2021届山东新高考物理一轮复习讲义：第13章 第3节 光的折射 全反射 光的色散 Word版含答案.pdf

第第3 3节节光的折射光的折射全反射全反射光的色散光的色散一、折射定律及折射率一、折射定律及折射率1 1折射定律折射定律(如图所示如图所示)(1)(1)内容：折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光内容：折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比。线分别位于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比。(2)(2)表达式：表达式：sinsin 1 1n n1212，式中，式中 n n1212是比例常数。是比例常数。sinsin 2 2(3)(3)在光的折射现象中，光路是可逆的。在光的折射现象中，光路是可逆的。2 2折射率折射率(1)(1)物理意义：折射率仅反映介质的光学特性，折射率大，说明光从真空射物理意义：折射率仅反映介质的光学特性，折射率大，说明光从真空射入到该介质时偏折大，反之偏折小。入到该介质时偏折大，反之偏折小。(2)(2)定义式：定义式：n nsinsin 1 1。sinsin 2 2c c(3)(3)计算公式：计算公式：n nv v，因为，因为 v vc c，所以任何介质的折射率都大于，所以任何介质的折射率都大于 1 1。二、光的全反射和光的色散二、光的全反射和光的色散1 1全反射全反射(1)(1)条件：条件：光从光密介质射入光疏介质。光从光密介质射入光疏介质。入射角大于或等于临界角。入射角大于或等于临界角。1 1(2)(2)临界角：折射角等于临界角：折射角等于 9090时的入射角，用时的入射角，用 C C 表示，表示，sinsin C Cn n。(3)(3)应用：应用：全反射棱镜。全反射棱镜。光导纤维，如图所示。光导纤维，如图所示。2 2光的色散光的色散(1)(1)光的色散现象：含有多种颜色的光被分解为单色光的现象。光的色散现象：含有多种颜色的光被分解为单色光的现象。(2)(2)光谱：含有多种颜色的光被分解后，各种色光按其波长有序排列。光谱：含有多种颜色的光被分解后，各种色光按其波长有序排列。(3)(3)光的色散现象说明：光的色散现象说明：白光为复色光；白光为复色光；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越大；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越大；不同色光在同一介质中的传播速度不同，波长越短，波速越慢。不同色光在同一介质中的传播速度不同，波长越短，波速越慢。1 1思考辨析思考辨析(正确的画“”，错误的画“”正确的画“”，错误的画“”)(1)(1)某种玻璃对蓝光的折射率比红光大，蓝光和红光以相同的入射角从空气某种玻璃对蓝光的折射率比红光大，蓝光和红光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。斜射入该玻璃中，蓝光的折射角较大。(2)(2)在水中，蓝光的传播速度大于红光的传播速度。在水中，蓝光的传播速度大于红光的传播速度。()()(3)(3)在潜水员看来，岸上的所有景物都出现在一个倒立的圆锥里。在潜水员看来，岸上的所有景物都出现在一个倒立的圆锥里。()(4)(4)光从空气射入玻璃时，只要入射角足够大就可能发生全反射。光从空气射入玻璃时，只要入射角足够大就可能发生全反射。()()(5)(5)光纤通信利用了全反射的原理。光纤通信利用了全反射的原理。(6)(6)晚上，在池水中同一深度的两点光源分别发出红光和蓝光，蓝光光源看晚上，在池水中同一深度的两点光源分别发出红光和蓝光，蓝光光源看起来浅一些。起来浅一些。()2 2(多选多选)下列光线由空气射入半圆形玻璃砖，或者由玻璃砖射入空气的光下列光线由空气射入半圆形玻璃砖，或者由玻璃砖射入空气的光路图中，正确的是路图中，正确的是(玻璃的折射率为玻璃的折射率为 1.5)(1.5)()A AB BC CD DBDBD 光由空气进入玻璃时，折射角小于入射角，光由空气进入玻璃时，折射角小于入射角，A A 图错误，图错误，B B 图正确；光图正确；光1 12 22 22 2由玻璃进入空气时，由玻璃进入空气时，发生全反射的临界角发生全反射的临界角 sinsin C Cn n，sin 45sin 45，将发生将发生3 32 23 3全反射，全反射，C C 图错误，图错误，D D 图正确。图正确。