1、2011河南泌阳高考物理一轮复习-光的折射 全反射（内容分析）基础知识 一、光的折射1折射现象：光从一种介质进入另一种介质，传播方向发生改变的现象2折射定律：折射光线、入射光线跟法线在同一平面内，折射光线、入射光线分居法线两侧，入射角的正弦跟折射角的正弦成正比3在折射现象中光路是可逆的二、折射率1定义：光从真空射入某种介质，入射角的正弦跟折射角的正弦之比，叫做介质的折射率 注意：光从真空射入介质2公式：n=sini/sin，折射率总大于1即n13.各种色光性质比较：红光的n最小，最小，在同种介质中（除真空外）v最大，最大，从同种介质射向真空时全反射的临界角C最大，以相同入射角在介质间发生折射时
2、的偏折角最小（注意区分偏折角和折射角）。4两种介质相比较，折射率较大的叫光密介质，折射率较小的叫光疏介质【例1】一束光从空气射向折射率n=的某种玻璃的表面，如图所示，i表示入射角，则（ ） A无论入射角i有多大，折射角r都不会超过450 B欲使折射角r300，应以i450的角度入射 C当入射角iarctan时，反射光线与折射光线恰好互相垂直 D以上结论都不正确解析：针对A：因为入射角最大值imax=900，由折射定律sini/sin=n， sin=sini/n=sin900/=/2 所以max450，故A正确 针对B：由sini/sin=n知，当r300时 sini=sinn=sin300=/
3、2 所以，I=450，即选项B正确 针对c：当入射角iarctan 时，有sini/cosi=， 由折射定律有sini/sin=n 所以cosisin，则ir=900 所以在图中，OBOC故选项C也正确 答案：ABC【例2】如图所示，一圆柱形容器，底面直径和高度相等，当在S处沿容器边缘的A点方向观察空筒时，刚好看到筒底圆周上的B点保持观察点位置不变，将筒中注满某种液体，可看到筒底的中心点，试求这种未知液体的折射率是多大？ 解析：筒内未装液体时，S点的眼睛能看到B点以上部分，注满液体后，由O点发出的光线经液面折射后刚好进入眼睛，根据折射定律知：n=sini/sin=/2=1.58 即这种未知液体
4、的折射率n=158三、全反射1全反射现象：光照射到两种介质界面上时，光线全部被反射回原介质的现象2全反射条件：光线从光密介质射向光疏介质，且入射角大于或等于临界角3临界角公式：光线从某种介质射向真空（或空气）时的临界角为C，则sinC=1/n=v/c【例3】潜水员在折射率为的透明的海水下hm深处，向上观察水面，能看到的天穹和周围的景物都出现在水面上 的一个圆形面积为S的区域内，关于圆面积S和深度h的关系正确的是（ C ）A、S与水深h成正比 B、S与水深h成反比C、S与水深h的平方成正比 D、S与水深h的平方成反比【例4】完全透明的水中某深处，放一点光源在水面上可见到一个圆形的透光平面，如果透
5、光圆面的半径匀速增大，则光源正在（ D ）A、加速上升 B、加速下沉 C、匀速上升 D、匀速下沉四、棱镜与光的色散1.棱镜对光的偏折作用一般所说的棱镜都是用光密介质制作的。入射光线经三棱镜两次折射后，射出方向与入射方向相比，向底边偏折。（若棱镜的折射率比棱镜外介质小则结论相反。）作图时尽量利用对称性（把棱镜中的光线画成与底边平行）。由于各种色光的折射率不同，因此一束白光经三棱镜折射后发生色散现象，在光屏上形成七色光带（称光谱）（红光偏折最小，紫光偏折最大。）在同一介质中，七色光与下面几个物理量的对应关系如表所示。色光红橙黄绿蓝靛紫折射率小大偏向角小大频率小小速度大小【例5】发出白光的细线光源a
