光的折射 全反射.ppt
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1、第二章光相对论第1讲光的折射全反射【知【知识识梳理】梳理】知知识识点点1 1光的折射定律折射率光的折射定律折射率1.1.折射折射现现象象:光从一种介光从一种介质进质进入另一种介入另一种介质时质时,在界面在界面上上传传播播方向方向_的的现现象。象。2.2.折射定律折射定律:观观察光路察光路图图,填出空格内容。填出空格内容。发发生改生改变变(1)(1)折射定律内容折射定律内容:折射光折射光线线与入射与入射光光线线、法、法线处线处在在_,_,折射光折射光线线与入射光与入射光线线分分别别位于位于_的的两两侧侧;入射角的正弦与入射角的正弦与_成正比。成正比。(2)(2)表达式表达式:n:n1212=,=
2、,式中式中n n1212是比例系数。是比例系数。(3)(3)在光的折射在光的折射现现象中象中,光路是光路是_的。的。同一平面内同一平面内法法线线折射角的正弦折射角的正弦可逆可逆3.3.折射率折射率:(1)(1)定定义义:光从真空射入某种介光从真空射入某种介质发质发生折射生折射时时,_,_的比的比值值。(2)(2)定定义义式式:_:_。不能。不能说说n n与与_成正比成正比,与与sinsin2 2成反比。折射率由介成反比。折射率由介质质本身的光学性本身的光学性质质和和_决定。决定。入射角入射角的正弦与折射角的正弦的正弦与折射角的正弦sinsin1 1光的光的频频率率(3)(3)物理意物理意义义:
3、折射率折射率仅仅反映介反映介质质的光学特性的光学特性,折射率大折射率大,说说明光从真空射入到明光从真空射入到该该介介质时质时_,_,反之偏折小。反之偏折小。(4)(4)计计算公式算公式:n=_,:n=_,因因vc,vc,故任何介故任何介质质的折射率的折射率总总_(_(选选填填“大于大于”或或“小于小于”)1”)1。偏折大偏折大大于大于知知识识点点2 2全反射、光全反射、光导纤维导纤维及光的色散及光的色散1.1.全反射全反射:观观察如察如图图折射光路折射光路,将空格填充。将空格填充。(1)(1)全反射的条件全反射的条件:光从光从_射入射入_。入射角入射角_临临界角。界角。(2)(2)全反射全反射
4、现现象象:折射光完全消失折射光完全消失,只剩下只剩下_。光密介光密介质质光疏介光疏介质质大于或等于大于或等于反射光反射光(3)(3)临临界角界角:_等于等于9090时时的入射角的入射角,用用C C表示表示,且且sinC=sinC=。(4)(4)如如图图所示的光所示的光导纤维传输过导纤维传输过程程,由此可知由此可知,光光导纤维导纤维的的传输传输原理原理:利用利用_。折射角折射角光的全反射光的全反射2.2.光的色散光的色散:(1)(1)色散色散现现象象:白光通白光通过过三棱三棱镜镜会形成会形成_七种色七种色光光组组成的彩色光成的彩色光谱谱。(2)(2)成因成因:由于由于n n红红nn紫紫,所以以相
5、同的入射角射到棱所以以相同的入射角射到棱镜镜界界面面时时,红红光和紫光的折射角光和紫光的折射角_,_,紫光折射得更明紫光折射得更明显显些些,当它当它们们射出另一个界面射出另一个界面时时,紫光的偏折角紫光的偏折角_,_,红红光的光的偏折角偏折角_。由由红红到紫到紫不同不同最大最大最小最小【易【易错错辨析】辨析】(1)(1)某种玻璃某种玻璃对蓝对蓝光的折射率比光的折射率比红红光大光大,蓝蓝光和光和红红光以光以相同的入射角从空气斜射入相同的入射角从空气斜射入该该玻璃中玻璃中,蓝蓝光的折射角光的折射角较较大大()(2)(2)光从空气射入玻璃光从空气射入玻璃时时,只要入射角足只要入射角足够够大可能大可能
