第13章 第1讲 光的折射 全反射（PPT课件）-【导学教程】2025年物理新编高考大一轮总复习（人教版）

第十三章　光　电磁振荡与电磁波 第1讲　光的折射　全反射 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 必备知识·自主落实 01 关键能力·考点突破 02 课时作业·巩固提升 03 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 01 必备知识·自主落实 栏目导航 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 改变 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 两侧 正比 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 偏折角大 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 消失 大于或等于 光密介质 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 全反射 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 02 关键能力·考点突破 栏目导航 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 03 课时作业·巩固提升 点击进入Word 栏目导航 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 谢谢观看 栏目导航 第十三章　光　电磁振荡与电磁波 1 新课标要求 命题预测 光 光的折射定律 命题热点 1．光的折射和全反射。 2．光的干涉和衍射。 3．光学与数学知识的综合应用。 4．电磁场理论与电磁波的性质。 5．电磁波谱。 命题形式 1．以选择题为主，考查光的波动性。 2．计算题(主要考查光的折射和全反射)。 折射率 全反射、光导纤维 光的干涉、衍射和偏振现象 电磁振荡与电磁波 电磁振荡、电磁波 电磁波的发射、传播和接收 电磁波谱 实验：测量玻璃的折射率 实验：用双缝干涉测量光的波长 一、光的折射定律　折射率 1．折射现象 光从一种介质斜射进入另一种介质时传播方向发生____的现象。如图所示。 2．折射定律 (1)内容：折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的____；入射角的正弦值与折射角的正弦值成____。 (2)表达式：eq \f(sin θ1,sin θ2)＝n12，式中n12是比例常数。 3．折射率 (1)物理意义：折射率反映介质的光学特性，折射率大，说明光从真空射入到该介质时________，反之偏折角小。 (2)定义式：n＝________。 (注：折射率由介质本身的光学性质和光的频率决定) (3)计算公式：n＝______，因v＜c，故任何介质的折射率总大于1。 eq \f(sin θ1,sin θ2) eq \f(c,v) 二、全反射　光导纤维 1．全反射 (1)定义：光从光密介质射入光疏介质，当入射角增大到某一角度时，折射光线____，只剩下反射光线的现象。 (2)条件：①光从光密介质射向光疏介质；②入射角__________临界角。 (3)临界角：折射角等于90°时的入射角。若光从________(折射率为n)射向真空或空气时，发生全反射的临界角为C，则sin C＝eq \f(1,n)。介质的折射率越大，发生全反射的临界角越小。 2．光导纤维 光导纤维的原理是利用光的______。(如图所示) 1．如图所示，黄光从圆柱体圆面上的中心O点折射入光导纤维，恰好在侧面上的A点发生全发射，已知圆柱体对黄光的折射率为n，圆柱体长度为L，光在真空中的传播速度为c。下列说法正确的是(　　) A．入射角的正弦值sin α＝eq \r(n2－1) B．此单色光在圆柱体中的传播时间为eq \f(nL,c) C．减小入射角α，此单色光在圆柱体中传播的时间变长 D．