(新高考)高考物理一輪復習課件第14章第1講《光的折射、全反射》(含解析)

第十四章光電磁波

自主命題卷全國卷考情分析2021·廣東卷·T16(2)光的折射、全反射2021·湖南卷·T16(2)光的折射2021·河北卷·T16(2)光的折射、全反射2020·浙江7月選考·T13光的折射、全反射2020·北京卷·T1光的干涉2020·山東卷·T3雙縫干涉2020·江蘇卷·T13B(1)電磁波2020·北京卷·T3電磁波、光的衍射2019·北京卷·T14光的干涉、衍射2021·浙江6月選考·T17(2)實驗：用雙縫干涉實驗測光的波長2019·天津卷·T9(2)實驗：測量玻璃的折射率2021·全國甲卷·T34(1)光的折射2021·全國乙卷·T34(2)光的折射、全反射2020·全國卷Ⅱ·T34(2)光的折射、全反射2020·全國卷Ⅲ·T34(2)光的折射、全反射2019·全國卷Ⅰ·T34(2)光的折射2019·全國卷Ⅲ·T34(2)光的折射、全反射2019·全國卷Ⅱ·T34(2)實驗：用雙縫干涉實驗測光的波長試題情境生活實踐類全反射棱鏡、光導纖維、增透膜、偏振濾光片、激光、雷達、射電望遠鏡、X射線管等學習探究類折射定律、全反射、測量玻璃的折射率、光的干涉現(xiàn)象、光的衍射、光的偏振現(xiàn)象、電磁振蕩、用雙縫干涉實驗測光的波長第1講光的折射、全反射目標要求1.理解折射率的概念，掌握光的折射定律.2.掌握發(fā)生全反射的條件并會用全反射的條件進行相關計算.內容索引考點一折射定律折射率考點二全反射考點三光的折射和全反射的綜合應用課時精練考點一折射定律折射率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

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

比.(2)表達式：

＝n12(n12為比例常數(shù)).2.折射率(1)定義式：n＝

.(2)計算公式：n＝

.因為v<c，所以任何介質的折射率都

.夯實必備知識基礎梳理同一平面正大于11.無論是光的折射，還是反射，光路都是可逆的.(

)2.入射角越大，折射率越大.(

)3.若光從空氣射入水中，它的傳播速度一定增大.(

)4.根據(jù)n＝

可知，介質的折射率與光在該介質中的傳播速度成反比.(

)√××√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＝(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，傳播速度越小.②同一種光，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.提升關鍵能力方法技巧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√如圖所示，由幾何關系可得入射角為i＝45°，折射角為r＝30°所以A錯誤；因為在Q處光還有反射光線，光束b、c和d的強度之和小于光束a的強度，所以C錯誤；光束c的強度與反射光束PQ強度之和等于折射光束OP的強度，所以D正確.例2如圖所示，有一塊兩個光學表面平行的光學元件，它對紅光和紫光的折射率分別為n1＝

、n2＝

.今有一束寬度為a＝3cm的紅、紫混合光從其上表面以θ＝53°的入射角入射，問此元件的厚度d至少為多大時，從元件下表面射出的紅、紫兩種光能分離？(已知sin53°＝

)答案

28.96cm作出如圖所示光路圖設A、B間距離為l，若恰好分開，則C、D間距離也為l，由幾何關系知dtan

α－dtan

β＝l，而l＝

＝5cm，由以上各式解得d≈28.96cm.考點二全反射1.光密介質與光疏介質夯實必備知識基礎梳理介質光密介質光疏介質折射率大小光速小大相對性若n甲＞n乙，則甲相對乙是

介質若n甲＜n丙，則甲相對丙是

介質光密光疏2.全反射(1)定義：光從

介質射入

介質時，當入射角增大到某一角度，折射光線

，只剩下反射光線的現(xiàn)象.(2)條件：①光從

介質射向

介質.②入射角

臨界角.(3)臨界角：折射角等于90°時的入射角.若光從介質(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，由n＝

，得sinC＝

.介質的折射率越大，發(fā)生全反射的臨界角越

.光密光疏消失光密光疏大于或等于小3.光導纖維光導纖維的原理是利用光的全反射(如圖).1.光密介質和光疏介質是相對而言的.同一種介質，相對于其他不同的介質，可能是光密介質，也可能是光疏介質.(

)2.只要入射角足夠大，就能發(fā)生全反射.(

)3.光線從光疏介質進入光密介質，入射角大于等于臨界角時發(fā)生全反射現(xiàn)象.(

)√××分析綜合問題的基本思路(1)判斷光線是從光疏介質進入光密介質還是從光密介質進入光疏介質.(2)判斷入射角是否大于或等于臨界角，明確是否會發(fā)生全反射現(xiàn)象.(3)畫出反射、折射或全反射的光路圖，必要時還可應用光路的可逆原理畫出光路圖，然后結合幾何知識推斷和求解相關問題.提升關鍵能力方法技巧例3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

