(完整版)高中物理選修3-4_光學部分

1、1高中物理選修 3-4 光學部分光既具有波動性，又具有粒子性；光是一種電磁波。陽光能夠照亮水中的魚和水草，同時我們也能通過水面看到烈日的倒影；這說明光從空氣射到水面時, 一部分光射進水中，另一部分光被反射回到空氣中。一般說來，光從一種介質射到它和另種分界面時，一部分光又回到這種介質中的現(xiàn)象叫做光的反射； 而斜著射向界面的光進入第二種介質的現(xiàn)象，叫做光的折射。i光的反射定律：實驗表明：光的反射遵循以下規(guī)律a、 反射光線和入射光線、界面的法線在同一平面內(nèi)，反射光 線和入射光線分別們于法線的兩側。b、 反射角等于入射角。（i=i）在反射現(xiàn)象中，光路是可逆的。22光的折射定律：入射光線和法線的夾角 i

2、 叫做入射角；折射光線和法線的夾角r 叫做折射角；反射光線和法線的夾角叫做反射角。光的折射定律可這樣表示：a、 折射光線跟入射光線和界面的法線在同一平面內(nèi)，折射光線和入射光線分別們位于法線的兩 側。b、 入射角的正弦跟折射角的正弦之比是一個常量，即：sini/sinr=n在折射現(xiàn)象中，光路也是可逆的。3折射率：由折射定律可知：光從一種介質射入另一種介質時，盡管折射角的大小隨著入射角的大小在變化， 但是兩個角的正弦之比是個常量，對于水、玻璃等各種介質都是這樣，但是，對于不同介質，比值 n 的大小并不相同，例如，光從空氣射入水時這個比值為1.33,從空氣射入普通玻璃時，比值約為1.5。因此，常量

3、n 是一個能夠反映介質的光學性質的物理量，我們把它叫做介質折射率。光在不同介質中的傳播速度不同（介質 n 越大，光傳播速度越?。?。某種介質的折射率，等于光在真空中的速度 c 跟光在這種介質中的速度 v 之比，即：n=c/v注意：1.真空中的折射率 n=1（空氣中一般視為真空），其他介質的折射率 n1。2. 通過比較入射角 i 和折射角 r 的大小判斷入射介質和折射介質的折射率大小,n折，反之當 i門折3. 折射率 n 越大，折射越明顯，折射角越小。4.全反射現(xiàn)象光疏媒質：兩種媒質中折射率較小的媒質叫做光疏媒質光密媒質：兩種媒質中折射率較大的媒質叫做光密媒質發(fā)生全反射的條件：1）、光從光密媒質射

4、向光疏媒質；2）、入射角大于或等于臨界角，即 i C1、 全反射：當光從光密媒質進入光疏媒質時，折射角大于入射角.當入射角增大到某一角度時，折射角等于 900,此時,折射光完全消失，入射光全部反回原來的媒質中，這種現(xiàn)象叫做全反射.2、臨界角：1）、定義：光從光密媒質射向光疏媒質時，折射角等于 90時的入射角，叫做臨界角.用字母 C 表示.臨界角是指光由光密媒質射向光疏媒質時，發(fā)生全反射形象時的最小入射角光密媒質射入光疏媒質時：若入射角 i C，則發(fā)生全反射形象.全反射的實例：1、光導纖維一光纖通訊：一種利用光的全反射原理制成的能傳導光的玻璃絲，由內(nèi)芯和外套組成，直徑只有幾微米到 100 微米左

5、右，內(nèi)芯的折射 率大于外套的折射率.當光線射到光導纖維的端面上時，光線就 折射進入光導纖維內(nèi)，經(jīng)內(nèi)芯與外套的界面發(fā)生多次全反射后 從光導纖維的另一端面射出，而不從外套散逸，故光能損耗極小如果把光導纖維聚集成束使其兩端纖維排列的相對位置相同，這樣的纖維束就可以傳送圖像，如圖所示。利用光導纖維可以彎曲傳光，傳像，可制作各種潛望鏡，醫(yī)用內(nèi)窺鏡等.2、海市蜃樓的成因和規(guī)律：當 ir 時，n入，是發(fā)生全反射的臨界狀態(tài).當光由3夏天，在氣壓恒定的海面上，空氣密度隨高度增加而減小，對光的折射率也隨之減小從而形成一具有折射率梯度的空氣層。當光線通過此空氣層時，將發(fā)生偏轉。如下圖所示，設一束從遠處景物 A 發(fā)出

