第一講-光的折射和全反射(原卷版)

第一講光的折射和全反射知識梳理一、光的折射定律折射率1．折射定律(1)內容：如圖所示，折射光線與入射光線、法線處在同一平面內，折射光線與入射光線分別位于法線的兩側；入射角的正弦與折射角的正弦成正比。(2)表達式：eq\f(sinθ1,sinθ2)＝n12。(3)在光的折射現(xiàn)象中，光路是可逆的。2．折射率(1)折射率是一個反映介質的光學性質的物理量。(2)定義式：n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)。(3)計算公式：n＝eq\f(c,v)，因為v＜c，所以任何介質的折射率都大于1。(4)當光從真空(或空氣)斜射入某種介質時，入射角大于折射角；當光由介質斜射入真空(或空氣)時，入射角小于折射角。二、全反射光導纖維1．定義：光從光密介質射入光疏介質，當入射角增大到某一角度時，折射光線將全部消失，只剩下反射光線的現(xiàn)象叫作全反射。2．條件(1)光從光密介質射入光疏介質。(2)入射角大于或等于臨界角。3．臨界角：折射角等于90°時的入射角。若光從光密介質(折射率為n)射向真空或空氣時，發(fā)生全反射的臨界角為C，則sinC＝eq\f(1,n)。介質的折射率越大，發(fā)生全反射的臨界角越小。4．光導纖維光導纖維的原理是利用光的全反射，如圖所示?？键c一、折射定律及折射率的理解與應用1．對折射率的理解(1)折射率的大小不僅反映了介質對光的折射本領，也反映了光在該介質中傳播速度的大小v＝eq\f(c,n).(2)折射率的大小不僅與介質本身有關，還與光的頻率有關．①同一種介質中，頻率越大的光折射率越大，傳播速度越?。谕环N光，在不同介質中雖然波速、波長不同，但頻率相同．2．光路的可逆性在光的折射現(xiàn)象中，光路是可逆的．如果讓光線逆著原來的折射光線射到界面上，光線就會逆著原來的入射光線發(fā)生折射．3．平行玻璃磚、三棱鏡和圓柱體(球)對光路的控制特點平行玻璃磚三棱鏡圓柱體(球)對光線的作用通過平行玻璃磚的光線不改變傳播方向，但要發(fā)生側移通過三棱鏡的光線經(jīng)兩次折射后，出射光線向棱鏡底面偏折圓界面的法線是過圓心的直線，光線經(jīng)過兩次折射后向圓心偏折例1、(2021·浙江6月選考·12)用激光筆照射透明塑料制成的光盤邊緣時觀察到的現(xiàn)象如圖所示．入射點O和兩出射點P、Q恰好位于光盤邊緣等間隔的三點處，空氣中的四條細光束分別為入射光束a、反射光束b、出射光束c和d、已知光束a和b間的夾角為90°，則()A．光盤材料的折射率n＝2B．光在光盤內的速度為真空中光速的三分之二C．光束b、c和d的強度之和等于光束a的強度D．光束c的強度小于O點處折射光束OP的強度例2、(2019·全國卷Ⅰ)如圖，一艘帆船靜止在湖面上，帆船的豎直桅桿頂端高出水面3m。距水面4m的湖底P點發(fā)出的激光束，從水面出射后恰好照射到桅桿頂端，該出射光束與豎直方向的夾角為53°(取sin53°＝0.8)。已知水的折射率為eq\f(4,3)。(1)求桅桿到P點的水平距離；(2)船向左行駛一段距離后停止，調整由P點發(fā)出的激光束方向，當其與豎直方向夾角為45°時，從水面射出后仍照射在桅桿頂端，求船行駛的距離。課堂隨練訓練1、(2022·青島黃島區(qū)期末)如圖，一玻璃柱體的橫截面為半圓形，細的單色光束從柱體的O點(半圓的圓心)射向空氣，入射角α＝30°，產(chǎn)生的反射光束1和折射光束2恰好垂直，下列說法正確的是()A．