6、b，长度为l0，竖直放置，上端a恰好在水面以下，如图。现考虑线光源a b发出的靠近水面法线（图中的虚线）的细光束经水面折射后所成的像，由于水对光有色散作用，若以l1表示红光成的像的长度，l2表示蓝光成的像的长度，则（D）A l1 l2 l2l0 Cl2 l1l0 Dl2 l1l0解析：红光的折射率n1小于蓝光的折射率n1，b点的像红光比蓝光靠下，所以l2 l1l0【例6】公园里灯光喷泉的水池中有处于同一深度若干彩灯，在晚上观察不同颜色彩灯的深度和 水面上被照亮的面积，下列说法正确的是（ D ）A红灯看起来较浅，红灯照亮的水面面积较小 B红灯看起来较深，红灯照亮的水面面积较小C红灯看起来较浅，红
7、灯照亮的水面面积较大 D红灯看起来较深，红灯照亮的水面面积较大2.全反射棱镜横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。选择适当的入射点，可以使入射光线经过全反射棱镜的作用在射出后偏转90o（右图1）或180o（右图2）。要特别注意两种用法中光线在哪个表面发生全反射。【例7】 如图所示，自行车的尾灯采用了全反射棱镜的原理。它虽然本身不发光，但在夜间骑行时，从后面开来的汽车发出的强光照到尾灯后，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车。尾灯的原理如图所示，下面说法中正确的是 A.汽车灯光应从左面射过来在尾灯的左表面发生全反射B.汽车灯光应从左面射过来在尾灯的右表面发生全反射C.汽车灯光
8、应从右面射过来在尾灯的左表面发生全反射D.汽车灯光应从右面射过来在尾灯的右表面发生全反射 解：利用全反射棱镜使入射光线偏折180，光线应该从斜边入射，在两个直角边上连续发生两次全反射。所以选C。3.玻璃砖所谓玻璃砖一般指横截面为矩形的棱柱。当光线从上表面入射，从下表面射出时，其特点是：射出光线和入射光线平行；各种色光在第一次入射后就发生色散；射出光线的侧移和折射率、入射角、玻璃砖的厚度有关；可利用玻璃砖测定玻璃的折射率。【例8】 如图所示，两细束平行的单色光a、b射向同一块玻璃砖的上表面，最终都从玻璃砖的下表面射出。已知玻璃对单色光a的折射率较小，那么下列说法中正确的有 a bA.进入玻璃砖后
9、两束光仍然是平行的B.从玻璃砖下表面射出后，两束光不再平行C.从玻璃砖下表面射出后，两束光之间的距离一定减小了D.从玻璃砖下表面射出后，两束光之间的距离可能和射入前相同解：进入时入射角相同，折射率不同，因此折射角不同，两束光在玻璃内不再平行，但从下表面射出时仍是平行的。射出时两束光之间的距离根据玻璃砖的厚度不同而不同，在厚度从小到大变化时，该距离先减小后增大，有可能和入射前相同（但左右关系一定改变了）。4.光导纤维全反射的一个重要应用就是用于光导纤维（简称光纤）。光纤有内、外两层材料，其中内层是光密介质，外层是光疏介质。光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界面，都要求入射角大于临界角，从
10、而发生全反射。这样使从一个端面入射的光，经过多次全反射能够没有损失地全部从另一个端面射出。【例13】 如图所示，一条长度为L=5.0m的光导纤维用折射率为n=的材料制成。一细束激光由其左端的中心点以= 45的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出。求：该激光在光导纤维中的速度v是多大？该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少？解：由n=c/v可得v=2.1108m/s由n=sin/sinr可得光线从左端面射入后的折射角为30，射到侧面时的入射角为60，大于临界角45，因此发生全反射，同理光线每次在侧面都将发生全反射，直到光线达到右端面。由三角关系可以求出光线在光纤中通过的总路程为s