6、的光線 a 以入射角 I 由折射率為 n 處射入空氣層。由折射定律有：nsini=nisinr1(1)nisinri=n2sinr2.(2)聯(lián)立(1 )、(2 )式可得：nsini=n2sinr2依此類推:可見，當 n、i 一定時，從下層空氣進入上層 空氣的入射角不斷增大，當增大到由某兩層空氣 的折射率決定的臨界角時，就會全反射。人在 C 處逆著 C 光線看，可看到經(jīng)全反射形成的倒立虛像；在 B 處逆著 b 光線看，也可 看到經(jīng)折射形成的正立虛像?？傊Ｈ羧嗽谳^高處，看到的是由折射 形成的正立虛像；若人在較低處，看到的蜃景是 由折射和全反射形成的倒立虛像。典型例題解析:例題 1根據(jù)下面的漫畫(

7、BD )A. 人看到的是魚的實像B. 人看到的是魚的虛像C. 魚看到的是人的實像D. 魚看到的是人的虛像，判斷下列說法正確的是，位置變淺了，位置變淺了，位置偏低些，位置偏高些解：本題考查折射成像水面下的魚發(fā)出的光線，經(jīng)水面發(fā)生折射后出射角變大，遠離了 法線，光線進入人眼后，人眼逆著射來的光線尋找魚，看到的是魚的虛 像，位置變淺了，光路圖如圖所示岸上的人發(fā)出的光線，經(jīng)水面發(fā)生折射后水中的折射角變小水:fii近了法線，光線進入魚眼后，魚眼逆著射來的光線尋找人，看到的是人的虛像，位置變高了洸路圖如圖所示.B、D 正確.例題 2.光線由媒質 A 射向媒質 B,入射角 i 小于折射角丫，由此可知(C)A

8、、媒質 A 是光疏媒質;B 光在媒質 A 中速度比在媒質 B 中大；C 媒質 A 的折射率大于媒質 B 的折射率；D 光從媒質 A 進入媒質 B 不可能發(fā)生全反射。例題 3.束單色光自真空射向折射率為2 的介質的界面上形成反射光束和折射光束，下列說法正確的是：(AD )A、反射光和折射光的顏色相同，nsini=n45B、反射光和折射光的光速相同，C、反射光和折射光的波長相同，D、反射光和折射光的頻率相同。解：光的顏色和頻率是光的固有屬性，不會因反射和折射而改變。例題 4如圖所示，紅光和紫光以不同的角度，沿半徑方向射向半圓形玻璃磚的圓心它們的出射光線沿 0P 方向，則下列說法中正確的是（ D）A

9、. A0 是紅光，穿過玻璃磚所需時間短B. A0 是紫光，穿過玻璃磚所需時間短C. A0 是紅光，穿過玻璃磚所需時間長D. A0 是紫光，穿過玻璃磚所需時間長解：紅光的波長為 760nm,紫光的波長為 400nm 由vT可知V紅V紫c因為n所以n紅n紫，由折射時光路可逆原理，當光有空氣射向半圓形玻璃磚時，v（PO OA;PO OB）,根據(jù)前面的知識點折射率 n 越大，折射越明顯，折射角越小。所以OA 為折射率大的紫光，且紫光的速度小，穿過相同的半徑時需要的時間長。例題 5如圖，一玻璃柱體的橫截面為半圓形，細的單色光束從空氣射向柱體的O 點（半圓的圓心），產(chǎn)生反射光束 1 和透射光束 2,已知玻

10、璃折射率為.運,當入射角i60時，求反射光束 1 和透射光束 2 之間的夾角多大?解:反射角ii60由折射定律si ni nsin r解得折射角 r = 30 因此反射光束 1 和透射光束 2 之間的夾角180(i r) 90例題 6.光線從空氣射入n3的介質中，反射光線恰垂直于折射光線，則入射角約為多少?解：根據(jù)光的反射定律有入射角i 跟反射角B相等 i=B,根據(jù)題意折射光線與反射光線垂直，即兩光線的夾角為 90,則反射角B與折射角r 互余，即B+r=90 ，貝 U i + r=90 .又根據(jù)折射率的定義式：sin 1n - - -sin ramsin i.- - tan isin (90*

