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光1光的折射、全反射和色散1.光密介质不是指密度大的介质,折射率的大小与介质的密度无关.2.由n=vc知,当光从真空射向其他透明介质时,频率不变,波速和波长都发生改变.1.光的折射(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.(2)折射定律:①内容:折射光线与入射光线、法线处在,折射光线与入射光线分别位于的两侧,入射角的正弦与折射角的正弦成.②表达式:21sinsin=n12,式中n12是比例常数.③在光的折射现象中,光路是.(3)折射率:①定义:光从真空射入某介质时,的正弦与的正弦的比值.②定义式:n=21sinsin(折射率由介质本身和光的频率决定).③计算式:n=vc(c为光在真空中的传播速度,v是光在介质中的传播速度,由此可知,n1).2.全反射(1)发生条件:①光从介质射入介质;②入射角临界角.(2)现象:折射光完全消失,只剩下光.(3)临界角:折射角等于90°时的入射角,用C表示,sinC=n1.(4)应用:①全反射棱镜;②光导纤维,如图所示.3.光的色散(1)光的色散现象:含有多种颜色的光被分解为光的现象.(2)色散规律:由于n红<n紫,所以以相同的入射角射到棱镜界面时,红光和紫光的折射角不同,即紫光偏折得更明显.当它们射到另一个界面时,光的偏折最大,光的偏最小.(3)光的色散现象说明:①白光为复色光;②同一介质对不同色光的折射率不同,频率越大的色光折射率;③不同色光在同一介质中的传播速度不同,波长越短,波速.光2光的波动性1.光的干涉(1)产生干涉的条件:两列光的相同,恒定.(2)杨氏双缝干涉①原理如图所示.②产生明、暗条纹的条件a.单色光:若路程差r2-r1=kλ(k=0,1,2…),光屏上出现;若路程差r2-r1=(2k+1)2(k=0,1,2…),光屏上出现.b.白光:光屏上出现彩色条纹.③相邻明(暗)条纹间距:Δx=dl.(3)薄膜干涉①概念:由薄膜的前后表面反射的两列光相互叠加而成.劈形薄膜干涉可产生平行条纹.②应用:检查工件表面的平整度,还可以做增透膜.2.光的衍射(1)光的衍射现象:光在遇到障碍物时,偏离直线传播方向而照射到区域的现象.(2)发生明显衍射现象的条件:当孔或障碍物的尺寸比光波波长小,或者跟波长差不多时,光才能发生明显的衍射现象.(3)各种衍射图样①单缝衍射:中央为,两侧有明暗相间的条纹,但间距和不同.用白光做衍射实验时,中央条纹仍为,最靠近中央的是紫光,最远离中央的是红光.②圆孔衍射:明暗相间的不等距.③泊松亮斑(圆盘衍射):光照射到一个半径很小的圆盘后,在圆盘的阴影中心出现的亮斑,这是光能发生衍射的有力证据之一.(4)衍射与干涉的比较光3对折射率的理解1.对于某单色光,玻璃的折射率比水大,则此单色光在玻璃中传播时()A.其速度比在水中大,其波长比在水中长B.其速度比在水中大,其波长比在水中短C.其速度比在水中小,其波长比在水中短D.其速度比在水中小,其波长比在水中长[答案]C[解析]由光在介质中的波速与折射率的关系式v=nc可知,n玻>n水,所以v玻<v水,光的频率与介质无关,只由光源决定,即光在玻璃及水中传播时ν不变,据v=λν,知λ玻<λ水.C项正确.1.折射率是用光线从真空斜射入介质,入射角的正弦与折射角的正弦之比定义的.由于光路可逆,入射角、折射角随光路可逆而“换位”,因此,在应用时折射率可记忆为n=介质角真空角sinsin(真空角为真空中的光线与法线的夹角,介质角为介质中的光线与法线的夹角)2.折射率的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=nc3.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,对频率大的光折射率大,对频率小的光折射率小.4.同一种色光,在不同介质中虽然波速、波长不同,但频率不变.3.光的偏振现象(1)偏振光:在于传播方向的平面上,只沿着某个特定的方向振动的光.