换用红光以相同的入射角从O点射入圆柱体，红光可能从A点右侧折射出圆柱体 答案　A 2．人教版选择性必修第一册教材图4­7图中阴影部分ABC为一折射率n＝2的透明材料做成的柱形光学元件的横截面， eq \o(AC,\s\up18(︵)) 为一半径为R的四分之一圆弧，在圆弧面圆心D处有一点光源，ABCD构成正方形，若只考虑首次从 eq \o(AC,\s\up18(︵)) 直接射向AB、BC的光线，光在真空中的光速为c，则(　　) A．从AB、BC面有光射出的区域总长度为eq \f(2\r(3),3)R B．从AB、BC面有光射出的区域总长度为R C．点光源发出的光射到AB面上的最长时间为eq \f(\r(2)R,c) D．点光源发出的光射到AB面上的最长时间为eq \f(2\r(2)－1R,c) 答案　A 3．人教版选择性必修第一册教材图4­3“道威棱镜”被广泛用来进行图形翻转。如图所示，某个“道威棱镜”的横截面ABCD为底角45°的等腰梯形，O为AB中点，P为OA中点。光线1和光线2为两条与BC平行的光线，分别从P点和O点射入棱镜，两条光线均在BC上发生一次全反射后从CD射出，其中光线2的出射点为CD的中点Q(图中未标出)。已知棱镜对两条光线的折射率n＝eq \r(2)，AB长为eq \r(2)L，光在真空中的传播速度为c，sin 15°＝eq \f(\r(6)－\r(2),4)。求： (1)光线在BC面发生全反射的临界角C； (2)光线2在棱镜中的传播时间t； (3)光线1从CD射出时到BC的距离x。 答案　(1)45°　(2)2(eq \r(3)＋1)eq \f(L,c)　(3)eq \f(L,4) 考点一　折射率及折射定律 1．对折射率的理解 (1)折射率大小不仅反映了介质对光的折射本领，也反映了光在介质中传播速度的大小，v＝eq \f(c,n)。 (2)折射率的大小不仅与介质本身有关，还与光的频率有关。同一种介质中，频率越大的色光折射率越大，传播速度越小。 (3)同一种色光，在不同介质中虽然波速、波长不同，但频率相同。 2．平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制 平行玻璃砖 三棱镜 圆柱体(球) 结构 玻璃砖上下表面是平行的 横截面为三角形的三棱镜 横截面是圆 对光线的作用 通过平行玻璃砖的光线不改变传播方向，但要发生侧移 通过三棱镜的光线经两次折射后，出射光线向棱镜底面偏折 圆界面的法线是过圆心的直线，经过两次折射后向圆心偏折 应用 测定玻璃的折射率 全反射棱镜，改变光的传播方向 改变光的 传播方向 　如图所示，一艘帆船静止在湖面上，距水面4 m的湖底P点发出的激光束，从水面出射后恰好照射到帆船的竖直桅杆顶端，此时桅杆距P点的水平位移为7 m，该出射光束与竖直方向的夹角为53°(取sin 53°＝0.8)。已知水的折射率为eq \f(4,3)。 (1)求桅杆顶端高出水面的距离； (2)若旱季时，湖面水位降低了0.8 m，为使激光仍能照射到桅杆顶端(出射方向保持不变)，求此时桅杆距P点的水平位移。 [解析]　(1)设光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为x1，到P点的水平距离为x2，桅杆高度为h1，P点水深为h2；激光束在水中与竖直面的夹角为θ，由几何关系有eq \f(x1,h1)＝tan 53°，eq \f(x2,h2)＝tan θ 由折射定律有sin 53°＝nsin θ 设桅杆到P点的水平距离为x，则有x＝x1＋x2 联立方程代入数据解得h1＝3 m。 (2)此时设光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为x3，到P点的水平距离为x4，P点处水深为h4，桅杆到P点的水平距离为X，根据几何关系则有eq \f(x4,h4)＝tan θ，eq \f(x3,h1)＝tan 53°，h4＝h2－0.8 m，X＝x3＋x4 联立解得X＝6.4 m。 [答案]　(1)3 m　(2)6.4 m 　在例题中，若帆船的竖直桅杆顶端高出水面3 m。距水面4 m的湖底P点发出的激光束，从水面出射后恰好照射到桅杆顶端，该出射光束与竖直方向的夹角为53°(取sin 53°＝0.8)。