内容正文:
素养提升课四 光的折射和全反射的综合问题
第四章 光及其应用
1.知道不同色光在折射现象和全反射现象中的传播特点。
2.能够熟练画出光路图,会利用光的反射定律、折射定律解决有关问题。
素养目标
提升点一 不同色光的折射和全反射问题
1
提升点二 “视深”与实际深度的关系
2
提升点三 光的折射与全反射的综合问题
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课时测评
5
随堂演练 对点落实
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内容索引
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提升点一 不同色光的折射和全反射问题
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不同色光折射规律的比较
颜色
项目 红橙黄绿蓝靛紫
频率 低→高
波长 长→短
同一介质中的折射率 小→大
同一介质中的速度 大→小
临界角 大→小
发生全发射的难易程度 难→易
(2024·福建厦门高二期中)很多公园的水池底部都装有彩灯,当一细束由红、蓝两种色光组成的灯光,从水中斜射向空气时,关于光在水面可能发生的反射和折射现象,下列光路图中正确的是
例1
√
光线射到水面时一定发生反射,所以反射光中红光和蓝光都有,故D不可能;由于红光的频率比蓝光的小,所以红光的折射率比蓝光的小,由临界角公式sin ic= 知,红光的临界角比蓝光的大,所以在水面上若蓝光不发生全反射,则红光也一定不会发生全反射,故B不可能;当两种色光都能折射到空气中时,根据折射定律n= 知,红光与蓝光的折射率不同,在入射角相等时,折射角一定不同,故A不可能;由于红光的临界角比蓝光的大,所以当蓝光发生全反射时,红光可能不发生全反射,从水面折射而出,折射角大于入射角,故C可能。故选C。
针对练1. (2024·东莞市高二统考期末)一束复合光以入射角i从玻璃界面MN射向空气时分成a、b、c三束光,如图所示,下列说法错误的是
A.在玻璃中a光速度最大
B.在真空中b光速度最大
C.在玻璃中c光速度最小
D.若逐渐增大入射角i,c光将首先发生全反射
√
根据 ,a光折射角最小,c光折射角最大,则na<nb<nc,根据n= ,可知三束光在玻璃中的传播速度的大小关系为va>vb>vc,A、C正确;三束光在真空的传播速度都为c,B错误;根据sin ic= ,可知c光临界角最小,会首先发生全反射,D正确。故选B。
针对练2. (2024·广州市高二期中)一束太阳光射到截面为六角形的冰晶上发生折射,其光路图如图所示,a、b为其折射出的光线中两种单色光,下列说法正确的是
A.在冰晶中,a光的折射率较大
B.在冰晶中,b光的传播速度较大
C.从同种玻璃中射入空气发生全反射时,a光的临界角较大
D.a、b光在真空中传播时,b光的波长较长
√
设入射角为α,折射角为β,由题图可知,a光和b光入射角相同,a光折射角大于b光折射角,根据n= 可知,a光折射率小于b光折射率,故A错误;由A选项可知a光折射率小,结合n= 可知a光在冰晶中的传播速度大,故B错误;由于a光折射率小,所以a光的临界角大于b光的临界角,故C正确;由于a光折射率小于b光折射率,可知a光频率小于b光频率,根据c=λf可知,a光的波长较长,故D错误。故选C。
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提升点二 “视深”与实际深度的关系
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1.“视深”是人眼垂直物体界面看透明物质内部某物点的像点离界面的距离。在中学阶段,一般都是沿着界面的法线方向去观察。在计算时,由于入射角很小,折射角也很小,故有 。
2.当沿竖直方向从真空(或空气)看向透明物体中的物体时,“视深”是实际深度的 ,n是透明物质的折射率。
如图所示,透过玻璃砖看字母,字母会显得高一些。假设玻璃砖的厚度为H,玻璃的折射率n =1.5。如果垂直于玻璃砖向下看,字母的“视深”是多少?
