第4章 习题课3 光的折射和全反射（Word教参）-【新课程学案】新教材2023-2024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]　(2022·湖南高考)如图，某种防窥屏由透明介质和对光完全吸收的屏障构成，其中屏障垂直于屏幕平行排列，可实现对像素单元可视角度θ的控制(可视角度θ定义为某像素单元发出的光在图示平面内折射到空气后最大折射角的2倍)。透明介质的折射率n＝2，屏障间隙L＝0.8 mm。发光像素单元紧贴屏下，位于相邻两屏障的正中间。不考虑光的衍射。 (1)若把发光像素单元视为点光源，要求可视角度θ控制为60°，求屏障的高度d； (2)若屏障高度d＝1.0 mm，且发光像素单元的宽度不能忽略，求像素单元宽度x最小为多少时，其可视角度θ刚好被扩为180°(只要看到像素单元的任意一点，即视为能看到该像素单元)。 [解析]　(1)发光像素单元射到屏障上的光被完全吸收，考虑射到屏障顶端的光射到透明介质和空气界面，折射后从界面射向空气，由题意可知θ＝60°，则r＝＝30° 在介质中的入射角为i，则＝n 解得sin i＝ 由几何关系得sin i＝ 解得d＝ mm≈1.55 mm。 (2)若可视角度θ刚好被扩为180°，则折射角r′＝＝90°，此时光线在界面发生全反射，光线在界面处的入射角sin C＝＝ 解得C＝30° 此时发光像素单元发光点距离屏障的距离为 x1＝dtan C＝ mm 像素单元宽度x最小为x＝2＝mm≈0.35 mm。 [答案]　(1)1.55 mm　(2)0.35 mm [针对训练] 1．(2022·辽宁高考)完全失重时，液滴呈球形，气泡在液体中将不会上浮。2021年12月，在中国空间站“天宫课堂”的水球光学实验中，航天员向水球中注入空气形成了一个内含气泡的水球。如图所示，若气泡与水球同心，在过球心O的平面内，用单色平行光照射这一水球。下列说法正确的是(　 ) A．此单色光从空气进入水球，频率一定变大 B．此单色光从空气进入水球，频率一定变小 C．若光线1在M处发生全反射，光线2在N处一定发生全反射 D．若光线2在N处发生全反射，光线1在M处一定发生全反射 解析：选C　光在不同介质中传播过程中频率不变，故A、B错误；如图所示，光线1在M处的入射角小于光线2在N处的入射角，如果感觉不明显，可以考虑光线1入射位置略微下移，故若光线1在M处发生全反射，光线2在N处一定发生全反射，C正确，D错误。 2． 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．(2022·重庆高考)如图所示，水面上有一透明匀质球，上半球露出水面，下半球内竖直中心轴上有红、蓝两种单色灯(可视为点光源)，匀质球对两种色光的折射率分别为n红和n蓝。为使从光源照射到上半球面的光，都能发生折射(不考虑光线在球内反射后的折射)，若红灯到水面的最大距离为h红。 (1)求蓝灯到水面的最大距离； (2)两灯都装在各自到水面的最大距离处，蓝灯在红灯的上方还是下方？为什么？ 解析：(1)为使从光源照射到上半球面的光，都能发生折射，