2025版高考物理全程一輪復(fù)習(xí)第十五章光第1講光的折射全反射學(xué)案

第1講光的折射全反射課程標(biāo)準(zhǔn)素養(yǎng)目標(biāo)1.理解光的折射定律，會(huì)測(cè)量折射率．2．知道光的全反射現(xiàn)象及其產(chǎn)生條件．3．初步了解光纖的工作原理、應(yīng)用．物理觀念：知道光的折射率，折射定律，光的全反射、光導(dǎo)纖維．科學(xué)思維：從不同角度思考光的傳播問題；利用折射定律解決實(shí)際問題，知道玻璃磚、棱鏡等模型的應(yīng)用．考點(diǎn)一折射定律折射率【必備知識(shí)·自主落實(shí)】1．折射現(xiàn)象在折射現(xiàn)象中，光路是可逆的光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時(shí)傳播方向發(fā)生________的現(xiàn)象，如圖所示(以光從空氣射入水中為例)．2．折射定律(1)內(nèi)容：折射光線與入射光線、法線處在________內(nèi)，折射光線與入射光線分別位于法線的________；入射角的正弦與折射角的正弦成________比．(2)表達(dá)式：________＝n.3．折射率(1)折射率是衡量材料________性能的重要指標(biāo)．(3)計(jì)算式：n＝________，因?yàn)関<c，所以任何介質(zhì)的折射率都________1.【關(guān)鍵能力·思維進(jìn)階】1．[2023·江蘇卷]地球表面附近空氣的折射率隨高度降低而增大，太陽光斜射向地面的過程中會(huì)發(fā)生彎曲．下列光路圖中能描述該現(xiàn)象的是()2.[2024·山東濟(jì)南模擬預(yù)測(cè)]現(xiàn)要測(cè)量一玻璃圓盤的折射率，但是由于手邊沒有角度測(cè)量工具，一同學(xué)想到用表盤輔助測(cè)量．使一束單色光從11點(diǎn)處水平射入，發(fā)現(xiàn)從7點(diǎn)處水平射出，則玻璃折射率n為()A.1.5B．2C．2D．33．[2023·全國乙卷]如圖，一折射率為2的棱鏡的橫截面為等腰直角三角形△ABC，AB＝AC＝l，BC邊所在底面上鍍有一層反射膜．一細(xì)光束沿垂直于BC方向經(jīng)AB邊上的M點(diǎn)射入棱鏡，若這束光被BC邊反射后恰好射向頂點(diǎn)A，求M點(diǎn)到A點(diǎn)的距離．思維提升對(duì)折射率的理解(1)折射率的大小不僅反映了介質(zhì)對(duì)光的折射本領(lǐng)，也反映了光在該介質(zhì)中傳播速度的大小v＝cn(2)折射率的大小不僅與介質(zhì)本身有關(guān)，還與光的頻率有關(guān)．①同一種介質(zhì)中，頻率越大的光折射率越大，傳播速度越?。谕环N光，在不同介質(zhì)中雖然波速、波長不同，但頻率相同．考點(diǎn)二光的全反射【必備知識(shí)·自主落實(shí)】光密、光疏介質(zhì)是相對(duì)的1．定義：光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，當(dāng)入射角增大到某一角度時(shí)，折射光線將全部________，只剩下反射光線的現(xiàn)象．2．條件(1)光從光密介質(zhì)射入________介質(zhì)．(2)入射角________臨界角．3．臨界角(1)定義：折射角等于________時(shí)的入射角．(2)公式：sinC＝1n.若光從光密介質(zhì)(折射率為n)射向真空或空氣時(shí)，發(fā)生全反射的臨界角為C，由n＝sinθ1sinθ(3)大?。航橘|(zhì)的折射率n越大，發(fā)生全反射的臨界角C越________．4．