例2
画出光路分析示意图如图所示,在图中,用点
O表示字母上的某一点,OA和OB是从点O射
向玻璃砖上表面的光,光经折射后进入人眼,
人感觉它们是从玻璃中的点D射出的,D即为
眼睛看到的点O的像,AD就是字母的“视深”
h,实际深度为H。
光由玻璃进入空气,由光的折射定律
及几何关系sin i≈tan i= ,sin γ≈tan γ=
可得n=
则h=
故垂直于玻璃砖向下看,字母的“视深”是 。
针对练.(多选)如图所示,把由同种玻璃制成的厚度为d的立方体A和半径为d的半球体B分别放在报纸上,且让半球的凸面向上,从正上方(对B来说是最高点)竖直向下分别观察A、B中心处报纸上的文字,下面的观察记录正确的是
A.看到A中的字比B中的字高
B.看到B中的字比A中的字高
C.看到A、B中的字一样高
D.看到B中的字和没有放玻璃半球时一样高
√
√
光路图如图所示,可知通过立方体观察看到的字比实
物高,通过半球体观察物像重合,故A、D正确。
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提升点三 光的折射与全反射的综合问题
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解决光的折射、全反射问题的一般思路
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。
2.画出光线发生折射、反射的光路图。
3.利用几何知识分析边角关系并判断能否发生全反射,找出临界角。根据折射定律、全反射规律、正弦定理、三角函数等进行有关计算。
如图所示,空气中有一透明的柱体材料,其横截
面是圆心角为90°、半径为R的扇形OAB,OB因被黑纸
贴住而不透光。一束光平行于横截面,以i=45°的入射
角照射到OA上,若只考虑首次入射到圆弧AB上的光,
发现从O点入射的光线恰好从C点射出,圆弧BC的弧长为l= 。求:
(1)该透明材料的折射率n;
例3
连接O、C,由几何知识得折射角
故透明材料的折射率为
(2)圆弧AB上有光射出部分的弧长L。
由sin ic= 得临界角ic=45°
由题意可知,圆弧BC上没有光线射出,设从E点入射的光线经折射后到达D点时刚好发生全反射,则∠ODE=ic=45°
即圆弧AD上没有光线射出,由几何关系得
∠AOD=180°-(30°+90°+45°)=15°
则∠COD=90°-(30°+15°)=45°=
所以圆弧AB上有光射出部分DC的弧长L= 。
(2022·河北高考)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;
例4
根据题意将光路图补充完整,如图所示
根据几何关系可知i1=θ=30°,i2=60°
根据折射定律得
(2)从S发出的光线经多次全反射回到S点的最短时间。
光在玻璃球内的传播速度v=
根据几何关系可知当θ=45°时,即光路为圆的内接正方形,从S发出的光线经多次全反射回到S点的时间最短,则正方形的边长L= R
则最短时间为 。
求解光的折射、全反射问题的注意事项
1.明确哪种是光密介质、哪种是光疏介质。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.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。
探究归纳
针对练1.唐代诗人韩愈的《原道》里“坐井而观天,曰天小者,非天小也。”说的是青蛙在井底所能看到的天空是有限的。若井深8 m、圆形井口半径0.5 m的井中被灌满水,水的折射率n= ,如图处在井底正中央A处的青蛙沿其正上方上浮,想要把井外景物全部尽收眼底,所处位置与井口水面的竖直距离最远为
√
如图,几乎贴着水面射入水里的光线,在青蛙看来是从
折射角为ic的方向射来的,根据折射定律sin ic= ,设
青蛙所处位置最远与井口水面距离为h,根据几何关系可
知sin ic= ,解得h= m,故选A。
针对练2.(2023·湖北高考)如图所示,楔形玻璃的横截面POQ的顶角为30°,OP边上的点光源S到顶点O的距离为d,垂直于OP边的光线SN在OQ边的折射角为45°。不考虑多次反射,OQ边上有光射出部分的长度为
√
设光线SN在OQ界面的入射角为α,折射角为β,
几何关系可知α=30°,则有n= ,光
线射出OQ界面的临界条件为恰好发生全反射,
光路图如下,其中OB⊥CS,光线在AB两点发生
全反射,有sin ic= ,即AB两处全反射的临界角为45°,AB之间有光线射出,由几何关系可知AB=2AC=2CS=OS=d,故选C。
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随堂演练 对点落实
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1.(多选) (2024·潮州市高二统考期末)如图,一束由红光和紫光组成的复色光沿半径方向射向一块半圆形玻璃砖,在玻璃砖底面上的入射角为θ,经折射后对应射出a、b两束光线,则
A.光束a是红光
B.光束b是红光
C.红光在这块半圆形玻璃砖中的传播的时间短
D.紫光在这块半圆形玻璃砖中的传播的时间短
√
√
