高考物理一輪復(fù)習(xí)講義專題11.1　光的折射、全反射（原卷版）

專題11.1光的折射、全反射【講】【講核心素養(yǎng)】1.物理觀念：折射率、全反射。（1）知道折射率的概念定義以及其物理意義是描述介質(zhì)對(duì)光的偏折程度的一個(gè)物理量。（2）知道光的全反射現(xiàn)象及其產(chǎn)生的條件。2.科學(xué)思維：折射定律、常見光學(xué)介質(zhì)模型。（1）通過實(shí)驗(yàn)，理解光的折射定律。（2）掌握常見光學(xué)介質(zhì)模型對(duì)光路的控制特點(diǎn)及光路圖的構(gòu)建。3.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：知道光的全反射現(xiàn)象及其產(chǎn)生的條件。初步了解光纖的工作原理、光纖技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用?！局v考點(diǎn)題型】【知識(shí)點(diǎn)一】折射定律和折射率的理解及應(yīng)用1.折射定律（1）內(nèi)容：如圖所示，折射光線與入射光線、法線處在同一平面內(nèi)，折射光線與入射光線分別位于法線的兩側(cè)；入射角的正弦與折射角的正弦成正比。（2）表達(dá)式：eq\f(sinθ1,sinθ2)＝n。（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(gè)反映介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)的物理量。（2）定義式：n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)。（3）計(jì)算公式：n＝eq\f(c,v)，因?yàn)関＜c，所以任何介質(zhì)的折射率都大于1。（4）當(dāng)光從真空（或空氣）斜射入某種介質(zhì)時(shí)，入射角大于折射角；當(dāng)光由介質(zhì)斜射入真空（或空氣）時(shí)，入射角小于折射角。3.折射率的理解（1）折射率由介質(zhì)本身性質(zhì)決定，與入射角的大小無關(guān)。（2）折射率與介質(zhì)的密度沒有關(guān)系，光密介質(zhì)不是指密度大的介質(zhì)。（3）同一種介質(zhì)中，頻率越大的色光折射率越大，傳播速度越小。【方法總結(jié)】1.根據(jù)折射定律和入射光線畫出折射光線，找到入射角和折射角，要注意入射角、折射角是入射光線、折射光線與法線的夾角，而不是入射光線、折射光線與界面的夾角．2.應(yīng)用公式n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)時(shí)，要牢記sinθ1是入射角的正弦，sinθ2是折射角的正弦，即分子上代真空中光線與法線夾角的正弦值，分母上代介質(zhì)中光線與法線夾角的正弦值．三角函數(shù)關(guān)系式要熟練掌握．例如sinθ＝cos（90°－θ），sin2θ＋cos2θ＝1等．3.在折射現(xiàn)象中，光路是可逆的．如果遇到光從某種介質(zhì)射入空氣中，入射角和折射角不要代入錯(cuò)誤.4.光的折射問題解題步驟【例1】（2022·湖南省沅陵縣楓香坪九校高三開學(xué)考試）如圖所示為半圓形玻璃磚，O為圓心，AB是水平直徑，C為AO中點(diǎn)，一束單色光斜射到C點(diǎn)，逐漸改變?nèi)肷浞较?，?dāng)入射光與AB面夾角為θ時(shí)，折射光線從圓弧的最高點(diǎn)D點(diǎn)射出，則玻璃磚對(duì)光的折射率為（）A．SKIPIF1<0 B．SKIPIF1<0 C．SKIPIF1<0 D．SKIPIF1<0【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維及物理觀念。要求考生在正確理解折射率的概念?！咀兪接?xùn)練1】（多選）（2022·云南·昆明一中高三開學(xué)考試）一個(gè)水平放置的透明球殼內(nèi)一半的體積充滿了某種均質(zhì)透明膠體，如圖所示。為了研究膠體的折射率，用一激光筆從下半部分的C點(diǎn)射向球心O，在球殼的上半部分D點(diǎn)接收到光線。將激光筆從C點(diǎn)向A移動(dòng)，移動(dòng)過程中保持光線始終射向球心O。當(dāng)光線與界面AB的夾角θ為53°時(shí)，恰好觀察不到從界面AB射向空氣的光束。此時(shí)（