應(yīng)用實(shí)例：光導(dǎo)纖維、全反射棱鏡【關(guān)鍵能力·思維進(jìn)階】考向1全反射的條件例1如圖，王亞平在天宮課堂上演示了水球光學(xué)實(shí)驗(yàn)，在失重環(huán)境下，往水球中央注入空氣，形成了一個(gè)明亮的氣泡．若入射光在氣泡表面的P點(diǎn)恰好發(fā)生全反射，反射角為θ，光在真空中傳播速度為c，則()A．光從空氣進(jìn)入水球，波長變短B．光從空氣進(jìn)入水球，頻率變大C．水的折射率n＝sinθD．光在水球中的傳播速度v＝c考向2全反射條件的應(yīng)用例2[2023·浙江6月]在水池底部水平放置三條細(xì)燈帶構(gòu)成的等腰直角三角形發(fā)光體，直角邊的長度為0.9m，水的折射率n＝43，細(xì)燈帶到水面的距離h＝7考向3光導(dǎo)纖維例3[2024·安徽校聯(lián)考模擬預(yù)測(cè)]光纖通信有傳輸容量大、傳輸衰減小、抗干擾性及保密性強(qiáng)等多方面的優(yōu)點(diǎn)，我國的光纖通信起步較早，現(xiàn)已成為技術(shù)先進(jìn)的幾個(gè)國家之一，如圖甲是光纖的示意圖，圖乙是光纖簡化示意圖(內(nèi)芯簡化為長直玻璃絲，外套簡化為真空)，玻璃絲長為AC＝L，折射率為n，AB、CD代表端面，光從AB端面以某一入射角θ進(jìn)入玻璃絲，在玻璃絲內(nèi)部恰好發(fā)生全反射，已知光在真空中傳播速度為c，下列選項(xiàng)正確的是()A．內(nèi)芯相對(duì)于外套是光疏介質(zhì)B．sinθ＝1C．光在玻璃絲中傳播的速度為csinθD．光在玻璃絲中從AB端面?zhèn)鞑サ紺D端面所用的時(shí)間為n2考向4光的折射和全反射的綜合應(yīng)用例4[2023·山東卷]一種反射式光纖位移傳感器可以實(shí)現(xiàn)微小位移測(cè)量，其部分原理簡化如圖所示．兩光纖可等效為圓柱狀玻璃絲M、N，相距為d，直徑均為2a，折射率為n(n<2)．M、N下端橫截面平齊且與被測(cè)物體表面平行．激光在M內(nèi)多次全反射后從下端面射向被測(cè)物體，經(jīng)被測(cè)物體表面鏡面反射至N下端面，N下端面被照亮的面積與玻璃絲下端面到被測(cè)物體距離有關(guān)．(1)從M下端面出射的光與豎直方向的最大偏角為θ，求θ的正弦值；(2)被測(cè)物體自上而下微小移動(dòng)，使N下端面從剛能接收反射激光到恰好全部被照亮，求玻璃絲下端面到被測(cè)物體距離b的相應(yīng)范圍(只考慮在被測(cè)物體表面反射一次的光線)．思維提升求解光的折射和全反射的技巧核心素養(yǎng)提升光學(xué)＋實(shí)際模型典例1(多選)[2023·湖南卷]一位潛水愛好者在水下活動(dòng)時(shí)，利用激光器向岸上救援人員發(fā)射激光信號(hào)，設(shè)激光光束與水面的夾角為α，如圖所示．他發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)α大于41°時(shí)，岸上救援人員才能收到他發(fā)出的激光光束，下列說法正確的是()A．水的折射率為1B．水的折射率為1C．當(dāng)他以α＝60°向水面發(fā)射激光時(shí)，岸上救援人員接收激光光束的方向與水面夾角小于60°D．當(dāng)他以α＝60°向水面發(fā)射激光時(shí)，岸上救援人員接收激光光束的方向與水面夾角大于60°典例2[2024·江蘇揚(yáng)州統(tǒng)考]如圖1所示，固定在容器中的油量計(jì)由許多透明等厚、長度不等的薄塑料片疊合而成．每個(gè)薄片的形狀如圖2所示，其底部為等腰直角三角形．光豎直向下射入油量計(jì)，塑料片下端浸入油中時(shí)，大部分光經(jīng)折射進(jìn)入油中，少部分反射回觀察窗口；塑料片未浸入油中時(shí)，光在塑料片底部發(fā)生全反射而返回油量計(jì)上端，可以通過觀察窗上的亮暗分布來判斷油量的多少．