6、发发生生全反射全反射()(3)(3)在水中在水中,蓝蓝光的光的传传播速度大于播速度大于红红光的光的传传播速度播速度()(4)(4)在潜水在潜水员员看来看来,岸上的所有景物都出岸上的所有景物都出现现在一个倒立在一个倒立的的圆锥圆锥里里()(5)(5)光光纤纤通信利用了全反射的原理通信利用了全反射的原理()(6)(6)晚上晚上,在池水中同一深度的两点光源分在池水中同一深度的两点光源分别发别发出出红红光光和和蓝蓝光光,蓝蓝光光源看起来浅一些光光源看起来浅一些()提示提示:(1)(1)。由折射定律。由折射定律n=n=得知得知,以相同的入射以相同的入射角从空气斜射入该玻璃中角从空气斜射入该玻璃中,折射率
7、越大折射率越大,折射角越小折射角越小,则则蓝光的折射角较小。蓝光的折射角较小。(2)(2)。光只有从光密介质射入光疏介质时才能发生全。光只有从光密介质射入光疏介质时才能发生全反射反射;而空气为光疏介质而空气为光疏介质;玻璃为光密介质玻璃为光密介质;故光从空气故光从空气进入玻璃时进入玻璃时,不会发生全反射。不会发生全反射。(3)(3)。红光的折射率小。红光的折射率小,根据根据v=v=可知红光在水中的可知红光在水中的传播速度比蓝光的大。传播速度比蓝光的大。(4)(4)。光从空气折射进入人眼。光从空气折射进入人眼,人眼认为光是沿直线人眼认为光是沿直线传播的传播的,所以岸上所有景物都出现在一个倒立的圆
8、锥里。所以岸上所有景物都出现在一个倒立的圆锥里。(5)(5)。光纤通信利用了全反射的原理。光纤通信利用了全反射的原理。(6)(6)。光源在水中的视深为。光源在水中的视深为h h视视=,=,因为红光的折射因为红光的折射率最小率最小,则红光看起来较深则红光看起来较深,蓝光看起来浅一些。蓝光看起来浅一些。考点考点1 1折射定律折射率折射定律折射率 【核心要素精【核心要素精讲讲】对对折射率的理解折射率的理解:(1)(1)公式公式n=n=中中,不不论论是光从真空射入介是光从真空射入介质质,还还是从是从介介质质射入真空射入真空,1 1总总是真空中的光是真空中的光线线与法与法线间线间的的夹夹角角,2 2总总
9、是介是介质质中的光中的光线线与法与法线间线间的的夹夹角。角。(2)(2)折射率由介折射率由介质质本身性本身性质质决定决定,与入射角的大小无关。与入射角的大小无关。(3)(3)折射率与介折射率与介质质的密度没有关系的密度没有关系,光密介光密介质质不是指密不是指密度大的介度大的介质质,光疏介光疏介质质不是指密度小的介不是指密度小的介质质。(4)(4)折射率的大小不折射率的大小不仅仅与介与介质质本身有关本身有关,还还与光的与光的频频率率有关。同一种介有关。同一种介质质中中,频频率越大的色光折射率越大率越大的色光折射率越大,传传播速度越小。播速度越小。(5)(5)同一种色光同一种色光,在不同介在不同介
10、质质中中虽虽然波速、波然波速、波长长不同不同,但但频频率相同。率相同。(6)(6)折射率大小不折射率大小不仅仅反映了介反映了介质对质对光的折射本光的折射本领领,也反也反映了光在介映了光在介质质中中传传播速度的大小播速度的大小v=v=。【高考命【高考命题题探究】探究】【典例【典例1 1】(2016(2016全国卷全国卷)如如图图,玻璃球冠的折射率玻璃球冠的折射率为为 ,其底面其底面镀银镀银,底面的半径是球半径的底面的半径是球半径的 倍倍;在在过过球心球心O O且垂直于底面的平面且垂直于底面的平面(纸纸面面)内内,有一与底面垂直有一与底面垂直的光的光线线射到玻璃球冠上的射到玻璃球冠上的M M点点,