已知水的折射率为eq \f(4,3)。 (1)求桅杆到P点的水平距离； (2)船向左行驶一段距离后停止，调整由P点发出的激光束方向，当其与竖直方向夹角为45°时，从水面射出后仍然照射在桅杆顶端，求船行驶的距离。 解析　(1)设光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为x1，到P点的水平距离为x2，桅杆高度为h1，P点处水深为h2；激光束在水中与竖直方向的夹角为θ，由几何关系有eq \f(x1,h1)＝tan 53°，eq \f(x2,h2)＝tan θ 由折射定律有sin 53°＝nsin θ 设桅杆到P点的水平距离为x，则x＝x1＋x2 联立方程并代入数据得x＝7 m。 (2)设激光束在水中与竖直方向的夹角为45°时，从水面出射方向与竖直方向夹角为i′ 由折射定律有sin i′＝nsin 45° 设船向左行驶的距离为x′，此时光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为x1′，到P点的水平距离为x2′，则x1′＋x2′＝x′＋x，eq \f(x1′,h1)＝tan i′，eq \f(x2′,h2)＝tan 45° 联立方程并代入数据得x′＝(6eq \r(2)－3)m≈5.5 m。 答案　(1)7 m　(2)5.5 m 1．如图，一折射率为eq \r(3)的材料制作的三棱镜，其横截面为直角三角形ABC，∠A＝90°，∠B＝30°。一束平行光平行于BC边从AB边射入棱镜，不计光线在棱镜内的多次反射，求AC边与BC边上有光出射区域的长度的比值。 解析　如图(a)所示，设从D点入射的光线经折射后恰好射向C点，光在AB边上的入射角为θ1，折射角为θ2，由折射定律有 sin θ1＝nsin θ2① 设从DB范围入射的光折射后在BC 边上的入射角为θ′， 由几何关系有θ′＝30°＋θ2② 由①②式并代入题给数据得θ2＝30°③ nsin θ′>1④ 所以，从DB范围入射的光折射后在BC边上发生全反射，反射光线垂直射到AC边，AC边上全部有光射出。 设从AD范围入射的光折射后在AC边上的入射角为θ″，如图(b)所示。由几何关系有θ″＝90°－θ2⑤ 由③⑤式和已知条件可知nsin θ″>1 即从AD范围入射的光折射后在AC边上发生全反射，反射光线垂直射到BC边上。设BC边上有光线射出的部分为CF，由几何关系得 CF＝AC·sin 30° AC边与BC边有光出射区域的长度的比值eq \f(AC,CF)＝2。 答案　2 2．(2023·全国乙卷)如图，一折射率为eq \r(2)的棱镜的横截面为等腰直角三角形△ABC，AB＝AC＝l，BC边所在底面上镀有一层反射膜。一细光束沿垂直于BC方向经AB边上的M点射入棱镜，若这束光被BC边反射后恰好射向顶点A，求M点到A点的距离。 解析　由题意可知作出光路图如图所示 光线垂直于BC方向射入，根据几何关系可知入射角为45°；由于棱镜折射率为eq \r(2)，根据n＝eq \f(sin i,sin r) 有sin r＝eq \f(1,2) 则折射角为30°； ∠BMO＝60°，因为∠B＝45°， 所以光在BC面的入射角为θ＝90°－(180°－60°－45°)＝15° 根据反射定律可知∠MOA＝2θ＝30° 根据几何关系可知∠BAO＝30°，即△MAO为等腰三角形，则eq \f(MO,AO)＝eq \f(\r(3),3) 又因为△BOM与△CAO相似，故有eq \f(BM,AC)＝eq \f(MO,AO) 由题知AB＝AC＝l 联立可得BM＝eq \f(\r(3),3)AC＝eq \f(\r(3),3)l 所以M到A点的距离为x＝MA＝l－BM＝eq \f(3－\r(3),3)l。 答案　eq \f(3－\r(3),3)l 考点二　全反射现象 1．求解光的折射、全反射问题的四点提醒 (1)光密介质和光疏介质是相对而言的。同一种介质，相对于其他不同的介质，可能是光密介质，也可能是光疏介质。 (2)如果光线从光疏介质进入光密介质，则无论入射角多大，都不会发生全反射现象。 (3)光的反射和全反射现象，均遵循光的反射定律，光路均是可逆的。 (4)当光射到两种介质的界面上时，往往同时发生光的折射和反射现象，但在全反射现象中，只发生反射，不发生折射。 2．求解全反射现象中光的传播时间的注意事项 (1)在全反射现象中，光在同种均匀介质中的传播速度不发生变化，即v＝eq \f(c,n)。 (2)在全反射现象中，光的传播路程应结合光路图与几何关系进行确定。 (3)利用t＝eq \f(l,v)求解光的传播时间。 　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)如图所示，设光线在D点的入射角为i，折射角为γ。折射光线射到BC边上的E点。设光线在E点的入射角为θ，由几何关系，有 θ＝90°－(30°－γ)>60°① 根据题给数据得 sin θ>sin 60°>eq \f(1,n)② 即θ大于全反射临界角，因此光线会在E点发生全反射。 (2)设光线在AC边上的F点射出棱镜，光线的入射角为i′，折射角为γ′，由几何关系、反射定律及折射定律，有i＝30°③ i′＝90°－θ④ sin i＝nsin γ⑤ nsin i′＝sin γ′⑥ 联立①③④⑤⑥式并代入题给数据，得sin γ′＝eq \f(2\r(2)－\r(3),4) 由几何关系，γ′即AC边射出的光线与最初的入射光线的夹角。 [答案]　(1)发生全反射，理由见解析　(2)eq \f(2\r(2)－\r(3),4) 　在例题中，直角三棱镜ABC，∠A等于30°，一束光线在纸面内垂直AB边射入棱镜。如图所示，发现光线刚好不能从BC面射出，而是最后从AC面射出。求： (1)透明物质的折射率n； (2)光线从AC面射出时的折射角α的正弦值。 解析　(1)由题意可知，光线从AB边垂直射入，恰好在BC面发生全反射，光线最后从AC面射出，光路图如图。 设该透明物质的临界角为C，由几何关系可知 C＝θ1＝θ2＝60°，sin C＝eq \f(1,n) 解得n＝eq \f(2\r(3),3)。 (2)由几何关系知β＝30°，由折射定律n＝eq \f(sin α,sin β) 解得sin α＝eq \f(\r(3),3)。 答案　(1)eq \f(2\r(3),3)　(2)eq \f(\r(3),3) 解决全反射问题的一般步骤 (1)确定光是从光密介质进入光疏介质。 (2)应用sin C＝eq \f(1,n)确定临界角。 (3)根据题设条件，判定光在传播时是否发生全反射。 (4)若发生全反射，画出入射角等于临界角时的临界光路图。 (5)运用几何关系或三角函数关系以及反射定律等进行分析、判断、运算，解决问题。 1．如图，△ABC是一直角三棱镜的横截面，∠A＝90°，∠B＝60°。一细光束从BC边的D点折射后，射到AC边的E点，发生全反射后经AB边的F点射出。EG垂直于AC交BC于G，D恰好是CG的中点。不计多次反射。 (1)求出射光相对于D点的入射光的偏角； (2)为实现上述光路，棱镜折射率的取值应在什么范围？ 解析　(1)光线在BC面上折射，由折射定律有sin i1＝nsin γ1① 式中，n为棱镜的折射率，i1和γ1分别是该光线在BC面上的入射角和折射角。光线在AC面上发生全反射，由反射定律有i2＝γ2 ② 式中i2和γ2分别是该光线在AC面上的入射角和反射角。 光线在AB面上发生折射，由折射定律有 nsin i3＝sin γ3③ 式中i3和γ3分别是该光线在AB面上的入射角和折射角。 由几何关系得i2＝γ2＝60°，γ1＝i3＝30°④ F点的出射光相对于D点的入射光的偏角为 δ＝(γ1－i1)＋(180°－i2－γ2)＋(γ3－i3)⑤ 由①②③④⑤式得δ＝60°⑥ (2)光线在AC面上发生全反射，光线在AB面上不发生全反射，有nsin i2≥nsin C＞nsin i3⑦ 式中C是全反射临界角，满足nsin C＝1⑧ 由④⑦⑧式知，棱镜的折射率n的取值范围应为 eq \f(2\r(3),3)≤n＜2。 答案　(1)60°　(2)eq \f(2\r(3),3)≤n＜2 2.城市音乐喷泉水下有好多彩灯，如图所示为圆形的水池俯视图，池边底部有一小彩灯S，小彩灯S到水面的距离h＝1.0 m，已知水的折射率为n＝eq \f(4,3)。