3 3关于光的传播现象及应用，下列说法正确的是关于光的传播现象及应用，下列说法正确的是()A A一束白光通过三棱镜后形成了彩色光带是光的色散现象一束白光通过三棱镜后形成了彩色光带是光的色散现象B B光导纤维丝内芯材料的折射率比外套材料的折射率小光导纤维丝内芯材料的折射率比外套材料的折射率小C C海面上的海市蜃楼将呈现倒立的像，位置在实物的上方，又称上现蜃景海面上的海市蜃楼将呈现倒立的像，位置在实物的上方，又称上现蜃景D D一束色光从空气进入水中，波长将变短，色光的颜色也将发生变化一束色光从空气进入水中，波长将变短，色光的颜色也将发生变化A A 一束白光通过三棱镜后形成了彩色光带是光的色散现象，一束白光通过三棱镜后形成了彩色光带是光的色散现象，A A 正确；正确；由全由全反射的条件可知，内芯材料的折射率比外套材料的折射率要大，故反射的条件可知，内芯材料的折射率比外套材料的折射率要大，故 B B 错误；海错误；海市蜃楼将呈现正立的像，位置在实物的上方，又称上现蜃景，市蜃楼将呈现正立的像，位置在实物的上方，又称上现蜃景，C C 错误；色光进入错误；色光进入水中，光的频率不变，颜色不变，水中，光的频率不变，颜色不变，D D 错误。错误。4.(20194.(2019安庆二模安庆二模)在阳光的照射下，在阳光的照射下，充满雾气的瀑布上方常会出现美丽的彩充满雾气的瀑布上方常会出现美丽的彩虹，彩虹是太阳光射入球形水珠经折射、内反射、再折射后形成的，其光线传虹，彩虹是太阳光射入球形水珠经折射、内反射、再折射后形成的，其光线传播路径如图所示，图中的圆面代表水珠过球心的截面，太阳光平行截面射入球播路径如图所示，图中的圆面代表水珠过球心的截面，太阳光平行截面射入球形水珠后，最后出射光线形水珠后，最后出射光线 a a、b b 分别代表两种不同颜色的光线，则水珠对分别代表两种不同颜色的光线，则水珠对 a a、b b两束光折射率的大小关系是两束光折射率的大小关系是 n na an nb b；a a、b b 两种光在水珠内传播速度大小两种光在水珠内传播速度大小关系是关系是 v va av vb b。(均填“均填“”或“”或“n nb b；根据；根据 n nv v可知可知 a a 光折射率较大，其速度较小，故光折射率较大，其速度较小，故v va a 5 5(2019(2019衡水中学模拟衡水中学模拟)宽为宽为 1010 mm 且中央水深为且中央水深为 4 4 mm 的池塘边有一棵树，的池塘边有一棵树，站在正对岸边的人看到树顶端的倒影与池塘底部中央的点光源在一条直线上。站在正对岸边的人看到树顶端的倒影与池塘底部中央的点光源在一条直线上。已知人眼到水面的高度为已知人眼到水面的高度为 1.51.5 mm，树顶端到水面的高度为，树顶端到水面的高度为 6 6 mm。则水的折射率。则水的折射率为为；若在水面上各处都看不到该光，则至少要在水面上铺设直径为；若在水面上各处都看不到该光，则至少要在水面上铺设直径为mm 的遮光膜。的遮光膜。解析解析 根据题意画出光路图，如图所示。根据题意画出光路图，如图所示。BFBF10 m10 m，CDCD4 m4 m，ABAB1.5 m1.5 m，EFEF6 m6 m，由几何关系知，由几何关系知 OBOB2 m2 m，OBOBOAOA4 4ODOD3 m3 m，OAOA2.5 m2.5 m，OCOC5 m5 m，则水的折射率，则水的折射率 n nODOD；若在水面上各处；若在水面上各处3 3OCOC1 13 3R R都看不到该光，都看不到该光，则发生了全反射，则发生了全反射，sinsin C Cn n，设遮光膜半径为设遮光膜半径为 R R，tantan C C，4 44 m4 m解得解得 R R121224242424 7 7m5 mm n nsinsin i i3 3式中式中 C C 是全反射临界角，满足是全反射临界角，满足n nsinsin C C1 1由由式知，棱镜的折射率式知，棱镜的折射率 n n 的取值范围应为的取值范围应为2 2 3 3n n22。3 32 2 3 3 答案答案(1)60(1)60(2)(2)n n223 3求解全反射现象中光的传播时间的技巧求解全反射现象中光的传播时间的技巧(1)(1)准确地判断出恰好发生全反射的临界光线是解题的关键。准确地判断出恰好发生全反射的临界光线是解题的关键。(2)(2)光的传播路程应结合光路图与几何关系进行确定，所以作光路图时应尽光的传播路程应结合光路图与几何关系进行确定，所以作光路图时应尽量与实际相符。量与实际相符。c c(3)(3)光在同种均匀介质中的传播速度不发生变化，即光在同种均匀介质中的传播速度不发生变化，即 v vn n。l l(4)(4)利用利用 t tv v求解光的传播时间。求解光的传播时间。