，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°√設臨界角為C，根據(jù)全反射的條件可知，α≥C，而sinC＝

，則C＝60°，則α≥60°，A、B錯誤；光線從端點能射出，則有

＝n，其中i<90°，解得β>30°，C正確，D錯誤.例4如圖甲所示，在平靜的水面下深h處有一個點光源s，它發(fā)出兩種不同顏色的a光和b光，在水面上形成了一個有光線射出的圓形區(qū)域，該區(qū)域的中間為由a、b兩種單色光所構成的復色光圓形區(qū)域，周圍為環(huán)狀區(qū)域，且為a光的顏色(如圖乙).設b光的折射率為nb，則下列說法正確的是A.在水中，a光的波長比b光小B.水對a光的折射率比b光大C.在水中，a光的傳播速度比b光小D.復色光圓形區(qū)域的面積為S＝√a光的照射面積大，知a光的臨界角較大，根據(jù)sinC＝

知a光的折射率較小，所以a光的頻率較小，波長較大；根據(jù)v＝

知，在水中，a光的傳播速度比b光大，同一種色光在真空中和在水中頻率相同，由v＝λf可知，在水中，a光的波長比b光大，選項A、B、C錯誤；設復色光圓形區(qū)域半徑為r，復色光圓形區(qū)域邊緣，b光恰好發(fā)生全反射，依據(jù)sinC＝

，結合幾何關系，可知sinC＝

，而復色光圓形區(qū)域的面積S＝πr2，聯(lián)立解得S＝

，D正確.考點三光的折射和全反射的綜合應用例5

(2020·全國卷Ⅲ·34(2))如圖，一折射率為

的材料制作的三棱鏡，其橫截面為直角三角形ABC，∠A＝90°，∠B＝30°.一束平行光平行于BC邊從AB邊射入棱鏡，不計光線在棱鏡內的多次反射，求AC邊與BC邊上有光出射區(qū)域的長度的比值.考向1光在三角形玻璃磚中的折射和全反射問題答案2如圖(a)所示，設從D點入射的光線經(jīng)折射后恰好射向C點，光在AB邊上的入射角為θ1，折射角為θ2，由折射定律有sinθ1＝nsin

θ2

①設從DB范圍入射的光折射后在BC邊上的入射角為θ′，由幾何關系可知θ′＝30°＋θ2 ②由①②式并代入題給數(shù)據(jù)得θ2＝30° ③nsin

θ′>1 ④所以，從DB范圍入射的光折射后在BC邊上發(fā)生全反射，反射光線垂直射到AC邊，AC邊上全部有光射出.設從AD范圍入射的光折射后在AC邊上的入射角為θ″，如圖(b)所示.由幾何關系可知θ″＝90°－θ2

⑤由③⑤式和已知條件可知nsin

θ″>1 ⑥即從AD范圍入射的光折射后在AC邊上發(fā)生全反射，反射光線垂直射到BC邊上.設BC邊上有光線射出的部分為CF，由幾何關系得CF＝AC·sin30° ⑦AC邊與BC邊有光出射區(qū)域的長度的比值為例6

(2017·全國卷Ⅲ·34(2))如圖，一半徑為R的玻璃半球，O點是半球的球心，虛線OO′表示光軸(過球心O與半球底面垂直的直線).已知玻璃的折射率為1.5.現(xiàn)有一束平行光垂直入射到半球的底面上，有些光線能從球面射出(不考慮被半球的內表面反射后的光線).求：考向2光在球形玻璃磚中的折射和全反射問題(1)從球面射出的光線對應的入射光線到光軸距離的最大值；如圖甲，從底面上A處射入的光線，在球面上發(fā)生折射時的入射角為i，當i等于全反射臨界角iC時，對應入射光線到光軸的距離最大，設最大距離為l.i＝iC

①設n是玻璃的折射率，由全反射臨界角的定義有nsin

iC＝1 ②由幾何關系有③聯(lián)立①②③式并利用題給條件，得l＝

R ④

(2)距光軸

的入射光線經(jīng)球面折射后與光軸的交點到O點的距離.答案2.74R如圖乙，設與光軸相距

的光線在球面B點發(fā)生折射時的入射角和折射角分別為i1和r1，由折射定律有⑤設折射光線與光軸的交點為C，在△OBC中，由正弦定理有⑥由幾何關系有∠C＝r1－i1

⑦⑧聯(lián)立⑤⑥⑦⑧式及題給條件得課時精練1.(多選)如圖所示，光導纖維由內芯和包層兩個同心圓柱體組成，其中心部分是內芯，內芯以外的部分為包層，光從一端射入，從另一端射出，下列說法正確的是A.內芯的折射率大于包層的折射率B.內芯的折射率小于包層的折射率C.不同頻率的可見光從同一根光導纖維的一端傳輸?shù)搅硪欢怂玫臅r

