习题课3 光的折射、全反射（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册（粤教版2019）

习题课三　光的折射、全反射 核心素养导学 物理观念 (1)进一步认识光的折射现象、折射率和光的全反射现象，能解释身边的光的折射与全反射现象，能说明光纤技术在生产生活中的应用。 (2)具有与光的折射和全反射相关的运动与相互作用观念和能量观念。 科学思维 能够画出光路图，根据光的折射定律和全反射的规律解决光的传播问题。 科学态度与责任 认识到物理研究是一种对自然现象进行抽象的创造性的工作，有进行科学普及的兴趣和责任感。 综合提能(一)　光的折射和全反射 [融通知能] 1．光的折射和全反射的综合应用 [典例]　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)。 [答案]　(1)1.55 mm　(2)0.35 mm [针对训练] 1．(2023·湖南高考)(多选)一位潜水爱好者在水下活动时，利用激光器向岸上救援人员发射激光信号，设激光光束与水面的夹角为α，如图所示。他发现只有当α大于41°时，岸上救援人员才能收到他发出的激光光束，下列说法正确的是(　 ) 答案：BD　 (3) 乙同学在纸上画出的界面ab、cd与矩形玻璃砖位置的关系 如图2所示，已知玻璃砖宽度与ab、cd间距相等，实验时将玻璃砖 向下平移一小段距离，其他操作均正确，且以ab、cd为界面画光路图。则该同学测得的折射率与真实值相比 (　 ) A．偏大 B．偏小 C．不变 D．无法确定 [答案]　(1)C　(2)A　(3)C 答案：D　 2．如图所示，在水面上放置一个足够大的遮光板，板上有一个半 径为r的圆孔，圆心的正上方h处放一个点光源S，在水面下深 H处的底部形成半径为R的圆形光亮区域(图中未画出)。测得 r＝8 cm，h＝6 cm，H＝24 cm，R＝ 26 cm，求水的折射率。 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 ic＝ 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 ic＝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ic、几何关系进行分析与计算。 [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。 A．水的折射率为 B．水的折射率为 C．当他以α＝60°向水面发射激光时，岸上救援人员接收激光光束的方向与水面夹角小于60° D．当他以α＝60°向水面发射激光时，岸上救援人员接收激光光束的方向与水面夹角大于60° 解析：只有当α大于41°时，岸上救援人员才能收到潜水员发出的激光光束，则说明α＝41°时激光恰好发生全反射，则sin (90°－41°)＝，解得n＝，A错误，B正确；当潜水员以α＝60°向水面发射激光时，入射角i1＝30°，则根据折射定律有nsin i1＝sin i2，折射角i2大于30°，则岸上救援人员接收激光光束的方向与水面夹角小于60°，C正确，D错误。 答案：BC　 2．(2024年1月·河南高考适应性演练)(多选)如图，将一平面镜置于某透明液体中，光线以入射角i＝45°进入液体，经平面镜反射后恰好不能从液面射出。此时，平面镜与水平面(液面)夹角为α，光线在平面镜上的入射角为β。已知该液体的折射率为，下列说法正确的是(　 ) A．β＝30° B．β＝37.5° C．若略微增大α，则光线可以从液面射出 D．若略微减小i，则光线可以从液面射出 解析：根据＝n，解得光线在射入液面时的折射角为r＝30°，光线经平面镜反射后，恰好不能从液面射出，光路图如图，有sin C＝，解得∠C＝45°，由几何关系可得2β＋＋＝180°，解得β＝37.5°，故A错误，B正确；若略微增大α，则光线在平面镜上的入射角β将变大，根据上面分析的各角度关系可知光线射出液面的入射角变大，将大于临界角，所以不可以从液面射出，故C错误；同理，若略微减小i，则r减小，导致光线在平面镜上的入射角β减小，可知光线射出液面的入射角变小，将小于临界角，可以从液面射出，故D正确。 解析：(1)如图甲所示，可知入射角与折射角分别为θ、2θ，因此n＝＝。 　 3.如图，一个半径为R的玻璃球，O点为球心。