根据折射率的定义有n= ,由题图可知,两束光在介质中的入射角相等,在空气中a光束的折射角小于b光束的折射角,可知a光束的折射率小于b光束的折射率,而红光的折射率小于紫光的折射率,可知光束a是红光,光束b是紫光,故A正确,B错误;根据n= 可知,由于红光的折射率小于紫光的折射率,则红光在玻璃中的传播速度大于紫光在玻璃中的传播速度,根据t= 可知,红光在这块半圆形玻璃砖中的传播的时间短,故C正确,D错误。故选AC。
2.(多选) (2024·深圳市高二统考期末)渔民在清澈的河水中可以用鱼叉叉鱼,也可以用激光束捕鱼,关于两种捕鱼方法下列说法正确的有
A.用鱼叉叉鱼时,应该瞄准人所看到鱼的位置
B.用鱼叉叉鱼时,应该瞄准人所看到鱼的下方
C.用激光捕鱼时,应该瞄准人所看到鱼的位置
D.用激光捕鱼时,应该瞄准人所看到鱼的下方
√
√
用鱼叉叉鱼时,从鱼身上发出的光,经水面出射到空气中后会发生折射,折射角大于入射角,人眼逆着折射光线看去,会看到鱼的位置比实际高了,则应该瞄准人所看到鱼的下方,故A错误,B正确;用激光捕鱼时,因为光路可逆,所以光线会沿同路径折射回去,人看到鱼的位置就是实际位置,则应该瞄准人所看到鱼的位置,故C正确,D错误。故选BC。
3.有一束波长为6×10-7 m的单色光从空气射入某种透明介质,入射角为45°,折射角为30°,则
A.介质的折射率是
B.这束光在介质中传播的速度是1.5×108 m/s
C.这束光的频率是5×1014 Hz
D.这束光发生全反射的临界角是30°
√
该介质的折射率n= ,A错误;光在介质中传播的速度
v= ×108 m/s,该束光的频率f= =5×1014 Hz,B错误,C正确;
因为sin ic= ,则该束光的全反射临界角为45°,D错误。故选C。
4. (2024·佛山市高二联考)由某种透明材料制成的半
球的截面如图所示,O为球心,AO为其对称轴。一单
色光从截面的B点平行于对称轴AO射入半球,此时透
明半球左侧恰好没有光线射出。透明半球的半径为R,
O、B两点间距离为 R,光在真空中的传播速度为c。求:
(1)透明材料的折射率n;
光线在球面上恰好发生全反射,光路图如图所示
根据几何关系可知,
全反射的临界角满足sin ic=
可得ic=60°
根据全反射的临界角公式可得sin ic=
解得n= 。
(2)光在透明半球中传播所用时间t。
光线在透明半球内传播的速度v=
根据几何关系可知,光在透明半球中传播的路程
s=R cos 60°+2R+R cos 60°=3R
光在透明半球中传播所用时间t= 。
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课 时 测 评
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1.(2021·辽宁高考)一束复色光从空气射入光导纤维后分成a、b两束单色光,光路如图所示,比较内芯中的a、b两束光,a光的
A.频率小,发生全反射的临界角小
B.频率大,发生全反射的临界角小
C.频率小,发生全反射的临界角大
D.频率大,发生全反射的临界角大
√
由光路图可知a光的偏折程度比b光的小,因此a光的折射率小,频率小,由sin ic= 可知,折射率越小发生全反射的临界角越大,故选C。
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2.(多选)两束不同频率的单色光a、b从空气平行射入水中,发生了如图所示的折射现象(α>β)。下列结论中正确的是
A.在水中的传播速度,光束a比光束b大
B.在水中的传播速度,光束a比光束b小
C.水对光束a的折射率比水对光束b的折射率小
D.水对光束a的折射率比水对光束b的折射率大
√
√
由公式n= ,α>β,可得折射率na<nb,C正确,D错误;由v= ,na<nb,可知va>vb,A正确,B错误。
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3.一束含有两种单色光的光线P,沿图示方向射向半圆形玻璃砖的圆心O,折射后分成图中的a、b两束光线,则下列说法中正确的是
A.a光在玻璃砖中传播的速度比b光大
B.a光频率小于b光频率
C.玻璃对a光的折射率大于对b光的折射率
D.若让玻璃砖在纸面内绕O点逆时针转动,b光先消失
√
从O点射出时,a光偏折程度较大,折射率较大,频率较高,B错误,C正确;由n= 可知,a光在玻璃砖中传播的速度比b光小,A错误;由sin ic= 可知,a光的临界角较小,若让玻璃砖在纸面内绕O点逆时针转动,a光先发生全反射,先消失,D错误。
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4.一束光由空气射向一块平行平面玻璃砖,折射后分为
两束单色光a、b,下列判断正确的是
A.在玻璃砖中a光的速度大于b光的速度,射出玻璃砖后
单色光a、b平行
B.在玻璃砖中a光的速度大于b光的速度,射出玻璃砖后单色光a、b不平行
C.在玻璃砖中a光的速度小于b光的速度,射出玻璃砖后单色光a、b平行
D.在玻璃砖中a光的速度小于b光的速度,射出玻璃砖后单色光a、b不平行
√
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由题图可知,b光的偏折程度较大,则b光的折射率大,
根据v= 知,b光在玻璃砖中传播的速度较小,光线在
玻璃砖的上表面的折射角和下表面的入射角相等,根据
光路可逆原理知,光线在下表面的折射角与上表面的入
