光的折射和全反射

光学相对论简介１光的折射和全反射第十二章主要内容要求说明光的折射定律Ⅱ折射率Ⅰ全反射、光导纤维Ⅰ光的干涉、衍射和偏振现象Ⅰ狭义相对论的基本假设Ⅰ经典时空观和相对论时空观Ⅰ主要内容要求说明质速关系、质能关系Ⅰ相对论质能关系式Ⅰ实验：测定玻璃的折射率实验：用双缝干涉测光的波长本章几何光学部分的主要内容是光的折射定律、色散现象、全反射现象等，是高考的命题热点，几乎年年必考；物理光学部分的主要内容是光的干涉、衍射、偏振现象等，高考命题的难度一般都不大，只要知道相关的一些光现象的原理即可．从近几年的高考来看，折射定律和不同色光的折射率问题时常考到，题型多以选择题、计算题形式出现，偶尔出作图题．本章的两个实验，在高考中时有出现，其中测定玻璃的折射率实验，常被改造创新考查，如果不能分析出实验原理，则这个实验有可能成为考试的难点；用双缝干涉测光的波长实验，在出题时一般与原实验相同，但其中的读数问题有可能成为难点．相对论部分内容非常抽象，而且考纲对相对论的要求不高，仅要求知道质速关系、质能关系及时钟变慢、长度缩短效应等．未来高考对本章知识的考查还会将主要方向放在光的折射、全反射、干涉和衍射上．在复习中应从以下几个方面进行突破：1．作图是研究几何光学的重要方法，在复习过程中要加强作图规范训练，要求能正确熟练地画出光路图．2．在解决全反射问题时，抓住临界条件是关键．画出临界光路图，再结合几何知识求解．因此在加强学生的作图能力训练的同时，也要注重用数学知识解决物理问题能力的培养．3．对光的干涉、衍射可结合机械波的相关知识去理解，包括明暗条纹的特点及产生原理等，注意区分干涉图样和衍射图样．4．相对论部分，注意应用相对论的条件，只有涉及的速度可与光速相比时才考虑相对论效应．建议不必在这部分花太多时间，只要记住结论，并能在简单问题中套用即可．光光的折射折射定律折射率全反射现象全反射条件光导纤维光的干涉光的衍射光的偏振光的波动性光的全反射折射现象近代物理学量子论初步普朗克的量子说相对论狭义相对论基本原理狭义相对性原理光速不变原理时空相对性同时的相对性长度的相对性时间间隔的相对性重要结论*速度变换质速关系质能关系*广义相对论1.光的折射现象(1)光从进入，传播方向发生的现象称为光的折射现象.(2)光的折射定律：折射光线在入射光线和法线所确定的平面内，折射光线和入射光线分居于，入射角正弦与折射角之比为一常数.一种介质另一种介质改变法线两侧正弦(3)折射率(绝对折射率n)光从真空射入某种介质时入射角正弦与折射角正弦的比值，叫做这种介质的折射率，即n=．(4)在折射现象中光路是.12sinsin可逆的(5)光密介质和光疏介质两种介质相比较，折射率大的介质叫介质，折射率小的介质叫介质.注意：光密介质和光疏介质是相对的，如水相对于空气来说是光密介质，水相对于酒精来说是光疏介质.光密光疏2.全反射(1)光从介质射向介质时，当超过某一角度C(临界角)时，折射光线，只剩下反射光线的现象叫全反射.(2)临界角C：折射角等于时的入射角叫做临界角.当光从介质射向真空或空气时有：光密光疏入射角消失90°11,sinsinnCCn(3)全反射条件①.②.常见的全反射现象有：光导纤维，内窥镜，海市蜃楼，沙漠蜃景等.光线从光密介质射入光疏介质入射角大于或等于临界角3.棱镜(1)横截面为或的透明体称为棱镜.(2)棱镜对光线的偏折作用：如图12-1-1所示，当光线从空气射入玻璃棱镜时，出射光线向底边偏折，偏折角度θ随棱镜材料的折射率增大而.图12-1-1三角形梯形增大(3)全反射棱镜：横截面是.的棱镜叫全反射棱镜.由于光从玻璃射向空气的临界角大约为42°，故当光从全反射棱镜的任一边垂直射入时，都发生全反射，如图12-1-2(甲)、(乙)所示.等腰直角三角形图12-1-2(4)光的色散白光经过三棱镜后，透射光线在屏上形成按顺序排列的彩色光谱，这种现象就叫做光的，如图12-1-3所示.