跟进训练跟进训练 全反射现象的应用全反射现象的应用1.1.一光纤通信中信号传播的主要载体是光导纤维，一光纤通信中信号传播的主要载体是光导纤维，它的结构如图所示，它的结构如图所示，可看可看成一段直线，其内芯和外套的材料不同，光在内芯中传播，下列关于光导纤维成一段直线，其内芯和外套的材料不同，光在内芯中传播，下列关于光导纤维的说法正确的是的说法正确的是()A A内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射B B内芯的折射率比外套的大，光传播时在外套与外界的界面上发生全反射内芯的折射率比外套的大，光传播时在外套与外界的界面上发生全反射C C波长越长的光在光纤中传播的速度越小波长越长的光在光纤中传播的速度越小D D频率越大的光在光纤中传播的速度越大频率越大的光在光纤中传播的速度越大A A 当内芯的折射率比外套的大时，当内芯的折射率比外套的大时，光传播时在内芯与外套的界面上才能发光传播时在内芯与外套的界面上才能发生全反射，故选项生全反射，故选项 A A 正确，正确，B B 错误；波长越长的光，频率越小，介质对它的折错误；波长越长的光，频率越小，介质对它的折c c射率射率 n n 越小，越小，根据公式根据公式 v vn n，光在光纤中传播的速度越大，光在光纤中传播的速度越大，故选项故选项 C C、D D 错误。错误。光的折射和全反射的综合计算光的折射和全反射的综合计算2.(20192.(2019唐山一模唐山一模)如图所示，内径为如图所示，内径为R R、外径为、外径为R R 2 2R R 的环状玻璃砖的的环状玻璃砖的圆心为圆心为 O O，折射率为，折射率为 n n 2 2。一束平行于对称轴。一束平行于对称轴 O OO O 的光线由的光线由 A A 点进入玻璃点进入玻璃砖，到达砖，到达 B B 点点(未标出未标出)刚好发生全反射。求：刚好发生全反射。求：(1)(1)玻璃砖的临界角；玻璃砖的临界角；(2)(2)A A 点处光线的入射角和折射角。点处光线的入射角和折射角。解析解析(1)(1)由题给条件画出光路图，由题给条件画出光路图，如图所示，如图所示，因在因在 B B 点刚好发生全反射，点刚好发生全反射，则则1 11 1sinsin C Cn n2 2得得 C C4545。(2)(2)在在OABOAB 中，中，OAOA 2 2R R，OBOBR R，由正弦定律得，由正弦定律得sinsin 180180C C sinsin r rR R2 2R R1 1得得 sinsin r r，r r30302 2由由sinsin i in nsinsin r r得得 i i4545。答案答案(1)45(1)45(2)45(2)4530303.3.如图为三棱柱形棱镜的横截面，该横截面为直角边为如图为三棱柱形棱镜的横截面，该横截面为直角边为 d d1 1 mm 的等腰直角的等腰直角三角形。一细光束由三角形。一细光束由ABAB 面斜射入，面斜射入，并逐渐调节入射角及入射点的位置，并逐渐调节入射角及入射点的位置，使细光使细光束经束经 ABAB 面折射后直接射到面折射后直接射到 ACAC 面，且当细光束与面，且当细光束与 ABAB 面的夹角为面的夹角为 3030时，该时，该细光束恰好不能从细光束恰好不能从 ACAC 面射出。求：面射出。求：(1)(1)该棱镜的折射率为多大；该棱镜的折射率为多大；(2)(2)如果入射点到如果入射点到 A A 点的距离为点的距离为d d，光在真空中的传播速度为，光在真空中的传播速度为 c c3.03.010108 87 7m/sm/s，则光束从，则光束从 ABAB 面传播到面传播到 ACAC 面所用的时间应为多少？面所用的时间应为多少？(结果可保留根号结果可保留根号)解析解析(1)(1)由题意作出光路图，如图所示由题意作出光路图，如图所示由几何关系可知入射角为由几何关系可知入射角为 9090 6060由于在由于在 ACAC 面发生了全反射，则面发生了全反射，则 n n又因为又因为 2 2sinsin 在在 ABAB 面上：面上：n nsinsin 解得：解得：n n7 7。2 2d d2 2，因为，因为 sinsin 7 77 71 1sinsin (2)(2)由几何关系可知由几何关系可知 OEOE所以所以 coscos 3 3OEOEd d3 3，则，则 DEDEmmcoscos 7 73 33 3c c6 6光在棱镜中的速度为光在棱镜中的速度为 v vn n10108 8 m/s m/s7 7则光束从则光束从 ABAB 面传播到面传播到 ACAC 面所用的时间面所用的时间DEDE2121t tv v10108 8 s s。