已知当θ很小时，有sin θ＝tan θ，求： (1)观察者在S正上方看到的小彩灯深度； (2)S照亮的水面区域离小彩灯最远的水平距离。 解析　(1)在S正上方向的水面上看到小彩灯时， 光路如图所示，由折射定律可知n＝eq \f(sin θ1,sin θ2) 由几何关系可知 sin θ1＝tan θ1＝eq \f(x,h′)，sin θ2＝tan θ2＝eq \f(x,h) 联立解得h′＝eq \f(h,n)＝0.75 m。 (2)当从S发出的光在P点处恰好发生全反射时， 如图所示，sin C＝eq \f(d,\r(d2＋h2))，又sin C＝eq \f(1,n) 联立解得d＝eq \f(3\r(7),7) m。 答案　(1)0.75 m　(2)eq \f(3\r(7),7) m 考点三　光的色散现象 1．光的色散 (1)成因：棱镜材料对不同色光的折射率不同，对红光的折射率最小，红光通过棱镜后的偏折程度最小，对紫光的折射率最大，紫光通过棱镜后的偏折程度最大，从而产生色散现象。 (2)现象：一束白光通过三棱镜后在屏上会形成彩色光带。 2．各种色光的比较 颜色 红橙黄绿青蓝紫 频率ν 低—→高 同一介质中的折射率 小—→大 同一介质中的速度 大—→小 波长 大—→小 通过棱镜的偏折角 小—→大 临界角 大—→小 双缝干涉时的条纹间距 大—→小 1．(多选)(2023·全国甲卷)等腰三角形△abc为一棱镜的横截面，ab＝ac。一平行于bc边的细光束从ab边射入棱镜，在bc边反射后从ac边射出，出射光分成了不同颜色的两束，甲光的出射点在乙光的下方，如图所示。不考虑多次反射。下列说法正确的是(　　) A．甲光的波长比乙光的长 B．甲光的频率比乙光的高 C．在棱镜中的传播速度，甲光比乙光的大 D．该棱镜对甲光的折射率大于对乙光的折射率 E．在棱镜内bc边反射时的入射角，甲光比乙光的大 解析　根据折射定律和反射定律作出光路图如图所示 由图可知，乙光的折射角较小，根据折射定律可知乙光的折射率大，则乙光的频率大，根据c＝fλ可知，乙光的波长短，A正确，B、D错误；根据v＝eq \f(c,n)可知在棱镜中的传播速度，甲光比乙光的大，C正确；根据几何关系可知光在棱镜内bc边反射时的入射角，甲光比乙光的大，E正确。故选ACE。 答案　ACE 2．如图所示为某型号光学分析装置核心部件简化图。直角梯形ABCD为核心棱镜的竖直截面图，在棱镜竖直边BC的右侧距离为d处安装有竖直光屏，整个装置放在真空中。现有1、2两种色光组成的一细束激光，沿垂直于棱镜底边AB的方向，从E点射入到AD边上的O点，两种颜色的光都没有从O点射出棱镜，它们从O点射到BC边上的P点(图中未画出)后，在光屏上的M、N两点(图中未画出)分别出现了1、2两种颜色的光点。已知棱镜对1、2两种色光的折射率分别为n1＝eq \r(3)和n2＝eq \r(2)。求： (1)棱镜竖直截面ABCD底角A的最小值； (2)若棱镜底角A为60°，则求两种色光射到光屏上两个光点M、N之间的距离s。 解析　(1)作出光路图如图所示，根据折射率n和全反射临界角C的关系sin C＝eq \f(1,n) 设1、2两种色光发生全反射的临界角分别为C1和C2，代入折射率解得sin C1＝eq \f(\r(3),3)，sin C2＝eq \f(\r(2),2) 可知30°<C1<45°，C2＝45° 根据几何关系可知，光在O点的入射角θ等于棱镜的底角A，由题知两种颜色的光都没有从O点射出棱镜，即都发生了全反射，所以可知A≥45°，即最小值为45°。 (2)两种色光在O点发生全反射，都射到BC边上的同一点P，当棱镜底角A为60°时，由几何关系可知两种色光在BC边P点的入射角均为γ＝30° 设1、2两种色光在P点射出棱镜折射角分别为α和β，根据折射率关系有n1＝eq \f(sin α,sin γ)，n2＝eq \f(sin β,sin γ)，解得sin α＝eq \f(\r(3),2)，sin β＝eq \f(\r(2),2) 可得α＝60°，β＝45° 根据几何关系可得M、N两个光点之间的距离为s＝d(tan α－tan β) 代入数据联立解得s＝(eq \r(3)－1)d。 答案　(1)45°　(2)(eq \r(3)－1)d $$