11、该该光光线线的延的延长线长线恰好恰好过过底面底面边缘边缘上的上的A A点。求点。求该该光光线线从球面射出的方向相从球面射出的方向相对对于于其初始入射方向的偏角。世其初始入射方向的偏角。世纪纪金榜金榜导导学号学号4272230042722300【思考探究】【思考探究】光光线线从从M M点射入玻璃球冠会点射入玻璃球冠会发发生全反射生全反射吗吗?在在M M点光路点光路图图如何如何?提示提示:不会发生全反射不会发生全反射,光从光密介质射入光疏介质才光从光密介质射入光疏介质才可能发生全反射可能发生全反射;连接连接OMOM即为该面的法线即为该面的法线,进而找到入进而找到入射角和折射角。本题关键之处是借助于
12、光的折射与反射角和折射角。本题关键之处是借助于光的折射与反射定律作出光路图射定律作出光路图,同时利用几何关系来辅助计算。同时利用几何关系来辅助计算。【解析】【解析】设球的半径为设球的半径为R,R,球冠底面中心为球冠底面中心为O,O,连接连接OO,OO,则则OOAB,OOAB,设设OAO=,OAO=,则有则有 即即=30=30。由题意由题意MAAB,MAAB,得得OAM=60,OAM=60,如图所示。如图所示。设设M M点的入射角、折射角分别为点的入射角、折射角分别为i i、r,Nr,N点的入射角为点的入射角为i i1 1,玻璃的折射率为玻璃的折射率为n,n,由于由于OAMOAM为等边三角形为等
13、边三角形,则有则有i=60i=60根据折射定律有根据折射定律有:sini=nsinr,:sini=nsinr,将将n=n=代入代入,可得可得r=30r=30过过N N点作法线点作法线NE,NE,由于由于NENE平行于平行于AM,AM,有有i i1 1=30=30由反射定律知反射角由反射定律知反射角i i2 2=30=30连接连接N N、O,O,由几何关系知由几何关系知MNO=60,MNO=60,故故ENO=30ENO=30由于由于ENOENO为反射角为反射角,NO,NO为反射光线为反射光线,这一光线经球面再这一光线经球面再次折射后不改变方向次折射后不改变方向,所以光线从球面射出的方向相对所以光
14、线从球面射出的方向相对于其初始入射方向的偏角于其初始入射方向的偏角=180-ENO=150=180-ENO=150答案答案:150150【强强化化训练训练】1.(20171.(2017龙龙岩模岩模拟拟)某同学通某同学通过实验测过实验测定半定半圆圆形玻璃形玻璃砖砖的折射率的折射率n n。如。如图图甲所示甲所示,O,O是是圆圆心心,MN,MN是法是法线线,AO,AO、BOBO分分别别表示某次表示某次测测量量时时光光线线在空气和玻璃在空气和玻璃砖砖中的中的传传播路播路径。径。该该同学同学测测得多得多组组入射角入射角i i和折射角和折射角r,r,作出作出sini-sini-sinrsinr图图象如象如
15、图图乙所示。乙所示。则则()A.A.光由光由A A经经O O到到B,n=1.5B,n=1.5B.B.光由光由B B经经O O到到A,n=1.5A,n=1.5C.C.光由光由A A经经O O到到B,n=0.67B,n=0.67D.D.光由光由B B经经O O到到A,n=0.67A,n=0.67【解析】【解析】选选B B。由图象可得。由图象可得:sinisinr,:sinisinr,则则ir,ir,所以光所以光线从玻璃射入空气折射线从玻璃射入空气折射,即光由即光由B B经经O O到到A A。根据折射定律得根据折射定律得 由图象得由图象得:所以可得所以可得,n=1.5,n=1.5,故故B B正确正确
