2019-2020学年高中物理 第十三章 第1节 光的反射和折射课件 新人教版选修3-4

第十三章光第1节光的反射和折射第十三章光1.理解光的反射定律和折射定律，并能用来解释和计算有关的问题．2.理解折射率的物理意义，知道折射率与光速的关系．3.会依据光的反射定律和折射定律作出光路图．4.会用插针法测定玻璃的折射率．一、反射定律和折射定律1．光的反射现象：光从一种介质射到它与另一种介质的________时，一部分或全部光会________原介质的现象．分界面返回到2．光的反射定律：反射光线与入射光线、法线处在__________内，反射光线与入射光线分别位于法线的______；反射角______入射角．如图所示．同一平面两侧等于3．光的折射现象：光从第一种介质射到第二种介质的________时，一部分光会进入第二种介质的现象．4．光的折射定律：折射光线与入射光线、法线处在__________内，折射光线与入射光线分别位于法线的______；入射角的正弦与折射角的正弦成______．即_____________．5．在光的反射和折射现象中光路是______的．分界面同一平面两侧正比sinθ1sinθ2＝n12可逆二、折射率1．意义：反映介质的__________的物理量．2．定义：光从真空射入某种介质发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦______，叫做这种介质的绝对折射率，简称折射率．n12＝__________．3．折射率与光速的关系：某种介质的折射率，等于光在______中的传播速度c与光在这种介质中的传播速度v之比，即n＝________．4．特点：任何介质的折射率都______1.光学性质之比sinθ1sinθ2真空cv大于判一判(1)一束光从空气进入水中时，传播方向一定发生变化．()(2)入射光线与反射光线关于法线对称．()(3)光的反射现象中，光路是可逆的，光的折射现象中，光路不是可逆的．()(4)光从一种介质进入另一种介质时，传播方向一定发生变化．()×√××(5)折射率与入射角、折射角的大小有关，与两种介质的性质无关．()(6)光在某种介质中的传播速度越大，则该介质的折射率越大．()(7)光在真空中的传播速度最大．()(8)光在发生折射时，折射光的速度与入射光的速度相等．()×√××光的折射和折射定律1．光的折射(1)光的方向：光从一种介质进入另一种介质时，传播方向一般要发生变化(斜射)，并非一定变化，当光垂直界面入射时，传播方向就不发生变化．(2)光的传播速度：光从一种介质进入另一种介质时，传播速度一定发生变化，当光垂直界面入射时，光的传播方向虽然不变，但也属于折射，光传播的速度也发生变化．(3)入射角与折射角的大小关系①光从一种介质进入另一种介质时，折射角与入射角的大小关系不要一概而论，要视两种介质的折射率大小而定．②当光从折射率小的介质斜射入折射率大的介质时，入射角大于折射角，当光从折射率大的介质斜射入折射率小的介质时，入射角小于折射角．2．折射定律的应用解决光的折射问题的基本思路：(1)根据题意画出正确的光路图．(2)利用几何关系确定光路图中的边、角关系，要注意入射角、折射角是入射光线、折射光线与法线的夹角．(3)利用折射定律n＝sinθ1sinθ2、折射率与光速的关系n＝cv列方程，结合数学三角函数的关系进行运算．命题视角1光的反射与折射现象一条光线以40°的入射角从真空射到平板透明材料上，光的一部分被反射，一部分被折射，折射光线与反射光线的夹角可能是()A．小于40°B．在50°～100°之间C．在100°～140°之间D．大于140°[解析]由sinθ1sinθ2＝n1，得折射角θ2θ1＝40°，由反射定律得θ3＝θ1＝40°，如图所示，故折射光线与反射光线的夹角φ＝180°－θ3－θ2＝140°－θ2，所以100°φ140°.