已知塑料片的折射率為n1，油的折射率為n2，則()A.n1一定小于n2B．n1一定大于1.4C．隨著油量的減少，觀察窗左邊最先開始亮D．觀察窗亮的部分越長，說明剩余油量越多典例3[2024·山東聊城模擬]汽車的前擋風(fēng)玻璃設(shè)計(jì)成雙層玻璃，會(huì)使駕駛員在視覺上有“縮短”距離的作用．如圖甲，在水平路面上行駛的某型號(hào)重卡的雙層玻璃中夾的是空氣，雙層玻璃的傾斜角為30°(與豎直方向的夾角)，將重卡駕駛員前方的小轎車尾燈簡化為一個(gè)點(diǎn)光源A，若其發(fā)出的與水平方向成30°角的光線在B點(diǎn)到達(dá)重卡外層玻璃外表面，該光線在外層玻璃內(nèi)部的折射光線恰好沿水平方向，光線射出外層玻璃經(jīng)過中間的空氣層進(jìn)入內(nèi)層玻璃，折射后進(jìn)入重卡駕駛員的眼睛，部分光路圖如圖乙所示．已知雙層玻璃的厚度均為d.則雙層玻璃使駕駛員的視覺上“縮短”的安全行駛距離AA′的長度為()A．233dB.C．33dD.5典例4(多選)如圖某電動(dòng)車大燈為LED燈，它集遠(yuǎn)光燈和近光燈一體，車燈離地高度為80cm.圖是該大燈的內(nèi)部示意圖，BD為水平參考線，LED燈板的上下兩面各有一個(gè)大功率的LED燈珠，當(dāng)上下兩面的燈珠都亮?xí)r為遠(yuǎn)光燈；在城市光線較好地段以及車輛會(huì)車時(shí)則只亮其中某側(cè)LED燈珠就是近光燈，燈珠的光線經(jīng)ABC反光面反射后，變?yōu)樗降钠叫泄?，垂直截面為半圓形透鏡的豎直直徑AC射入透鏡．已知透鏡直徑遠(yuǎn)小于大燈離地面高度，地面水平，半球透鏡對(duì)藍(lán)光的折射率為2.(不考慮光在大燈中多次反射后的光線)下列說法正確的是()A．若只開燈板上側(cè)的LED燈珠，則為近光燈B．若發(fā)射的是藍(lán)光，則地面上能被照射到的離燈最近距離為802cmC．若發(fā)射的是藍(lán)光，開遠(yuǎn)光燈時(shí)，射出燈的光線最大張角為45°D．若發(fā)射的是白光，則地面能被照亮的地方離車最近的光為紅光第1講光的折射全反射考點(diǎn)一必備知識(shí)·自主落實(shí)1．改變2．(1)同一平面兩側(cè)正(2)sin3．(1)光學(xué)(3)cv關(guān)鍵能力·思維進(jìn)階1．解析：根據(jù)折射定律n上sinθ上＝n下sinθ下由于地球表面附近空氣的折射率隨高度降低而增大，則n下>n上，則θ下逐漸減小，畫出光路圖如下則從高到低θ下逐漸減小，則光線應(yīng)逐漸趨于豎直方向．故選A.答案：A2．解析：根據(jù)題意，由折射定律和反射定律畫出光路圖，如圖所示由幾何關(guān)系可得，光線在11點(diǎn)處的入射角為60°，折射角為30°，則折射率為n＝sin60°故選D.答案：D3．解析：由題意可知做出光路圖如圖所示光線垂直于BC方向射入，根據(jù)幾何關(guān)系可知入射角為45°；由于棱鏡折射率為2，根據(jù)n＝sin有sinr＝1則折射角為30°；∠BMO＝60°，因?yàn)椤螧＝45°，所以光在BC面的入射角為θ＝90°－(180°－60°－45°)＝15°根據(jù)反射定律可知∠MOA＝2θ＝30°根據(jù)幾何關(guān)系可知∠BAO＝30°，即△MAO為等腰三角形，則MOAO＝又因?yàn)椤鰾OM與△CAO相似，故有BMAC＝由題知AB＝AC＝l聯(lián)立可得BM＝33AC＝3所以M到A點(diǎn)的距離為x＝MA＝l－BM＝3?答案：3?考點(diǎn)二必備知識(shí)·自主落實(shí)1．消失2．(1)光疏(2)等于或大于3．