16、,A,A、C C、D D错误。错误。2.2.如如图图所示所示,一束一束单单色光从空气入射到棱色光从空气入射到棱镜镜的的ABAB面上面上,经经ABAB和和ACAC两个面折射后从两个面折射后从ACAC面面进进入空气。当出射角入空气。当出射角ii和入射角和入射角i i相等相等时时,出射光出射光线线相相对对于入射光于入射光线线偏偏转转的角的角度度为为。已知棱。已知棱镜顶镜顶角角为为,则计则计算棱算棱镜对该镜对该色光的折色光的折射率表达式射率表达式为为()【解析】【解析】选选A A。如图所示。如图所示,设设ABAB面上的折射角为面上的折射角为,AC,AC面面上的入射角为上的入射角为,由于由于i=i,i=
17、i,由光的折射定律及光路由光的折射定律及光路可逆知可逆知=,=,又设两法线的夹角为又设两法线的夹角为,则由几何关系则由几何关系得得:+=180,:+=180,又由又由+=180,+=180,则解则解得得:=,:=,又由几何关系得又由几何关系得:+=i+i,:+=i+i,解解得得:i=,:i=,则棱镜对该色光的折射率则棱镜对该色光的折射率n=n=故故A A正确。正确。【加固【加固训练训练】如如图图所示所示,一艘一艘赛赛艇停在平静的水面上艇停在平静的水面上,赛赛艇前部上端艇前部上端有一有一标记标记P,P,在其正前方在其正前方A A处处有一浮有一浮标标。潜水。潜水员员从从P P前方前方s=4ms=4
18、m处处开始下潜开始下潜,当下潜至深度当下潜至深度为为H=2 mH=2 m的的B B处时处时,才才能看到能看到赛赛艇尾端后方水面上的景物艇尾端后方水面上的景物,且看到且看到P P刚刚好被浮好被浮标挡标挡住。住。测测得得PAPA、BABA与与竖竖直方向的直方向的夹夹角分角分别为别为5353和和3737。忽略。忽略赛赛艇吃水深度艇吃水深度,求求赛赛艇的艇的长长度度L L。sin53=0.8,cos53=0.6sin53=0.8,cos53=0.6。【解析】【解析】水的折射率为水的折射率为潜水员和潜水员和B B点连线与竖直方向的夹角刚好为临界角点连线与竖直方向的夹角刚好为临界角,设设临界角为临界角为,
19、则有则有:sin=:sin=由几何知识由几何知识:sin=:sin=解得解得,赛艇的长度赛艇的长度:L=2m:L=2m。答案答案:2m2m考点考点2 2光的折射全反射光的折射全反射 【核心要素精【核心要素精讲讲】对对全反射全反射现现象的理解象的理解:(1)(1)光必光必须须从光密介从光密介质质射入光疏介射入光疏介质质,例如从水中或玻例如从水中或玻璃中射入空气中。璃中射入空气中。(2)(2)入射角必入射角必须须大于或等于大于或等于临临界角。界角。(3)(3)全反射全反射现现象可以从能量的角度去理解象可以从能量的角度去理解:当光由光密当光由光密介介质质射向光疏介射向光疏介质时质时,在入射角逐在入射
20、角逐渐渐增大的增大的过过程中程中,反反射光的能量逐射光的能量逐渐渐增增强强,折射光的能量逐折射光的能量逐渐渐减弱减弱,当入射当入射角等于角等于临临界角界角时时,折射光的能量已折射光的能量已经经减弱减弱为为零零,这时这时就就发发生了全反射。生了全反射。【高考命【高考命题题探究】探究】【典例【典例2 2】(2016(2016全国卷全国卷)如如图图,在注在注满满水的游泳池的池底有水的游泳池的池底有一点光源一点光源A,A,它到池它到池边边的水平距的水平距离离为为3.0m3.0m。从点光源。从点光源A A射向池射向池边边的光的光线线ABAB与与竖竖直方向的直方向的夹夹角恰好等于全反射的角恰好等于全反射的