11、=2L/，因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间是t=s/v=2.710-8s。五、各光学元件对光路的控制特征（1）光束经平面镜反射后，其会聚（或发散）的程度将不发生改变。这正是反射定律中“反射角等于入射角”及平面镜的反射面是“平面”所共同决定的。（2）光束射向三棱镜，经前、后表面两次折射后，其传播光路变化的特征是：向着底边偏折，若光束由复色光组成，由于不同色光偏折的程度不同，将发生所谓的色散现象。（3）光束射向前、后表面平行的透明玻璃砖，经前、后表面两次折射后，其传播光路变化的特征是；传播方向不变，只产生一个侧移。（4）光束射向透镜，经前、后表面两次折射后，其传播光路变化的特征是：凸透镜使光
12、束会聚，凹透镜使光束发散。六、各光学镜的成像特征物点发出的发散光束照射到镜面上并经反射或折射后，如会聚于一点，则该点即为物点经镜面所成的实像点；如发散，则其反向延长后的会聚点即为物点经镜面所成的虚像点。因此，判断某光学镜是否能成实（虚）像，关键看发散光束经该光学镜的反射或折射后是否能变为会聚光束（可能仍为发散光束）。（1）平面镜的反射不能改变物点发出的发散光束的发散程度，所以只能在异侧成等等大的、正立的虚像。（2）凹透镜的折射只能使物点发出的发散光束的发散程度提高，所以只能在同侧成缩小的、正立的虚像。（3）凸透镜的折射既能使物点发出的发散光束仍然发散，又能使物点发出的发散光束变为聚光束，所以它
13、既能成虚像，又能成实像。七、几何光学中的光路问题几何光学是借用“几何”知识来研究光的传播问题的，而光的传播路线又是由光的基本传播规律来确定。所以，对于几何光学问题，只要能够画出光路图，剩下的就只是“几何问题”了。而几何光学中的光路通常有如下两类：（1）“成像光路”一般来说画光路应依据光的传播规律，但对成像光路来说，特别是对薄透镜的成像光路来说，则是依据三条特殊光线来完成的。这三条特殊光线通常是指：平行于主轴的光线经透镜后必过焦点；过焦点的光线经透镜后必平行于主轴；过光心的光线经透镜后传播方向不变。（2）“视场光路”即用光路来确定观察范围。这类光路一般要求画出所谓的“边缘光线”，而一般的“边缘光
14、线”往往又要借助于物点与像点的一一对应关系来帮助确定。规律方法 一. 用光的折射解释自然现象现象一:星光闪烁与光折射 由于重力的影响，包围地球的大气密度随高度而变化；另外，由于气候的变化，大气层的各处又在时刻不断地变化着，这种大气的物理变化叫做大气的抖动由于大气的抖动便引起了空气折射率的不断变化我们观望某一星星时，星光穿过大气层进入眼睛，于是看到了星光之后由于大气的抖动，使空气折射率发生变化，星光传播的路径便发生了改变，这时星光到达另一地点，我们站在原来的地方就看不见它的光了，便形成一次闪烁大气的抖动是时刻不停的，并与气候密切相关一般大气抖动明显地大气折射率而形成一次闪烁的时间间隔是14秒，所
15、以，我们观望星空时，看到的星光是闪烁的了现象二:蓝天、红日与光散射 光在传播过程中，遇到两种均匀媒质的分界面时，会产生反射和折射现象但当光在不均匀媒介质中传播时，情况就不同了由于一部分光线不能直线前进，就会向四面八方散射开来，形成光的散射现象地球周围由空气形成的大气层，就是这样一种不均匀媒质因此，我们看到的天空的颜色，实际上是经大气层散射的光线的颜色科学家的研究表明，大气对不同色光的散射作用不是“机会均等”的，波长短的光受一的散射最厉害当太阳光受到大气分子散射时，波长较短的蓝光被散射得多一些由于天空中布满了被散射的蓝光，地面上的人就看到天空呈现出蔚蓝色空气越是纯净、干燥，这种蔚蓝色就越深、越艳