射角相等,可知射出玻璃砖后单色光a、b平行,故选A。
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5.(多选) (2024·陕西宝鸡高二期末)如图是一张风景
照片,湖水清澈见底,近处湖面水下的景物都看得
很清楚,而远处则只看到对岸山峰和天空彩虹的倒
影,水面下的景物则根本看不到。下列说法中正确
的是
A.水下的石头看起来的深度比实际深一些
B.彩虹的成因是光的全反射
C.远处对岸山峰和天空彩虹的倒影十分清晰,是由于光的反射所引起的
D.远处水面下景物看不到,是由于光线发生了全反射
√
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水下石头反射的光线由水中进入空气时,在水面
上发生折射,折射角大于入射角,折射光线进入
人眼,人眼逆着折射光线的方向看去,就会觉得
石头位置变浅了,所以水下的石头看起来的深度
比实际浅一些,故A错误;彩虹的成因是光的折射,故B错误;远处对岸山峰和天空彩虹的倒影十分清晰,是由于光在水面上发生了反射,故C正确;远处水面下景物的光线射到水面上,入射角很大,当入射角大于或等于临界角时,光线发生全反射,不能射出水面,因而看不见,故D正确。故选CD。
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6.(多选) (2024·揭阳市高二校考期末)如图所示,一块上、下表面平行的玻璃砖的厚度为L,玻璃砖的折射率n= ,若光从上表面AB射入的入射角i=60°,光在真空中的光速为c,则下列说法正确的是
A.折射角γ=30°
B.光在玻璃中传播的时间为
C.光在玻璃中传播的时间为
D.改变入射角i,光在下表面CD不可能发生全反射
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根据折射定律有n= ,解得γ=30°,故A正确;光在玻璃中传播的
速度为v= ,光在玻璃中传播的时间t= ,故B错误,C
正确;光在下表面CD的入射角等于在AB面上的折射角,改变入射角i,根据光路的可逆性可知光在下表面的CD的入射角总小于临界角,故不可能发生全反射,故D正确。故选ACD。
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7. (2024·深圳市高二校考期中)为了鉴别钻石的真假,根据钻石的折射率与玻璃的对比就能区分真假。让一束光线穿过介质1(玻璃)、2(空气)、3(钻石)时,光路如图,则
A.玻璃的折射率比钻石的大
B.空气是光密介质
C.光在钻石中的速度最小
D.当入射角由45°逐渐增大时,在由1入射2时
在分界面不可能发生全反射
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因为sin 45°<sin 60°,根据折射定律,n1>n2 ,
同理n3>n2,根据光路可逆性原理,光从2射向1
或者从2射向3时,入射角相等,则n3>n1,所以
n3>n1>n2,介质3(钻石)的折射率最大,介质2(空
气)的折射率最小,故A错误;因为n3>n1>n2,介
质2(空气)对介质1(玻璃)和介质3(钻石)来说都是光疏介质,故B错误;因为n3>n1>n2和v= ,光在介质3(钻石)中的速度最小,故C正确;光从介质1进入介质2时,是从光密介质进入光疏介质,在入射角逐渐增大时,在此界面上可能发生全反射,故D错误。故选C。
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8.(多选)如图所示,ABCD是一直角梯形棱镜的横截面,位于截面所在平面内的一束光线由O点垂直AD边射入,已知棱镜的折射率n= ,AB=BC=8 cm,OA=2 cm,∠OAB=60°。则下列说法正确的是
A.光线第一次入射到AB界面上时,既有反射又有折射
B.光线第一次从棱镜折射进入空气,应发生在CD界面
C.第一次的出射点与C点相距 cm
D.光线第一次射出棱镜时,折射角为60°
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由sin ic= ,得临界角ic=45°,光线第一次射到AB面
上的入射角为60°,大于临界角,所以发生全反射,反
射到BC面上,由几何知识得,入射角为60°,又发生全
反射,射到CD面上的入射角为30°,根据折射定律得n
= ,解得θ=45°,即光从CD边射出,与CD边
成45°角斜向左下方,故A、D错误,B正确;根据几何关系得,AF=BF=4 cm,∠BFG=∠BGF,BG=GC=4 cm,所以CE=GC·tan 30°
= cm,故C正确。
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9.(多选)(2024·河南南阳高二期末)如图所示,一光束包含两种不同频率的单色光,从空气射向两面平行玻璃砖的上表面,玻璃砖下表面有反射层,光束经两次折射和一次反射后,在玻璃砖上表面分为a、b两束单色光射出。下列说法正确的是
A.a光在玻璃中传播的速度大于b光
B.a光的波长大于b光的波长
C.a光的频率大于b光的频率
D.出射光束a、b相互平行
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作出光路图如图所示,由光路图可知,a光折射率较
