成。,某光纤内芯的折,射率为,n,1,，外套的折射率为,n,2,，其剖面如图所示。在该光纤内芯和外套分界面上发生全反射的临界角为,60,，为保证从该光纤一端入射的光信号都不会通过外套,“,泄漏,”,出去，求内芯的折射率,n,1,的最小值。,【,规范解答,】,如图所示，由题意可知，在内芯和外套分界面上,要发生全反射，当在端面上的入射角,i,最大（,i,m,=90,）时，折,射角,r,也最大，在内芯与外套分界面上的入射角,i,最小，如此,时入射角等于临界角，则恰能保证信号不会通过外套,“,泄,漏,”,，这时,i,min,=C=90,r,m,得,r,m,=30,在端面上,i,m,=90,时，由 得,n,1,=2,所以，当,n,1,=2,时在所有情况中从端面入射到光纤中的信号恰好,都不会通过外套,“,泄漏,”,出去。,答案：,2,1.,如图，一束单色光射入一玻璃球,体，入射角为,60,。已知光线在玻,璃球内经一次反射后，再次折射回,到空气中时与入射光线平行。此玻,璃的折射率为,(),A.B.1.5 C.D.2,【,解析,】,选,C,。作出光路图。,A,、,C,为折射点，,B,为反射点，作,OD,平行于入射光线，故,AOD=COD=60,，所以,OAB=30,，玻璃的折射率，,故选,C,。,2.(2014,泉州模拟,),折射率,n=,的直角玻璃三棱镜截面如图,所示,一条光线从,AB,面入射,入射角为,i(,图中未标出,),ab,为其折,射光线,ab,与,AB,面的夹角,=60,。则,(,),A.i,=45,光在,AC,面上不发生全反射,B.i,=45,光在,AC,面上发生全反射,C.i,=30,光在,AC,面上不发生全反射,D.i,=30,光在,AC,面上发生全反射,【,解析,】,选,B,。如图所示，,AB,面的折射角,r=30,，据,n=,可得,i=45,，选项,C,、,D,错误；在,AC,面入射角为,60,，大于临界,角，光在,AC,面上发生全反射，选项,A,错误，,B,正确。,3.,如图所示，一束光从空气垂直射到,直角棱镜的,AB,面上，已知棱镜材料的,折射率为 ，则这束光进入棱镜后,的光路图应为下面四个图中的,(),【,解析,】,选,D,。由,sinC,可知,C=45,，光射到斜面的入射角,为,60,，发生全反射，,A,错；射到水平界面入射角是,30,，发,生折射的同时也反射，且折射角大于入射角，,B,、,C,错，,D,对。,4.,如图，半圆形玻璃砖置于光屏,PQ,的左下方。一束白光沿半径方向从,A,点射入玻璃砖，在,O,点发生反射和折射，折射光在光屏上呈现七色光带。若入射点由,A,向,B,缓慢移动，并保持白光沿半径方向入射到,O,点，观察到各色光在光屏上陆续消失。在光带未完全消失之前，反射光的强度变化以及光屏上最先消失的光分别是,(),A.,减弱、紫光,B.,减弱、红光,C.,增强、紫光,D.,增强、红光,【,解析,】,选,C,。由于入射点由,A,向,B,缓慢移动，入射角增大，因,此反射光增强，折射光减弱，,A,、,B,错，紫光折射率大，临界角,小，因此在光屏上最先消失的是紫光，,C,对,D,错，故选,C,。,5.(2012,新课标全国卷,),一玻璃立方体中心有一点状光源。今,在立方体的部分表面镀上不透明薄膜,以致从光源发出的光线,只经过一次折射不能透出立方体。已知该玻璃的折射率为,求镀膜的面积与立方体表面积之比的最小值。,【,解析,】,将题干所描述的光现象的立体图转化为平面图,考虑从玻璃立方体中心,O,发出的一条光线,假设它斜射到玻璃立方体上表面发生折射,如图所示,根据折射定律有,nsin,=,sin,式中,n,是玻璃的折射率,入射角等于,是折射角。,现假设,A,点是上表面表面积最小的不透明薄膜边缘上的一点。由题意，在,A,点刚好发生全反射，故,设线段,OA,在立方体上表面的投影长为,R,A,，由几何关系有,式中,a,为玻璃立方体的边长。由,式得,由题给数据得,由题意，上表面所镀的面积最小的不透明薄膜应是以,R,A,为半径,的圆。所求的镀膜面积,S,与玻璃立方体的表面积,S,之比为,由得,答案：,