11、 - i) cos itan i -、民、民所以 i=60例題7光線以30入射角從玻璃中射到玻璃與空氣的界面上, 玻璃的折射率應為：它的反射光線與折射光線夾角為90,則這塊A、 0. 866;B、 1. 732;C、1 . 414;D、 1. 500。入射光267解：作出反射和折射的光路如圖所示，i 為玻璃中的入射角，B為反射角，丫為空氣中的折射角。由反射定律可知：i=3=30,且由幾何知識可得：丫 +3=180 90=90, 所以丫 =90一3=60。根據(jù)光路可逆原 理，光從A0 入射后從 OC 折射出，反過來從 CO 入射必從 OA 折射，這時空氣中的入射角為 r，玻璃中折 射角為 i，故

12、有 n=sin丫 /sini=sin600/sin300=1. 732，所以 B 選項正確。例題 8某單色光在真空中的波長為入，波速為c,它在折射率為 n 的介質中的速率為：（A）A、c/n ; B、c/（n 入）; C、nc ; D、c。例題 9.光線從空氣射入甲介質中時，入射角i=45 ，折射角 r=30 ，光線從空氣中射入乙介質中時，入射角 i =60,折射角 r =30.求光在甲、乙兩種介質中的傳播速度比.解：設光在甲介質中傳播的速度為v甲，光在乙介質中傳播的速度為 v乙.根據(jù)折射率的定義式得：sin isin 45口甲sin rsin 302根據(jù)折射率與光速的關系得:Gtie =一

13、彳甲所乩例題 10.圖示是一透明的圓柱體的橫截面，其半徑行光沿 AB 方向射向圓柱體，試求：1光在圓柱體中的傳播速度；2距離直線 AB 多遠的入射光線，折射后恰經(jīng)過解：光在圓柱體中的傳播速度v 3 108m/sn設光線 PC 經(jīng)折射后經(jīng)過B點，光路圖如圖所示由折射定律有:sinsin束平又由幾何關系有:解得o60光線 PC 離直線AB 的距離CD=Rsina=10 .3 cm8例題 11.一束光從空氣射向折射率為n =2的某種玻璃的表面，i 代表入射角，則(BCD )(A) 當 i 45時，會發(fā)生全反射現(xiàn)象(B)無論入射角 i 多大，折射角都不會超過45(C) 欲使折射角等于 30,應以 i=

14、45。的角度入射(D) 當 i=arctg2時，反射光線跟折射光線恰好互相垂、空=少77夕少？例題 12.光在真空和某種介質的界面上的光路如圖所示，則在這個界面上發(fā)生全反射的條件應是光由介質到真空；入射角大于等于45;光在這種介質中的傳播速度為解：由圖可知 i=45 , r=30n塑.2 sinc丄1sin rn、245例題 13.光導纖維是一種比頭發(fā)還細的玻璃絲，這種玻璃絲分為內(nèi)外兩層(芯線和包層)，芯線的折射率比包層的折射率 大。海市蜃樓是光在密度分布不均勻的空氣中傳播時發(fā)生全反射而產(chǎn)生的，原因是海面上的下層空氣的折射率比上層_大在沙漠中也會看到“海市蜃樓”現(xiàn)象，原因是接近沙面的空氣層比上

15、層空氣的折射率 小。例題 14兩種單色光由玻璃射向空氣時發(fā)生了全反射，臨界角分別為1、2，且12.nn2分別表示玻璃對這兩種單色光的折射率,v1、v2分別表示這兩種單色光在玻璃中的傳播速度，則(B)A. mn2,v1v2B.niv2C.nn2,v1v2解：本題考查折射率與臨界角、折射率與傳播速度的關系cv= ,n1V2.只有 B 正確.n1 1.根據(jù):sin0= 一，n= nsin.因12,故 m n?;又例題 15.在“測定玻璃折射率”的實驗中，根據(jù)測得的入射角和折射角的正弦值畫出的圖線如圖所示.當光線是由空氣射入玻璃磚時，則1和2中為入射角的是 _ ;當光線由玻璃磚射入空氣時，臨界角的正弦值是_;從圖線可知玻璃磚的折射率是 _ .910解:本題考查測定玻璃折射率實驗數(shù)據(jù)的處理及臨界角的概念1比2的正弦值大，所以i為入射角由圖線知玻璃磚的折射率為n=J=1.50sin21 1則臨界角