第四章 习题课3 光的折射和全反射(Word教参)-【新课程学案】新教材2022-2023学年高中物理选择性必修第一册（人教版2019）

习题课3　光的折射和全反射 核心素养导学 物理观念 进一步巩固光的折射、折射率，光的全反射、临界角等知识。 科学思维 熟练掌握折射、全反射光路图的作法，并将折射、全反射的物理规律和几何知识相结合。 综合提能一　光的折射和全反射综合问题 [融通知能] 1．光的折射和全反射的综合应用 物理观念 应用原理 常用公式 法线画法 几何光学 ①光的直线传播规律 ②光的反射定律 ③光的折射定律 ④光路可逆原理 ①折射定律公式：n＝ ②折射率与光速的关系n＝ ③全反射的临界角sin C＝ ①法线画成虚线 ②法线垂直于界面，如果界面是圆面，那应该垂直于圆的切线，即法线沿半径指向圆心 2.光的折射和全反射综合问题的解题思路 (1)确定光是由光密介质进入光疏介质，还是由光疏介质进入光密介质，并根据sin C＝确定临界角，判断是否发生全反射。 (2)画出光线发生折射、反射的光路图(全反射问题中关键要画出入射角等于临界角的“临界光路图”)。 (3)结合光的反射定律、折射定律及临界角C、几何关系进行分析与计算。 [典例]　(2021·山东等级考)超强超短光脉冲产生方法曾获诺贝尔物理学奖，其中用到的一种脉冲激光展宽器截面如图所示。在空气中对称放置四个相同的直角三棱镜，顶角为θ。一细束脉冲激光垂直第一个棱镜左侧面入射，经过前两个棱镜后分为平行的光束，再经过后两个棱镜重新合成为一束，此时不同频率的光前后分开，完成脉冲展宽。已知相邻两棱镜斜面间的距离d＝100.0 mm，脉冲激光中包含两种频率的光，它们在棱镜中的折射率分别为n1＝和n2＝。取sin 37°＝，cos 37°＝，＝1.890。 (1)为使两种频率的光都能从左侧第一个棱镜斜面射出，求θ的取值范围； (2)若θ＝37°，求两种频率的光通过整个展宽器的过程中，在空气中的路程差ΔL(保留3位有效数字)。 [解析]　(1)设C是全反射的临界角，光线在第一个三棱镜右侧斜面上恰好发生全反射时，根据折射定律得 sin C＝① 代入较大的折射率得C＝45°② 所以顶角θ的范围为0＜θ＜45°(或θ＜45°)。③ (2)脉冲激光从第一个三棱镜右侧斜面射出时发生折射，设折射角分别为α1和α2，由折射定律得 n1＝④ n2＝⑤ 设两束光在前两个三棱镜斜面之间的路程分别为L1和L2，则L1＝⑥ L2＝⑦ ΔL＝2(L1－L2)⑧ 联立④⑤⑥⑦⑧式，代入数据得ΔL≈14.4 mm。⑨ [答案]　(1)0＜θ＜45°(或θ＜45°)　(2)14.4 mm [针对训练] 1.(2021·浙江6月选考)用激光笔照射透明塑料制成的光盘边缘时观察到的现象如图所示。入射点O和两出射点P、Q恰好位于光盘边缘等间隔的三点处，空气中的四条细光束分别为入射光束a、反射光束b、出射光束c和d，已知光束a和b间的夹角为90°，则(　 ) A．光盘材料的折射率n＝2 B．光在光盘内的速度为真空中光速的三分之二 C．光束b、c和d的强度之和等于光束a的强度 D．光束c的强度小于O点处折射光束OP的强度 解析：选D　画出光路图，如图所示，由几何关系可得入射角为i＝45°，折射角为r＝30°，根据折射定律有n＝＝＝，A错误；根据v＝＝c，B错误；光束b、c和d的强度之和小于光束a的强度，因为在Q处光还有反射光线，C错误；光束c的强度与反射光线PQ强度之和等于折射光线OP的强度，D正确。 2．(2020·浙江7月选考)如图所示，圆心为O、半径为R的半圆形玻璃砖置于水平桌面上，光线从P点垂直界面入射后，恰好在玻璃砖圆形表面发生全反射；当入射角θ＝60°时，光线从玻璃砖圆形表面出射后恰好与入射光平行。已知真空中的光速为c，则(　 ) A．玻璃砖的折射率为1.5 B．OP之间的距离为R C．光在玻璃砖内的传播速度为c D．光从玻璃到空气的临界角为30° 解析：选C　光路图如图所示，设OP距离为x，当θ＝60°时，折射角为r，光从玻璃砖圆形表面射出时与玻璃砖的界面交点为Q，由出射光线与入射光线平行知过P点的法线与过Q点的法线平行， 则玻璃砖的折射率n＝＝ 又沿P点垂直入射的光恰好发生全反射， 则sin C＝＝，联立解得x＝R，n＝。故A、B错误。临界角C＝arcsin，光在玻璃砖中的速度v＝＝c。故C正确，D错误。 3.(2020·全国卷Ⅱ)直角棱镜的折射率n＝1.5，其横截面如图所示，图中∠C＝90°，∠A＝30°，截面内一细束与BC边平行的光线，从棱镜AB边上的D点射入，经折射后射到BC边上。 (1)光线在BC边上是否会发生全反射？说明理由； (2)不考虑多次反射，求从AC边射出的光线与最初的入射光线夹角的正弦值。 解析：(1)如图，设光线在D点的入射角为i，折射角为r。折射光线射到BC边上的E点。设光线在E点的入射角为θ，由几