[答案]C命题视角2折射定律(2017·高考全国卷Ⅰ)如图，一玻璃工件的上半部是半径为R的半球体，O点为球心；下半部是半径为R、高为2R的圆柱体，圆柱体底面镀有反射膜．有一平行于中心轴OC的光线从半球面射入，该光线与OC之间的距离为0.6R.已知最后从半球面射出的光线恰好与入射光线平行(不考虑多次反射)．求该玻璃的折射率．[解析]如图，根据光路的对称性和光路可逆性，与入射光线相对于OC轴对称的出射光线一定与入射光线平行．这样，从半球面射入的折射光线，将从圆柱体底面中心C点反射．设光线在半球面的入射角为i，折射角为r.由折射定律有sini＝nsinr①由正弦定理有sinr2R＝sin（i－r）R②由几何关系，入射点的法线与OC的夹角为i.由题设条件和几何关系有sini＝LR③式中L是入射光线与OC的距离．由②③式和题给数据得sinr＝6205④由①③④式和题给数据得n＝2.05≈1.43.[答案]1.43【通关练习】1．光在某种玻璃中的传播速度是3×108m/s，要使光由空气射入玻璃时折射光线与反射光线成直角，则入射角应是()A．30°B．60°C．45°D．90°解析：选B.设入射角为i，则折射角r＝90°－i，根据折射定律sinisinr＝n及n＝cv，得sinisin（90°－i）＝cv，所以tani＝3，即i＝60°，故选项B正确．2．(2017·高考江苏卷)人的眼球可简化为如图所示的模型．折射率相同、半径不同的两个球体共轴．平行光束宽度为D，对称地沿轴线方向射入半径为R的小球，会聚在轴线上的P点．取球体的折射率为2，且D＝2R.求光线的会聚角α.(示意图未按比例画出)解析：由几何关系sini＝D2R，解得i＝45°则由折射定律sinisinγ＝n，解得γ＝30°且i＝γ＋α2，解得α＝30°.答案：30°对折射率的理解和计算1．对折射率的理解(1)折射率n是反映介质光学性质的物理量，它的大小由介质本身及入射光的频率决定，与入射角、折射角的大小无关．(2)从公式n＝cv看，由于光在真空中的传播速度c大于光在任何其他介质中的传播速度v，所以任何介质的折射率都大于1.(3)由于n1，从公式n＝sinθ1sinθ2看，光从真空斜射向任何其他介质时，入射角都大于折射角．类推可知，当光从折射率小的介质斜射向折射率大的介质时，入射角大于折射角．2．折射率的计算方法(1)n＝sinθ1sinθ2，这种方法是用光的折射现象来计算．(2)n＝cv，这种方法是用光速来计算．命题视角1折射率的理解如果光以同一入射角从真空射入不同介质，则折射率越大的介质()A．折射角越大，表示这种介质对光的偏折作用越大B．折射角越大，表示这种介质对光的偏折作用越小C．折射角越小，表示这种介质对光的偏折作用越大D．折射角越小，表示这种介质对光的偏折作用越小[解析]根据折射定律n＝sinθ1sinθ2，当光以同一入射角从真空向介质入射时，sinθ1一定，n越大，sinθ2就越小，θ2越小，说明光偏离原来的传播方向角度就越大．[答案]C折射率是反映介质折射光的本领大小的物理量．光从真空射向介质时，如果介质折射率大，就说明介质对光线的偏折作用强．命题视角2折射率的计算一个圆柱形筒，直径为12cm，高为16cm.人眼在筒右侧上方某处观察，看到筒左侧的深度为9cm.当筒中装满某种液体时，则恰能看到筒左侧的最低点．求：(1)此液体的折射率．(2)光在此液体中的传播速度．[思路点拨]题中的“恰能看到”表明人眼看到的是筒左侧最低点发出的光线经界面折射后进入人眼的边界光线、由题意可作出光路图(如图所示)．在作图或分析计算时还可以由光路的可逆性认为“由人眼发出的光线”折射后恰好到达筒左侧最低点．[解析](1)由几何关系可知sinθ2＝dd2＋H2，sinθ1＝dd2＋h2所以折射率n＝sinθ1sinθ2＝d2＋H2d2＋h2＝122＋162122＋92＝43.(2)光在此液体中的传播速度为v＝cn＝3.0×10843m/s＝2.25×108m/s.