）A．膠體的折射率為1.25B．膠體的折射率為1.67C．激光在膠體中的傳播速度為SKIPIF1<0D．θ為53°時(shí)激光在膠體中的傳播時(shí)間為SKIPIF1<0【歸納總結(jié)】1.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)，也反映了光在介質(zhì)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(zhì)本身有關(guān)，還與光的頻率有關(guān)。同一種介質(zhì)中，頻率越大的色光折射率越大，傳播速度越小。（3）同一種色光，在不同介質(zhì)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(huì)逆著原來的入射光線發(fā)生折射?！纠?】（2022·湖北·高考真題）如圖所示，水族館訓(xùn)練員在訓(xùn)練海豚時(shí)，將一發(fā)光小球高舉在水面上方的A位置，海豚的眼睛在B位置，A位置和B位置的水平距離為d，A位置離水面的高度為SKIPIF1<0d。訓(xùn)練員將小球向左水平拋出，入水點(diǎn)在B位置的正上方，入水前瞬間速度方向與水面夾角為θ。小球在A位置發(fā)出的一束光線經(jīng)水面折射后到達(dá)B位置，折射光線與水平方向的夾角也為θ。已知水的折射率SKIPIF1<0，求：（1）tanθ的值；（2）B位置到水面的距離H?！舅仞B(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維?！咀兪接?xùn)練2】（2022·江蘇·高考真題）如圖所示，兩條距離為D的平行光線，以入射角θ從空氣射入平靜水面，反射光線與折射光線垂直，求：（1）水的折射率n；（2）兩條折射光線之間的距離d?！炯记煽偨Y(jié)】應(yīng)用光的折射定律解題的一般思路（1）根據(jù)入射角、折射角及反射角之間的關(guān)系，作出比較完整的光路圖。（2）充分利用光路圖中的幾何關(guān)系，確定各角之間的關(guān)系，根據(jù)折射定律求解相關(guān)的物理量：折射角、折射率等。（3）注意在折射現(xiàn)象中，光路是可逆的?！局R(shí)點(diǎn)二】全反射現(xiàn)象的理解和綜合分析（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，使折射角達(dá)到90°時(shí)，折射光完全消失，只剩下反射光的現(xiàn)象。（2）條件：①光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)；②入射角大于或等于臨界角。（3）臨界角：折射角等于90°時(shí)的入射角。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，則sinC＝eq\f(1,n)。介質(zhì)的折射率越大，發(fā)生全反射的臨界角越小?！痉椒偨Y(jié)】1.求解光的折射、全反射問題的四點(diǎn)提醒（1）光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)是相對(duì)而言的。同一種介質(zhì)，相對(duì)于其他不同的介質(zhì)，可能是光密介質(zhì)，也可能是光疏介質(zhì)。（2）如果光線從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)，則無論入射角多大，都不會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象。（3）在光的反射和全反射現(xiàn)象中，均遵循光的反射定律，光路均是可逆的。