光的折射全反射色散LI

高三物理高考復(fù)習(xí) 第 14章 光 學(xué) 第 1講 光的折射 全反射和色散 基礎(chǔ)知識梳理 一、光的折射與折射率 1光的折射 光從 進(jìn)入 時(shí)，傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象稱 為光的折射現(xiàn)象 一種介質(zhì) 另一種介質(zhì) 基礎(chǔ)知識梳理 2光的折射定律 折射光線與入射光線、法線處在 ；折射光線和入射光線分 別位于 的兩側(cè)；入射角的正弦與 折射角的正弦成 同一平面內(nèi) 法線 正比 基礎(chǔ)知識梳理 3折射率 (1)定義：光從真空射入某種介 質(zhì)發(fā)生折射時(shí)，入射角的正弦與折 射角的正弦之比，叫做這種介質(zhì)的 絕對折射率，簡稱折射率 (2) 表達(dá)式： n . sinisin 基礎(chǔ)知識梳理 (3)物理意義 折射率是表示光線從一種介質(zhì) 進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，發(fā)生 程 度的物理量，與入射角 i及折射角 大小 關(guān) 偏折 無 基礎(chǔ)知識梳理 (4)折射率和光速的關(guān)系 折射率和光在介質(zhì)中傳播的速度有關(guān)， 式中 c m/s， n為介質(zhì)的折射率，總大 于 1，故光在介質(zhì)中的傳播速度必 真空中的 光速 (5)在光的折射現(xiàn)象中，光路是 的 當(dāng) c 為真空中光速， v 為介質(zhì)中光速時(shí) n c v . 3.0 108 小于 可逆 基礎(chǔ)知識梳理 二、全反射 1光密介質(zhì)與光疏介質(zhì) 介質(zhì)項(xiàng)目 光密介質(zhì) 光疏介質(zhì) 折射率 大 小 光速 小 大 相對性 若 n甲 n乙 ，則甲是 介質(zhì) 若 n 甲 n乙 ，則甲是 介質(zhì) 光密 光疏 基礎(chǔ)知識梳理 2.全反射現(xiàn)象：光從 光密 介質(zhì)入射到 介質(zhì)的分界面上時(shí)，光 反射回 介質(zhì) 的現(xiàn)象 3臨界角：折射角等于 90 時(shí)的入射角 叫做臨界角用公式表示為： sin C 1 n . 光疏 全部 光密 基礎(chǔ)知識梳理 4發(fā)生全反射的條件 (1)光由 介質(zhì)射向 介質(zhì) (2)入射角 臨界角 5.光導(dǎo)纖維：實(shí)際用的光導(dǎo)纖維是非 常細(xì)的特制玻璃絲，直徑只有幾微米到一 百微米之間，在內(nèi)芯和外套的界面上發(fā)生 全反射，如圖 14 2 1所示 光密 光疏 圖 14 2 1 基礎(chǔ)知識梳理 三、棱鏡 1棱鏡對光線的作用 讓一束單色光從空氣射向玻璃棱 鏡的一個(gè)側(cè)面，經(jīng)過兩次折射而從另 一側(cè)面射出時(shí)，將向棱鏡的 方向 偏折如圖 14 2 2所示 底面 圖 14 2 2 基礎(chǔ)知識梳理 (1)兩次折射后，后來的傳播方 向和原來傳播方向間的夾角 即為偏 折角 (2)在入射角相同的情況下，偏 折角度 跟棱鏡材料的折射率有關(guān)， 折射率越 ，偏折角越 大 大 基礎(chǔ)知識梳理 (3)光線通過三棱鏡后向底面偏 折，通過三棱鏡看物體，看到的是物 體的虛像，向棱鏡的 方向偏移， 如圖 14 2 3所示 頂角 圖 14 2 3 基礎(chǔ)知識梳理 2全反射棱鏡 橫截面是等腰直角三角形的棱鏡， 它在光學(xué)儀器里，常用來代替平面鏡， 改變光的傳播方向，如圖 14 2 4所 示，其能量損失更小，效果更好 圖 14 2 4 基礎(chǔ)知識梳理 (3)如圖丙所示，光線平行 AC面射入，光線在 AC面發(fā)生全反射，射出后方向不變，發(fā)生側(cè)移 (1)如圖甲所示，光線垂直 AB面射入，光線在 AC面發(fā)生全反射，光線方向改變了 90 . (2)如圖乙所示，光線垂直 AC面射入，光線在 AB、 BC面發(fā)生全反射，光線方向改變了 180 . 