图12-1-3红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫色散光的色散表明白光是；同时，棱镜材料对不同颜色的折射率不同，其中对的折射率最大，对的折射率最小.复色光紫光红光折射与全反射的综合应用问题一束单色光由左侧射入盛有清水的薄壁圆柱形玻璃杯，图12-1-4为过轴线的截面图，调整入射角α，使光线恰好在水和空气的界面上发生全反射，已知水的折射率为，求sinα的值.43图12-1-4光线恰好在界面发生全反射时有,C为临界角；当光线从左侧射入时，由折射定律有，联立这两式代入数据可得sinα=.分析光的全反射、临界角问题要注意：(1)画出恰好发生全反射的光路图.(2)找出临界角，利用几何知识分析线、角关系，进行求解.1sinCnsinsin()2nC73点评变式训练1：图12-1-5表示两底面平行的玻璃砖的截面图，一束平行于CD边的单色光入射到AC界面上，a、b是其中的两条平行光线.光线a在玻璃砖中的光路已给出.画出光线b从玻璃砖再次出射的光路图，并标出出射光线与界面法线夹角的度数.图12-1-5sin45245.sin30anabbCDBD通过光线的光路分析，可知玻璃砖的折射率，临界角为光线、平行，则射入玻璃砖后的折射光线仍然平行．当光线进入玻璃砖射到面上时，发生全反射，从面上折射进入空气中．光路如下解析：图所示．折射率与光速及波长（频率）关系问题图12-1-6彩虹是在雨后因光的色散而形成的，如图12-1-6所示为太阳光射到空气中的小水珠发生色散形成彩虹的光路示意图，a、b为两种从小水珠中射出的单色光.以下说法正确的是()A.水对a光的折射率大于水对b光的折射率B.a光的频率大于b光的频率C.在水珠中a光的传播速度大于b光的传播速度D.逐渐增大入射角，则b光比a光先发生全反射如图，作出入射点的法线，可知在入射角相同的情况下，a光的折射角大于b光的折射角，由公式n=，可得折射率nanb，A错误；由于nanb知频率νaνb，B错误；由v=可知，C正确；当光从光密介质射向光疏介质时才会发生全反射，水的折射率比空气大，所以无论入射角多大都不会发生全反射，D错误.cn12sinsin不同频率的色光在同一介质中传播时，该介质对频率较高的色光折射率大，对频率较低的色光折射率小.一般来讲，在界面两侧偏折越大的光线，折射率越大，频率越大，波长越小，临界角越小，在介质中传播速度越小.根据这一结论，只需比较水对这两种色光的折射率大小即可判定色光的频率、波速、波长、临界角大小.折射率是联系几何光学与物理光学的桥梁，在研究同一介质对不同色光的折射率与光速及波长（频率）关系时，此公式是重要的理论依据.12sinsincnv点评变式训练2：如图1217所示，一个三棱镜的截面为等腰直角△ABC，∠A为直角．此截面所在平面内的光线沿平行于BC边的方向射到AB边，进入棱镜后直接射到AC边上，并刚好能发生全反射．该棱镜材料的折射率为______.(填入正确选项前的字母)图12176A.B.223C.D.3212sin1 sin62n.sinnCn由与解得解析：答案：A1.如图1218所示，一束白光通过玻璃棱镜发生色散现象，下列说法正确的是()A．红光的偏折最大，紫光的偏折最小B．红光的偏折最小，紫光的偏折最大C．玻璃对红光的折射率比紫光大D．玻璃中紫光的传播速度比红光大B图12182.如图1219所示，一束由两种色光混合的复色光沿PO方向射向一上、下表面平行的厚玻璃平面镜的上表面，经折射后得到Ⅰ、Ⅱ两单色光束，则()A．出射光束Ⅰ、Ⅱ一定相互平行B．光束Ⅰ在玻璃中的折射率比光束Ⅱ小C．光束Ⅰ在玻璃中的传播速度比光束Ⅱ大D．