（4）當(dāng)光射到兩種介質(zhì)的界面上時(shí)，往往同時(shí)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。2．解決全反射問題的一般方法（1）確定光是從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)。（2）應(yīng)用sinC＝eq\f(1,n)確定臨界角。（3）根據(jù)題設(shè)條件，判定光在傳播時(shí)是否發(fā)生全反射。（4）如發(fā)生全反射，畫出入射角等于臨界角時(shí)的臨界光路圖。（5）運(yùn)用幾何關(guān)系或三角函數(shù)關(guān)系以及反射定律等進(jìn)行分析、判斷、運(yùn)算，解決問題。【例3】（2022·山東·高考真題）柱狀光學(xué)器件橫截面如圖所示，SKIPIF1<0右側(cè)是以O(shè)為圓心、半徑為R的SKIPIF1<0圓，左則是直角梯形，SKIPIF1<0長為R，SKIPIF1<0與SKIPIF1<0夾角SKIPIF1<0，SKIPIF1<0中點(diǎn)為B。a、b兩種頻率的細(xì)激光束，垂直SKIPIF1<0面入射，器件介質(zhì)對(duì)a，b光的折射率分別為1.42、1.40。保持光的入射方向不變，入射點(diǎn)從A向B移動(dòng)過程中，能在SKIPIF1<0面全反射后，從SKIPIF1<0面射出的光是（不考慮三次反射以后的光）（

）A．僅有a光 B．僅有b光 C．a(chǎn)、b光都可以 D．a(chǎn)、b光都不可以【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維?！咀兪接?xùn)練3】（2022·四川省德陽市第三中學(xué)高三開學(xué)考試）如圖所示，平靜湖面岸邊的垂釣者，眼睛恰好位于岸邊SKIPIF1<0點(diǎn)正上方SKIPIF1<0的高度處，水面與SKIPIF1<0點(diǎn)同高，浮標(biāo)SKIPIF1<0離SKIPIF1<0點(diǎn)SKIPIF1<0遠(yuǎn)，魚餌燈SKIPIF1<0在浮標(biāo)正前方SKIPIF1<0處的水下，垂釣者發(fā)現(xiàn)魚餌燈剛好被浮標(biāo)擋住，已知水的折射率SKIPIF1<0，求∶（1）魚餌燈離水面的深度；（2）若魚餌燈緩慢豎直上浮，當(dāng)它離水面多深時(shí)，魚餌燈發(fā)出的光恰好無法從水面SKIPIF1<0間射出。【必備知識(shí)】1.分析綜合問題的基本思路（1）判斷光線是從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)還是從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)。（2）判斷入射角是否大于等于臨界角，明確是否發(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(shí)還可應(yīng)用光路的可逆原理畫出光路圖，然后結(jié)合幾何知識(shí)進(jìn)行推斷和求解相關(guān)問題。（4）折射率n是討論折射和全反射問題的重要物理量，是聯(lián)系各物理量的橋梁，應(yīng)熟練掌握跟折射率有關(guān)的所有關(guān)系式。2.求光的傳播時(shí)間的一般思路（1）全反射現(xiàn)象中，光在同種均勻介質(zhì)中的傳播速度不發(fā)生變化。即v＝eq\f(c,n)。（2）全反射現(xiàn)象中。光的傳播路程應(yīng)結(jié)合光路圖與幾何關(guān)系進(jìn)行確定。（3）利用t＝eq\f(l,v)求解光的傳播時(shí)間?！局R(shí)點(diǎn)三】光的色散（1）光的色散①現(xiàn)象：一束白光通過三棱鏡后在屏上會(huì)形成彩色光帶。（如圖所示）②成因：棱鏡材料對(duì)不同色光的折射率不同，對(duì)紅光的折射率最小，紅光通過棱鏡后的偏折程度最小，對(duì)紫光的折射率最大，紫光通過棱鏡后的偏折程度最大，從而產(chǎn)生色散現(xiàn)象。