（江苏专用版）2020版高考物理总复习 第十三章 第3讲 光的折射 全反射 测定玻璃的折射率课件

第3讲光的折射全反射测定玻璃的折射率基础过关知识梳理1.(2016上海单科)一束单色光由空气进入水中,则该光在空气和水中传播时 (D)A.速度相同,波长相同B.速度不同,波长相同C.速度相同,频率相同D.速度不同,频率相同基础自测解析光由空气进入水,由n= 1知速度减小,又知v=λf,由于光的频率f不变,故波长λ减小,只有D项正确。cv2.(多选)(2017南京、盐城一模)下列事例哪些应用了光的全反射现象 (AD)A.光导纤维通信B.用三棱镜观察太阳光谱C.用白光照肥皂膜看到彩色条纹D.某些光学仪器中用等腰直角玻璃三棱镜改变光路90°考点一光的折射全反射测定玻璃的折射率考点二全反射现象考点突破考点三光路控制问题考点四测定玻璃的折射率考点一光的折射全反射测定玻璃的折射率对折射率的理解(1)公式n= 中,不论光是从真空射入介质,还是从介质射入真空,θ1总是真空中的光线与法线间的夹角,θ2总是介质中的光线与法线间的夹角。(2)折射率与入射角的大小无关。(3)折射率与介质的密度没有关系,光密介质不是指密度大的介质。12sinsinθθ(4)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。(5)同一种色光,在不同介质中虽然波速、波长不同,但频率相同。例1[2015江苏单科,12B(3)]人造树脂是常用的眼镜镜片材料。如图所示,光线射在一人造树脂立方体上,经折射后,射在桌面上的P点。已知光线的入射角为30°,OA=5cm,AB=20cm,BP=12cm,求该人造树脂材料的折射率n。 答案 (或1.5)44914解析设折射角为γ,由折射定律有sin30°=nsinγ由几何关系知sinγ= ,且OP= 代入数据解得n= (或n≈1.5)PBOAOP22()PBOAAB44914例2[2014江苏单科,12B(3)]Morpho蝴蝶的翅膀在阳光的照射下呈现出闪亮耀眼的蓝色光芒,这是因为光照射到翅膀的鳞片上发生了干涉。电子显微镜下鳞片结构的示意图见题图。一束光以入射角i从a点入射,经过折射和反射后从b点出射。设鳞片的折射率为n,厚度为d,两片之间空气层厚度为h。取光在空气中的速度为c,求光从a到b所需的时间t。答案见解析解析设光在鳞片中的折射角为γ,由折射定律有sini=nsinγ在鳞片中传播的路程l1= ,传播速度v= ,传播时间t1= 解得t1= 同理,在空气中的传播时间t2= 则t=t1+t2= + 2cosdγcn1lv2222sinndcni2coshci2222sinndcni2coshci方法技巧应用光的折射定律解题的一般思路(1)根据入射角、折射角及反射角之间的关系,作出比较完整的光路图。(2)充分利用光路图中的几何关系,确定各角之间的联系,根据折射定律求解相关的物理量:折射角、折射率等。(3)注意在折射现象中,光路是可逆的。考点二全反射现象1.对全反射的理解(1)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。(2)光的全反射现象遵循光的反射定律,光路是可逆的。(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。当折射角等于90°时,实际上就已经没有折射光了。(4)全反射现象可以从能量的角度去理解:当光由光密介质射向光疏介质时,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。2.全反射的有关现象及应用(1)海里浪花呈白色、玻璃(水)中气泡看起来特别亮、沙漠蜃景、夏天的柏油路面看起来“水淋淋”的、海市蜃楼、钻石的夺目光彩、水下灯照不到整个水面、全反射棱镜(如图所示)等。 (2)光导纤维①光导纤维简称光纤,是一种透明的玻璃纤维丝,直径在几微米到一百微米之间,由内芯和外套两层组成,内芯的折射率大于外套的折射率,即内芯是光密介质,外套是光疏介质。