基礎(chǔ)知識梳理 3.光的色散 (1)定義：白光通過三 棱鏡后，在光屏上形成一 條彩色光帶 光譜，這 就是光的色散，如圖 14 2 5所示，光譜中紅光在 最上端，紫光在最下端， 中間是橙、黃、綠、藍(lán)、 靛等色光 圖 14 2 5 基礎(chǔ)知識梳理 (2)光的色散現(xiàn)象說明白光是復(fù)色光， 是由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫 7種單 色光組成 (3)光的色散現(xiàn)象表明，各種色光通過 棱鏡紅光偏折最小，紫光偏折最大 (4)同一種介質(zhì)對不同色光的折射率 n 不同，對紅光的折射率 ，對紫光的 折射率 最小 最大 基礎(chǔ)知識梳理 的光速 ，紫光的光速 ，但各 種顏色的光在真空中光速都是 3.0 108 m/s. 紅光發(fā)生全反射的臨界角 ，紫光 的臨界角 由 n cv 可知，在同一種介質(zhì)中，紅光 由 sin C 1 n 可知，在同一種介質(zhì)中， 最大 最小 最小 最大 一、對折射率的理解 1折射率是用光線從真空斜射入介 質(zhì)，入射角正弦與折射角正弦之比定義 的，由于光路可逆，入射角、折射角隨 光路可逆而 “換位 ”因此，在應(yīng)用時(shí)折 射率可記憶為 的夾角，介質(zhì)角為介質(zhì)中光線與法線的 夾角 ) 課堂互動講練 n sin ( 真空角 ) sin ( 介質(zhì)角 ) .( 真空角為真空中光線與法線 課堂互動講練 2折射率大小不僅反映了介質(zhì)對 光的折射本領(lǐng)，也反映了光在介質(zhì)中 3折射率的大小不僅與介質(zhì)本身 有關(guān)，還與折射光的頻率有關(guān)，同一 種介質(zhì)，對頻 率大的光折射率大，對頻率小的 光折射率小 4同一種色光，在不同介質(zhì)中雖 然波速、波長不同，但頻率不變 傳播速度的 大小 v cn . 4各種色光的比較 顏色 紅 橙 黃 綠 藍(lán) 靛 紫 頻率 低 高 同一介質(zhì)折射率 小 大 同一介質(zhì)中速度 大 小 波長 大 小 臨界角 大 小 1如圖 14 2 6所示，一 細(xì)束紅光和一細(xì)束藍(lán)光平行射 到同一個(gè)三棱鏡上，經(jīng)折射后 交于光屏上的同一個(gè)點(diǎn) M，若用 n1和 n2分別表示三棱鏡對紅光和 藍(lán)光的折射率，下列說法中正 確的是 ( ) 課堂互動講練 即時(shí)應(yīng)用 A n1 n2， a為紅光， b為藍(lán)光 B n1 n2， a為藍(lán)光， b為紅光 C n1 n2， a為紅光， b為藍(lán)光 D n1 n2， a為藍(lán)光， b為紅光 圖 14 2 6 解析： 選 B.由 圖可知， b光線經(jīng) 過三棱鏡后的偏折 角較小，因此折射 率較小，是紅 光故 B正確 【 例 】 如圖所示 ,a、 b兩束不同的單色光平行地從空氣 射入水中 ,發(fā)生折射 ,則下述結(jié)論正確的是 ( ) A.水對光束 a的折射率較大 B.水中光束 b的速度較小 C.光束 a的頻率較大 D.