（2）各種色光的比較顏色紅橙黃綠青藍(lán)紫頻率ν低→高同一種介質(zhì)中的折射率小→大同一種介質(zhì)中的速度大→小波長大→小通過棱鏡的偏折角小→大臨界角大→小雙縫干涉時(shí)的條紋間距大→小【例4】（2022·江蘇省響水中學(xué)高三開學(xué)考試）如圖所示，一束復(fù)色光射向半圓形玻璃磚的圓心O，經(jīng)折射后分為兩束單色光a和b，下列判斷正確的是（）A．a(chǎn)光在玻璃中的速度大于b光在玻璃中的速度B．a(chǎn)、b兩束光遇到障礙物時(shí)，a光更容易發(fā)生衍射C．增大復(fù)色光的入射角，在玻璃磚的右邊最先消失的是a光D．a(chǎn)、b光通過同一個(gè)雙縫干涉裝置，a光的干涉條紋間距大于b光的干涉條紋間距【素養(yǎng)提升】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是物理觀念與科學(xué)思維?！咀兪接?xùn)練4】（多選）（2022·海南·昌江黎族自治縣礦區(qū)中學(xué)二模）如圖，一束光經(jīng)玻璃三棱鏡折射后分為兩束單色光a、b，波長分別為SKIPIF1<0、SKIPIF1<0，該玻璃對(duì)單色光a、b的折射率分別為SKIPIF1<0、SKIPIF1<0，則（）A．SKIPIF1<0 B．SKIPIF1<0 C．SKIPIF1<0 D．SKIPIF1<0【方法總結(jié)】1．光線射到介質(zhì)的界面上時(shí)，要注意對(duì)產(chǎn)生的現(xiàn)象進(jìn)行分析：（1）若光線從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)，不會(huì)發(fā)生全反射，而同時(shí)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，不同色光偏折角不同。（2）若光線從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，是否發(fā)生全反射，要根據(jù)計(jì)算判斷，要注意不同色光臨界角不同。2．作圖時(shí)要找出具有代表性的光線，如符合邊界條件或全反射臨界條件的光線。3．解答時(shí)注意利用光路可逆性、對(duì)稱性和幾何知識(shí)?！局R(shí)點(diǎn)四】常見光學(xué)介質(zhì)模型平行玻璃磚、三棱鏡和圓柱體（球）對(duì)光路的控制類別項(xiàng)目平行玻璃磚三棱鏡圓柱體（球）結(jié)構(gòu)玻璃磚上下表面是平行的橫截面為三角形橫截面是圓對(duì)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(cè)移通過三棱鏡的光線經(jīng)兩次折射后，出射光線向棱鏡底邊偏折圓界面的法線是過圓心的直線，經(jīng)過兩次折射后向圓心偏折應(yīng)用測(cè)定玻璃的折射率改變光的傳播方向改變光的傳播方向特別提醒不同顏色的光的頻率不同，在同一種介質(zhì)中的折射率、光速也不同，發(fā)生全反射現(xiàn)象的臨界角也不同。模型一圓形玻璃磚【例5】（2022·河北·高考真題）如圖，一個(gè)半徑為R的玻璃球，O點(diǎn)為球心。球面內(nèi)側(cè)單色點(diǎn)光源S發(fā)出的一束光在A點(diǎn)射出，出射光線AB與球直徑SC平行，θ=30°。光在真空中的傳播速度為c。求：（i）玻璃的折射率；（ii）從S發(fā)出的光線經(jīng)多次全反射回到S點(diǎn)的最短時(shí)間?！舅仞B(yǎng)提升】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維?！咀兪接?xùn)練5】（2022·河南安陽·模擬預(yù)測(cè)）如圖所示，圓心為О的半圓形玻璃磚半徑為R，A為半圓形玻璃磚平面上的一點(diǎn)，一束單色光以SKIPIF1<0的入射角從A點(diǎn)射入玻璃磚，光線經(jīng)過玻璃磚2次折射，從玻璃磚圓表面離開的光線相對(duì)于最初的入射光線發(fā)生了側(cè)移，但傳播方向未變。若入射光線從A點(diǎn)垂直于半圓形玻璃磚平面入射，則第一次射到玻璃磚圓表面光線恰好不能從玻璃磚射出。