②原理:光在光纤的内芯中传播,每次射到内、外层的界面上时,都要求入射角大于临界角,从而发生全反射。 3.光的色散(1)定义:含有多种颜色的光被分解为单色光的现象叫做光的色散。如图所示,光谱中红光在最上端,紫光在最下端,中间是橙、黄、绿、青、蓝等色光。 (2)白光的组成:光的色散现象说明白光是复色光,是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种单色光组成的。例3(2018苏北四市调研)如图所示,水深为H的池底有一半径为r的圆形光源,在水面上形成圆形光斑,已知水的折射率为n,真空中的光速为c,求: (1)光到达水面的最短时间t;(2)光斑的半径R。答案(1) (2)r+ nHc21Hn解析(1)光在水中传播的速度v= 当光竖直向上传播时时间最短,最短时间t= = (2)发生全反射的临界角为C,有sinC= 则水面光斑的半径R=r+HtanC=r+ cnHvnHc1n21Hn例4图为单反照相机取景器的示意图,ABCDE为五棱镜的一个截面,AB⊥BC。光线垂直AB射入,分别在CD和EA上发生反射,且两次反射的入射角相等,最后光线垂直BC射出。若两次反射都为全反射,则该五棱镜折射率的最小值是多少?(计算结果可用三角函数表示)答案 1sin22.5解析由题意知,光线经界面CD和界面EA两次反射后传播方向改变了90°,光线在两界面上反射时入射角与反射角的和都为45°,则对应的入射角为22.5°,若此时恰好发生全反射,则折射率为最小值,即n= = 。1sinC1sin22.5方法技巧解决全反射问题的一般方法(1)确定光是从光密介质进入光疏介质。(2)应用sinC= 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)如发生全反射,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、计算。1n考点三光路控制问题平行玻璃砖、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,出射光线向三棱镜底面偏折 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,改变光的行进方向改变光的传播方向特别提醒:不同颜色的光的频率不同,在同一种介质中的折射率、光速也不同,发生全反射现象的临界角也不同。例5(2018苏锡常镇四市调研)如图所示,一透明球体置于空气中,半径R=0.1m,单色细光束AB平行于过球心的直线MN射向球体,AB与MN的间距为 m,经折射、反射、折射回到空气中,出射光线与AB恰好平行。 (1)求该透明球体的折射率;320(2)已知真空中光速c=3×108m/s,求光束在透明球体中的传播时间。答案(1) (2)2×10-9s3解析(1)单色细光束AB经折射、反射、折射回到空气中,出射光线与AB恰好平行,则光路如图所示 sini= = ,则i=60°r= =30°5310322in= = (2)v= = ct= = =2×10-9ssinsinir3cn332BNv23Rv重要结论各种色光的比较考点四测定玻璃的折射率1.实验原理:用插针法找出与入射光线AO对应的出射光线O'B,确定出O'点,画出折射光线OO',然后测量出角θ1和θ2,代入公式计算玻璃的折射率。2.实验器材:白纸、图钉、大头针、直尺、铅笔、量角器、平木板、长方形玻璃砖。3.实验过程(1)铺白纸、画线a.如图所示,将白纸用图钉按在平木板上,先在白纸上画出一条直线aa'作为界面,过aa'上的一点O画出界面的法线MN,并画一条线段AO作为入射光线。 b.把玻璃砖平放在白纸上,使它的长边跟aa'对齐,画出玻璃砖的另一条长边bb'。(2)插针与测量a.在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2,透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像,调整视线的方向,直到P1的像被P2的像挡住,再在观察的这一侧依次插两枚大头针P3、P4,使P3挡住P1、P2的像,P4挡住P1、P2的像及P3,记下P3、P4的位置。