若從水中射向空氣 ,發(fā)生全反射 光束 a的臨界角較光束 b的臨界角 大 答案 BD 3+2P177-【 例 】 課堂互動講練 解析 平行的單色光束 a、 b射到水面上 ,入射角 i相同 ,由 n= ,所以 navb,故 B正確 ;由于同一介質(zhì)中 ,頻率高的色光傳播 速度小 ,所以光束 a的頻率較光束 b的頻率小 ,故 C錯(cuò)誤 ; 若光束從水中射向空氣 ,由 sinC= ,光束 a的臨界角 較光束 b的臨界角大 ,故 D正確 . ,sinisinr ,cn v 1 n 答案 BD 課堂互動講練 課堂互動講練 二、光的折射、全反射的理解和應(yīng)用 1全反射現(xiàn)象的理解 (1)光線射向兩種介質(zhì)的界面上，會同 時(shí)發(fā)生光的反射和折射 (2)若光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，折 射角就大于入射角 課堂互動講練 (3)當(dāng)折射角等于 90 時(shí)，實(shí)際上就已經(jīng) 沒有折射光線了，這時(shí)的入射角為臨界角 C，當(dāng)入射角 1大于等于臨界角 C時(shí)，折射光 線消失，發(fā)生全反射現(xiàn)象 (如圖 14 2 7) 圖 14 2 7 課堂互動講練 2.光的折射和全反射綜合問題 (1)首先要根據(jù)折射或全反射畫出光路圖 (2)對不同的介質(zhì)界面要具體問題具體分 析，如平行玻璃磚、圓形玻璃磚、三棱鏡等 (3)作圖時(shí)要找出具有代表性的光線，如符 合邊界條件或全反射臨界條件的光線 (4)要注意利用光路的可逆性、對稱性，尋 找三角形全等、相似等幾何關(guān)系 課堂互動講練 1作出光路圖，要注意找出符合 邊界條件或恰好發(fā)生全反射的光線 2注意折射和全反射在日常生活 和科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用，如光纖通信問 題 特別提醒 【 例 】 (2011年福州預(yù)測卷 )如圖 14 2 2所 示， AB為一直光導(dǎo)纖維， AB之間距離為 s，使一光脈沖 信號從光導(dǎo)纖維中間入射，射入后在光導(dǎo)纖維與空 氣的界面上恰好發(fā)生全反射，由 A點(diǎn)傳輸?shù)?B點(diǎn)所 用時(shí)間為 t，求光導(dǎo)纖維所用材料的折射率 n. 光的全反射規(guī)律的應(yīng)用 圖 14 2 2 3+2P179-【 例 3】 課堂互動講練 【思路點(diǎn)撥】 解決此題明確兩點(diǎn)： ( 1) 在光導(dǎo)纖維內(nèi)光恰好發(fā)生全反射， n 1 s i n C . ( 2) 光在傳輸過程中要抓住速度分解的思想 解題樣板規(guī)范步驟，該得的分一分不丟！ 光信號由 A 點(diǎn)進(jìn)入光導(dǎo)纖維后，沿 AO 方向照射到 O 點(diǎn)，此時(shí)入射角 恰好等于臨界角光在此介質(zhì)中的 速度為 v ，而沿水平方向的分速度為 v s i n ，沿水平方 向傳播的距離為 s . 課堂互動講練 設(shè)介質(zhì)的折射率為 n ，則有 s in s in C 1 n ( 2 分 ) n c v ( 2 分 ) t s v s in ( 2 分 ) 由以上三式解得 t s c n 1 n sn 2 c ， ( 2 分 ) 所以 n ct s . ( 2 分 ) 課堂互動講練 【 規(guī)律總結(jié) 】 分析光的全反射、臨界角問題的 一般思路： (1)畫出恰好發(fā)生全反射的光路 (2)利用幾何知識分析線、角關(guān)系，找出臨界角 (3)以剛好發(fā)生全反射的光線為比較對象來判斷光 路是否發(fā)生全反射，從而畫出其他光線的光路圖 【答案】 ct s 課堂互動講練 課堂互動講練 三、平行玻璃磚與三棱鏡比較 課堂互動講練 課堂互動講練 課堂互動講練 在運(yùn)用光的折射定律作光路圖 和解決實(shí)際問題時(shí)，必須注意是否 發(fā)生全反射，若不發(fā)生全反射，要 