(1)90°(3)小關(guān)鍵能力·思維進(jìn)階例1解析：光從空氣進(jìn)入水球，頻率不變，波速減小，則波長變短，選項(xiàng)A正確，B錯(cuò)誤；入射光在氣泡表面的P點(diǎn)恰好發(fā)生全反射，則水的折射率n＝1sin光在水球中的傳播速度v＝cn＝csinθ答案：A例2解析：燈帶發(fā)出的光從水面射出時(shí)不發(fā)生全反射的臨界角的正弦值sinC＝1n＝則tanC＝3燈帶上的一個(gè)點(diǎn)發(fā)出的光發(fā)生全反射的臨界角如圖所示根據(jù)幾何關(guān)系可得r＝htanC＝710則一個(gè)點(diǎn)發(fā)出的光在水面上能看到r＝0.3m的圓，光射出的水面形狀邊緣為弧形，如圖所示等腰直角三角形發(fā)光體的內(nèi)切圓半徑r′滿足12a2＝12(a＋a＋2a)解得r′＝a2+2<a故中間無空缺．故選C.答案：C例3解析：內(nèi)芯相對(duì)于外套是光密介質(zhì)，故A錯(cuò)誤；由題目描述，θ不是臨界角，如圖臨界角為β，設(shè)光在玻璃絲中傳播速度為v，則n＝1sinβ＝cv，解得v＝c由題描述可知，光進(jìn)入玻璃絲內(nèi)部后，在F點(diǎn)恰好發(fā)生全反射，光在玻璃絲中傳播的路程為s＝Lsin傳播的時(shí)間為t＝sv，解得t＝n2答案：D例4解析：(1)由題意可知當(dāng)光在兩側(cè)剛好發(fā)生全反射時(shí)從M下端面出射的光與豎直方向夾角最大，設(shè)光在M下端與豎直方向的偏角為α，此時(shí)sinC＝1n＝cos可得sinα＝1?又因?yàn)閚＝sin所以sinθ＝nsinα＝n(2)根據(jù)題意要使N下端面從剛能接收反射激光到恰好全部被照亮，光路圖如圖所示則玻璃絲下端面到被測(cè)物體距離b的相應(yīng)范圍應(yīng)該為b1<b<b2當(dāng)距離最近時(shí)有tanθ＝d當(dāng)距離最遠(yuǎn)時(shí)有tanθ＝d+2a根據(jù)(1)可知tanθ＝n聯(lián)立可得b1＝db2＝d+2a所以滿足條件的范圍為d22?n答案：(1)n2?1(2)d2核心素養(yǎng)提升典例1解析：他發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)α大于41°時(shí)，岸上救援人員才能收到他發(fā)出的激光光束，則說明α＝41°時(shí)激光恰好發(fā)生全反射，則sin(90°－41°)＝1則n＝1sin當(dāng)他以α＝60°向水面發(fā)射激光時(shí)，入射角i1＝30°，則根據(jù)折射定律有nsini1＝sini2折射角i2大于30°，則岸上救援人員接收激光光束的方向與水面夾角小于60°，C正確、D錯(cuò)誤．故選BC.答案：BC典例2解析：光豎直向下射入油量計(jì)，塑料片下端浸入油中時(shí)，大部分光經(jīng)折射進(jìn)入油中，少部分反射回觀察窗口，則n1一定大于n2，故A錯(cuò)誤；如圖所示光由上面射入塑料板中，在直角部分發(fā)生全反射時(shí)上面看起來才會(huì)明亮，光再從透明塑料射向空氣，此時(shí)發(fā)生全反射的條件的折射率應(yīng)滿足n1＞1sin45°隨著油量的減少，塑料露出油面，光線在塑料和空氣的界面處發(fā)生全反射，返回油量計(jì)的上面并射出，故看起來是明亮的，因?yàn)橛疫吽芰献疃?，可知隨著油量的減小，觀察窗右邊最開始亮起，故C錯(cuò)誤；觀察窗亮的部分越長，說明油面越低，剩余油量越少，故D錯(cuò)誤．故選B.答案：B典例3解析：光路圖如圖所示，由幾何關(guān)系知光線AB進(jìn)入外玻璃層的入射角i＝60°，折射角r＝30°由題意知該光線在外層玻璃內(nèi)部的折射光線恰好沿水平方向，則玻璃內(nèi)部的折射光線長度BC＝dcos30°則光線經(jīng)過兩層玻璃的偏移量AA′＝2BC＝43雙層玻璃使駕駛員的視覺上“縮短”的安全