b.移去玻璃砖,连接P3、P4并延长交bb'于O',连接OO'即折射光线,入射角θ1=∠AOM,折射角θ2=∠O'ON。c.用量角器测出入射角和折射角,查出它们的正弦值,将数据填入表格中。d.改变入射角θ1,重复实验步骤,记录相关测量数据。4.注意事项(1)用手拿玻璃砖时,手只能接触玻璃砖的毛面或棱,不能触摸光洁的光学面,严禁把玻璃砖当尺子画玻璃砖的另一边bb'。(2)实验过程中,玻璃砖在纸上的位置不可移动。(3)大头针应竖直地插在白纸上,且大头针P1与P2间、P3与P4间的距离应大一点,以减小确定光路方向时造成的误差。(4)实验时入射角不宜过小,否则会使测量误差过大,也不宜过大,否则在bb'一侧将看不到P1、P2的像。5.数据处理:计算每次的折射率n,求出平均值 。n例6“测定玻璃的折射率”实验中,在玻璃砖的一侧竖直插两个大头针A、B,在另一侧再竖直插两个大头针C、D。在插入第四个大头针D时,要使它。图是在白纸上留下的实验痕迹,其中直线a、a'是描在纸上的玻璃砖的两个边。根据该图可算得玻璃的折射率n=。(计算结果保留两位有效数字)答案挡住C及A、B的像1.8(1.6~1.9都算对)解析大头针A、B确定的是入射光线的方位,大头针C、D确定的是与之对应的出射光线的方位。故达到目的时四个大头针位于同一光路上,D能挡住C及A、B的像。连接AB、CD并延长分别与a、a'相交于E、F两点,再连接EF即可得到与入射光线AB对应的折射光线,过E点作a的垂线,则AB、EF与垂线间的夹角即入射角及对应的折射角。方法一:用量角器测出入射角i及折射角r,查正弦表由n= 可得折射率。sinsinir方法二:以E点为圆心适当长度为半径作圆,设圆与AB、EF相交于G、H,过G、H作法线的垂线GI与HJ,用刻度尺测出GI与HJ的长度,则n= 。GIHJ方法技巧数据处理的三种方法计算法作sinθ1-sinθ2图像单位圆法确定sinθ1、sinθ2用量角器测量入射角θ1和折射角θ2,并查出其正弦值sinθ1和sinθ2。算出不同入射角时的 ,并取平均值改变不同的入射角θ1,测出不同的折射角θ2,作sinθ1-sinθ2图像,由n= 可知图线应为直线,其斜率为折射率 以入射点O为圆心、一定长度R为半径画圆,交入射光线AO于E点,交折射光线OO‘于E’点,过E作NN‘的垂线段EH,过E’作NN‘的垂线段E’H‘。如图,sinθ1= ,sinθ2= ,OE=OE’=R,则n= = 。只要用刻度尺测出EH、E'H'的长度就可以求出n 12sinsin12sinsinEHOEE'H'OE'12sinsinEHE'H'随堂巩固1.(2017苏锡常镇四市调研)(1)(多选)某同学用插针法测量平行玻璃砖折射率的实验图如图所示。他按正确的方法插了大头针a、b、c、d。则下列说法正确的是 ()A.实验中,入射角应适当大些B.该同学在插大头针d时,使d挡住a、b的像和cC.若入射角太大,光会在玻璃砖内表面发生全反射D.该实验方法只能测量平行玻璃砖的折射率(2)如图所示为一横截面为等边三角形的透明柱状介质,一平行于角平分线AD的单色光由AB射入介质,经AB折射后的光线恰好平行于AC,由此可求出介质的折射率为,此折射光照射到BC边上时(选填“能”或“不能”)发生全反射。答案(1)AB(2) 不能3解析(1)插针法测量平行玻璃砖折射率的实验中,入射角既不要太小,也不要过大,应适当大些,选项A正确;插大头针d时,应使d挡住a、b的像和c,选项B正确;若入射角太大,但也小于90°,光永远不会在玻璃砖内表面发生全反射,选项C错误;该实验方法可以测量非平行玻璃砖的折射率,只是平行玻璃砖出射光线与入射光线平行,选项D错误。(2)根据几何关系得,光在AB面上的入射角i=60°,折射角r=30°根据折射定律得:介质的折射率n= = sinsinir3