同時(shí)考慮反射和折射，若發(fā)生了全 反射，則不能畫折射光線 特別提醒 (2009年高考浙江卷 )如圖 14 2 9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)，并偏折到 F點(diǎn)已知入射方向與邊 AB的夾角為 30 ， E、 F分別為邊 AB、 BC的中點(diǎn)，則 ( ) 課堂互動講練 即時(shí)應(yīng)用 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，波長變小 D從 F點(diǎn)出射的光束與 入射到 E點(diǎn)的光束平行 圖 14 2 9 3 答案： AC 課堂互動講練 解析： 選 AC .由幾何關(guān)系可知，入射角 1 60 ， 折射角 2 30 .由折射定律 n sin 1 sin 2 3 2 1 2 3 ， A 選 項(xiàng)正確；在 BC 界面上，入射角為 30 ，臨界角的正 弦值為 sin C 1 n 3 3 課堂互動講練 sin30 ，即 C 30 ，所以在 F 點(diǎn)，不會發(fā)生全 反射， B 選項(xiàng)錯(cuò)誤；光從空氣進(jìn)入棱鏡，頻率 f 不變，波速 v 減小，所以 v f 減小， C 選項(xiàng)正確； 由上述計(jì)算結(jié)果，作出光路圖 ( 圖略 ) ，可知 D 選 項(xiàng)錯(cuò)誤 abc為一全反射棱鏡，它的主截面是等腰直 角三角形，如圖 14 2 10所示一束白光垂直 入射到 ac面上，在 ab面上發(fā)生全反射，若光線入 射點(diǎn) O的位置保持不變，改變光線的入射方向 (不 考慮自 bc面反射的光線 )，則： 高頻考點(diǎn)例析 【 例 】 (1)使入射光按圖中所示的順時(shí) 針方向逐漸偏轉(zhuǎn)，如果有色光射出 ab面，則哪種色光首先射出？ (2)使入射光按圖中所示的逆時(shí) 針方向逐漸偏轉(zhuǎn)，哪種色光首先射 出 ab面？ 圖 14 2 10 【 解析 】 (1)白光垂直入射 ac面后直射到 ab面， 入射角為 45 ，發(fā)生全反射說明棱鏡的臨界角 C45 ，這是對從紅光到紫光的所有色光說的當(dāng) 入射光順時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)，在 ac面上發(fā)生色散，不同色 光折射不同，紅光偏折小，紫光偏折大，如圖 14 2 11所示，射到 ab 圖 14 2 11 課堂互動講練 面上時(shí)紅光入射角小，紫光入射角大，但它們 都小于 45 .另一方面，棱鏡對紅光的臨界角比 紫光的臨界角大因此，入射光順時(shí)針逐漸偏 轉(zhuǎn)時(shí)，在 ab面上紅光的入射角將首先小于臨界 角而射出 ab面 (2)如果入射光逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，則經(jīng) ab面上的 紅光、紫光的入射角都大于 45 ，都發(fā)生全反 射而不可能從 ab面射出 【 答案 】 (1)紅光 (2)都不能射出 ab面 課堂互動講練 【 例 】 如圖所示 ,a、 b兩束不同的單色光平行地從空氣 射入水中 ,發(fā)生折射 , 則下述結(jié)論正確的是 ( ) A.水對光束 a的折射率較大 B.水中光束 b的速度較小 C.光束 a的頻率較大 D.若從水中射向空氣 ,發(fā)生 全反射光束 a的臨界角較 光束 b的臨界角大 答案 BD 3+2P180-【 例 5】 課堂互動講練 【 規(guī)律總結(jié) 】 (1)七種色光發(fā)生 折射時(shí)，紫光偏折最大，紅光偏折最 ??； (2)發(fā)生全反射時(shí)紫光的臨界角最 小，紅光的臨界角最大 課堂互動講練