[答案](1)43(2)2.25×108m/s命题视角3大气层的折射率的光学现象——蒙气差如图所示，落山的太阳看上去正好在地平线上，但实际上太阳已处于地平线以下，观察者的视觉误差大小取决于当地大气的状况．造成这种现象的原因是()A．光的反射B．光的折射C．光的直线传播D．小孔成像[解析]太阳光线进入大气层发生折射，使传播方向改变，而使人感觉太阳的位置比实际位置偏高．[答案]B【通关练习】1．(2018·高考全国卷Ⅲ)如图，某同学在一张水平放置的白纸上画了一个小标记“•”(图中O点)，然后用横截面为等边三角形ABC的三棱镜压在这个标记上，小标记位于AC边上．D位于AB边上，过D点做AC边的垂线交AC于F.该同学在D点正上方向下顺着直线DF的方向观察，恰好可以看到小标记的像；过O点做AB边的垂线交直线DF于E；DE＝2cm，EF＝1cm.求三棱镜的折射率．(不考虑光线在三棱镜中的反射)解析：过D点作AB边的法线NN′，连接OD，则∠ODN＝α为O点发出的光线在D点的入射角；设该光线在D点的折射角为β，如图所示．根据折射定律有nsinα＝sinβ①式中n为三棱镜的折射率由几何关系可知β＝60°②∠EOF＝30°③在△OEF中有EF＝OEsin∠EOF④由③④式和题给条件得OE＝2cm⑤根据题给条件可知，△OED为等腰三角形，有α＝30°⑥由①②⑥式得n＝3.⑦答案：见解析2．(2017·高考全国卷Ⅱ)一直桶状容器的高为2l，底面是边长为l的正方形；容器内装满某种透明液体，过容器中心轴DD′、垂直于左右两侧面的剖面图如图所示．容器右侧内壁涂有反光材料，其他内壁涂有吸光材料．在剖面的左下角处有一点光源，已知由液体上表面的D点射出的两束光线相互垂直，求该液体的折射率．解析：设从光源发出直接射到D点的光线的入射角为i1，折射角为r1.在剖面内作光源相对于反光壁的镜像对称点C，连接C、D，交反光壁于E点，由光源射向E点的光线，反射后沿ED射向D点．光线在D点的入射角为i2，折射角为r2，如图所示．设液体的折射率为n，由折射定律有nsini1＝sinr1①nsini2＝sinr2②由题意知r1＋r2＝90°③联立①②③式得n2＝1sin2i1＋sin2i2④由几何关系可知sini1＝l24l2＋l24＝117⑤sini2＝32l4l2＋9l24＝35⑥联立④⑤⑥式得n＝1.55.答案：1.55两类典型折射问题的分析1．玻璃砖对光的折射问题(1)半圆形玻璃砖若光线从半圆面射入，且其方向指向圆心，则其光路图如图甲所示，光线只发生一次偏折．注意：过半圆形玻璃砖圆心的光线在圆弧处不偏折．(2)长方形玻璃砖两个折射面相互平行的长方形玻璃砖，其折射光路如图乙所示，光线经过两次折射后，出射光线与入射光线的方向平行，但发生了侧移．物点通过玻璃砖也可成虚像，如图丙所示为其示意图．注意：垂直界面入射的光线，折射光线与入射光线在同一直线上．2．视深与实际深度的关系问题(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sinθ1sinθ2≈tanθ1tanθ2≈θ1θ2，这是在视深问题中经常用到的关系式．(2)当沿竖直方向看水中物体时，“视深”是实际深度的1n，n是水的折射率．(多选)把用相同玻璃制成的厚度为d的正方体a和半径亦为d的半球体b，分别放在报纸上，且让半球的凸面向上．从正上方分别观察a、b中心处报纸上的字，下面的观察记录中正确的是()A．a中的字比b中的字高B．b中的字比a中的字高C．一样高D．a中的字较没有玻璃时的高，b中的字和没有玻璃时一样[解析]如图所示，放在b中的字反射的光线经半球体向外传播时，传播方向不变，故人看到字的位置是字的真实位置，而放在a中的字经折射，人看到的位置比真实位置要高．故A、D正确．[答案]AD水池深为h，一根长棍竖直地插入水底，棍露出水面部分长度为L，现有与水平面夹角为60°的太阳光照射到水面上，已知水的折射率为n，求棍在水底的影子的长度．解析：如图所示，AO＝L，由几何关系知BC＝OO′＝33Lsin30°sinr＝nCD＝htanr