求：（i）玻璃的折射率；（ii）光線發(fā)生側(cè)移的距離?！炯挤偨Y(jié)】解答全反射問題的技巧（1）解答全反射問題時(shí)，要抓住發(fā)生全反射的兩個(gè)條件：①光必須從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)；②入射角大于或等于臨界角。（2）利用好光路圖中的臨界光線，準(zhǔn)確地判斷出恰好發(fā)生全反射的光路圖是解題的關(guān)鍵，且在作光路圖時(shí)盡量與實(shí)際相符。模型二三角形玻璃磚【例6】（2022·浙江·高三開學(xué)考試）截面為等腰直角三角形的棱鏡叫全反射棱鏡，這種棱鏡在光學(xué)儀器中廣泛用于改變光的傳播方向。如圖所示，一激光筆發(fā)射出一束光線從SKIPIF1<0邊上的P點(diǎn)射入棱鏡，P點(diǎn)離C點(diǎn)距離為SKIPIF1<0邊長的SKIPIF1<0，入射光方向可調(diào)，強(qiáng)度不變?，F(xiàn)使入射光從垂直于SKIPIF1<0方向順時(shí)針逐漸旋轉(zhuǎn)到垂直于SKIPIF1<0方向，已知此棱鏡的折射率為SKIPIF1<0，SKIPIF1<0邊長為L，不考慮光在SKIPIF1<0邊的反射光線，在此過程中以下說法正確的是（）A．入射光射入棱鏡后可能從SKIPIF1<0邊射出B．垂直于SKIPIF1<0方向入射的光線在Р點(diǎn)的折射光線和反射光線的夾角為120°C．垂直于SKIPIF1<0方向入射的光線在棱鏡中的時(shí)間為SKIPIF1<0D．隨著入射光線的旋轉(zhuǎn)，從SKIPIF1<0邊反射光線的強(qiáng)度越來越強(qiáng)【素養(yǎng)提升】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維?！咀兪接?xùn)練6】（多選）（2022·貴州貴陽·高二期末）如圖所示，在等邊三棱鏡截面ABC內(nèi)，有一束單色光從空氣射向其邊界上的E點(diǎn)，已知該單色光入射方向與三棱鏡邊界AB的夾角SKIPIF1<0，該單色光在三棱鏡中的傳播光線與底邊BC平行。則下列說法中正確的是（）A．該單色光在AB邊界發(fā)生全反射B．該單色光從空氣進(jìn)入棱鏡后頻率不變C．該單色光在AC邊界發(fā)生全反射D．該單色光在AC邊界的折射角為60°E．三棱鏡對(duì)該單色光的折射率為SKIPIF1<0【技巧總結(jié)】求解光的折射、全反射問題的三點(diǎn)注意（1）明確哪種介質(zhì)是光密介質(zhì)、哪種介質(zhì)是光疏介質(zhì)。同一種介質(zhì)，相對(duì)于其他不同的介質(zhì)，可能是光密介質(zhì)，也可能是光疏介質(zhì)。（2）如果光線從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)，則無論入射角多大，都不會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象。（3）當(dāng)光射到兩種介質(zhì)的界面上時(shí)，往往同時(shí)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。模型三光導(dǎo)纖維的構(gòu)造及傳播原理1.（1）構(gòu)造：光導(dǎo)纖維是一種透明的玻璃纖維絲，直徑只有1～100μm，如圖所示，它由內(nèi)芯和外套兩層組成，內(nèi)芯的折射率大于外套的折射率。（2）傳播原理：光由一端進(jìn)入，在兩層的界面上經(jīng)過多次全反射，從另一端射出，光導(dǎo)纖維可以遠(yuǎn)距離傳播光，光信號(hào)又可以轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)而變?yōu)槁曇?、圖像。2．光導(dǎo)纖維的折射率設(shè)光導(dǎo)纖維的折射率為n，當(dāng)入射角為θ1時(shí)，進(jìn)入端面的折射光線傳到側(cè)面時(shí)恰好發(fā)生全反射，如圖所示，則有sinC＝eq