21、临临界角界角,水的折射率水的折射率为为 。世。世纪纪金榜金榜导导学号学号4272230142722301(1)(1)求池内的水深。求池内的水深。(2)(2)一救生一救生员员坐在离池坐在离池边边不不远处远处的高凳上的高凳上,他的眼睛到他的眼睛到池面的高度池面的高度为为2.0m2.0m。当他看到正前下方的点光源。当他看到正前下方的点光源A A时时,他的眼睛所接收的光他的眼睛所接收的光线线与与竖竖直方向的直方向的夹夹角恰好角恰好为为4545。求救生求救生员员的眼睛到池的眼睛到池边边的水平距离的水平距离(结结果保留果保留1 1位有效位有效数字数字)。【解析】【解析】(1)(1)如图如图,设到达池边的光
22、线的入射角为设到达池边的光线的入射角为i i。依。依题意题意,水的折射率水的折射率n=,n=,光线的折射角光线的折射角=90=90。由折。由折射定律有射定律有nsini=sinnsini=sin 由几何关系有由几何关系有sini=sini=式中式中,l=3m,h=3m,h是池内水的深度。联立是池内水的深度。联立式并代入题给式并代入题给数据得数据得h=m2.6 m h=m2.6 m (2)(2)设此时救生员的眼睛到池边的距离为设此时救生员的眼睛到池边的距离为x x。依题意。依题意,救救生员的视线与竖直方向的夹角为生员的视线与竖直方向的夹角为=45=45。由折射定。由折射定律有律有nsini=si
23、nnsini=sin式中式中,i,i是光线在水面的入射角。设池底点光源是光线在水面的入射角。设池底点光源A A到水到水面入射点的水平距离为面入射点的水平距离为a a。由几何关系有。由几何关系有sini=sini=x+x+l=a+h=a+h 式中式中h=2mh=2m。联立各式得。联立各式得x=(3 -1)m0.7 mx=(3 -1)m0.7 m答案答案:(1)2.6m(1)2.6m(2)0.7m(2)0.7m【迁移【迁移训练训练】迁移迁移1:1:全反射原理的全反射原理的实际应实际应用用打磨某剖面如打磨某剖面如图图所示的宝石所示的宝石时时,必必须须将将OPOP、OQOQ边边与与轴线轴线的的夹夹角角
24、切磨在切磨在1 12 2,光光线线一定在一定在OPOP边发边发生全反射生全反射B.B.若若2 2,光光线线会从会从OQOQ边边射出射出C.C.若若1 1,光光线线会从会从OPOP边边射出射出D.D.若若C,:sinC=,90-C,越小越容易发生全反射越小越容易发生全反射,选项选项A A、C C错误错误,选项选项D D正确。正确。较大时较大时,已从已从OPOP边射出边射出,选项选项B B错误。错误。迁移迁移2:2:应应用全反射原理求入射角或折射角用全反射原理求入射角或折射角如如图图所示所示,三角形三角形ABCABC为为某透明介某透明介质质的横截面的横截面,O,O为为BCBC边边的中点的中点,位于
25、截面所在平面内的一束光位于截面所在平面内的一束光线线自自O O以角以角i i入射入射,第一次到达第一次到达ABAB边边恰好恰好发发生全反射。已知生全反射。已知=15,BC=15,BC边边长为长为2L,2L,该该介介质质的折射率的折射率为为 。求。求:(1)(1)入射角入射角i i。(2)(2)从入射到从入射到发发生第一次全反射所用的生第一次全反射所用的时间时间(设设光在真光在真空中的速度空中的速度为为c,c,可能用到可能用到:sin75=:sin75=或或tan15tan15=2-)=2-)。【解析】【解析】(1)(1)根据全反射规律可知根据全反射规律可知,光线在光线在ABAB面上面上P P点
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