16、如果天空十分纯净，没有大气和其他微粒的散射作用，我们将看不到这种璀璨的蓝色比如在2万米以上的高空，空气气体分子特别稀薄，散射作用已完全消失，天空也会变得暗淡同样道理，旭日初升或日落西山时，直接从太阳射来的光所穿过的大气层厚度，比正午时直接由太阳射击来的光所穿过的大气层厚度要厚得多太阳光在大气层中传播的距离越长，被散射掉的短波长的蓝光就越多，长波长的红光的比例也显著增多最后到达地面的太阳光，它的红色万分也相对增加，因此，才会出现满天红霞和血红夕阳实际上，发光的太阳表面的颜色却始终没有变化现象三:光在大气中的折射 光在到达密度不同的两层大气的分界面时，会发生光的折射气象学告诉我们，空气的密度的大小
17、主要受气压和气温两个条件的影响气压指得是单位面积空气柱的重量大气层包围在地球表面，因此在大气层的低层气压较高，越向上气压越低气压高则空气密度大，气压低则空气密度小因此，正常情况下，总是贴近地面的空气密度最大，越向上空气密度越小温度对空气密度的影响和气压则刚好相反气温越高，空气的体积越膨胀，空气的密度越小；温度越低，空气收缩，则空气的密度变大一般越接近地面温度越高（逆温层是个例外） 根据实测所得，在大多数情况下，温度的上下差别不是太大，而气压上下的差别却很显著，因此气压对空气密度的垂直分布所产生的影响远比气温的影响大，这就使得空气密度经常是越向上越小的（当然减小的情况并不是一成不变的）由于地球上
18、空气的密度随高度的变化，折射率随密度减小而正比例地减小，因此光在大气中传播时，通过一层层密度不同的大气，在各层的分界面处会发生折射，使光线不沿直线传播而是变弯曲，这样当太阳和其他星体的光线进入大气以后，光线就会拐弯，这种现象称天文折射，这使在地面观测得的天体视位置S比实际位置S高 【例9】假设地球表面不存在气层，那么人们观察到日出时刻与实际存在大气层的情况相比（ ）A、将提前 B、将延后 C、在某些地区将提前，在另一些地区将延后 D、不变分析：注意到大气层不均匀的特性解答：由几何光学知识可知，有大气层时，由于地表大气层不均匀，太阳光线经大气折射后向下弯曲，如图所示，地球上观察者看到日出的太阳要
19、比实际位置高，也就是当太阳还在地平线以下时就可以看到太阳的像；而没有大气层时，太阳光线沿直线传播，当太阳在地平线以下时是看不到太阳的。故有大气层时可提前看到日出。二.光的色散问题的分析【例10】abc为全反射棱镜，它的主截面是等腰直角三角形，如图23-3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的位置不变，改变光线的入射方向（不考虑bc面反射的光线）（ ）A、使入射光线按图所示的顺时针方向逐渐偏转，如果有色光射出ab面，则红光将首先射出。B、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，则紫光将首先射出C、使入射光按图中所示的逆时针方向逐渐偏转，红光
20、将首先射出ab面D、使入射光按图中所示的逆时针方向逐渐偏转，紫光将首先射出ab面解答：白光是由红到紫七种色光组成，同一种介质对它们的折射率，从红光到紫光逐渐增大。从同一介质射向空气发生全反射的临界角不同。由公式，n越小，C越大。红光折射率最小，则临界角最大。光垂直入射ac面，在ab面发生全反射，则临界角c45，紫光折射率最大，则临界角最小。当入射光沿顺时针方向偏转时，通过ac面折射后，射到ab面的入射角减小，首先小到红光临界角以下，红光先射出ab面。当入射光沿逆时针方向偏转时，通过ac面折射后，射到ab面的入射角增大，不可能有光从ab面射出。三、折射定律的应用1.边作图边计算有关光的折射和全反