光束Ⅰ的双缝干涉条纹间距比光束Ⅱ大图1219解析：射入玻璃的光线，经平面镜反射后，再次从玻璃射出时，出射光线与入射光线关于反射点对称，光束Ⅰ、Ⅱ均如此，所以Ⅰ、Ⅱ平行，A正确；由图知Ⅰ光线折射程度大，所以Ⅰ光折射率大、在介质中速度小，B、C错；频率高的光，双缝干涉的条纹间距小，D错．答案:A3.夏天，海面上下层空气的温度比上层空气的温度低，我们设想海面上的空气是由折射率不同的许多水平气层组成，远处的景物发出的光线由于不断被折射，越来越偏离原来方向，以致发生全反射，人们逆着光线看去就出现了蜃景，如图12110所示，下列说法正确的是()图12110A．海面上，上层空气的折射率比下层空气的折射率要小B．海面上，上层空气的折射率比下层空气的折射率要大C．蜃景不遵从光的折射定律D．B是蜃景，A是景物解析：海面上下层空气的温度比上层空气的温度低，因此下层空气的折射率较大．入射光线从下层射向上层时，折射角比入射角大，这样在更上层的入射中入射角逐渐增大，遵从折射定律，最后会发生全反射现象．答案：A4.一束复色光由空气射向玻璃，发生折射而分为a、b两束单色光．其传播方向如图12111所示．设玻璃对a、b的折射率分别为na和nb，a、b在玻璃中的传播速度分别为va和vb，则()A．na=nbB．nanbC．va=vbD．vavbD图121115.如图12112所示，有一束平行于等边三棱镜截面ABC的单色光从空气射向点E，并偏折到F点，已知入射方向与AB边的夹角为=30°，E、F分别为边AB、BC的中点，则()A．该棱镜的折射率为B．光在F点发生全反射C．光从空气进入棱镜，波长变小D．从F点出射的光束与入射到E点的光束平行图1211233BCD60303EBClnACE介在点作出法线可知入射角为，折射角为，折射率为；由光路的可逆性可知，在边上的入射角小于临界角，不会发生全反射，；由公式，；三棱镜两次折射使得光线都向底边偏折，不会与入射到点的光束平行解析：可知对，错故错．6.如图12113所示，水中有一个球形空气泡，由两种不同频率的a、b单色光组成的一细束复合光P从水中射向空气泡左侧，经过二次折射后，分别从空气泡的右侧上的M、N两点射出球体．则下列说法中正确的是()A．a光的频率比b光的频率小B．在水中a光的波长比b光的波长长C．在水中a光的速度比b光的速度大D．若a、b两束光从水中射向空气，则a光发生全反射时的临界角比b光的小图12113解析：光从水中折射入气泡后，经过两次折射，分别从M、N两点射出气泡，通过作图发现，a光的偏折程度比b光大，所以a光折射率大、频率大、波长小、临界角小、在介质中速度小．答案：D7.频率不同的两束单色光1和2以相同的入射角从同一点射入一厚玻璃板后，其光路如图12114所示，下列说法正确的是()A．单色光1的波长小于单色光2的波长B．在玻璃板中单色光1的传播速度大于单色光2的传播速度C．单色光1通过玻璃板所需的时间小于单色光2通过玻璃板所需的时间D．单色光1从玻璃到空气的全反射临界角大于单色光2从玻璃到空气的全反射临界角图121141sinsincossin2sin1sincossin2ADC2Binrdclvrnldiditvcrrcr由题图可知，光线折射率大，频率大，波长小．在介质中传播速度小，因而产生全反射的临界角小．；由，在玻璃中传播的距离，传播的速度，所以光在玻璃中传播的时间，由题给条件无法判断单色解析：光与单色光的传播时间，选项正确，错选项错．8.如图12115所示，山区盘形公路的路边上一般都等间距地镶嵌一些小玻璃球．当夜间行驶的汽车的灯光照上去后显得非常醒目，以提醒司机注意，若小玻璃球的半径为R，折射率为，今有一束平行光沿直径AB方向照在小玻璃球上，试求离AB多远的入射光经折射→反射→折射出后沿原方向返回，即实现“逆光反射”？图121151212122222112 2.sinsin22cos330.sinsin3sin3sisin.22ndRRnn设符合题解析：意的平行光的最外侧入射光入射角为，相应折射角为，则有因此，故　　，