玻璃的折射率為eq\r(2)B．光線1和光線2的傳播速度相同C．光線1和光線2的傳播頻率相同D．無論α增加到多大，都不可能發(fā)生全發(fā)射訓練2、(2021·高考河北卷，T18)將兩塊半徑均為R、完全相同的透明半圓柱體A、B正對放置，圓心上下錯開一定距離，如圖所示，用一束單色光沿半徑照射半圓柱體A，設圓心處入射角為θ，當θ＝60°時，A右側恰好無光線射出；當θ＝30°時，有光線沿B的半徑射出，射出位置與A的圓心相比下移h，不考慮多次反射，求：(1)半圓柱體對該單色光的折射率；(2)兩個半圓柱體之間的距離d。考點二、全反射1．發(fā)生全反射的條件(1)光必須從光密介質射入光疏介質；(2)入射角必須大于或等于臨界角。2．全反射的理解(1)如果光從光疏介質進入光密介質，則無論入射角多大，都不會發(fā)生全反射現(xiàn)象。(2)光的全反射遵循光的反射定律，光路是可逆的。(3)當光射到兩種介質的界面上時，往往同時發(fā)生光的折射和反射現(xiàn)象，但在全反射現(xiàn)象中，只發(fā)生反射，不發(fā)生折射。當折射角等于90°時，實際上已經(jīng)沒有折射光了。(4)從能量角度理解全反射現(xiàn)象：當光由光密介質射向光疏介質時，在入射角逐漸增大的過程中，反射光的能量逐漸增強，折射光的能量逐漸減弱，當入射角等于臨界角時，折射光的能量減弱為零，這時就發(fā)生了全反射。3．全反射的有關現(xiàn)象海水浪花呈白色、玻璃或水中的氣泡看起來特別亮、沙漠蜃景、海市蜃樓、鉆石的光彩奪目、水下的燈不能照亮整個水面等。4．全反射的應用(1)全反射棱鏡：用來改變光的方向。(2)光導纖維(簡稱光纖)①結構：是一種透明的玻璃纖維絲，直徑在幾微米到一百微米之間，由內芯和外套兩層組成，內芯的折射率大于外套的折射率，即內芯是光密介質，外套是光疏介質。②原理：光在光纖的內芯中傳播，每次射到內芯和外套的界面上時，入射角都大于臨界角，從而發(fā)生全反射。例1、目前，移動和電信公司都升級了200M光纖入戶，網(wǎng)速更快，光纖信號傳輸利用了光的全反射和折射原理，下面是某種單色光在光纖中的傳播路徑經(jīng)過多次全反射后從右端射出．若該介質的折射率為eq\f(2\r(3),3)，則關于α、β的大小，下列判斷正確的是()A．α<60° B．α<30°C．β>30° D．β<30°例2、(2021·高考廣東卷，T18)如圖所示，一種光學傳感器是通過接收器Q接收到光的強度變化而觸發(fā)工作的。光從擋風玻璃內側P點射向外側M點再折射到空氣中，測得入射角為α，折射角為β；光從P點射向外側N點，剛好發(fā)生全反射并被Q接收，求光從玻璃射向空氣時臨界角θ的正弦值表達式。課堂隨練訓練1、(多選)(2020·山東卷，9)截面為等腰直角三角形的三棱鏡如圖甲所示。DE為嵌在三棱鏡內部緊貼BB′C′C面的線狀單色可見光光源，DE與三棱鏡的ABC面垂直，D位于線段BC的中點。圖乙為圖甲中ABC面的正視圖。三棱鏡對該單色光的折射率為eq\r(2)，只考慮由DE直接射向側面AA′C′C的光線。下列說法正確的是()A．光從AA′C′C面出射的區(qū)域占該側面總面積的eq\f(1,2)B．光從AA′C′C面出射的區(qū)域占該側面總面積的eq\f(2,3)C．若DE發(fā)出的單色光頻率變小，AA′C′C面有光出射的區(qū)域面積將增大D．