(2)自然光:太阳、电灯等普通光源发出的光包含沿一切方向振动的光,而且在各个方向上的光波强度都相等.(3)光的偏振现象说明光是波.(4)获得偏振光的方法有两种:让自然光经过或使反射光与折射光垂直.(5)偏振光的应用:水下照像、立体电影等.(6)平时我们所看到的光,除了直接从光源发出的光以外都是偏振光.光4对全反射的理解2.(2009·浙江高考)如图11-3-4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E点,并偏折到F点.已知入射方向与边AB的夹角为θ=30°,E、F分别为边AB、BC的中点,则()A.该棱镜的折射率为3B.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[答案]AC[解析]由几何关系可知,入射角θ1=60°,折射角θ2=30°.由折射定律n=21sinsin=2123=3,A正确;在BC界面上,入射角为30°,根据计算所得折射率,由折射定律易知,出射角度为60°,不会发生全反射,B错误;光从空气进入棱镜,频率f不变,波速v减小,所以λ=fv减小,C正确;由上述计算结果,作出光路图,可知D错误.【题型1】折射定律及折射率的应用【例1】(2008·宁夏高考)一半径为R的1/4球体放置在水平桌面上,球体由折射率为3的透明材料制成.现有一束位于过球心O的竖直平面内的光线,平行于桌面射到球体表面上,折射入球体后再从竖直表面射出,如图所示.已知入射光线与桌面的距离为求出射角θ.[答案]60°1.无论是应用折射定律,还是应用全反射分析问题,都应准确作出光路图,个别问题还要注意找出符合边界条件或恰好发生全反射的对应光线.2.光学题目经常涉及到日常生活或高科技中的光学元件,如光纤通信、照像机镜头等.1.在光的反射和全反射现象中,均遵循光的反射定律;光路均是可逆的.2.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.当折射角等于90°时,实际上就已经没有折射光了.3.全反射现象可以从能量的角度去理解:当光由光密介质向光疏介质时,在入射角逐渐增大的过程中,反射光的能量逐渐增强,折射光的能量逐渐减弱,当入射角等于临界角时,折射光的能量已经减弱为零,这时就发生了全反射.光5[解析]如图所示,设入射光线与1/4球体的交点为C,连接OC,OC即为入射点的法线.因此,图中的角α为入射角.过C点作球体水平表面的垂线,垂足为B.依题意,∠COB=α.又由△OBC知sinα=23①设光线在C点的折射角为β,由折射定律得sinsin=3②由①②两式得β=30°③由几何关系知,光线在球体的竖直表面上的入射角γ为30°.由折射定律得sinsin=31④因此sinθ=23解得θ=60°【题型2】全反射现象、临界角及应用【例2】(2009·宁夏高考)如图所示,一棱镜的截面为直角三角形ABC,∠A=30°,斜边AB=a,棱镜材料的折射率为n=2在此截面所在的平面内,一条光线以45°的入射角从AC边的中点M射入棱镜.画出光路图,并求光线从棱镜射出的点的位置(不考虑光线沿原路返回的情况).[解析]设入射角为i,折射角为r,由折射定律得risinsin①由已知条件及①式得r=30°②如果入射光线在法线的右侧,光路图如图所示.设出射点为F,由几何关系可得∠AFM=90°AF=83a③即出射点在AB边上离A点83a的位置.如果入射光线在法线的左侧,光路图如图所示.设折射光线与AB的交点为D.由几何关系可知,在D点的入射角θ=60°④应用折射定律进行相关计算时,关键是做好光路图,确定入射角和折射角.光6设全反射的临界角为θC,则sinθc=n1⑤由⑤和已知条件得θC=45°⑥因此,光在D点发生全反射.设此光线的出射点为E,由几何关系得∠DEB=90°BD=a-2AF⑦BE=DBsin30°⑧联立③⑦⑧式得BE=81a即出射点在BC边上离B点81a的位置.以45°的入射角从AC边的中点M射入棱镜,对应两个入射方向,解答本题时易出现漏解现象.