1、1第2讲 光的折射全反射棱镜 光 的 传 播第十三章2一、光的折射1.光的折射现象：光射到两种介质界面上时，传播方向会发生偏折，我们把在第二种介质中传播的光称为折射光，把这种现象称为光的折射.2.折射定律：折射光线在入射光线和过入射点的法线所决定的平面内；入射光线和折射光线分居于法线的两侧；入射角与折射角的正弦之比对所给定的两种介质来说是一常量.即：12sin.sin 常量33.折射率(1)定义式：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.即说明：此定义式适用光从真空射入介质.若光由介质射入真空，则1是折射角，2是入射角.12sin.sinn4(2)计算式：c是真
2、空中的光速，v是介质中的光速.说明：由于光在真空中的速度大于在介质中的速度，所以折射率总大于1,即v，5一束光从空气射向折射率n=2的某种玻璃的表面，如图14-2-1所示，1表示入射角，则()A.无论入射角1有多大，折射角2都不会超过45B.欲使折射角2=30，应以1=45的角度入射C.当入射角时，反射光线与折射光线恰好互相垂直D.以上结论都不正确图14-2-11arctan2 ABC6因为入射角最大值1max=90，由折射定律sin1/sin2=n，sin2=sin1/n=所以2max=45，故A正确；由sin1/sin2=n知，当2=30时，sin1=nsin2=所以，1=45，即选项B正
3、确；sin90/2=2/2,2sin30=2/2，7当入射角时，有由折射定律有所以cos1=sin2，则1+2=90，所以在图中，OBOC.故选项C也正确.1arctan2 11sin/cos2，12sin/sin2,n 8二、全反射1.光疏介质和光密介质两介质相比较，光速小、折射率大的叫光密介质，光速大、折射率小的叫光疏介质.说明：（1）相对性：比如水相对空气而言是光密介质但对于水晶而言是光疏介质.（2）折射率与介质的密度没有必然的联系，密度大的物质折射率不一定大，比如水的密度大于酒精的密度，而酒精的折射率大于水的折射率.92.全反射(1)定义：光从光密介质射入光疏介质，当入射角增大到某一角
4、度时，折射光线消失，只剩下反射光线的现象.(2)临界角：若光从光密介质(折射率为n)射向真空或空气时，折射角等于90时的入射角，用C表示，可得公式：(3)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.1sin.Cn103.应用(1)光导纤维：实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径只有几微米到一百微米左右；由内芯和外套两层组成的.对于内芯而言，外套是光疏介质，光线在内芯与外套的界面上发生全反射，这样光就能从一端传送到另一端.11(2)海市蜃楼：沙漠上的“海市”：沙漠表面在夏天阳光照射下，空气温度由下而上依次降低，所以形成了下疏上密的空气层.地面上的物体发出的光由上而下传播
5、时就有可能发生全反射，形成“海市”.如图14-2-2甲所示，我们看到的物体的像是倒立的，像水中的倒影.图14-2-212海面上的“蜃景”：海面上的空气在夏天阳光的照射下，空气温度由下而上较均匀的升高.形成上疏下密的空气层，从海面上的物体发出的光由下而上传播时可能发生折射，形成“蜃景”.如图14-2-2乙所示，我们看到的物体的像是正立的，悬浮在空中.图14-2-213光导纤维的结构如图14-2-3所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播.以下关于光导纤维的说法正确的是（）A.内芯的折射率比外套大，光传播时在内芯与外套的界面发生全反射B.内芯的折射率比外套小，光传播时在内芯与外套的界面发生全反射
6、图14-2-3A14C.内芯的折射率比外套小，光传播时在内芯与外套的界面发生折射D.内芯的折射率与外套相同，外套的材料有韧性，可以起保护作用光导纤维是利用光的全反射现象传输信号的，它要求内芯材料的折射率大于外套材料的折射率，这样才能发生全反射现象，才不至于损失信号.15三、棱镜1.棱镜：横截面为三角形或梯形的三棱镜简称为棱镜.2.棱镜对光线的作用(1)光密三棱镜：当光线从一侧面射入，从另一侧面射出时，光线两次均向底面偏折.16(2)光疏三棱镜：当光线从一侧面射入，从另一侧面射出时，光线两次均向顶角偏折.光密三棱镜成像：向顶角方向偏移的虚像.如图14-2-4所示.图14-2-417(3)全反射棱
7、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90(图14-2-5甲)或180(图14-2-5乙).要特别注意两种用法中光线在哪个表面发生全反射.3.应用：自行车的尾灯；潜望镜（利用全反射现象制成的全反射棱镜来代替反射光膜的反射镜，能够减小光能的损失）.图14-2-518如图14-2-6所示，两块相同的玻璃直角三棱镜ABC，两者的AC面是平行放置的，在它们之间是均匀的未知的透明介质.一单色细光束O垂直于AB面入射，则出射光线是()A.1、2、3（彼此平行）中的任意一条都有可能B.4、5、6（彼此平行）中的任意一条都有可能图14-2