大,频率较大,根据c=λf可知a光的波长小于b光的
波长,故C正确,B错误;根据v= 可知a光在玻
璃中传播的速度小于b光,故A错误;因为a、b两光
在上表面的折射角与反射后在上表面的入射角分别相等,由光路可行性原理可知出射光束一定相互平行,故D正确。
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10. (2024·河源市高二期中)透过热空气观察物体会发现物体摇晃不定,那是因为温度越高空气折射率越小,热空气的对流现象引起光路的变化。如图为光线经过温度不同的空气层的光路图。根据图中信息,下列关于空气层1、2和3说法正确的是
A.空气层1的温度最高
B.空气层2的折射率最大
C.光线在2中运动的速度最大
D.光线从2到3最容易发生全反射
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温度越高空气折射率越小,作出各个空气层界
面的法线如图所示,可知θ3<θ1<θ2,sin θ3<sin θ1
<sin θ2,由折射定律 ,所
以n2<n1<n3,则温度的大小关系为T2>T1>T3,A、
B错误;根据光速与折射率的关系v= ,又因为空气层2的折射率最小,所以光线在2中运动的速度最大,C正确;光从光密介质射向光疏介质时才可能发生全反射,因为n2<n3,所以光线从2到3不会发生全反射现象,D错误。故选C。
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11.(10分) (2024·广州市高二统考期末)如图,某
次“找靶点”游戏中,在距长方体水缸开口32 cm
处的侧壁位置M点贴一张靶点的图片,然后将水
缸装满水,游戏者需要站在指定观测点调整观察
角度,恰好切着右侧壁P点看到靶点图片,此时
将一根细长直杆从观测点经P点插入水中至水缸
侧壁O点,测得O点在M点上方14 cm处,已知长方形水缸左右侧壁间距离为24 cm。
(1)试解释水缸装满水后,为什么观察到的“靶点”的位置升高了;
水缸装满水后,“靶点”反射的光经过水进入空气,发生了折射,所以观察到的“靶点”的位置升高了。
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(2)若光在空气中传播速度c=3.0×108 m/s,求光
在该水缸中水里的传播速度。
答案:2.25×108 m/s
光路图如图所示
由几何关系可得
水的折射率n=
解得n=
所以光在该水缸中水里的传播速度
v= =2.25×108 m/s。
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12.(10分)半径为R的玻璃半圆柱体,横截面如图所示,圆心为O,底边水平。一束单色光竖直向下射向半圆柱面,入射点为P,入射角为60°,经折射后射向底边的Q点(图中未画出)。已知玻璃的折射率n= 。
(1)求P、Q间的距离。
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画出光路图,如图所示。
由折射定律n=
其中i=60°,n=
解得折射角γ=30°
由几何关系得cos 30°= ,cos 60°=
解得PQ= R。
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由题意知,发生全反射的临界角ic的正弦值sin ic= ,在底面上Q点处入射角为30°,sin 30°= ,故不能发生全反射。
(2)光线PQ能否在Q点发生全反射?
答案:不能
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13.(10分) (2024·佛山市高二统考期末)如图所示,
某种均匀透明介质制作成的圆柱体长度为 d,直
径为d。现有一束激光从圆柱体上端圆面中心O点射
入介质中,与圆柱中轴线夹角为θ。
(1)当θ=60°时,折射光线刚好能从圆柱体底面边缘
射出(不考虑光在圆柱体侧面上的反射),则该介质的折射率为多大?
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由题意知,对折射角α有
则折射率
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(2)若以不同角度从O点射入的光线,都不能从圆柱
体的侧面射出,则该介质的折射率至少为多大?
若θ=90°,则折射角为ic,此时射到圆柱体的侧面的光线也能发生全反射,则由几何关系可知ic=45°
则折射率
即该介质的折射率至少为 。
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第四章
光及其应用
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=
≈
答案:H
=
=H
H
=
n==。
答案:
γ==
答案:
答案:
n==。
t==
答案:
A. m B. m
C. m D.5 m
A.d B.d
C.d D.d
=
=
=
=
=
答案:
=
=
答案:
=
=,=
tan i=,tan γ=
答案:R
=
<
答案:
sin α==
n===。
答案:
n′==
$