球面内侧单色点光源S发出的一束光在A点射出，出射光线AB与球直径SC平行，θ＝30°。光在真空中的传播速度为c。求： (1)玻璃的折射率； (2)从光源S发出的光线经多次全反射回到S点的最短时间。 (2)当光线在玻璃球内的路径为正三角形时，路径最短，但此时光在玻璃球内不发生全反射，故考虑光的路径为正方形，如图乙所示，由全反射知识可知sin C＝＝<，光线可在玻璃球内发生全反射，回到S点的最短时间t＝，又n＝，所以t＝。 答案：(1)　(2) 综合提能二　测量水的折射率的四种方法 [融通知能] 1．成像法 原理：利用水面的反射成像和水面的折射成像。 方法：如图所示，在一盛满水的烧杯中，紧挨杯口竖直插一直尺AB，在直尺的对面观察水面，能同时看到直尺在水中的部分和露出水面部分的像，若从点P看到直尺在水下最低点的刻度B的像B′(折射成像)恰好跟直尺在水面上刻度A的像A′(反射成像)重合，读出AC、BC的长，量出烧杯内径d，即可求出水的折射率：n＝ 。 2．插针法 原理：利用光的折射定律。 方法：如图所示，取一方木板，在板上画出互相垂直的两条线AB、MN，从它们的交点O处画直线OP(使∠PON<45°)，在直线OP上竖直插两枚大头针P、Q。把木板竖直插入水中，使AB与水面相平，MN与水面垂直。在水面上观察，调整视线使P的像被Q的像挡住，再在木板上插大头针S、T，使S挡住Q、P的像，T挡住S及Q、P的像。从水中取出木板，画出过S、T的直线，量出图中的角i、r，则水的折射率n＝。 3．视深法 原理：利用视深公式h′＝。 方法：在一盛水的烧杯底部放一粒绿豆，在水面上方吊一根针，如图所示。调节针的位置，直到针尖在水中的像与看到的绿豆重合，测出针尖距水面距离即为杯中水的视深h′，再测出水的实际深度h，则水的折射率n＝。 4．全反射法 原理：利用全反射现象。 方法：在一盛满水的大玻璃缸下面放一发光电珠，如图所示。在水面上观察，看到一圆的发光面，量出发光面直径D及水深h，则水的折射率 n＝。 [典例]　在用“插针法测定玻璃砖折射率”的实验中。 (1)如图1所示，甲同学在实验过程中画出平行玻璃砖的边界①、入射光线②、折射光线③和出射光线④，下列关于实验中画这四条线的先后顺序正确的是(　 ) A．①②③④ B．②①③④ C．①②④③ D．②①④③ (2)“测定玻璃砖折射率”实验利用的原理是(　 ) A．光的折射 B．光的干涉 C．光的衍射 D．光的偏振 [解析]　(1)在用“插针法测定玻璃砖折射率”的实验中，应先画平行玻璃砖的边界①，然后画出法线，再画出入射光线②，再画出出射光线④，最后连接入射点和出射点，画出折射光线③，所以先后顺序为①②④③，故选C。 (2)用插针法“测定玻璃砖折射率”的实验利用的原理是光的折射，故选A。(3)根据题意作图，如图所示，通过作图可知，入射角和折射角大小均没有改变，故该同学测得的折射率与真实值相比不变，故选C。 [针对训练] 1．某同学用如图所示的方法测量水的折射率：在一个圆柱形容器中紧贴着器壁竖直插入一根直尺，眼睛在容器外的P处斜向下观察。容器中没有水时，恰好可以看到A处；装满水时，在观察位置不变的情况下，恰好可以看到B处。他分别测出了A、B两处与水面的距离hA、hB以及容器的直径d。由此求出水的折射率为 (　 ) A． B． C． D． 解析：由题意可作出光路图如图所示，由图可知，水的折射率n＝＝＝，故D正确。 解析：作出光路图如图所示， 可知sin θ1＝＝0.8， sin θ2＝＝0.6 由折射定律有：n＝，得n＝。 答案： 3．某研究小组的同学根据所学光学知识，设计了一个测液体折射率的仪器。如图，在一圆盘上过其圆心O作两条互相垂直的直径BC、EF，在半径OA上垂直盘面插下两枚大头针P1、P2，并保持P1、P2位置不变；每次测量时让圆盘的BFC部分竖直浸入液体中，而且总使得液面与直径BC相平，EF作为界面的法线，而后在图中右上方区域观察P1、P2的像，并在圆周上插上大头针P3，使P3正好挡住P1、P2的像。同学们通过计算，预先在圆周EC部分刻好了折射率的值，这样只要根据P3所插位置，就可直接读出液体折射率的值。 (1)若∠AOF＝30°，OP3与OC的夹角为30°，求P3处所对应的折射率值； (2)图中P3、P4两位置哪一处所对应的折射率值大？ 解析：(1)由折射定律有n＝＝＝。 (2)P4处对应的入射角较大，根据折射定律可知P4对应的折射率大。 答案：(1)　(2)P4 $$