8、-6B19C.7、8、9（彼此平行）中的任意一条都有可能D.只能是4、6中的某一条光从两界面平行的未知透明介质射入后将平行原入射光射出，又因为透明的未知介质折射率不确定，所以4、5、6中任意一条都有可能.20四、光的色散1.光的色散：复色光通过棱镜折射后各种色光分开的现象，如图14-2-7所示.2.光的色散现象说明白光是复色光，它由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光组成.在同一介质中，七色光与下面几个物理量的对应关系如下表所示.图14-2-721注意：不同颜色的光在真空中速度相等，均为c=3108m/s.色光红橙黄绿蓝靛紫折射率小大偏折角小大临界角大小频率小大波长大小速度大小223.应用虹和霓：
9、由于同一种介质对不同色光有不同的折射率，各种色光的偏折角不同，所以白光经过棱镜折射后产生色散现象.虹和霓是太阳光被大气中的小水滴折射和反射形成的色散现象.阳光在水滴内经过两次折射和一次反射，形成内紫外红的虹，如图14-2-8所示.阳光经水滴两次折射和两次反射则形成内红外紫的霓，如图14-2-9所示.由于霓多经过一次反射，因此光线较弱，不容易被看到.图14-2-8图14-2-923一束复色光由空气射向一块平行平面玻璃砖，经折射分成两束单色光a、b.已知a光的频率小于b光的频率.如下图所示的光路图中哪个光路图可能是正确的（）B24不管是什么光线通过平行玻璃砖后都应该平行射出，又由于a光的频率小于b
10、光的频率，故a光的折射率小些，偏折程度小些.25如图14-2-12所示，游泳池宽度L15m，水面离岸边的高度为0.5m，在左岸边一标杆上装有一A灯，A灯距地面高0.5m，在右岸边站立着一个人，E点为人眼的位置，人眼距地面高1.5m.若此人发现A灯经水面反射所成的像与左岸水面下某处的B灯经折射后所成的像重合，已知水的折射率为1.3，则B灯在水面下多深处？（B灯在图中未画出）图14-2-1226利用光的反射、折射规律处理实际问题.如图所示，设水面为CF，A到水面C的距离为L1，B灯到C之间的距离为L2，人眼到F之间的距离为L3，C、D之间的距离为L4，A灯由光的反射规律得：ACDEFD，则有：41
11、43LLLLL27代入数据有L45m.对B灯光的折射过程有：则：代入数据得：L24.35m，即B灯在水面下4.35m深处.12225sincos,5CDBL 22215sinsin 5C A DL，21sin1.3sinn，28如图14-2-13所示，巡查员站立于一空的贮液池边，检查池角处出液口的安全情况.已知池宽为L，照明灯到池底的距离为H.若保持照明光束方向不变，向贮液池中注入某种液体，当液面高为时，池底的光斑距离出液口2H.4L图14-2-1329(1)试求当液面高为时，池底的光斑到出液口的距离x.(2)控制出液口缓慢地排出液体，使液面以v0的速率匀速下降，试求池底的光斑移动的速率vx.
12、(1)作出液面高为h时的几何光路图，由图中几何关系可知：23 HxlLhH30由折射定律sin1nsin2有：当时有：当时，解得：（2）由可得：2222LnlLHlh,24HLhl222242LHLhnxHLH，23Hh3Lx 0 xxhtvv02xLvvH31如图14-2-14所示，置于空气中的一不透明容器中盛满某种透明液体.容器底部靠近器壁处有一竖直放置的6.0cm长的线光源.靠近线光源一侧的液面上盖有一遮光板，另一侧有一水平放置的与液面等高的望远镜，用来观察线光源.开始时通过望远镜不能看到线光源的任何一部分.32将线光源沿容器底向望远镜一侧平移至某处时，通过望远镜刚好能看到线光源底端.再
13、将线光源沿同一方向移动8.0cm，刚好可以看到其顶端.求此液体的折射率n.图14-2-1433光的折射现象的应用.作出如图所示的光路图，当线光源上某一点发出的光线射到未被遮光板遮住的液面上时，射到遮光边缘O的那条光线的入射角最小.34若线光源底端在点时，望远镜内刚好可以看到此光源底端，设过O点液面的法线为OO1，则：AOO1=其中为此液体到空气的全反射临界角.由折射定律有：同理，若线光源顶端在B1点时，通过望远镜刚好可以看到此光源顶端，则B1OO1=.设此时线光源底端位于B点.1sinn 35由图中几何关系可得：联立式得：由题给条件可知：代入式得：n1.251sinABAB 221ABBBnAB18.0cm6.0cmABBB，36在一个圆形轻木塞的中心插上一根大头针，然后把它倒放在水平面上，调节针插入的深度，使观察者不论在什么位置都刚好不能看到水下的大头针，如图14-2-15所示，量出针露出的长度为d，木塞的半径为r，求水的折射率.图14-2-1537作出如右图所示的光路图，当A发出的光到达B点时恰好以临界角C入射，因此在AOB中有：由此求得：1sinCn，22sin1tantan1 sin1rCCCdCn，而22drnr