間相同D.若紅光以如圖所示角度入射時，恰能在內芯和包層分界面上發(fā)生全反射，

則改用紫光以同樣角度入射時，也能在內芯和包層分界面上發(fā)生全反射√必備基礎練1234567891011√2.一復色光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√12345678910111234567891011因b光的偏折程度比c光大，可知玻璃對b光的折射率較大，則b光的頻率較大，根據(jù)v＝

可知b光在球中傳播速度小，而b光在球中傳播的距離較大，可知b光在球中的傳播時間長，選項A、C錯誤，B正確；根據(jù)光路可逆可知，增大a光入射角，兩種光都不能在玻璃球內發(fā)生全反射，選項D錯誤.3.人的眼球可簡化為如圖所示的光學模型，即眼球可視為由兩個折射率相同但大小不同的球體組成.沿平行于球心連線方向，入射寬度為

的平行光束進入眼睛，匯聚于視網(wǎng)膜上的P處(兩球心連線的延長線在大球1234567891011表面的交點)，圖中小球半徑為R，光線匯聚角為α＝30°，則兩球體折射率為√根據(jù)幾何關系可知，當光線對小球的入射角為45°，此時折射角為45°－15°＝30°，由折射定律可知n＝

，故選D.4.如圖，一長方體透明玻璃磚在底部挖去半徑為R的半圓柱，玻璃磚長為L.一束單色光垂直于玻璃磚上表面射入玻璃磚，且覆蓋玻璃磚整個上表面.已知玻璃的折射率為

，則半圓柱面上有光線射出A.在半圓柱穹頂部分，面積為B.在半圓柱穹頂部分，面積為πRLC.在半圓柱穹頂兩側，面積為D.在半圓柱穹頂兩側，面積為πRL1234567891011√12345678910115.(2021·全國甲卷·34(1))如圖，單色光從折射率n＝1.5、厚度d＝10.0cm的玻璃板上表面射入.已知真空中的光速為3×108m/s，則該單色光在玻璃板內傳播的速度為________m/s；對于所有可能的入射角，該單色光通過玻璃板所用時間t的取值范圍是__________s≤t<_____________s(不考慮反射).12345678910112×1085×10－10該單色光在玻璃板內傳播的速度為1234567891011當光垂直玻璃板射入時，光不發(fā)生偏折，該單色光通過玻璃板所用時間最短，當光的入射角是90°時，該單色光通過玻璃板所用時間最長.6.(2021·廣東卷·16(2))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.123456789101112345678910117.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

.求：(1)光線在E點的折射角并畫出光路圖；1234567891011能力綜合練答案30°光路圖見解析1234567891011由題OE＝OC＝R，則△OEC為等腰三角形，∠OEC＝∠ACB＝30°所以入射角：θ1＝60°由幾何關系：∠OED＝30°，則折射光平行于AB的方向，光路圖如圖：(2)光線從射入介質到射出圓弧傳播的距離和時間.12345678910111234567891011折射光線平行于AB的方向，8.(2021·河北卷·16(2))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：1234567891011(1)半圓柱體對該單色光的折射率；1234567891011光從半圓柱體A射入，滿足從光密介質到光疏介質，當θ＝60°時，A右側恰好無光線射出，即發(fā)生全反射，(2)兩個半圓柱體之間的距離d.12345678910111234567891011當入射角θ＝30°時，經(jīng)兩次折射從半圓柱體B的半徑出射，設折射角為r，光路如圖9.(2021·全國乙卷·34(2))用插針法測量上、下表面平行的玻璃磚的折射率.實驗中用A、B兩個大頭針確定入射光路，C、D兩個大頭針確定出射光路，O和O′分別是入射點和出射點，如圖(a)所示.測得玻璃磚厚度為h＝15.0mm，A到過O點的法線OM的距離AM＝10.0mm，M到玻璃磚的距離MO＝20.0mm，O′到OM的距離為s＝5.0mm.1234567891011(1)求玻璃磚的折射率；1234567891011從O點射入時，設入射角為α，折射角為β.根據(jù)題中所給數(shù)據(jù)可得：(2)用另一塊材料相同，但上下兩表面不平行的玻璃磚繼續(xù)實驗，玻璃磚的截面如圖(b)所示.光從上表面入射，入射角從0逐漸增大，達到45°時，玻璃磚下表面的出射光線恰好消失.求此玻璃磚上下表面的夾角.1234567891011答案15°1234567891011當入射角為45°時，設折射角為γ，由折射定律：設此玻璃磚上下表面的夾角為θ，光路如圖所示：而此時出射光線恰好消失，則說明發(fā)生全反射，由幾何關系可知：θ′＝θ＋30°＝C可得玻璃磚上下表面的夾角θ＝15°.10.(2020·全國卷Ⅱ·34(2))直角棱鏡的折射率n＝1.5，其橫截面如圖所示，圖中∠C＝90°，∠A＝30°.截面內一細束與BC邊平行的光線，從棱鏡AB邊上的D點射入，經(jīng)折射后射到BC邊上.(1)光線在BC邊上是否會發(fā)生全反射？說明理由；1234567891011答案見解析12345