21、射，在解题时首先要判断是否发生全反射，在确定未发生全反射的条件下，再根据折射定律确定入射角或折射角要把计算和作图有机地结合起来，根据数据计算反射角、折射角，算一步画一步，画一步在根据需要算一步。作图要依据计算结果，力求准确。【例11】如图所示，一圆柱形容器的底部有一凹面镜，其主轴与圆柱形容器的轴线重合，一点光源S射向凹面镜的光线，经凹面镜反射平行于主轴，当往容器中注入水后，水面在点光源与凹面镜之间，要使点光源S射向凹面镜的光线，以凹镜反射后互相平行，则点光源就沿主轴 A适当提高； B适当降低； C不动 ；D无法确定移动方向；解析：点光源射向水面的光线要发生一次折射，再射到凹面镜上发生反射，反射
22、的光线互相平行由光路可逆，设光线平行于主轴射向凹面镜，在凹面镜反射后射向水面，在水面上发生折射，由图可知，S/在S的下方，说明了点光源S应适当降低ABCD【例12】 直角三棱镜的顶角=15, 棱镜材料的折射率n=1.5，一细束单色光如图所示垂直于左侧面射入，试用作图法求出该入射光第一次从棱镜中射出的光线。解：由n=1.5知临界角大于30小于45，边画边算可知该光线在射到A、B、C、D各点时的入射角依次是75、60、45、30，因此在A、B、C均发生全反射，到D点入射角才第一次小于临界角，所以才第一次有光线从棱镜射出。2.全反射应用与棱镜 yaxoAB y xo yxo yxo yxo【例14】
23、 如图所示，AB为一块透明的光学材料左侧的端面。建立直角坐标系如图，设该光学材料的折射率沿y轴正方向均匀减小。现有一束单色光a从原点O以某一入射角由空气射入该材料内部，则该光线在该材料内部可能的光路是下图中的哪一个A. B. C. D. i1i2解：如图所示，由于该材料折射率由下向上均匀减小，可以设想将它分割成折射率不同的薄层。光线射到相邻两层的界面时，如果入射角小于临界角，则射入上一层后折射角大于入射角，光线偏离法线。到达更上层的界面时入射角逐渐增大，当入射角达到临界角时发生全反射，光线开始向下射去直到从该材料中射出。【例15】如图所示是三种不同煤质叠放在一起，且界面互相平行媒质l的折射率n
24、1l，媒质2的折射率n2=15，媒质3的折射率n3=13，现有一束单色光射到界面I上，则下列判断正确的是（ ）A该光束可能在界面I上发生全反射 B该光束可能在界面上发生全反射 C该光束可能在界面上发生全反射 D该光束在三个界面上均不能发生全反射 解析：光束是由媒质I而进入其它媒质的，由题意可知媒质I的折射率最小，入射角190三个界面互相平行，那么在同一煤质中的折射角一定等于入射角由折射的知识可得：n1sin1= n2sin2= n3sin3，而n2n3n1，所以，231900，也就是说在三个界面上均不会发生全反射a【例17】 如图所示，一束平行单色光a垂直射向横截面为等边三角形的棱镜的左侧面，
25、棱镜材料的折射率是。试画出该入射光射向棱镜后所有可能的射出光线。解：由折射率为得全反射临界角是45。光线从左侧面射入后方向不发生改变，射到右侧面和底面的光线的入射角都是60，大于临界角，因此发生全反射。反射光线分别垂直射向底面和右侧面。在底面和右侧面同时还有反射光线。由光路可逆知，它们最终又从左侧面射出。所有可能射出的光线如图所示。【例18】平行光束垂直射在等腰玻璃棱镜的底面上，如图所示如果在离棱镜距离L100cm处放一个屏M。在屏幕中央形成宽为2 d=1cm的暗斑求棱镜的折射角。玻璃的拆射率n=157，底面大小为2a5 cm。 解析：作出这束平行光经过玻璃棱镜后的光路图如图所示从图中的光路图可知，棱镜的上半部的折射光线与入射光线的夹角为，入射角为，折射角为（图中没有画出），由于很小，由折射定律可得m=sin/sin，（nl）而 tg（ad）L=3102 =3102rad （nl）3102（1571）rad526102rad=30 高考资源网()来源：高考资源网版权所有：高考资源网(www.k s 5 )版权所有：高考资源网()版权所有：高考资源网()