若DE發(fā)出的單色光頻率變小，AA′C′C面有光出射的區(qū)域面積將減小訓練2、(2022·深圳4月第二次調研)潛艇的潛望鏡系統(tǒng)有一塊平行玻璃磚，截面如圖所示，AC的連線與AB垂直，AB長為d,∠ABC＝45°，AMC為一圓弧，其圓心在BC邊的中點，此玻璃的折射率n＝2。若一束寬度與AB邊長度相等的平行光從AB邊垂直射入玻璃磚。真空中光速為c。求：(1)經(jīng)過圓心的光線從射入玻璃到第一次射出玻璃的時間；(2)從AMC面直接射出的光束在射入AB前的寬度y。同步訓練1、(多選)關于光的傳播現(xiàn)象及應用，下列說法正確的是()A．一束白光通過三棱鏡后形成了彩色光帶是光的色散現(xiàn)象B．光導纖維絲內芯材料的折射率比外套材料的折射率大C．海面上的海市蜃樓將呈現(xiàn)倒立的像，位置在實物的上方，又稱上現(xiàn)蜃景D．一束色光從空氣進入水中，波長將變短，色光的顏色也將發(fā)生變化2、(2021·江蘇高考)某種材料制成的半圓形透明磚平放在方格紙上，將激光束垂直于AC面射入，可以看到光束從圓弧面ABC出射，沿AC方向緩慢平移該磚，在如圖所示位置時，出射光束恰好消失，該材料的折射率為()A．1.2 B．1.4C．1.6 D．1.83、一復色光a沿如圖所示方向從空氣射向玻璃球，在球內分為b、c兩束，O為球心．下列判斷正確的是()A．c光在球中的傳播時間長B．b光在球中傳播速度小C．b光的頻率小于c光D．增大a光入射角，b光可能在玻璃球內發(fā)生全反射4、(2021·北京卷，2)如圖所示的平面內，光束a經(jīng)圓心O射入半圓形玻璃磚，出射光為b、c兩束單色光。下列說法正確的是()A．這是光的干涉現(xiàn)象B．在真空中光束b的波長大于光束c的波長C．玻璃磚對光束b的折射率大于對光束c的折射率D．在玻璃磚中光束b的傳播速度大于光束c的傳播速度5、(2020·浙江7月選考)如圖所示，圓心為O、半徑為R的半圓形玻璃磚置于水平桌面上，光線從P點垂直界面入射后，恰好在玻璃磚圓形表面發(fā)生全反射；當入射角θ＝60°時，光線從玻璃磚圓形表面出射后恰好與入射光平行。已知真空中的光速為c，則()A．玻璃磚的折射率為1.5B．OP之間的距離為eq\f(\r(2),2)RC．光在玻璃磚內的傳播速度為eq\f(\r(3),3)cD．光從玻璃到空氣的臨界角為30°6、(2022·唐山二模)截面為直角梯形的玻璃磚ABCD，折射率n＝eq\r(2)，一束光線由AB面射入玻璃磚，入射角i＝45°，如圖所示。光線首先到達BC面，恰好發(fā)生全反射，然后到達CD面。(1)求頂角B的大??；(2)若玻璃磚在AB方向足夠長，求光線從AD邊出射時的折射角。7、(2021·江蘇南京市鹽城市模擬)如圖所示，一艘漁船停在平靜的水面上，漁船的前部上端有一激光捕魚器P，從P點射向水面的激光束與豎直方向的夾角為53°，激光在水中的折射光線與水面的夾角也為53°，照到水下B點的魚，B處的深度H＝1.8m，c＝3×108m/s，sin53°＝0.8，cos53°＝0.6)。求：(1)水的折射率；(2)激光從A到B傳播的時間。8、某透明介質的截面圖如圖所示，直角三角形的直角邊BC與半圓形直徑重合，∠ACB＝30°，半圓形的半徑為R，一束光線從E點射入介質，其延長線過半圓形的圓心O，且E、O兩點距離為R，已知光在真空中的傳播速度為c，介質折射率為eq\r(3).求：(1)光線在E點的折射角并畫出光路圖；(2)光線從射入介質到射出圓弧傳播的距離和時間．9、如圖，一玻璃工件的上半部是半徑為R的半球體，O點為球心；下半部是半徑為R