1818 答案答案(1)(1)7 72121(2)(2)10108 8 s s2 21818光的色散和光路控制光的色散和光路控制 依题组训练依题组训练 1 1光的色散光的色散(1)(1)成因：棱镜材料对不同色光的折射率不同，对红光的折射率最小，红光成因：棱镜材料对不同色光的折射率不同，对红光的折射率最小，红光通过棱镜后的偏折程度最小，对紫光的折射率最大，紫光通过棱镜后的偏折程通过棱镜后的偏折程度最小，对紫光的折射率最大，紫光通过棱镜后的偏折程度最大，从而产生色散现象。度最大，从而产生色散现象。(2)(2)现象：一束白光通过三棱镜后在屏上会形成彩色光带。现象：一束白光通过三棱镜后在屏上会形成彩色光带。2 2平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球球)对光路的控制对光路的控制类类别别平行玻璃砖平行玻璃砖三棱镜三棱镜圆柱体圆柱体(球球)项项目目结结 玻璃砖上下表面是平行玻璃砖上下表面是平行构构 的的横截面为三角形横截面为三角形横截面是圆横截面是圆对对光光线线的的作作用用通过平行玻璃砖的光线通过平行玻璃砖的光线不改变传播方向，但要不改变传播方向，但要发生侧移发生侧移 题组训练题组训练 1.(1.(多选多选)如图所示，从点光源如图所示，从点光源 S S 发出的一细束白光以一定的角度入射到三棱发出的一细束白光以一定的角度入射到三棱镜的表面，经过三棱镜的折射后发生色散现象，在光屏的镜的表面，经过三棱镜的折射后发生色散现象，在光屏的 abab 间形成一条彩色光间形成一条彩色光带。下列说法中正确的是带。下列说法中正确的是()通过三棱镜的光线经两通过三棱镜的光线经两次折射后，出射光线向次折射后，出射光线向棱镜底边偏折棱镜底边偏折圆界面的法线是过圆心圆界面的法线是过圆心的直线，经过两次折射的直线，经过两次折射后向圆心偏折后向圆心偏折A Aa a 侧是红光，侧是红光，b b 侧是紫光侧是紫光B B在真空中在真空中 a a 侧光的波长小于侧光的波长小于 b b 侧光的波长侧光的波长C C三棱镜对三棱镜对 a a 侧光的折射率大于对侧光的折射率大于对 b b 侧光的折射率侧光的折射率D D在三棱镜中在三棱镜中 a a 侧光的速率比侧光的速率比 b b 侧光小侧光小BCDBCD 由题图可以看出，由题图可以看出，a a 侧光偏折得较厉害，三棱镜对侧光偏折得较厉害，三棱镜对 a a 侧光的折射率侧光的折射率较大，所以较大，所以 a a 侧光是紫光，波长较短，侧光是紫光，波长较短，b b 侧光是红光，波长较长，侧光是红光，波长较长，A A 错误，错误，B B、c cC C 正确；又正确；又 v vn n，所以三棱镜中，所以三棱镜中 a a 侧光的传播速率小于侧光的传播速率小于 b b 侧光的传播速率，侧光的传播速率，D D正确。正确。2.(2.(多选多选)(2019)(2019南宁二中检测南宁二中检测)如图所示，一束由两种单色光混合的复色光沿如图所示，一束由两种单色光混合的复色光沿POPO 方向射向一上、下表面平行的厚玻璃平面镜的上表面，得到三束光、方向射向一上、下表面平行的厚玻璃平面镜的上表面，得到三束光、。下列有关这三束光的判断正确的是。下列有关这三束光的判断正确的是()A A光束仍为复色光，光束、为单色光光束仍为复色光，光束、为单色光B B光束在玻璃中的传播速度比光束小光束在玻璃中的传播速度比光束小C C增大增大 角且角且 9090，光束、会远离光束，光束、会远离光束D D改变改变 角且角且 9090，光束、一定与光束平行，光束、一定与光束平行ABDABD 由题意画出如图所示的光路图，可知光束由题意画出如图所示的光路图，可知光束是反射光线，所是反射光线，所以仍是复色光，而光束以仍是复色光，而光束、由于折射率的不同导致偏折分离，所以光束由于折射率的不同导致偏折分离，所以光束、是单色光，故是单色光，故 A A 正确；由于光束正确；由于光束的偏折程度大于光束的偏折程度大于光束，所以玻璃对光束，所以玻璃对光束c c的折射率大于对光束的折射率大于对光束的折射率，根据的折射率，根据 v vn n可知，光束可知，光束在玻璃中的传播速度在玻璃中的传播速度比光束比光束小，故小，故B B 正确；当增大正确；当增大 角且角且 9090，即入射角减小时，光束，即入射角减小时，光束、会会靠近光束靠近光束，故，故 C C 错误；因为厚玻璃平面镜的上下表面是平行的，根据光的入错误；因为厚玻璃平面镜的上下表面是平行的，根据光的入射角与反射角相等以及光的可逆性，可知改变射角与反射角相等以及光的可逆性，可知改变 角且角且 9090，光束，光束、一定与一定与光束光束平行，故平行，故 D D 正确。正确。