【题型3】光的色散问题分析【例3】abc为一全反射棱镜,它的主截面是等腰直角三角形,如图11-3-7所示.一束白光垂直入射到ac面上,在ab面上发生全反射,若光线入射点O的位置保持不变,改变光线的入射方向(不考虑自bc面反射的光线),则:(1)使入射光按图中所示的顺时针方向逐渐偏转,如果有色光射出ab面,则哪种色光首先射出?(2)使入射光按图中所示的逆时针方向逐渐偏转,哪种色光首先射出ab面?[思路点拨]解答本题时应注意以下四个方面:(1)明确各种色光折射率的大小关系.(2)比较白光转动时各色光折射角的大小.(3)明确各色光在ab面上入射角变化.(4)根据临界角大小作出判断.[答案](1)红光(2)无光射出ab面[解析](1)白光垂直入射ac面后直射到ab面,入射角为45°,发生全反射说明棱镜的临界角C≤45°,这是对从红光到紫光的所有色光说的.当入射光顺时针偏转时,在ac面上发生色散,不同色光折射不同,红光偏折小,紫光偏折大,如图所示,射到ab面上时红光入射角小,紫光入射角大,但它们都小于45°.另一方面,棱镜对红光的临界角比紫光的临界角大.因此,入射光顺时针逐渐偏转时,在ab面上红光的入射角将首先小于临界角而射出ab面.(2)如果入射光逆时针偏转,则经ab面上的红光、紫光的入射角都大于45°,都发生全反射而不可能从ab面射出.光7【课时作业】1.(2009·天津高考)已知某玻璃对蓝光的折射率比对红光的折射率大,则两种光()A.在该玻璃中传播时,蓝光的速度较大B.以相同的入射角从空气斜射入该玻璃中,蓝光的折射角较大C.从该玻璃中射入空气发生全反射时,红光的临界角较大D.用同一装置进行双缝干涉实验,蓝光的相邻条纹间距较大[答案]C[解析]在光的折射和干涉现象中有这样四个公式:v=nc,n21sinsin,sinC=n1,dlx据此结合题目中的条件可知只有C正确.2.如图11-3-8所示,一束细光线a射到Ⅰ、Ⅱ两种介质的临界面后,反射光束只有b,折射光束只有c.下列说法正确的是()A.若a是复色光,则b、c都一定是复色光B.若a是单色光,则b、c都一定是单色光C.若b是复色光,则a、c都一定是复色光D.若b是单色光,则a、c都一定是单色光[答案]BD[解析]光射到两种介质界面上,一定有反射,但不一定有折射;不同频率的光入射角相同时,折射角一定不同.若a是复色光,b一定是复色光,而折射光线只有c,c一定是单色光,而且只有这种频率的光发生了折射,其余频率的光都发生了全反射.若b是复色光,说明a是复色光,但c只能是单色光.若b是单色光,说明a一定是单色光,因此c也一定是单色光.3.如图所示的长直光纤,柱芯为玻璃,外层以折射率比玻璃稍低的介质包覆.若光线自光纤左端进入,与中心轴的夹角为θ,则下列有关此光线传递方式的叙述,正确的是()A.不论θ为何值,光线都不会发生全反射B.不论θ为何值,光线都会发生全反射C.θ够小时,光线才会发生全反射D.θ够大时,光线才会发生全反射[答案]C[解析]发生全反射的条件之一是入射角i要等于或大于临界角C,即光线传播到光纤侧面时的入射角i应满足i=90°-θ≥C,θ≤90°-C,故选项C正确.4.(2008·上海高考)在杨氏双缝干涉实验中,如果()光垂直界面入射时传播方向不发生改变,但不垂直界面时光线要发生折射,红光折射率小,紫光折射率大,发生全反射时红光临界角大于紫光的临界角.本题中还要注意改变光路的两种情况要分别考虑,作出光路图找出在ab界面上的入射角与临界角的关系再判断.光8A.用白光作为光源,屏上将呈现黑白相间的条纹B.用红光作为光源,屏上将呈现红黑相间的条纹C.用红光照射一条狭缝,用紫光照射另一条狭缝,屏上将呈现彩色条纹D.用紫光作为光源,遮住其中一条狭缝,屏上呈现间距不等的条纹[答案]BD[解析]在双缝干涉实验中,用白光作为光源,将得到彩色条纹,用红光作为光源,将得到红黑相间的条纹.用不同颜色的光分别照射两缝,得不到干涉条纹.用单色光照射一
本文标题:高中物理光学知识总结及习题
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